Jak elektrownia magazynuje prąd? Metody i przykłady z Polski

Elektrownia nie przechowuje samego prądu, tylko energię: nadwyżkę energii elektrycznej zamienia na inną postać, najczęściej grawitacyjną lub chemiczną, przechowuje ją i w razie potrzeby z powrotem zamienia na prąd. Na dużą skalę robią to dziś przede wszystkim elektrownie szczytowo-pompowe, które gromadzą energię w wodzie w wyżej położonym zbiorniku. Uzupełnieniem są magazyny bateryjne. W Polsce dwie elektrownie szczytowo-pompowe przyłączone do sieci przesyłowej mają łącznie około 1250 MW mocy zainstalowanej.

• Co znaczy, że elektrownia magazynuje prąd?
• Po co elektrownia magazynuje energię?
• Jak działa elektrownia szczytowo-pompowa?
• Jakie są sposoby magazynowania energii w elektrowniach?
• Jak działa bateryjny magazyn energii?
• Jak długo magazyn energii trzyma prąd?
• Jak magazynuje się energię elektryczną w Polsce?
• Jakie są wady i ograniczenia magazynowania energii?
• Na co patrzeć, oceniając technologię magazynowania energii?

Co znaczy, że elektrownia magazynuje prąd?

Magazynowanie energii elektrycznej to trzy kroki: przetworzenie energii z sieci lub z jednostki wytwórczej na inną postać, przechowanie jej i ponowne przetworzenie na energię elektryczną. Tak opisuje to hasło o magazynowaniu energii elektrycznej w Wikipedii. Dlatego mówienie o magazynowaniu prądu jest skrótem myślowym: w magazynie zawsze leży energia w innej formie.

Definicję prawną z ustawy o OZE przytacza e-podręcznik AGH o magazynowaniu energii elektrycznej: magazyn energii to wyodrębnione urządzenie lub zespół urządzeń służących do przechowywania energii w dowolnej postaci. Ten sam materiał zaznacza, że profesjonalne magazynowanie energii w skali świata opiera się obecnie na specjalnych elektrowniach.

Po co elektrownia magazynuje energię?

Magazyn oddziela moment wytworzenia energii od momentu jej zużycia. Energię gromadzi się, gdy produkcja przeważa nad zużyciem, i oddaje, gdy zużycie przeważa nad produkcją, więc elektrownia nie musi dopasowywać produkcji do chwilowego zapotrzebowania.

Zapotrzebowanie na energię zmienia się w ciągu doby. Według hasła Wikipedii magazynowanie pozwala elektrowniom węglowym i jądrowym pracować na stałym poziomie zamiast ciągle zmieniać moc. Kiedy taki zakład może powstać w naszym kraju, opisujemy w tekście elektrownia atomowa w Polsce.

Drugim powodem są odnawialne źródła energii. Wiatr i słońce są niedyspozycyjne, a ich dostępność zmienia się w ciągu doby i roku; bez magazynów takie źródła muszą być wspierane przez elektrownie spalinowe lub jądrowe. Podręcznik AGH dodaje, że produkcja z fotowoltaiki zależy od pory roku, dnia i nocy oraz pogody, dlatego magazyn jest potrzebny w prawie wszystkich autonomicznych systemach zasilania. Ten sam problem zmienności dotyczy małych instalacji, np. domowej elektrowni wiatrowej.

Jak działa elektrownia szczytowo-pompowa?

Elektrownia szczytowo-pompowa magazynuje energię w wodzie: nadwyżką prądu przepompowuje wodę do zbiornika położonego wyżej, a gdy zapotrzebowanie rośnie, wypuszcza ją przez turbiny wodne, które znowu wytwarzają energię elektryczną. To obecnie najczęściej stosowany duży magazyn energii.

1. Nadwyżka: w sieci jest więcej energii, niż w danej chwili zużywają odbiorcy.
2. Pompowanie: woda trafia z dolnego do górnego zbiornika, a energia elektryczna zamienia się w energię potencjalną grawitacji.
3. Przechowanie: woda czeka w górnym zbiorniku do czasu szczytu zapotrzebowania.
4. Oddawanie: woda spływa przez turbiny wodne, a elektrownia oddaje energię elektryczną do sieci.

Hasło o magazynowaniu energii podaje dwa przykłady: elektrownię Żarnowiec, która magazynuje energię w wyżej położonych zbiornikach jako energię potencjalną grawitacji, oraz Ffestiniog w północnej Walii ze zbiornikiem Llyn Stwlan i tamą. Ffestiniog ma cztery turbiny wodne generujące do 360 MW. Hasło to ma jednak oznaczenie wymagające weryfikacji informacji, więc szczegóły z niego traktuj ostrożnie.

Skąd się bierze prąd w elektrowni?

Prąd w elektrowni powstaje z przetworzenia innej postaci energii na energię elektryczną. W elektrowni szczytowo-pompowej źródłem jest energia wody spływającej z górnego zbiornika przez turbiny, w elektrowni węglowej energia paliwa, w jądrowej materiał rozszczepialny, a w wiatrowych i słonecznych wiatr i promieniowanie słoneczne. Według hasła Wikipedii o magazynowaniu energii paliwa kopalne same są magazynem: przechowują prehistoryczną energię słoneczną pochłoniętą przez organizmy żywe.

Jakie są sposoby magazynowania energii w elektrowniach?

Energię można przechowywać w postaci potencjalnej (chemicznej, grawitacyjnej, elektrycznej, termicznej) albo kinetycznej, a sposoby te różnią się wydajnością i maksymalnym czasem przechowywania. W energetyce zawodowej dominuje woda w elektrowniach szczytowo-pompowych, rośnie rola akumulatorów.

Ostatni wiersz pokazuje mniej oczywistą rzecz: według hasła Wikipedii o magazynowaniu energii elektrycznej alternatywą dla gromadzenia prądu jest po prostu wstrzymanie zużycia paliwa, a zapasy paliwa są w porównaniu z magazynami energii elektrycznej bardzo efektywnym magazynem energii.

Jak działa bateryjny magazyn energii?

Bateryjny magazyn gromadzi energię w postaci chemicznej w ogniwach i oddaje ją jako prąd przez falownik. Ładowanie uruchamia w ogniwach reakcje, a rozładowanie je odwraca i zamienia zgromadzoną energię z powrotem w elektryczną.

Według poradnika Hewalex o działaniu magazynu energii taki system składa się z czterech głównych elementów: pakietu baterii, falownika, systemu BMS i okablowania. W akumulatorach litowo-żelazowo-fosforanowych (LiFePO₄) ładowanie przemieszcza jony litu między elektrodami, a podczas rozładowania proces się odwraca. Falownik hybrydowy zamienia prąd stały (DC) z baterii na prąd zmienny (AC) i zarządza ładowaniem oraz rozładowaniem.

Opis zasady działania magazynu energii od Arinea wymienia jako czwarty element system chłodzenia, który utrzymuje właściwą temperaturę akumulatorów. BMS kontroluje ładowanie i rozładowanie, dbając o bezpieczeństwo i wydajność.

Jak wygląda magazyn energii elektrycznej?

Wygląd zależy od skali. W elektrowni szczytowo-pompowej magazynem są zbiorniki wodne na różnych wysokościach, zapora i turbiny wodne. Magazyn bateryjny to zestaw: pakiet akumulatorów, falownik, BMS, okablowanie i chłodzenie, w wersji sieciowej o mocy liczonej w megawatach, w domowej podłączony do instalacji fotowoltaicznej. Jeśli planujesz magazyn przy domu, punktem wyjścia jest produkcja instalacji, którą opisujemy w tekście ile prądu wyprodukuje instalacja fotowoltaiczna 10 kW.

Jak działa magazyn energii, gdy nie ma prądu?

Gdy fotowoltaika przestaje produkować, a budynek dalej pobiera energię, naładowany magazyn się rozładowuje i pokrywa zapotrzebowanie. Po rozładowaniu do ustalonej wartości energia jest pobierana z sieci.

W ciągu dnia kolejność jest odwrotna: energia z paneli trafia najpierw na bieżące zużycie, nadwyżka ładuje magazyn, a gdy magazyn jest pełny, nadmiar trafia do sieci. Ten schemat nie przesądza, czy magazyn zasili dom podczas awarii sieci. To zależy od konfiguracji falownika i magazynu, więc pracę przy zaniku napięcia w sieci potwierdź w dokumentacji konkretnego zestawu.

Jak długo magazyn energii trzyma prąd?

Nie ma jednej wartości: czas zależy od technologii i zadania magazynu. Duże magazyny energii elektrycznej służą dziś głównie do wyrównywania dobowych szczytów zapotrzebowania oraz krótkoterminowego, w ciągu minut lub godzin, podtrzymania zasilania w większej skali.

Różne postacie energii różnią się maksymalnym czasem przechowywania. W akumulatorach ważne jest samorozładowanie: podręcznik AGH wymienia niską szybkość samorozładowania wśród wymagań wobec elektrycznych systemów magazynowania. Do przechowywania długoterminowego wskazuje się zamianę energii na gaz, przy czym źródło tej oceny wymaga weryfikacji.

W przypadku akumulatora czas pracy z jednego ładowania to energia, którą można z niego pobrać (kWh), podzielona przez moc zasilanych odbiorników (kW). Do obliczeń przyjmij mniej niż pełną pojemność z tabliczki, bo magazyn rozładowuje się tylko do ustalonej wartości. Pojemność z czasem też spada: nad ograniczeniem tego spadku i wydłużeniem żywotności trwają prace, o których pisze artykuł Proton Polska o magazynach energii.

Jak magazynuje się energię elektryczną w Polsce?

Największymi polskimi magazynami energii są elektrownie szczytowo-pompowe, a magazyny bateryjne w sieci mają moc liczoną w pojedynczych megawatach. Dane pochodzą z raportu Prezesa URE omówionego w lipcu 2024 r. w artykule GLOBEnergii o magazynowaniu energii w Polsce.

Moc w kW mówi, z jaką szybkością magazyn może oddawać energię, a nie ile energii mieści. Tabela nie pozwala więc porównać pojemności tych obiektów, bo raport w tym zakresie podaje moc zainstalowaną.

Kiedy magazyn energii wymaga koncesji URE?

Koncesji Prezesa URE wymaga każdy magazyn energii elektrycznej o łącznej mocy zainstalowanej większej niż 10 MW. Magazyny o mocy od 50 kW do 10 MW wymagają tylko wpisu do rejestru prowadzonego przez operatora systemu przesyłowego lub dystrybucyjnego.

Kontrola URE pokazała, że rejestr prowadzi tylko 54 ze 191 operatorów, czyli około 28%. Wpisy znalazły się jedynie w pięciu rejestrach największych operatorów, a łącznie zarejestrowano 12 magazynów energii o mocy powyżej 50 kW.

Jakie są wady i ograniczenia magazynowania energii?

Magazyn energii nie jest darmowym buforem: każda technologia ma ograniczenia wydajności, czasu przechowywania, kosztów i wpływu na środowisko.

• Krótki horyzont: duże magazyny elektryczne działają głównie w skali minut, godzin i dobowych szczytów.
• Emisje: przy wyborze magazynu trzeba brać pod uwagę emisję gazów cieplarnianych związaną z jego wytwarzaniem i użytkowaniem.
• Gęstość energii: zapasy paliwa przechowują energię znacznie efektywniej niż magazyny energii elektrycznej.
• Starzenie akumulatorów: pojemność spada z czasem, a żywotność i koszty nadal są przedmiotem prac rozwojowych.
• Bezpieczeństwo: akumulatory wymagają BMS i kontroli temperatury, a przy ocenie technologii liczy się zachowanie przy przeładowaniu, głębokim wyładowaniu oraz potencjał wybuchowy.
• Słabe dane o rynku: większość operatorów nie prowadziła wymaganych rejestrów, więc obraz małych magazynów w Polsce jest niepełny.

Na co patrzeć, oceniając technologię magazynowania energii?

Najważniejsze są sprawność, trwałość i bezpieczeństwo. Podręcznik AGH wymienia listę wymagań wobec elektrycznych systemów magazynowania, którą można potraktować jako listę kontrolną:

• wysoka efektywność energetyczna i mała różnica napięcia między ładowaniem a rozładowaniem,
• długa żywotność i brak efektu utraty pojemności,
• niska szybkość samorozładowania,
• duża dostępność mocy i możliwość szybkiego ładowania,
• łatwe oszacowanie stanu naładowania i stanu zużycia,
• bezpieczne zachowanie przy przeładowaniu lub głębokim wyładowaniu oraz niski potencjał wybuchowy,
• łatwość zwiększania napięcia i pojemności przez łączenie szeregowe i równoległe,
• wysoka niezawodność, niska toksyczność materiałów, łatwy recykling i niskie koszty.

Żadna technologia nie spełnia wszystkich punktów jednocześnie. Dlatego elektrownie szczytowo-pompowe służą do przesuwania dużych ilości energii między porami doby, a magazyny bateryjne do szybkiej reakcji w sieci i w instalacjach przy budynkach.