Korzyści i wyzwania związane z magazynowaniem energii

Coraz większa popularność odnawialnych źródeł energii (OZE), wynikająca zarówno z regulacji unijnych i przepisów krajowych, jak i wysokich cen energii elektrycznej oraz paliw powoduje również szereg wyzwań.

 W Polsce najpopularniejsze są instalacje fotowoltaiczne (PV), jednak najwydajniej działają one latem przy słonecznej pogodzie. Niestety właściciele domów jednorodzinnych z fotowoltaikę, którzy oddaja andmiat wyprodukowanej energii do sieci, napotykają na różne bariery, z których najgłośniejszą jest tzw. net-metering. Takie przeszkody, a także rosnąca liczba prosumentów oraz rozwój infrastruktury fotowoltaicznej na świecie spowodował, że stworzenie efektywnych technologii magazynowania energii stało się po prostu niezbędne. W artykule opiszemy różne rozwiązania tego problemu.

Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w Polsce

Według danych z końca sierpnia 2024 r w Polsce moc zainstalowana instalacji fotowoltaicznych wyniosła około 19,6 GW, czyli 62% łącznej mocy odnawialnych źródeł energii. Na dalszych miejscach znalazły się: elektrownie wiatrowe: 9,7 GW / 30%, wodne: 0,98 MW/31,11%, biomasowe: 0,97 MW/3,06%,  biogazowe: 0,31 MW/0,97% oraz hybrydowe: 0,06 MW/0,02%. Widzimy zatem, że fotowoltaika zdecydowanie przoduje, co zresztą widać po licznych panelach na budynkach oraz farmach pod miastami. Liczby i moc systemów wykorzystujących odnawialne źródła energii stale wzrasta, co odgrywa kluczową rolę w ograniczeniu emisji gazów cieplarnianych, poza tym zasoby paliw kopalnych kurczą się.

Ustawa o OZE i jej nowelizacje a właściciele systemów fotowoltaicznych

W naszym kraju wszystkie kwestie związane z zieloną energią w Polsce reguluje Ustawa o OZE z 2015 r. Niestety od kwietnia 2022 roku zaczęła obowiązywać jej nowelizacja, która wprowadziła istotną zmianę w systemie rozliczeń prosumentów z operatorami siecią energetycznej. Przedtem prosumenci rozliczali się z dostawcą w systemie net-metering, czyli mogli odebrać za darmo 70-80% energii wprowadzonej do sieci. Znowelizowana ustawa wprowadziła dla wszystkich nowych prosumentów bardzo niekorzystny dla nich system net-billing, polegający na rozliczaniu się za operatorem na podstawie dynamicznych cen prądu, aktualnych stawek rynkowych na Towarowej Giełdzie Energii, zmieniających się co godzinę. W praktyce okazało sie, że prosumenci przesyłają wyprodukowany przez swoje instalacje PV prąd do sieci nawet darmo latem, gdy ceny energii potrafią być nawet ujemne, za to zimą musza płacić znacznie drożej za 1 kWh, niż zwykli odbiorcy (np. 2 zł). System net-billing jest powszechnie krytykowany, jednak prace nad jego ulepszeniem na korzyść prosumentów, przeciągają się. Dlatego jednym z rozwiązań łagodzących skutki tej sytuacji stają się magazyny energii, do których można uzyskać dofinansowanie (rządowy program „Mój prąd”).

Innym ograniczeniem dla OZE jest tzw. ustawa wiatrakowa z 2016 r. Wprowadziła ona zasadę 10 H, zgodnie z którą odległość wiatraków od zabudowań musi wynosić co najmniej 10-krotność długości turbiny wraz z łopatą. W praktyce znacząco ogranicza to możliwości rozwoju elektrowni wiatrowych, ponieważ zabudowa w kraju jest gęsta i niewiele wskazuje na to, by miało się to zmienić. Jednak niedawno temat powrócił, ponieważ nowelizacja i liberalizacja tych przepisów była jedną z najważniejszych obietnic rządu Donalda Tuska. Chodzi przede wszystkim o zmniejszenie minimalnej odległości od zabudowań z 700 do 500 metrów oraz ostateczne zlikwidowanie zasady10H. Jeszcze w styczniu 2025 r projekt znowelizowanej ustawy ma trafić do Stałego Komitetu Rady Ministrów a potem do parlamentu. Napotyka jednak opór ze strony ministerstw: rolnictwa, infrastruktury oraz kultury. Według prezesa Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej nasz kraj traci wskutek obecnych przepisów wielkie sumy pieniędzy.

Czym są magazyny energii i jakie dają korzyści

Obecnie istnieje kilka technologii magazynowania energii elektrycznej. Najbardziej znane i rozpowszechnione są znane od lat akumulatory czy baterie. Mogą one wielokrotnie być ładowane prądem elektrycznym, np. z ogniw fotowoltaicznych w dzień, a następnie wykorzystywane do zasilania urządzeń domowych w nocy czy podczas złej pogody. Gromadzenie i uwalnianie energii w akumulatorach odbywa się poprzez reakcje chemiczne.

W domowych magazynach energii wykorzystuje się głównie baterie litowo-jonowe (Li-Ion) takie jak np. w telefonach komórkowych, laptopach czy pojazdach elektrycznych. Współpracują one z inwerterami, które zamieniają napięcie stałe z ogniw na zmienne, jednofazowe 230 V lub trójfazowe 400 V, 50 Hz, takie jak w sieci energetycznej. Ich podstawową zaletą jest duża pojemność w stosunku do masy, znacznie większa niż w przypadku akumulatorów ołowiowych stosowanych w samochodach z silnikiem spalinowym. Współcześnie stosuje się 6 rodzajów baterii Li-Ion, z tego w domowych magazynach energii głównie 2: LFP (litowo-żelazowo-fosforanowe, mają opinię najbezpieczniejszych) i NMC (litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe; maja pojemność w stosunku do masy większą o 10% ). Te drugie do niedawna były standardem w samochodach elektrycznych, jednak po licznych pożarach, nagłaśnianych w mediach, producenci aut stopniowo przechodzą na baterie LFP.

Do głównych zalet magazynów energii należą:

§ Zwiększenie niezależności gospodarstwa domowego od dostaw energii elektrycznej z sieci, co ma znaczenie w sytuacjach awaryjnych (np. zerwanie linii energetycznej, przecięcie kabla przez koparkę, powódź).

• Oszczędność kosztów, dzięki wykorzystywaniu nadwyżek zgromadzonej energii elektrycznej, zwłaszcza w okresach jej wysokich cen na TGE.
• Odciążenie elektrowni oraz sieci energetycznej, co pozytywnie wpływa na stabilność napięcia i częstotliwości prądu oraz może zapobiec awariom systemu.
• Możliwość zasilania awaryjnego podczas przerw w dostawie prądu z sieci - podtrzymywanie pracy urządzeń, takich jak np. oprawy oświetleniowe, lodówki, komputery czy sterowniki kotłów C.O. (ważne szczególnie podczas mrozów).
• Działanie na rzecz stan środowiska naturalnego - dzięki wykorzystywaniu energii odnawialnej.

Parametry domowych magazynów energii

Podstawowymi parametrami technicznymi tych urządzeń są:

• Moc, wyrażona w kilowatach (kW). To iloczyn napięcia i prądu, który informuje nas o tym, z jaką intensywnością można ładować i rozładowywać urządzenie.
• Pojemność, wyrażona w kilowatogodzinach (kWh). To iloczyn mocy i czasu przepływu prądu, informujący nas, ile energii jest w stanie pomieścić w sobie dany akumulator (magazyn). Pojemność magazynu energii powinna wynosić co najmniej 1,5 mocy instalacji fotowoltaicznej, określanej w kilowatopikach (kWp). Np. dla w typowej, domowej instalacji PV o mocy około 5 kWp powinnismy wybrać  się magazyn o pojemności 7-7,5 kWh lub większej.
• Napięcie znamionowe, podawane w woltach (V). Istnieją magazyny niskonapięciowe (12, 24, 48 lub 96V) – do zastosowań mobilnych (kampery, jachty) oraz wysokonapięciowe: 240 V, 400 V lub więcej – dla domów.

Wyzwania dla osób zamierzających nabyć magazyny energii oparte na akumulatorach

Podstawowymi wadami obecnie oferowanych magazynów energii dla domów jednorodzinnych są: wysoka cena, stosunkowo niewielka ilość przechowywanej energii oraz ograniczona trwałość ogniw. W 2024 r ceny magazynów o pojemności 7 kWh, wystarczających na kilka godzin zasilania awaryjnego domu, wynosiły od 8 000 do nawet 30 000 zł. Tak duży rozrzut wynika z zastosowanej technologii akumulatorów, dodatkowych funkcji oraz marki.

Magazyny energii możemy podzielić pod tym względem na:

• Produkty klasy premium (cena magazynu 7 kWh to 20000 - 30000 zł). Pochodzą od renomowanych światowych producentów, posiadają większą sprawność, bardziej zaawansowane funkcje zarządzania energią (EMS) oraz lepszą jakość wykonania i dłuższy okres gwarancji.
• Produkty klasy ekonomicznej (cena 8000 – 15000 zł). Wytwarzane w Chinach np. przez znanych tamtejszych producentów elektroniki użytkowej, cieszą się popularnoscią ze względu na zadowalająca jakość za znacznie niższą cenę.

Ponadto konieczne jest prawidłowe dobranie parametrów takiego urządzenia do posiadanej instalacji fotowoltaicznej oraz zainstalowanych w domu odbiorników prądu. Zdarzają się klienci, którzy nie są zadowoleni z zakupu, ponieważ np. posiadają w domu instalację trójfazową (czyli tzw. siłę) oraz inwerter o mocy 6 kW, czyli 2 kW na fazę i podłączyli jednocześnie do jednej fazy czajnik o mocy 2 kW i termowentylator w łazience o mocy 1 kW, czyli łacznie 3 kW. W takiej sytuacji falownik nie da rady zasilić tego obciążenia i zadziała zabezpieczenie. Dlatego warto, aby dom posiadał osobny obwód zasilania awaryjnego, do którego można podłączyć urządzenia wymagające zasilania bezprzerwowego, takie jak np. lodówka. Podłączenie zbyt wielu odbiorników prądu spowoduje, że magazyn energii szybko się rozładuje.

Nowe technologie magazynowania energii

Przykładami nowych technologii, które mogą wspomóc lub zastąpić rozwiązania obecnie stosowane, są:

• Baterie sodowo-jonowe. Podobne do litowo-jonowych, jednak wykorzystują tańszy i dostepny sód o zamiast litu. To nowa technologia, która rozwija się w Chinach i być może rozpowszechni się w Europie.
• Baterie przepływowe. Zawierają one ciecz elektrolityczną na bazie wody, która przepływa między dwiema oddzielnymi komorami lub zbiornikami wewnątrz urządzenia. Magazynowanie energii opiera się w nich na reakcjach chemicznych. Baterie przepływowe są duże i kosztowne, jednak powoli zdobywają popularność.
• Zielony wodór. To gaz produkowany w procesie elektrolizy wody z wykorzystaniem energii pochodzącej wyłącznie z odnawialnych źródeł, takich jak np. panele fotowoltaiczne. Trwaja prace nad wykorzystaniem zielonego wodoru w magazynach energii, jednak istnieje kilka istotnych przeszkód: wysokie koszty wytwarzania, konieczność rozbudowy infrastruktury magazynowania i transportu wodoru czy niewielka efektywność elektrolizy - wymagającej dużych ilości energii elektrycznej.
• Biogaz. Nadwyżki energii z paneli PV mogą być wykorzystane do zasilania procesów technologicznych biogazowni, takich jak ogrzewanie fermentora czy napęd pomp i mieszadeł. Na razie przed tym rozwiązaniem stoi sporo wyzwań.

Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki

Opracowanie redakcja : (T.H.)

Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji portalu www.ogrzewnictwo.pl