100% odnawialnych źródeł energii: Czy możliwe jest magazynowanie energii na masową skalę w przypadku energii odnawialnej?

25 minute read

Zaktualizowano Wed Mar 03 2021

Odnawialne źródła energii mają szansę stać się bardzo popularne

Do tej pory prawdopodobnie masz już dosyć czytania, że „słońce nie zawsze świeci, a wiatr nie zawsze wieje". My również. Ale, niestety, jest to prawdziwy problem.

Magazynowanie energii jest trudnym zadaniem. Jest tak trudne, że sieć elektryczna jest zaprojektowana w taki sposób, by zużywać energię elektryczną natychmiast po jej wyprodukowaniu. Pomyśl o tym w ten sposób: kiedy ktoś zapala lampę, elektrownia gdzieś nieznacznie zwiększa swoją produkcję.

Magazynowanie energii – dlaczego i w jaki sposób?

Aby uzyskać ogólny zarys, możemy podzielić magazynowanie energii na trzy przedziały czasowe:

  • Poziom 1: Sekundy-minuty: Pomaga, gdy chmura tymczasowo przysłania farmę słoneczną lub gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną nieoczekiwanie wzrasta. Aby opisać ten proces używa się terminu „równoważenie obciążenia".
  • Poziom 2: Godziny-dni: Ta forma magazynowania energii pozwala nam wytwarzać energię elektryczną, gdy jest słonecznie lub wietrznie i wykorzystywać ją, kiedy tylko chcemy, na przykład w nocy. Magazynowanie energii na tym poziomie jest często nazywane „pamięcią masową".
  • Poziom 3: Tygodnie-miesiące: Magazynowanie energii na tym poziomie działa zgodnie z porami roku, tak że maksymalna ilość energii elektrycznej jest wytwarzana latem i magazynowana na zimę. Jest to ważne, ponieważ w zimie słońce nie świeci tak mocno (chyba że znajdujemy się w pobliżu równika).

Istnieje wyraźny schemat tego, jakie cechy powinien posiadać każdy typ systemu magazynowania:

Potrzeby w zakresie przechowywania

Magazynowanie poziomu 1 (łatwe)

Zapotrzebowanie na energię elektryczną w Kalifornii 7 maja 2020 r.

Kółko pokazuje rodzaj (często nieoczekiwanych) wzlotów i upadków, z którymi musi sobie radzić magazynowanie poziomu 1. Magazynowanie poziomu 1 może być już realizowane za pomocą różnych typów akumulatorów.

Dzisiejsze baterie są fantastycznymi sprinterami, ale potrzebujemy maratończyka dla magazynowania poziomu 2 i 3. W szczególności wymagamy:

  • Wysokiej skalowalności (dostępność materiałów i przestrzeni)
  • Niski koszt na większą skalę
  • Zdolność utrzymywania ładunku wystarczająco długo

Magazynowanie poziomu 2 (jest to trudne)

Dlaczego potrzebujemy magazynowania przez wiele godzin

Panele słoneczne produkują najwięcej energii elektrycznej w ciągu dnia, ale zapotrzebowanie gospodarstw domowych wzrasta wieczorem. Magazynowanie poziomu 2 pomogłoby nam przechowywać energię elektryczną wyprodukowaną w południe (gdy świeci słońce) do wykorzystania wieczorem.

Przy pewnym obciążeniu podstawowym w postaci zeroemisyjnej energii elektrycznej z elektrowni jądrowych nie potrzebowalibyśmy tak dużo magazynów, ponieważ najniższe punkty krzywej zostałyby przesunięte w górę.

Co więcej, wykorzystując w okresie szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną sterowalne źródła energii elektrycznej, takie jak elektrownie wodne lub gaz ziemny (paliwo kopalne), moglibyśmy osiągnąć 90% czystej energii elektrycznej oraz 10% gazu przy stosunkowo niewielkim zapotrzebowaniu na miejsce do magazynowania.

Dlaczego obciążenie podstawowe i moc dyspozycyjna pomagają

Magazynowanie poziomu 3 (jeszcze trudniejsze)

Odpowiednia ilość sezonowego przechowywania energii zależy od miejsca na Ziemi. Ogólnie rzecz biorąc, im dalej jesteśmy od równika, tym większa jest różnica w nasłonecznieniu pomiędzy miesiącami letnimi i zimowymi. Wpływa to na ilość energii słonecznej, jaką możemy zebrać.

Zapotrzebowanie na sezonowe magazynowanie zależy od miejsca, w którym się znajdujemy

Rozwiązanie poziomu 2 i poziomu 3?

Przyjrzyjmy się niektórym alternatywom dla akumulatorów i wodoru. (Pamiętaj, że ładowanie oznacza wprowadzanie energii do środka, a rozładowywanie – pobieranie energii)

  • Elektrownia szczytowo-pompowa: Ładowanie przez pompowanie wody pod górę. Magazynowanie w zbiorniku. Rozładowanie przez spływającą wodę, która obraca turbiną.
  • Akumulatory przepływowe: Działają jak normalne akumulatory, ale katoda i anoda są cieczami.
  • Magazynowanie termiczne: Duża lodówka. Ładowanie poprzez używanie energii elektrycznej, żeby ogrzać jedną substancję, a schłodzić inną. Rozładowanie poprzez używanie różnicy temperatury do obracania turbiną.
  • Skroplone powietrze: Ładowanie poprzez chłodzenie i sprężanie powietrza, aż stanie się cieczą. Magazynowanie w zbiorniku. Rozładowywanie poprzez pozwolenie mu na powrotną zamianę w gaz i napędzanie turbiny.
  • Sprężone powietrze: Ładowanie poprzez sprężanie powietrza. Magazynowanie go pod ziemią. Rozładowanie poprzez dekompresję i wypuszczenie, by obracało turbinę.
  • Koła zamachowe: Ładowanie poprzez bardzo szybkie obracanie dużego rotora. Rozładowanie poprzez zamianę energii rotacyjnej w ciepło lub energię elektryczną.

Zanim dojdziemy do konkluzji, omówimy pokrótce sposób działania każdego z nich.

1: Elektrownia szczytowo-pompowa

Elektrownia szczytowo-pompowa

97% magazynowania energii elektrycznej odbywa się obecnie za pomocą elektrowni szczytowo-pompowych. W dobrze dobranych lokalizacjach elektrownie szczytowo-pompowe są stosunkowo tanie i mogą ułatwić długoterminowe magazynowanie energii.

Elektrownia szczytowo-pompowa różni się od elektrowni przepływowej, ponieważ elektrownia przepływowa działa dzięki rzece wypełniającej zbiornik – tutaj po prostu magazynujemy energię i nie potrzebujemy rzeki.

Jednak podobnie jak w przypadku elektrowni przepływowych, elektrownie szczytowo-pompowe mają swoje problemy. W wielu krajach nie ma wystarczającej ilości gór, aby zbudować elektrownię szczytowo-pompową (pamiętaj, że wymaga ona pompowania wody pod górę). Tam, gdzie można ją zbudować, trzeba zalać duże obszary ziemi, a istnieją dowody na to, że powoduje to znaczną emisję metanu (CH₄).

Mimo to elektrownie szczytowo-pompowe powinny być stosowane tam, gdzie jest to dopuszczalne z punktu widzenia środowiska naturalnego. W końcu musimy porównać te minusy z alternatywą, jaką jest spalanie węgla i gazu.

2: Akumulatory przepływowe – zbiorniki akumulatorów ciekłych

Akumulator przepływowy

Akumulatory przepływowe wykorzystują płynne anody i katody. Chociaż są one wykonane z innych materiałów niż akumulatory litowo-jonowe (zwykłe akumulatory), zasada działania jest podobna:

  • Ładowanie poprzez przepchnięcie elektronów z katody do anody.
  • Rozładowanie poprzez umożliwienie elektronom przepływu z powrotem przez obwód.

Akumulatory przepływowe mają pewną przewagę nad normalnymi akumulatorami:

  • Pojemność magazynowa (wielkość zbiornika) i moc (powierzchnia elektrody) są od siebie niezależne. Potrzebujesz więcej miejsca? Zrób większy zbiornik. Potrzebujesz więcej mocy? Zwiększ rozmiar obszaru, na którym spotykają się anoda i katoda.
  • Potencjalnie dłuższa żywotność.

3: Magazynowanie termiczne

Możemy używać energii elektrycznej do podgrzewania z prawie 100% wydajnością. Ciepło to może być magazynowane przez kilka godzin, a następnie zamieniane z powrotem na energię elektryczną za pomocą turbiny.

Pompa ciepła do magazynowania termicznego ze stopioną solą i schłodzoną cieczą

Potencjalnie bardziej efektywnym sposobem magazynowania termicznego jest to, co robi twoja lodówka. Wykorzystuje ona energię elektryczną do chłodzenia jednej rzeczy i ogrzewania drugiej. Urządzenie, które to robi – w twojej lodówce i w proponowanej technologii magazynowania – nazywa się pompą ciepła.

W tym przypadku zimno jest przechowywane w cieczy, a ciepło w stopionej soli. Być może pamiętasz „stopioną sól" z rozdziału o energii jądrowej!

„Odwrotnością" pompy ciepła jest silnik cieplny. Silniki cieplne mogą przekształcić różnicę temperatur w energię elektryczną. Ta „różnica temperatur" to po prostu temperatura naszej stopionej soli minus temperatura zimnej cieczy.

4: Skompresowane powietrze – tanie i przyjazne dla środowiska?

Magazynowanie energii ze sprężonego powietrza

W tej formie magazynowania energii powietrze jest przechowywane pod ziemią pod wysokim ciśnieniem i może być później uwolnione w celu napędzania turbiny.

Metoda ta wymaga dużych podziemnych zbiorników, które nie przeciekają. Nie każda dziura w ziemi się do tego nadaje. Teoretycznie istnieje wiele odpowiednich regionów, ale nie jest jasne, czy technologia może się rozwinąć na taką skalę, jakiej wymagałby poziom 2 lub 3.

Do tej pory zbudowano tylko dwie elektrownie, mimo że ludzie pracują nad tym od 1940 roku.

5: Skroplone powietrze

Magazynowanie skroplonego powietrza

Aby doprowadzić powietrze do stanu ciekłego, musi ono zostać sprężone i schłodzone. Skroplone powietrze jest przechowywane w zbiorniku magazynowym. Aby odzyskać energię z systemu, część skroplonego powietrza jest odparowywana.

Gazowe powietrze wypełnia większą przestrzeń niż skroplone powietrze. Kiedy pozwolimy cieczy odparować, możemy wykorzystać ruch rozszerzającego się powietrza do napędzania turbiny, która wytwarza energię elektryczną.

6: Koła zamachowe – obracaj się, obracaj, obracaj

Magazynowanie energii w kołach zamachowych

Możemy magazynować energię poprzez obracanie rotora (zwanego „kołem zamachowym") z bardzo dużą prędkością w próżni.

Jaka to jest forma energii?


Prędkość obrotowa rotora jest zwiększana lub zmniejszana w celu magazynowania lub dostarczania energii elektrycznej. Może być ona regulowana niemal bez opóźnień, co czyni rotory przydatnymi do magazynowania energii na poziomie 1. Koła zamachowe kosztują jednak znacznie więcej niż inne technologie magazynowania energii.

Wszystko zależy od kosztów

Przyjrzyjmy się liczbom dla rozwiniętego kraju takiego jak Stany Zjednoczone. Stany Zjednoczone zużywają 3,95 PWh energii elektrycznej rocznie. To 12 MWh na osobę na rok. Dzieląc to przez 365, otrzymujemy 32 kWh na osobę dziennie. Koszt energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych wynosi 0,18 USD/kWh.

Równanie, którego będziemy używać, to:

Równanie dla kosztu energii elektrycznej z magazynowaniem

Koszt całkowity uwzględnia straty energii z procesu magazynowania. Konwersja energii z jednej formy na inną zwykle wiąże się z utratą energii do środowiska, dlatego na początku musimy wyprodukować (i zapłacić za) więcej energii elektrycznej.

Ceny różnią się w zależności od regionu i dostawcy. Koszt 150 USD/kWh, którego używaliśmy wcześniej, to koszt samej produkcji. Uwzględniając zysk firmy, instalację na miejscu, montaż, wysyłkę oraz koszty badań i rozwoju, ta sama firma (Tesla), która produkuje akumulatory za 150 dolarów, sprzedała niedawno ogromny pakiet akumulatorów operatorowi farmy wiatrowej za 511 USD/kWh.

Średnia oczekiwana cena jest nieco niższa i wynosi 350 USD/kWh. Biorąc to pod uwagę, otrzymujemy

Uśredniony koszt akumulatora (na rok)

Zróbmy to dla wszystkich technologii, które omówiliśmy. (Porównamy dwa typy akumulatorów litowo-jonowych: NCA i LTO. Tak samo przyjrzymy się dwóm typom akumulatorów przepływowych)

Ocena wszystkich technologii magazynowania energii

W takim razie czy któreś z tych rozwiązań są wystarczająco tanie?

Eksperci uważają, że 20 USD/kWh w przypadku skalowalnej i niezależnej od lokalizacji pamięci masowej o bardzo wysokim współczynniku retencji byłoby wystarczająco tanie, aby można ją było powszechnie zastosować.

Dlatego potrzebujemy innowacji i wsparcia rządowego. Oczekuje się, że do 2030 roku akumulatory przepływowe będą kosztować o 66% mniej, a jednocześnie uzyskają dłuższą żywotność i wyższe współczynniki retencji energii.

Próbujemy rozwiązać nierozwiązany problem. Wybór tylko jednej technologii byłby dziś nierozsądny – dlatego fundusze na badania trafiają równolegle do wielu firm.

Tak czy inaczej, prawdopodobnie połączymy wiele rozwiązań, aby zapewnić magazynowanie w regionach o różnych warunkach geologicznych, klimatycznych i gospodarczych.

Jedno jest pewne: Aby uzyskać blisko 100% energii ze źródeł odnawialnych, potrzebujemy tanich, wielkoskalowych rozwiązań w zakresie magazynowania.

Następny rozdział