Zakup magazynu energii, instalacja własnego odnawialnego źródła energii, kompleksowa termomodernizacja budynków są przykładowymi inwestycjami pozwalającymi zredukować miesięczne koszty utrzymania przedsiębiorstw i gospodarstw domowych. Dlaczego ostatnio tak wiele się o tym mówi? Ponieważ przez ostatni rok średnia cena za 1 kWh energii elektrycznej wzrosła o około 29%. Nie dosięgnęła ona jednak grup, które zmieszczą się w rocznych limitach zużycia określonych przez rząd na 2023 rok. Zamrożenie cen spowodowało złudne odczucie niewielkich lub braku podwyżek dla mikro, małych i średnich przedsiębiorstw, gospodarstw domowych, jednostek samorządowych i niektórych podmiotów wrażliwych. Jednak podwyżki te są nieuniknione. Dlatego wiele osób zastanawia się nad kolejnymi inwestycjami, montażem fotowoltaiki oraz magazynowaniem energii.
W tym artykule dowiesz się:
- czym jest magazyn energii,
- jak działa,
- więcej o procesach elektrochemicznych zachodzących w akumulatorach,
- w jakich technologiach wykonuje się najpoopularniejsze magazyny energii elektrycznej,
- jakie są wady i zalety poszczególnych rozwiązań.
Definicja magazynowania energii, czyli czym jest magazyn energii
Nauka pokazuje, że energię magazynować można na różne sposoby przy wykorzystaniu zjawisk fizycznych oraz chemicznych. Do najpopularniejszych należą:
- elektrochemiczne opierające się na akumulatorach np. AGM, LiFePO4, żelowych,
- chemiczne, w których wykorzystywany jest m.in. wodór,
- termiczne, magazynujące ciepło i chłód w zasobnikach.
Definicja magazynu energii zawarta jest w Ustawie o Prawie energetycznym i traktuje go jako instalację umożliwiającą magazynowanie energii.. W celu magazynowania energii elektrycznej zazwyczaj wykorzystuje się akumulatory, w których energia przetwarzana za pośrednictwem zjawisk elektrochemicznych.
Jak działa magazyn energii?
Magazyn energii elektrycznej powinien posiadać zdolność agregowania, przechowywania i przekazywania energii z oraz do odbiorników końcowych, którymi mogą być urządzenia czy sieć elektroenergetyczna. Co to oznacza w praktyce? Chodzi o możliwość gromadzenia energii pochodzącej np. z nadprodukcji z własnej instalacji fotowoltaicznej, możliwość ładowania magazynu z sieci elektroenergetycznej, czy funkcję przekazywania energii do zasilania urządzeń.
Procesy elektrochemiczne zachodzące w akumulatorach
Zasada działania akumulatorów opiera się na procesach elektrochemicznych, do których zachodzi wskutek reakcji bazującej na anodzie, katodzie, elektrolicie oraz separatorze.
Elektrolit jest substancją chemiczną, która posiada zdolność przewodzenia jonów dodatnich i ujemnych oraz neutralnych pomiędzy katodą i anodą
Katoda, czyli elektroda, w której zachodzi zjawisko redukcji. Nazywana jest także biegunem dodatnim podczas wytwarzania energii elektrycznej.
Anoda jest elektrodą, na której zachodzi utlenianie podczas rozładowywania akumulatora. Nazywana jest także biegunem ujemnym.
Separator jest to natomiast materiał znajdujący się pomiędzy anodą a katodą. Charakteryzuje się znaczną porowatością, a w porach znajduje się elektrolit. Separator poprzez mechaniczne rozdzielenie elektrod ma za zadanie zapobiec zwarciu ogniwa.
Proces rozładowywania akumulatorów polega na elektrochemicznym przetworzeniu składników znajdującym się w nim. Elektrony uwalniane na anodzie przekazywane są do katody poprzez separator. Podczas ładowania magazynu proces ten zachodzi w sposób odwrotny.
Najpopularniejsze technologie magazynów energii elektrycznej
Do magazynowania energii służyć mogą akumulatory. Wykorzystywane są między innymi:
- w kamperach do zaopatrzenia podróżujących w prąd,
- przy off-gridowych oraz hybrydowych instalacjach fotowoltaicznych,
- jako element systemu podtrzymującego działanie urządzeń np. pomp ciepła podczas zaników napięcia sieciowego.
Na rynku odnaleźć można magazyny bazujące na ogniwach żelowych, AGM, oraz LiFePO4. Każde z nich posiada inną charakterystykę. Różnią się przede wszystkim sprawnością uzależnioną także od liczby cykli rozładowań, wskaźnikami gęstości energii i mocy, masą, powierzchnią zabudowy czy kosztami związanymi z inwestycją i utrzymaniem.
Zalety i ograniczenia poszczególnych rozwiązań
|
Typ |
Zalety |
Ograniczenia |
|
Klasyczne kwasowo-ołowiowe |
· niedrogie · proste w produkcji · charakteryzuje je wysoki poziom samorozładowania (najwyższy wśród akumulatorów) · poziom samorozładowania: 5-10% miesięcznie · posiadają wysoką moc właściwą · posiadają zdolność do wysokich prądów rozładowania · charakteryzuje je projektowy cykl życia na poziomie 2-5 lat · ilość cykli pracy (rozładowanie do 50% pojemności nominalnej) po których system posiada jeszcze 80% pojemności początkowej, czyli po ilu cyklach akumulator utraci 20% pojemności nominalnej: 300-600 cykli |
· posiadają niską gęstość energii · są cięższe od akumulatorów wykonanych w innych popularnych technologiach · posiadają długi czas ładowania (pełne naładowanie w ciągu 14-16 godzin) · zalecane jest ich przechowanie w stanie naładowania z uwagi na możliwość zasiarczenia · posiadają krótką żywotność · wielokrotne głębokie rozładowanie skraca ich żywotność · wymagają uzupełniania elektrolitu · ich transport z uwagi na ryzyko zapłonu jest niebezpieczny · nie są przyjazne dla środowiska · charakteryzuje je krótki cykl życia około 200-300 cykli rozładowania · cykl życia skracają wysokie udary i wysokie temperatury · charakteryzuje je zasada, im cięższe tym z większe zawartości ołowiu, więc cykl rozładownia trwa dłużej |
|
GEL (żelowe) |
· odporne na wstrząsy i przechylenia · charakteryzuje je niski poziom samorozładowania · zachowują długą żywotność z uwagi na efektywność odprowadzania ciepła · posiadają wysoką wydajność · charakteryzuje je projektowy cykl życia na poziomie 8-12 lat · separator zawarty w akumulatorze lepiej odprowadza ciepło niż maty w akumulatorach AGM · ilość cykli pracy (rozładowanie do 50% pojemności nominalnej) po których system posiada jeszcze 80% pojemności początkowej, czyli po ilu cyklach akumulator utraci 20% pojemności nominalnej: 500-1000 cykli |
· wrażliwe na wahania temperatury · rozładowanie poniżej 50% w temperaturze powyżej 50˚C może spowodować trwałe uszkodzenie · podczas użytkowania możliwe jest wydzielanie wodoru, dlatego niezbędna jest wentylacja miejsca, w którym są zainstalowane · są droższe niż akumulatory AGM · zaleca się ich przechowanie w stanie naładowania
|
|
AGM (Absorbent Glass Mat) |
· odporne na wstrząsy i przechylenia · szczelne · posiadają dużą wytrzymałość cykliczną · bezpieczne z uwagi na ograniczenie niekontrolowanych wycieków kwasu nawet podczas uszkodzenia obudowy · szybki czas ładowania (5x razy szybsze niż akumulatorów żelowych) · charakteryzuje je niska rezystancja wewnętrzna · posiadają dużą gęstość energii, dzięki czemu przy tej samej wydajności są lżejsze niż klasyczne i żelowe · są odporne na działanie niskich temperatur · charakteryzuje je mniejsza podatność na zasiarczenie, nawet w przypadku regularnego ładowania · bardziej przyjazny środowisku niż AGM i kwasowo-ołowiowy z uwagi na mniejszą zawartość elektrolitu · tańsze niż żelowe · nie wymagają konserwacji · bezpieczna głębokość rozładowania nawet do 80% · Poziom samorozładowania 2-5% miesięcznie · charakteryzuje je projektowy cykl życia na poziomie 5-10 lat · ilość cykli pracy (rozładowanie do 50% pojemności nominalnej) po których system posiada jeszcze 80% pojemności początkowej, czyli po ilu cyklach akumulator utraci 20% pojemności nominalnej: 500-700 cykli |
· ulegają powolnemu samorozładowaniu · rozładowanie poniżej 50% w temperaturze powyżej 50˚C może spowodować trwałe uszkodzenie · są nieco droższe niż akumulatory kwasowo-ołowiowe · bardziej wrażliwe na przeładowanie niż żelowe · charakteryzuje je niska gęstość energii · zaleca się ich przechowanie w stanie naładowania
|
|
litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP, LiFePO4) |
· brak efektu pamięci · stałe napięcie rozładowania · uważane są za najbezpieczniejsze akumulatory obecnie dostępne na rynku · brak konieczności ich konserwacji · Poziom samorozładowania <1% miesięcznie · posiadają dużą gęstość energii · posiadają wysoki prąd znamionowy · charakteryzuje je projektowy cykl życia na poziomie 15 lat lub więcej · ilość cykli pracy (rozładowanie do 50% pojemności nominalnej) po których system posiada jeszcze 80% pojemności początkowej, czyli po ilu cyklach akumulator utraci 20% pojemności nominalnej: powyżej 5000 cykli · zastosowanie elektroniki sterującej zapobiega przed głębokim rozładowaniem, przeładowaniem, dużymi prądami co przedłuża żywotność akumulatora |
· wymagają wyposażenia w system BMS, który weryfikuje parametry pracy oraz komunikuje się z inwerterem, co zwiększa poziom bezpieczeństwa użytkowania |
W ostatnich miesiącach sporo też mówi się o magazynach sodowych posiadających bardzo dużą gęstość energii. Ze względu na swoją długą żywotność oraz krótki czas ładowania mogą zrewolucjonizować rynek. Cały czas trwają pracę nad rozwojem tej technologii, która nie jest jeszcze zbyt popularna.
Potrzebujesz magazynu energii w celu podtrzymania działania urządzeń podczas zaniku napięcia z sieci? Posiadasz instalację fotowoltaiczną i nie wiesz jaką technologię magazynu wybrać? Pomożemy. Oferujemy pomoc w doborze oraz instalacji magazynów energii na terenie całej Polski. Skontaktuj się z nami!
Źródła
[1] Główny Urząd Statystyczny, stat.gov.pl
[2] https://www.rachuneo.pl/artykuly/wzrost-cen-pradu
[3] Ustawa Prawo energetyczne, Dz. U. 1997 Nr 54 poz. 348 z poźn. zm.
[4] Magazynowanie energii, K. Rafał, P. Grabowski, Magazyn Polskiej Akademi Nauk 1/65/2021,
[5] https://batteryuniversity.com/