Rosnące znaczenie energetyki opartej na źródłach odnawialnych jest faktem. Dziś na same elektrownie słoneczne i wiatrowe przypada ok. 12 proc. z 6,7 TW zainstalowanej na świecie mocy. Prognozy Bloomberg New Energy Finance (BNEF) mówią, że w 2040 roku będzie to 47 proc. z 13,9 TW, które wówczas będą zainstalowane. Już teraz moc energetyki słonecznej i wiatrowej zainstalowanej w Niemczech jest większa niż wszystkich polskich elektrowni. W 2016 roku niemieckie elektrownie słoneczne oraz wiatrowe wyprodukowały 116 TWh energii, co odpowiada ok. trzem czwartym zużycia energii elektrycznej w Polsce.

Słabą stroną energetyki opartej na wietrze i świetle słonecznym jest to, że niekiedy produkuje ona więcej energii niż potrzeba, ale są też chwile – czasami bardzo długie – gdy panel słoneczny lub wiatrak nie produkują prądu albo produkuja go niewiele. Dla fotowoltaniki martwym okresem jest noc, dla wiatraka godziny i dni bezwietrznej pogody. W takich momentach do akcji wejść powinny inne źródła energii. Takie, które można szybko uruchomić, a więc np. wodne elektrownie szczytowo-pompowe albo dostosowane do pracy w szczycie elektrownie gazowe. Takim źródłem są też być magazyny energii.

Dziś dominują baterie

Na magazyny energii postawiła m.in. Tesla, która jest znana przede wszystkim z produkcji samochodów elektrycznych. Jej drugim ramieniem jest produkcja baterii litowo-jonowych, które poza samochodami są instalowane w magazynach energii. Produkcja takich baterii ma być jednym ze źródeł przychodów wybudowanej przez firmą w Reno w Newadzie wielkiej fabryki baterii zwanej Gigafactory.

Magazyny energii wykorzystujące technologię Tesli i produkowane przez nią baterie PowerPack (każda bateria nowej generacji ma pojemność 210 kWh i moc 50 kW) powstały m.in. w Kalifornii, a także poza USA. Największy jak do tej pory projekt budowy magazynu wykorzystującego technologię amerykańskiej firmy ogłoszono w Australii. Magazyn ma mieć moc 100 MW i pojemność 129 MWh.

Podobne rozwiązania o mocy do kilkudziesięciu MW dostarczają m.in. ABB, General Electric i Samsung. Magazyny powstają zazwyczaj przy farmach wiatrowych i elektrowniach słonecznych. Duński Vestas Wind Systems chce produkowane przez siebie turbiny integrować z rozwiązaniami Tesli, a inna duńska firma – koncern energetyczny Dong Energy – planuje instalację magazynów energii przy farmach wiatrowych działających na Morzu Północnym.

Szacuje się, że na wykorzystujące baterie litowe rozwiązania przypadało ok. 97 proc. wybudowanych w ubiegłym roku na świecie magazynów energii. Wadą magazynów opartych na bateriach litowo-jonowych jest ich cena. W Europie dobrej jakości magazyn kosztuje dziś 450-500 euro za 1kWh, co oznacza, że budowa magazynu o pojemności 10 MWh to wydatek rzędu 5 mln euro.

Koncern motoryzacyjny Renault-Nissan przekonuje, że w magazynach zamiast nowych można wykorzystywać zużyte baterie używane wcześniej w samochodach elektrycznych. Chodzi o danie drugiego życia bateriom, które po kilku latach używania mają już zbyt małą pojemność, by zasilać auta, ale nadal można w nich gromadzić energię. Plan Renault-Nissan zakłada, że zgromadzone w magazynie baterie będą miały moc ok. 100 MW. Przy okazji odsunięty zostanie w czasie problem utylizacji zużytych baterii.

Drugie życie kopalń

Choć magazyny oparte na bateriach litowych dominują, to trwają poszukiwania innych rozwiązań. Spore nadzieje pokładane są w wykorzystaniu do magazynowania energii nieczynnych kopalń. W jednych planowane jest uruchomienie elektrowni szczytowo-pompowych, a inne mogłyby być wykorzystywane do magazynowania energii np. w postaci sprężonego powietrza.

Pomysł, by w nieczynnych kopalniach budować elektrownie szczytowo-pompowe, nie jest nowy, jednak dopiero teraz zaczyna być wdrażany. Niemcy planują budowę takich magazynów m.in. w górach Harzu. W lecie tego roku przedstawiciele Jastrzębskiej Spółki Węglowej sygnalizowali, że podobny obiekt mógłby powstać w Suszcu w kopalni Krupiński.

Idea magazynu jest prosta: gdy wiatraki i elektrownie słoneczne produkują więcej prądu niż potrzeba, to nadmiar energii wykorzystywany jest do pompowania wody do położonego wyżej zbiornika. Gdy potrzeby są większe niż produkcja prądu, woda spływając z górnego zbiornika, porusza turbiny, które generują prąd. Im większa różnica poziomów między zbiornikami, tym większa moc może być generowana. Koszt budowy w nieczynnej kopalni elektrowni o mocy 200 MW (wystarcza do zasilenia ok. 400 tys. gospodarstw domowych) szacowany jest na ok. 200 mln euro.

Kopalnie i inne podziemne zbiorniki mogłyby być wykorzystywane także do magazynowania energii w postaci sprężonego powietrza. Gdy energia elektryczna będzie potrzebna, uwolnione powietrze przepuszczane będzie przez turbinę gazową, która będzie generować prąd. 

Sprawność takiego rozwiązania szacowana jest na 45-55 proc., ale może być podniesiona nawet do 80 proc., jeśli rozwiązanie zostanie wzbogacone o odzyskiwanie ciepła ze sprężanego powietrza i jego magazynowanie. Zmagazynowane ciepło wykorzystywane byłoby do ogrzewania powietrza wykorzystywanego w turbinach gazowych.

Alternatywne rozwiązanie to magazynowanie pod ziemię wodoru uzyskiwanego w wyniku elektrolizy. Wodór wykorzystywany byłby do napędzania generujących prąd turbin gazowych lub np. produkcji energii elektrycznej w ogniwach paliwowych. Pierwsze magazyny wodoru o niewielkiej, co najwyżej kilkumegawatowej, mocy działają m.in. w Niemczech, Hiszpanii i Włoszech.

Różnicę poziomów do magazynowania energii chce też wykorzystać amerykański start-up Advanced Rail Energy Storage. Chce do tego używać specjalnych pociągów. Gdy energii jest za dużo, wjeżdżałyby one po specjalnie skonstruowanych torach o nachyleniu 8 stopni na wzgórze, a gdy energia byłaby potrzebna, staczałyby się w dół, generując prąd.

Inny ciekawy projekt ma być realizowany na Morzu Północnym u wybrzeży Belgii. Planowana jest budowa sztucznej wyspy ze zbiornikiem pośrodku. Gdy okoliczne farmy wiatrowe produkować będą więcej prądu, niż jest potrzebne, nadmiar energii wykorzystywany byłby do opróżniania zbiornika. Gdy produkcja prądu przez wiatraki będzie mniejsza od potrzeb, zbiornik byłby napełniany, a napływająca woda będzie napędzała turbiny produkujące prąd.

Jak podkreślają analitycy Bloomberg New Energy Finance, magazyny energii wykorzystujące skroplony wodór, sprężone powietrze i wodę pozwalają przechowywać energię znacznie dłużej niż np. baterie litowo-jonowe, a jednocześnie pozwalają magazynować więcej energii.

Magazyny domowe

Magazyny energii budują nie tylko firmy energetyczne. Instalują je także ci, którzy wytwarzają ze źródeł odnawialnych – głównie dzięki fotowoltanice – energię na własne domowe potrzeby.

Przydatność domowych magazynów energii potwierdziły skutki huraganu Irma. Po jego przejściu na Florydzie bez prądu było ok. 6 mln odbiorców. Jedni zasilanie stracili na kilka lub kilkanaście godzin, a inni na wiele dni. Ale byli też tacy, którzy nie musieli czekać na chwilę, gdy ekipy monterów naprawią zerwane przez huragan linie. Byli nimi ci, którzy zainstalowali w domach Powerwall, domowe magazyny energii produkowane przez Teslę, lub podobne rozwiązania innych producentów, np. Mercedes-Benz.

Powerwall to magazyn energii zbudowany na bazie baterii litowo-jonowych. Wyposażony w zamieniający prąd stały na zmienny falownik (inwerter) magazyn, który może przechować 14 kilowatogodzin energii i ma moc 7 kW w szczycie i 5 kW w trybie ciągłym kosztuje 5,5 tys. dolarów. Do tego trzeba doliczyć 2 tys. dolarów za dodatkowy osprzęt i instalację. Rozwiązania Mercedes-Benz, które mogą zmagazynować do 20 kWh energii kosztują wraz z instalacją i osprzętem do 13 tys. dolarów. Domowe magazyny energii w Wielkiej Brytanii sprzedaje Ikea. Te wyprodukowane dla szwedzkiej firmy w Chinach systemy – poza magazynem w jego skład wchodzą panele słoneczne – kosztują od 3 tys. funtów do ponad 10 tys. funtów w zależności od pojemności magazynu i liczby paneli.

Na razie systemy są drogie, ale – jak przewidują eksperci – ich ceny – podobnie jak w przypadku wielkich magazynów – będą spadały, bo nadal będą taniały baterie litowo-jonowe i panele słoneczne. Niższe ceny są kluczowe dla upowszechnienia takich rozwiązań zwłaszcza w krajach rozwijających się, w których fotowoltanika w przyszłości ma stanowić główne źródło prądu w domach.

Z opublikowanego przez BNEF raportu „New Energy Outlook 2017” wynika, że w 2040 roku takie domowe magazyny energii będą zainstalowane w 74 proc. gospodarstw domowych w Niemczech, w 38 proc. domostw w USA, 55 proc. domów w Chinach i 49 proc. domów w Indiach. Zapewne większość z nich będzie wykorzystywać rozwiązania oparte na bateriach, ale nie można wykluczyć, że pojawią się też inne technologie przydomowego magazynowania energii.

Autor: Tomasz Świderek