Wiatr i fotowoltaika to najszybciej taniejące i rozpowszechniające się OZE. Ale zależność od pogody wciąż jest problemem. Rozwiązanie wydaje się oczywiste – potrzebny jest magazyn energii elektrycznej, który nadmiar prądu gromadzi i oddaje go w miarę potrzeby.
W idealnym modelu wszystko jest proste, ale jak wiadomo, nic idealne nie jest. Poza ekstremalnymi przypadkami OZE nie wyrastają nagle na energetycznej pustyni, tylko wpinane są do istniejących i działających systemów energetycznych. Takim skrajnym przypadkiem jest efekt zakładu Elona Muska, 100 MW bateria w stanie Australia Południowa. Miejscowe władze chcą mieć jak najwięcej OZE, a jednocześnie stan doświadczył serii blackoutów. Największy z nich wcale nie był spowodowany długotrwałą przerwą w produkcji z wiatru, tylko potężną awarią sieci przesyłowej, którą uszkodził huragan. Bateria Tesli (na zdjęciu) ma zapobiec obydwu powyższym scenariuszom w znacznym stopniu izolowanym od reszty kraju systemie Australii Południowej.
Zespoły baterii o mocy dziesiątków MW wyrastają tymczasem w sieciach, którym blackout na wzór australijskiego nie grozi. Okazuje się bowiem, że mają pewną zdolność, której nie mają inne urządzenia. Za jej użycie operatorzy sieci są gotowi nieźle zapłacić. Chodzi o usługę regulacji częstotliwości, krytycznego dla sieci parametru. Nie wdając się w techniczne szczegóły, częstotliwość spada przy rosnącym obciążeniu, czyli w czasie dużych przepływów energii w czasie wysokich popytu i produkcji. Z kolei spadek obciążenia, albo spadek przepływu powoduje wzrost częstotliwości. Dlatego energetycy tak nie lubią zmian – zwłaszcza szybkich – obciążenia sieci, bo zakłócają częstotliwość i wymagają uruchamiania szeregu środków zaradczych. A obie te sytuacje są charakterystyczne dla systemów z wysokim udziałem zależnych od pogody OZE.
Tymczasem pracująca w sieci bateria może dostarczyć energii, modyfikując przepływy i zmniejszając obciążenie, albo zaabsorbować nadmiar, wywołując dokładnie odwrotny efekt. I może zrobić to bardzo szybko, znacznie szybciej niż jakiekolwiek konwencjonalne źródło. Dobrą analogią jest porównani tradycyjnego dysku twardego z dyskiem na pamięciach flash. Ten drugi startuje wielokrotnie szybciej, choćby dlatego, że nie ma żadnych ruchomych części. Dokładnie tak jak w rzeczywistości sieciowej – szybkość reakcji baterii jest nieporównywalnie większa niż regulacyjnej „gazówki” z wirującymi, a więc i bezwładnymi turbiną i generatorem.
Skoro dla operatora odpowiednio duże i umieszczone we właściwym miejscu baterie są tak pożądane, może zachęcać finansowo do ich budowy. Na przykład hojnie opłacając tzw. usługę pierwotnej regulacji częstotliwości. Czas reakcji ma być bardzo krótki, ale okres usługi także, ponieważ pojemność baterii jest ograniczona, a w ciągu kilku-kilkunastu minut można zorganizować inne środki zaradcze. Na początku roku w Niemczech operatorzy mieli do dyspozycji baterie o mocy 144 MW w takiej usłudze, co było już jedną trzecią rynku pierwotnej regulacji częstotliwości. A kolejne projekty są w budowie, np. 22 MW litowo-jonowa bateria Enela w Cremzow w mocno nasyconej wiatrakami Brandenburgii. Liczba tego typu projektów w Europie nieustannie rośnie.
Wspomnieliśmy o bezwładności wirujących maszyn elektrycznych. Otóż powszechnie uważa się, że tego typu bezwładność w sieci będzie maleć wraz ze wzrostem mocy OZE, zwłaszcza fotowoltaiki, która tego efektu nie wykazuje w ogóle. A to oznacza wzrost szybkości skoków częstotliwości i konieczność posiadania odpowiednio szybkich środków zaradczych. Można znaleźć fachowe prace, w których szacuje się, że w systemie z 50 proc. udziałem wytwarzania z OZE, potrzeba będzie magazynów o mocy rzędu 5 proc. całkowitych zdolności wytwórczych.
W Europie liderem użycia magazynów energii są Wielka Brytania i Niemcy. Powstają tam już baterie niejako sprzężone z konkretnymi, dużymi źródłami OZE. Ale prawdopodobnie to nie samo gromadzenie energii na zapas, ale bieżąca interakcja z siecią będzie ścieżką rozwoju baterii na najbliższej przyszłości. To z kolei będzie wymagało opracowania nowych modeli rynkowych dla tego typu usług.
To co oferuje National Grid dokładnie przeanalizowali autorzy pracy, opublikowanej w zeszłym roku w Applied Energy (zainteresowanych odsyłamy do linku na końcu tekstu) Frequency response services designed for energy storage. D. M.Greenwood, K.Y.Lim, C.Patsios, P.F.Lyons, Y.S.Lim, P.C.Taylor). Jak zauważają, w odpowiedzi na ofertę National Grid, zakontraktowano magazyny o mocy 201 MW, z czego największy pojedynczy ma mieć 49 MW. Jednak istniejący rynek nie uwzględnia lokalizacji magazynu i dodatkowych pozytywnych efektów jego użycia na potrzeby lokalne. Dla efektywnego wykorzystania baterii potrzeba więc nowych schematów rynkowych, biorących pod uwagę więcej zmiennych, niż tylko podstawowa usługa dla operatora przesyłowego. Być może dopiero stworzenie takich mechanizmów rynkowych spowoduje, że magazyn w większym stopniu będzie… magazynem.
Jeżeli chodzi o technologię, to dziś bezwzględnie królują ogniwa litowo-jonowe. Zarówno w wielkich magazynach sieciowych, jak i w domowych akumulatorach, współpracujących z panelami PV na dachu. Kolejne generacje baterii litowo-jonowych będą jednak potrzebne do coraz liczniejszych samochodów elektrycznych. Przy ograniczonej podaży litu może to zahamować spadek cen akumulatorów i skomplikować strategie elektromobilności szeregu krajów. Dla uniknięcia tego efektu należy się spodziewać wzrostu zainteresowania, a więc i większymi nakładami na badania elektrochemicznych baterii przepływowych (redox flow). Co prawda rynkowy debiut domowego ogniwa tego typu skończył się fiaskiem i wycofaniem ze sprzedaży, jednak w kolejce po pierwszy sukces stoi szereg projektów. Ogniwa redox flow mają szereg zalet, chociażby teoretycznie nieograniczoną pojemność. Zależy ona bowiem od ilości odpowiednich elektrolitów, które można magazynować poza samym ogniwem.
Na razie zaporą jest jeszcze cena oraz fakt, że podstawowym typem jest na razie ogniwo oparte o roztwory wanadu, metalu dość rzadkiego i w dodatku mającego szerokie zastosowanie w metalurgii, np. jako dodatek do szlachetnych stali. Na szczęście lista potencjalnych technologii jest bardzo długa. Alternatywą dla wanadu może być np. znacznie tańszy cynk, w dodatku z chemicznego punktu widzenia dużo mniej zjadliwy.
Jak się nieoficjalnie dowiedzieliśmy, badania nad magazynami stabilizującymi pracę sieci w Polsce prowadzi na zlecenie PSE Narodowe Centrum Analiz Energetycznych przy NCBJ.
