Magazynowanie energii niezbędnym elementem transformacji

Na ogół najbardziej reprezentatywny nurt tych publikacji, poglądów i rozmów jest silnie „zazieleniony" i dominuje w nim przekonanie, że zidentyfikowane przez media hamulce rozwoju OZE (rozliczanie prosumentów w systemie net – bilingu, ograniczenia odległościowe dla energetyki wiatrowej na lądzie oraz zły stan techniczny sieci elektroenergetycznych) są przyczyną wysokich cen energii oraz zanieczyszczenia środowiska, przed skutkami których tylko częściowo i krótkotrwale chronią nas rządowe „tarcze".  

Jest w tych opiniach sporo uproszczeń, jest też sporo prawdy. Przede wszystkim jednak jest nadzieja, że nowe moce zainstalowane w OZE są w stanie radykalnie zmienić strukturę wytwarzania energii elektrycznej w Polsce i obniżyć jej cenę. Ten optymizm udzielił się także autorom kolejnej wersji dokumentu Polityka Energetyczna Polski do roku 2040, który wstępnie został zaprezentowany 4 kwietnia 2023 r. Określa się w nim zużycie energii elektrycznej w 2040 r. aż na 243 TWh (czyli wzrost w stosunku do roku 2022 o 50%). Znajduje tu odzwierciedlenie przekonanie planistów o dynamicznym rozwoju ciepłownictwa bazującego na pompach ciepła i o rozpowszechnieniu elektromobilności. Pokrycie całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną mają wypełnić w 51% źródła odnawialne przy następującej strukturze ich mocy zainstalowanej – fotowoltaika 45 GW, wiatr na lądzie 20 GW, wiatr na morzu 18 GW. Planowany rozwój „dużej energetyki jądrowej" został uzupełniony o reaktory modułowe i zwiększony do 8 GW. Projekt określa malejący, ale zauważalny i istotny udział energetyki węglowej oraz gazowej (odpowiednio 13 GW i 11 GW). Istotność tego udziału wynika z pozostawienia w pracy nowych jednostek konwencjonalnych (Kozienice, Opole, Jaworzno, Dolna Odra, Ostrołęka, Włocławek, Stalowa Wola, Siekierki) o dużym stopniu elastyczności, zdolnych do bilansowania zapotrzebowania w warunkach zmieniających się warunków wiatrowych i słonecznych.  

Z różnych powodów ostateczne i oficjalne przyjęcie zmodyfikowanego dokumentu PEP2040 nie miało miejsca i zostało przesunięte na przełom roku 2023 i 2024, ale jego zasadnicza cecha została już wyraźnie wyodrębniona – funkcja jednostek OZE z segmentu generacji dodatkowej (wersja PEP z 2021 r.) przesuwa się do segmentu generacji decydującej o pokryciu całorocznego zapotrzebowania kraju na energię elektryczną i zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego. Przyjmując do wiadomości oczywisty fakt zmienności wartości mocy generowanej w OZE i ograniczenia technologiczne związane z wymuszaniem częstych zmian mocy generowanej w jednostkach konwencjonalnych, problem bilansowania zapotrzebowania i generacji w systemie elektroenergetycznym jawi się jako łamigłówka nie dająca się sensownie rozwiązać. Kluczem dającym szansę na przybliżenie się mimo wszystko do rozwiązania problemu jest magazynowanie energii.  

Historii technik magazynowania energii można doszukiwać się nawet w starożytności – było nim pompowanie wody przez urządzenia napędzane energią wiatrową. Gromadzenie energii elektrycznej z punktu widzenia pojedynczego konsumenta to przede wszystkim akumulatory rozruchowe pojazdów spalinowych oraz baterie wszelkiego rodzaju urządzeń elektronicznych. Warto zauważyć, że jednostką określającą pojemność akumulatorów samochodowych jest Ah (amperogodzina), co świadczy o fakcie nieprzywiązywania uwagi do ich właściwości magazynowania energii tylko do zdolności zapewniania odpowiedniego prądu rozruchowego. Te zdolności magazynowania energii są bowiem w bateriach rozruchowych małe i ograniczają się na ogół do jednej kilowatogodziny (kWh). Urządzenie określane jako „powerbank" to z kolei energia rzędu 0,1 kWh. Jak więc można zauważyć, wielkoskalowe magazynowanie energii to technologie i urządzenia, z którymi przeciętny jej konsument nie miał do tej pory do czynienia. 

Mówiąc o magazynowaniu energii elektrycznej należy zawsze określić jego skalę - ile kilo, mega, czy terawatogodzin energii może zostać zgromadzone i jaka jest znamionowa moc, którą możemy z tego magazynu pobierać. Tym samym typowy domowy magazyn energii (zbudowany przy wykorzystaniu baterii litowo\-jonowych) współpracujący z fotowoltaiczną instalacją prosumencką o mocy 2,5 kW i pojemności 5 kWh naładowany w 100% będzie się rozładowywał (i potem ładował) w przeciągu dwóch godzin. Stąd nazwy magazynów bateryjnych – magazyn jednogodzinny, dwugodzinny, czterogodzinny świadczą o ich pojemności.  

Uporządkowaną informację o technologiach magazynowania energii elektrycznej, a w szczególności o wielkości energii, która można za pomocą tej technologii zgromadzić, pokazano na rysunku poniżej.

Z powyższego rysunku wynika wyraźny podział technologii magazynowania energii – z jednej strony krótkoterminowe (super-kondensatory, koła zamachowe, baterie, sprężone i skroplone powietrze), z drugiej długoterminowe (wodór, syntetyczny metan) oraz średnioterminowe, w której zasadniczą pozycję zajmują elektrownie szczytowo – pompowe

(ESP). Możliwości gromadzenia energii przy tej technologii to kilka – kilkanaście gigawatogodzin, a okres „rozładowania" ESP może sięgać doby. Na ogół wartości charakteryzujące duże elektrownie szczytowo - pompowe to moc rzędu 1000 MW i pojemność od 10 do 12 GWh.

Zasada działania elektrowni szczytowo-pompowej jest powszechnie znana. Energia potencjalna wody zgromadzonej w górnym zbiorniku i płynącej w dół rurociągami zmienia się w energię kinetyczną, a w znajdujących się na krańcach rurociągów hydrozespołach, w energię elektryczną. Pomimo prostoty zasady działania elektrownie szczytowo – pompowe są zaawansowanymi budowlami hydrotechnicznymi.

Energia potencjalna dziesięciu milionów metrów sześciennych wody zgromadzonej w górnym zbiorniku przykładowej ESP położonym 200 metrów powyżej zbiornika dolnego to 20 000 GJ. Po konwersji na energię elektryczną uzyskuje się z tej wody (po uwzględnieniu sprawności konwersji na poziomie 90%) 5000 MWh, co przy trwaniu procesu rozładowania przez 10 godzin, wskazuje na moc rozważanej ESP wynoszącą 500 MW. O ile jako dolne zbiorniki wykorzystywane są często zbiorniki naturalne (np. Jezioro Żarnowieckie) o tyle zbiorniki górne powstają w efekcie pracochłonnych działań inżynierskich. Przyjmując, że głębokość takiego zbiornika to 10 m, jego powierzchnię szacuje się na jeden kilometr kwadratowy (100 hektarów). Wkomponowanie tak dużego zbiornika i systemu rurociągów do naturalnego ekosystemu obiektu jest dużym wyzwaniem, ale w przypadku trzech największych ESP w Polsce (Żarnowiec 716 MW, Porąbka Żar 540 MW, Żydowo 156 MW) wybudowanych w latach 1983,1979 i 1971, wyzwaniem zakończonym pełnym powodzeniem. Zastrzeżenia zgłaszane generalnie wobec hydroenergetyki wielkoskalowej są w przypadku ESP relatywnie najmniejsze. Najbliższe plany spółek energetycznych to dokończenie budowy ESP Młoty (750 MW, obiekt rozpoczęty w latach osiemdziesiątych) oraz poszukiwanie lokalizacji dla kilku innych obiektów (Rożnów II, Tolkmicko).

Uzupełnieniem klasycznych elektrowni szczytowo-pompowych są wodne elektrownie przepływowe, w których zastosowane są hydrozespoły odwracalne (Solina, Dychów, Nidzica). Przewaga obszarów nizinnych występujących w Polsce utrudnia znalezienie miejsc dla naturalnej lokalizacji ESP takich, jakie można spotkać w krajach alpejskich czy Skandynawii. Stąd poszukiwania rozwiązań niekonwencjonalnych - wykorzystanie terenów odkrywkowych po wyczerpaniu pokładów węgla brunatnego, lub nawet wyeksploatowanych kopalń głębinowych węgla kamiennego. Wspominana wcześniej nowelizacja dokumentu PEP 2040 przewiduje dla ESP finalnie moc 4,8 GW. Powstaje pytanie, czy nawet w przypadku znalezienia korzystnych warunków terenowych dla akceptowanych społecznie projektów ich budowa będzie miała uzasadnienie ekonomiczne. Należy bowiem liczyć się z kosztami sięgającymi 15 mln złotych za 1 MW mocy zainstalowanej w ESP.

Jeszcze 20-30 lat temu analiza ekonomiki ESP była łatwa – tania energia dostępna w godzinach nocnych wykorzystywana była do pompowania wody do zbiornika górnego, z którego z kolei była ona spuszczana podczas szczytu dziennego lub wieczornego i wspierała możliwości generacji konwencjonalnej. System, w którym rysuje się przewaga mocy zainstalowanej w OZE, stawia przed magazynami energii zupełnie inne zadania. Okres wysokiej generacji fotowoltaicznej to najczęściej również okres najniższych cen i właśnie zagospodarowanie energii generowanej w ciągu dnia może być największym wyzwaniem dla ESP. Dla energii zgromadzonej w górnych zbiornikach należy znaleźć „okna zapotrzebowania" pamiętając, że kolejne nadmiary taniej energii mogą pojawić się w podczas nocnych okresów silnego wiatru. Te warunki mogą się zmieniać w zależności od pory roku.

W tym miejscu należy zadać sobie pytanie, jaką funkcję ma obecnie spełniać w „zielonym" systemie elektroenergetycznym magazynowanie energii. Odpowiedź na to pytanie z ,jednej strony jest prosta – powinna być to funkcja komercyjna (zwana też arbitrażem, czyli osiąganiem przychodu na podstawie różnicy cen pomiędzy energią pobieraną z sieci i wprowadzana do niej). Ale to tylko część odpowiedzi – magazyny powinny pełnić także (lub nawet przede wszystkim) funkcję regulacyjną. Co ten termin dokładnie oznacza – tego niestety określić nie jest łatwo.

Sens działania systemu elektroenergetycznego prądu przemiennego polega na tym, że jest on w stanie permanentnego procesu bilansowania, czyli równoważenia podaży i popytu. Jednostki konwencjonalne z uwagi na swoją wysoką dyspozycyjność (gotowość do pracy) oraz regulacyjność (możliwość regulacji mocy w dół i w górę) były w stanie w przeszłości zapewnić to bilansowanie. Dyspozycyjność źródeł OZE jest przewidywalna, ale pozostaje poza wolą ludzi – rządzi nią natura. Regulacyjność ma tylko jeden kierunek – w dół. Tym samym system elektroenergetyczny przyszłości (niedalekiej) to konieczność wypełnienia okresów niezbilansowania (trwających minuty, godziny lub nawet dni) przy równoczesnym wykorzystaniu energii przekraczającej zapotrzebowanie, (pojawia się termin „nadprodukcja" zupełnie nieznany w tradycyjnej elektroenergetyce). Rozpisując ostatni rok scenariusza podanego w PEP 2040 na 8760 godzin, przy uwzględnieniu zmienności pogodowej i pasma generacji wymuszonej (między innymi atom) uzyskuje się następujący roczny przebieg mocy koniecznej do zbilansowania – przy czym nad osią czasu to niezbilansowanie zapotrzebowania, a pod nią nadprodukcja.

Intuicyjnym rozwiązaniem problemu braku mocy bilansujących jest wykorzystywanie mocy nadmiarowych i tak też rozumiany jest sens magazynowania energii. Można także stwierdzić, że zapewnienie bilansowania ma dla wszystkich podmiotów przyłączonych do systemu wymierną wartość i uzyskane w ten sposób przychody pozwalają na uzasadnienie wysokich kosztów inwestycyjnych magazynowania. Ale dokładniejsza analiza zapotrzebowania na energię krążącą pomiędzy źródłami a odbiorami via magazyny i sieć wskazuje na fakt, że jest ono niemożliwe do spełnienia bez zastosowania technologii

magazynowania długoterminowego (rysunek 1). Przy planowanej w PEP 2040 mocy magazynów bateryjnych wynoszącej 5 GW ich pojemność na poziomie 10 GWh jest w stanie jedynie łagodzić zamiany obciążenia (ang. smoothing) ułatwiając pracę szczytowym jednostkom konwencjonalnym, których obecność w systemie po roku 2030 będzie wciąż niezbędna. Tylko część magazynów bateryjnych będzie się nadawała do aktywnego udziału w procesie regulacyjnym, pozostałe będą pracowały zgodnie z impulsami cenowymi i analizą opłacalności. W oczekiwaniu na przełomowe rozwiązania w zakresie technologii wodorowych zapewniających efektywne magazynowanie długoterminowe, szczególna rola przypada zatem elektrowniom szczytowo-pompowym. Ich przewidywana pojemność na poziomie 50 GWh oraz wysoka dyspozycyjność i możliwość regulacji, stanowić będzie znaczący potencjał regulacyjny pozwalający na częściowe opanowanie problemów wiążących się z pracą systemu elektroenergetycznego tak mocno nasyconego jednostkami OZE.

Potwierdzeniem tej opinii jest rysunek 3, na którym w uporządkowany sposób pokazano energię, która zostanie wyprodukowana za pomocą dostępnych źródeł (kolor czerwony) i zużyta przez odbiorców, zapotrzebowanie, dla którego brak zbilansowania (kolor czarny nad osią czasu) oraz energię, która może być wyprodukowana w OZE, ale na którą nie ma zapotrzebowania, wtedy gdy będzie ona dostępna (kolor czarny pod osią czasu). Jak widać, pola powierzchni obszarów koloru czarnego są do siebie zbliżone (tyle energii brakuje, ile jest w nadmiarze), co przy magazynowaniu o stuprocentowej sprawności i bardzo dużej pojemności likwidowałby wady generacji OZE. Zdając sobie sprawę z dostępności takich technologii magazynowania dopiero w bliżej nieokreślonej przyszłości, konieczny jest odpowiedni dobór tych środków, które są dostępne obecnie i zarządzanie którymi może być prowadzone za pomocą jednoznacznych sygnałów pochodzących z układu sterowania systemem elektroenergetycznym. Takie właściwości posiada bez wątpienia magazynowanie energii elektrycznej za pomocą elektrowni szczytowo-pompowych, których rola w transformacji energetycznej jest niezwykle istotna.

prof. Piotr Kacejko, Katedra Elektroenergetyki Politechniki Lubelskiej