Jak sprawić, aby energia została z nami na dłużej? Czyli gdzie matematyka spotyka się z fizyką

Czym jest elektrochemiczny magazyn energii?

Dotychczas zaprojektowano i wdrożono wiele metod magazynowania energii w różnorodnych postaciach. Można je podzielić na pięć podstawowych typów, klasyfikując je pod kątem postaci magazynowania energii. Wyróżnia się następujące grupy:

– mechaniczne – zmagazynowanie energii w postaci mechanicznej, tzn. poprzez wprawienie jakiegoś elementu w ruch (koła zamachowe) albo zapewnienie możliwości szybkiego wprawienia w ruch (elektrownie szczytowo- pompowe),

– elektrochemiczne – ulokowanie energii w bateriach,

– elektryczne – zgromadzenie energii w kondensatorach i superkondensatorach,

– chemiczne – przekształcenie energii do postaci określonych związków chemicznych, przede wszystkim w postaci ciekłej (benzyna, ropa naftowa) i gazowej (wodór, gaz ziemny)

– termalne – przechowywanie energii dostępnej dzięki różnicy temperatur substancji magazynującej i otoczenia.

Źródło: www.freepik.com
      

Popularność magazynów energii

Najszybciej rozwijającym się i jednocześnie najpopularniejszym sposobem gromadzenia energii jest magazynowanie elektrochemiczne. W ramach tej grupy zasobników wyszczególnić można kilkanaście typów, wyróżnianych ze względu na zastosowanie oraz wykorzystywane w nich materiały, służące do zmagazynowania energii.

Popularność technologii bateryjnego magazynowania energii rośnie wraz ze wzrostem popularności źródeł OZE (odnawialne źródła energii). Wynika to z powiększającej się potrzeby zabezpieczenia stabilnego przepływu energii niezależnie od chwilowej generacji niesterowalnych źródeł, jakimi są elektrownie fotowoltaiczne i wiatrowe. Ta metoda cechuje się licznymi zaletami: uniwersalnością wykorzystania, łatwością montażu w dowolnym miejscu i możliwością dopasowania pojemności czy mocy do lokalnych potrzeb.

Magazyny stają się popularne zarówno w przydomowych instalacjach, jak również w sieciach dystrybucyjnych i przesyłowych, w których mogą wspierać bezpieczeństwo systemu elektroenergetycznego (tzw. magazyny wielkoskalowe). W zastosowaniach sieciowych wykorzystywane są  przede wszystkim magazyny oparte o baterie litowo-jonowe, sodowo-siarkowe i kwasowo-ołowiowe, a ich nazwy wynikają z rodzaju materiałów zastosowanych do budowy danego ogniwa.

Zależnie od technologii baterie różnią się pod kątem uzyskiwanych parametrów. Podstawowymi cechami baterii są gęstość energii, sprawność cyklu pracy ładowania-rozładowania oraz żywotność. Gęstość to parametr określający ilość energii, jaka może być magazynowana w ogniwach, przeliczoną na jednostkę masy lub objętości tych ogniw. Im wyższą ma wartość, tym mniej ogniw jest potrzebnych do zmagazynowania danej ilości energii. Sprawność cyklu pracy oznacza stosunek ilości energii, który możemy pobrać z magazynu, do pierwotnej ilości energii wykorzystanej do jego naładowania. Im wyższy ten wskaźnik, tym mniejsze są straty w eksploatacji. W tabeli poniżej porównano wymienione cechy dla najpopularniejszych typów ogniw.

     
Źródło: Korean Battery Industry Association 2017, “Energy storage system technology and business model”

Elektrochemiczne magazyny energii – zastosowania

Źródło: www.freepik.com
     

Ze względu na to, że magazyn energii może oddawać energię w czasie, gdy inne źródła jej nie dostarczają, katalog jego zastosowań jest dość szeroki. Poniżej przedstawiono kilka najbardziej perspektywicznych:

 1. Poprawa efektywności wykorzystania pobliskich źródeł OZE.

Magazynowanie energii stanowi przełomowe rozwiązanie problemów związanych z wykorzystaniem niesterowalnych źródeł wytwórczych takich jak OZE. Magazyn z odpowiednim systemem sterowania może być ładowany, kiedy zapotrzebowanie na energię jest mniejsze niż produkcja z OZE, a rozładowywany w sytuacji odwrotnej. W konsekwencji rozwiązanie wpływa na zwiększenie ilości energii możliwej do wygenerowania przez źródła wytwórcze, niezależnie od chwilowego zapotrzebowania i produkcji. Dobudowanie magazynu energii do sieci z OZE może również poprawić jakość energii dostarczanej z tych źródeł.

 2. Zapasowe źródło zasilania.

W sytuacjach awaryjnych lub podczas planowanych remontów odcinka sieci dystrybucyjnej, magazyny energii mogą zastąpić podstawowe źródło energii. Rozwiązanie takie pozwala na poprawę wskaźników sieciowych dotyczących częstości i ilości przerw w zasilaniu (SAIDI i SAIFI).

 3. Wydłużenie bezpiecznej eksploatacji infrastruktury dystrybucyjnej.

Taki sposób pracy magazynu może być wykorzystywany na odcinkach sieci dystrybucyjnej (transformatory, kable, przewody), które są znacznie obciążone, co skutkuje brakiem możliwości przyłączenia dodatkowych odbiorców. Dzięki lokalnemu podłączeniu magazynu możliwe jest uniknięcie przepływu mocy ponad próg obciążalności, co ogranicza nakłady inwestycyjne konieczne na danym odcinku sieci.

 4. Zmniejszenie wielkości mocy szczytowej, potrzebnej do chwilowego zasilenia odbiorów.

W przypadku gdy zapotrzebowanie na moc przekracza ustalone parametry, część energii, zamiast z sieci może być pobierana z magazynu. Zastosowanie to częściowo wiąże się z wcześniejszym rozwiązaniem, warto jednak wymienić je oddzielnie, ponieważ stanowi wartościowy sposób zmniejszenia kosztów zamawiania mocy, możliwy do wykorzystania również w chwilowych szczytach obciążeń sieci trakcyjnej.

Przykłady realizacji

W 2017 roku moc wielkoskalowych magazynów energii na całym świecie wynosiła 10 GW. Najczęściej instalacje takie są wykorzystywane w celu świadczenia usług sieciowych – pracują jako dodatkowe źródło energii (w tym dla sieci izolowanych), wspierają wytwarzanie energii z OZE i umożliwiają opóźnienie inwestycji w infrastrukturę przesyłową i dystrybucyjną.

Jedną z najbardziej znanych instalacji magazynujących jest farma wiatrowa Hornsdale (moc 100 MW, pojemność 129 MWh) wybudowana przez Teslę w oparciu o ogniwa litowo-jonowe. Jej celem jest regulacja częstotliwości, ponadto stanowi zasobnik energii na wypadek braku mocy w systemie. Tesla przygotowuje się do kolejnego projektu w Australii o planowanej mocy magazynu na poziomie 300 MW, co stawia ją w czołówce aktualnie realizowanych instalacji.[1]

Włoski operator sieci przesyłowej, Terna, zrealizował trzy instalacje na południu kraju służące wsparciu pracy sieci o zbyt niskiej przepustowości, wynikającej z dużej ilości energii wytwarzanej lokalnie w elektrowniach wiatrowych. Magazyny wykonano w technologii sodowo-siarkowej, moc pojedynczej instalacji to 12 MW, a pojemność 80MWh. Instalacje mogą też świadczyć usługi sieciowe.

Instalację o niższych parametrach zrealizowano przykładowo w amerykańskim mieście San Juan Capistrano. Obiekt wykonany w technologii litowo-jonowej o parametrach 2MW (moc)/6 MWh (pojemność) służy obniżeniu szczytowego zapotrzebowania na moc i uniknięciu kosztownej modernizacji sieci.

Podsumowanie – skuteczne przygotowanie do matury z matematyki

To już koniec tego artykułu. Zachęcamy Cię do skorzystania z kompleksowego przygotowania do matury z historii, dzięki któremu co roku dziesiątki ambitnych licealistów realizuje swoje edukacyjne cele! O szczegółach przeczytasz na dedykowanej zakładce.

Autor tekstu: Damian Artyszak

Źródła:

[1] https://www.bloomberg.com/news/articles/2020-11-05/tesla-project-will-install-another-giant-battery-in-australia

Sprawdź nasze przygotowania do matury w Twojej okolicy!