Systemy magazynowania energii odnawialnej, które będą zasilały przyszłość

W 2020 r. odnawialne źródła energii stanowiły również 37,5 % zużycia energii elektrycznej brutto w UE. Był to wzrost z 34,1% w roku poprzednim, przy czym energia wiatrowa i wodna stanowiły ponad dwie trzecie całkowitej ilości energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych. W 2020 r. Szwecja była liderem w Europie, pozyskując 60% energii ze źródeł odnawialnych. Dalsze miejsca zajęły Finlandia (43,8%), Łotwa (42,1%) i Austria (36,5%).

Według firmy EDF źródła energii odnawialnej wytwarzają obecnie 26% energii elektrycznej na świecie i oczekuje się, że do 2024 r. wartość ta wzrośnie do 30%. W czerwcu 2022 r. w sprawozdaniu Międzynarodowej Agencji Energii (IEA) stwierdzono, że inwestycje energetyczne na całym świecie w 2022 r. wzrosną o 8%, do 2,4 biliona USD — co jest głównie spowodowane zwiększonym zainteresowaniem „ekologiczną” energią.

Czym zatem jest energia odnawialna? Zasadniczo jest to energia zrównoważona. Czysta, przystępna cenowo i niezawodna, która nigdy się nie skończy, w przeciwieństwie do źródeł niezrównoważonych, takich jak paliwa kopalne, w szczególności węgiel, który wspomagał rewolucję przemysłową.

Głównymi rodzajami energii odnawialnej są energia słoneczna, wiatrowa, wodna, pływowa, geotermiczna i z biomasy. Inne rodzaje to energia cieplna oceanu i biogaz. Według firmy EDF ilość energii słonecznej, która dociera do powierzchni Ziemi w ciągu jednej godziny, jest większa niż całkowite zapotrzebowanie na energię planety przez cały rok. To brzmi jak idealne rozwiązanie. Jednakże ilość energii słonecznej, którą możemy przechowywać i wykorzystywać, zależy w dużej mierze od pogody i pory dnia — od uzysku energii słonecznej. Wietrzna pogoda jest doskonałym źródłem energii odnawialnej, co sprawia, że powstaje coraz więcej farm wiatrowych. Niemniej jednak obejmuje to instalację ogromnych turbin wiatrowych, które zdaniem wielu osób mają negatywny wpływ na estetykę krajobrazu, nawet jeśli znajdują się na pełnym morzu. Ponadto wielu ekspertów ostrzega o emisji dwutlenku węgla i kosztach związanych z turbinami wiatrowymi po zakończeniu ich eksploatacji. Oczywiście systemy zarządzania energią wiatrową są również ograniczone przez ilość wiatru, jaki występuje w danym momencie.

Jeśli chodzi o rozwój, najbardziej zaawansowanym zasobem energii odnawialnej jest energia wodna, która wiąże się z koniecznością budowy zapór lub barier oraz posiadania dużego zbiornika do wytwarzania kontrolowanego przepływu wody, który napędza turbinę. Energia wodna nie zależy od pogody, ale wymaga ona utworzenia dużych struktur i zbiorników o pokaźnych rozmiarach.

Energia pływowa jest podobna do energii wodnej, z wyjątkiem tego, że jej natura polega na generowaniu prądów pływowych dwa razy dziennie, które są używane do napędzania generatorów turbinowych. Oznacza to, że źródło energii nie jest ciągłe, lecz przynajmniej jest przewidywalne. Energia geotermiczna wykorzystuje ciepło naturalne znajdujące się pod powierzchnią ziemi i może być używana do produkcji energii elektrycznej lub ogrzewania domów. Nie gwarantuje się jednak jej dostępności — na przykład Islandia wytwarza o wiele więcej tego rodzaju energii niż Wielka Brytania. Energia z biomasy wiąże się ze spalaniem materiałów organicznych w celu produkcji energii elektrycznej. Podejście to nie zostało przyjęte tak szeroko, jak inne, ale przynosi znaczące korzyści w zakresie środowiska i kosztów ogólnych, ponieważ przekształca odpady rolne, przemysłowe i domowe w paliwo stałe, płynne i gazowe.

Mimo że wszystkie wymienione powyżej opcje mają swoje zalety i wady, magazynowanie energii odnawialnej było głównym wyzwaniem, aby w pełni wykorzystać te alternatywne źródła energii. Technologia magazynowania energii odnawialnej stanie się w pełni użyteczna, gdy możliwe będzie ekonomiczne pozyskiwanie energii odnawialnej i jej uwalnianie w zależności od zapotrzebowania. 

Zasadniczo istnieją cztery rodzaje rozwiązań w zakresie magazynowania energii odnawialnej: magazynowanie szczytowo-pompowe, magazynowanie energii cieplnej, magazynowanie energii mechanicznej i akumulatorowe systemy magazynowania energii.

Obejmuje pompowanie wody pod górę, utrzymywanie jej w zbiorniku i uwalnianie jej przez turbiny. Zgodnie ze sprawozdaniem MAE w sprawie odnawialnych źródeł energii, w 2025 r. ponad 50% nowej mocy generowanej z energii wodnej będzie pochodzić z systemów magazynowania szczytowo-pompowego, zwłaszcza w Szwajcarii, Portugalii i Austrii. To samo powinno dotyczyć Chin w latach 2023–2025.

Obejmuje przechowywanie nadwyżek energii, zazwyczaj ze źródeł odnawialnych lub ciepła odpadowego, które mają być później wykorzystane. Woda, piasek i skały mogą magazynować energię cieplną, a Międzynarodowa Agencja Energii Odnawialnej szacuje, że do 2030 r. magazynowanie energii cieplnej może osiągnąć 800 gigawatogodzin (GWh) zainstalowanej mocy.

Wykorzystuje grawitację lub ruch (np. koło zamachowe) do magazynowania energii elektrycznej. Magazynowanie energii mechanicznej może również obejmować magazynowanie sprężonego powietrza lub gazu, które są podgrzewane i rozszerzane za pomocą turbiny.

Powszechnie uznaje się, że najwydajniejszym sposobem na przechowywanie i dostarczanie energii ze źródeł odnawialnych jest wykorzystanie systemów magazynowania energii odnawialnej opartych na akumulatorach. Im więcej będzie dostępnych akumulatorów do obsługi energii odnawialnej, tym mniejsze będzie zapotrzebowanie na konwencjonalne źródła energii z przeszłości.

Systemy magazynowania energii firmy Atlas Copco cechują się cichą pracę i minimalnymi wymaganiami konserwacyjnymi, dzięki czemu idealnie nadają się do instalacji telekomunikacyjnych w odległych miejscach lub na terenach miejskich. Działające jako hybrydowe systemy magazynowania, systemy te doskonale równoważą szczyty zapotrzebowania i niskie obciążenia. Systemy magazynowania energii odnawialnej umożliwiają użytkownikom zmniejszenie zużycia paliwa i emisji gazów cieplarnianych poprzez przechowywanie energii odnawialnej w ilości od 46 kWh do 535 kWh i dostarczanie energii przez ponad 12 godzin po jednym naładowaniu.

Najbardziej wydajne akumulatorowe systemy magazynowania energii odnawialnej są oparte na akumulatorach litowo-jonowych (Li-ion). Te lekkie, cechujące się dużą gęstością akumulatory stały się preferowaną opcją z wielu powodów, między innymi dzięki akumulatorowi litowo-jonowemu o wadze 1 kg, który umożliwia przechowywanie 150 watogodzin na kilogram (Wh/kg). Akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy (NiMH) zazwyczaj mieści od 60 do 70 Wh/kg, a 6-kilogramowy akumulator ołowiowo-kwasowy może pomieścić tylko około 25 Wh/kg.

Jeśli porównamy akumulatory litowo-jonowe z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi, te pierwsze mają większą żywotność i wydajność przy nieprzewidywalnych i zmiennych obciążeniach oraz w wysokich temperaturach. Wraz z upływem czasu wydajność akumulatorów niklowo-metalowo-wodorkowych w wysokich temperaturach przewyższa wydajność akumulatorów kwasowo-ołowiowych, ale nadal jest mniejsza niż akumulatorów litowo-jonowych.