Artykuły

Wprowadzenie

Systemy magazynowania energii będą odgrywać fundamentalną rolę w integracji energii odnawialnej z infrastrukturą energetyczną i pomogą utrzymać bezpieczeństwo sieci poprzez kompensację bardzo dużych wzrostów wahań produkcji energii odnawialnej. Nasze zapotrzebowanie na energię w domach jest dziś ogromne. Współczesny świat wyewoluował w kierunku uzależnienia się układów elektrycznych i elektronicznych. Rośnie też udział zmiennych w zakresie poziomu produkcji systemów OZE. To spowodowało duże zapotrzebowanie na aplikacje do magazynowania energii w zakresie od ogromnych systemów podłączonych do sieci po małe indywidualne jednostki w domach i zakładach pracy [3][6][7][10].

O takich właśnie domowych systemach magazynowania energii będzie dotyczyła analiza przeprowadzona w niniejszym artykule. O tym jaka technologia zostanie wybrana ostatecznie do magazynowania energii na pewno zadecyduje docelowo ekonomia (koszt danego magazynu) oraz jego parametry. Zagadnienie to przedstawiono na rys. nr 1 [5][6].

Rynek domowych systemów magazynowania energii (typu BTM) na świecie był wyceniany w 2021 roku na 9,34 mld USD. Oczekuje się, że do 2028 r. osiągnie on wartość 37,90 mld USD. Dostępne raporty analizujące rynek takich urządzeń wskazują że rozwijał się on będzie w przedziałach zainstalowanej mocy 3–6 kW i 6–10 kW. Rynek światowy, według technologii, jest podzielony na litowo-jonowy i kwasowo-ołowiowy. 

Oczekuje się, że segment litowo-jonowy będzie miał największy udział w rynku i będzie najszybciej rozwijającym się rynkiem z malejącymi kosztami akumulatorów litowo-jonowych i wysoką wydajnością. Ponadto polityka i przepisy dotyczące ochrony środowiska również napędzają wzrost rynku magazynowania energii litowo-jonowej w sektorze mieszkaniowym. Głównymi graczami na rynku mieszkaniowych magazynów energii są firmy: Huawei (Chiny), Samsung SDI Co. Ltd. (Korea Południowa), Tesla (USA), LG Chem (Korea Południowa), SMA Solar Technology (Niemcy), BYD (Chiny). ), Siemens (Niemcy), Eaton (Irlandia), Schneider Electric (Francja) i ABB (Szwajcaria) [8][9][10][11].

Co napędza tak opisany rynek magazynowania na świecie energii? Należy tutaj wskazać następujące czynniki [12]:

1. Globalny ruch w kierunku odnawialnych źródeł energii. Szerokie poparcie dla energii odnawialnej i redukcji emisji napędza również przyjęcie rozwiązań w zakresie magazynowania energii. Jest to szczególnie widoczne w przemyśle oraz domach mieszkalnych.
2. Modernizacja sieci. Rozwój magazynowania baterii idzie w parze z wysiłkami na rzecz modernizacji sieci, w tym z przejściem na inteligentne sieci. Magazyny energii pomagają uwolnić pełny potencjał inteligentnych technologii i na odwrót.

• Spadek kosztów i poprawa wydajności magazynów energii (w szczególności w odniesieniu do akumulatorów litowo-jonowych). Segment ten napędza dodatkowo branża elektromobilności. Zmiany w tym zakresie będą się zwiększały w związku z efektem skali  produkcji i wydajności.
• Uczestnictwo w hurtowych rynkach energii elektrycznej. Magazynowanie energii może pomóc zrównoważyć sieć i poprawić jakość energii niezależnie od źródła wytwarzania. Prawie każdy kraj na świecie zmienia strukturę rynku hurtowego, aby umożliwić magazynom energii zapewnienie pojemności i usług pomocniczych w zakresie rynku energii.
• Polityka narodowa. Wiele krajów zwiększa systemy magazynowania energii odnawialnej, aby zmniejszyć zależność od importu energii, zwiększyć niezawodność i odporność swoich systemów oraz dążyć do celów środowiskowych i dekarbonizacji. Liderami w tym zakresie są Chiny i USA – rys. 4.

• Finansowe zachęty. Wiele krajów zwiększa dostępność zachęt finansowych do inwestycji w pamięć masową. Odzwierciedla to rosnącą świadomość decydentów w zakresie korzyści, jakie może zapewnić magazynowanie energii w całym łańcuchu wartości energii elektrycznej.
• Stopniowe wycofywanie taryf gwarantowanych. Staje się to w niektórych krajach motorem wdrażania domowych magazynów energii typu BTM, ponieważ klienci starają się uzyskać maksymalną wartość z instalacji PV na dachach w przypadku braku tych zachęt.
• Pragnienie samowystarczalności. Motywacje do zakupu systemów magazynowania energii nie mają charakteru czysto finansowego. Na przykład w Niemczech za motywacje uważa się pobudki ekologiczne, niezależność od systemów sieciowych. Podobnie, samowystarczalność jest silnym motorem napędowym we Włoszech, Wielkiej Brytanii i Australii.

Istotne parametry domowych magazynów energii

W zakresie wyboru magazynu energii do swojego domu należy wziąć pod uwagę szereg czynników. Podaje się przede wszystkim parametry techniczne: moc układu, ilość magazynowanej energii, sprawność pełnego cyklu, powierzchnia zajmowana przez instalację, gęstość energii, okres eksploatacji, sposób przyłączenia do systemu energetycznego, poziom niezawodności. Nie mniej istotne są koszty inwestycyjne i eksploatacyjne (jednostkowe i całkowite). Inwestorzy biorą często pod uwagę stopień zaawansowania technologii magazynowania energii i jej wpływ na środowisko. W ramach przeprowadzonej analizy wybrano następujące parametry [14]:

1. Moc znamionowa magazyny energii. W magazynach energii moc znamionowa jest parametrem, który określa ilość energii, jaką zdolne są dostarczyć w danym momencie zastosowane w nich najczęściej akumulatory litowo jonowe lub kwasowo-ołowiowe. Wyrażona jest ona w kilowatach (kW). Parametr ten jest o tyle istotny, iż w przypadku zbyt małej mocy znamionowej magazynu energii ilość urządzeń, jakie będzie on w stanie zasilić jednocześnie, jest znacznie ograniczona. Dlatego też tak istotne jest dobranie go pod względem indywidualnych potrzeb przyszłych użytkowników magazynu energii. 
2. Pojemność magazynu energii. Kolejną istotną kwestią jest pojemność urządzenia do magazynowania energii z instalacji fotowoltaicznej, określana także jako moc pojemnościowa lub po prostu moc magazynu. Wyrażana jest ona w kilowatogodzinach (kWh) i jest ona iloczynem napięcia, w jakim pracuje urządzenie magazynujące oraz amperogodzin baterii. Parametr ten wskazuje natomiast to, ile dany magazyn będzie w stanie jej skumulować. Warto wspomnieć, że pojemność magazynu energii może być swobodnie rozbudowywana poprzez dołożenie do jego instalacji kolejnej baterii połączonej szeregowo. W przypadku pojemności warto zwracać uwagę także na moc znamionową. Oba te parametry powinny być bowiem odpowiednio dobrane względem siebie, ponieważ magazyn energii bazujący na akumulatorach litowo jonowych o dużej pojemności oraz małej mocy znamionowej będzie w stanie zasilić niewielką ilość urządzeń, jednak przez długi czas. Z kolei ten o małej pojemności i dużej mocy znamionowej zasili nam dużą ilość urządzeń jednocześnie, jednak wyłącznie na krótko. Standardowa pojemność magazynu powinna być dobrana na podstawie średniego dziennego zapotrzebowania na energię elektryczną, z uwzględnieniem użytecznej pojemności magazynu, a nie jego pojemności nominalnej. Przy założeniu, że średnie dzienne zapotrzebowanie na energię elektryczną wynosi np. 15 kWh, magazyn również powinien oscylować przy takiej wartości. 
3. Sprawność baterii. Decydując się na montaż magazynu energii, warto także pamiętać o tym, że ilość znajdującego się w nim prądu poprzez naładowanie baterii za pomocą instalacji PV nigdy nie jest odbierana w 100%. Wszystko zależy bowiem od sprawności zastosowanych w urządzeniu baterii. Dlatego też w ostatnich latach coraz popularniejsze stają się magazyny energii li-ion, oparte o akumulatory litowo-jonowe, których sprawność wynosi około 95%. Oznacza to więc, że z każdych 10 kWh dostarczonych do niego, będzie można z powodzeniem odebrać 9,5 kWh. Dla porównania akumulatory kwasowo-ołowiowe cechują się sprawnością na poziomie 75%.
4. Głębokość rozładowania. Jeśli chodzi o możliwość wykorzystania ilości energii wyprodukowanej i zmagazynowanej w bateriach, ważna jest także głębokość rozładowania określana przez producenta. Wskazuje ona bowiem poziom, do jakiego w bezpieczny sposób mogą być rozładowane akumulatory litowo jonowe lub kwasowo ołowiowe, bez wpływu na jego pojemność i późniejszą sprawność. Wobec tego, jeśli zainstalowany magazyn energii posiada pojemność 10 kWh, a jego producent wskazał, że głębokość rozładowania wynosi dla niego 90%. Oznacza to więc, że nie należy rozładowywać akumulatora poniżej 2 kWh. Czyli jego użytkownicy mają do dyspozycji tylko 8 kWh energii pomimo 10 kWh znajdującej się w magazynie. Dodatkowo głębokość rozładowania wskazuje także na klasę zastosowanego akumulatora. Dlatego też im jej wartość jest wyższa, tym jest on droższy. 
5. Żywotność zastosowanej w magazynie energii baterii. Innym wartym uwagi podczas wybierania tego urządzenia jest natomiast żywotność baterii. Magazyny energii ładowane energią produkowaną za pomocą instalacji fotowoltaicznych za dnia oraz rozładowywane podczas zmniejszonej ich wydajności na przykład nocą, działają na podobnej zasadzie jak baterie w naszych telefonach czy laptopach. Każdy pełen cykl zmniejsza więc ich sprawność oraz pojemność. Dlatego też producenci magazynów energii najczęściej oferując na nie swoją gwarancję, określają ją nie tylko w latach, ale także ilości pełnych cykli ładowania. Przy czym należy wiedzieć, że obowiązująca z nich jest wyłącznie ta, która skończy się wcześniej. Wobec tego, jeśli nasz magazyn energii bazujący na akumulatorach litowo jonowych ma gwarancję na 10 lat oraz 8000 pełnych cykli (ładowania i rozładowania), jeśli w 8 roku jego użytkowania nastąpi 8001 pełen cykl, sprzęt nie jest już objęty gwarancją. Reasumując warto sobie zdawać sprawę, że niektórzy producenci wskazują długą gwarancję kalendarzową, natomiast zapisy w karcie gwarancyjnej wskazują krótsze zużycie magazynu z uwagi na ograniczoną liczbę cykli 
6. Fachowe wykonanie instalacji magazynowanie energii. Czynnik może nie związany z aspektami technicznymi samego magazynu. Jednak bardzo ważne jest aby instalacje magazynu wykonywał doświadczony instalator. Powinien on zagwarantować obsługę posprzedażową i wsparcie na etapie eksploatacji magazynu.
7.  Kompatybilność magazynu energii z inwerterem oraz cała instalacją PV i domową instalacją domową - możliwość ewentualnej rozbudowy.
8. Bezpieczeństwo eksploatacji magazynu energii. Temat bezpieczeństwa domowych magazynów energii jeszcze kilka lata temu był istotnym zagadnieniem. Wpływ na to miało stosowanie w magazynach energii baterii litowo-jonowych. Akumulatory litowe to relatywnie nowa technologia – zaczęto je wykorzystywać dopiero na początku lat 90. w urządzeniach przenośnych. Dla porównania – akumulatory kwasowo-ołowiowe miały swój debiut rynkowy około sto lat wcześniej. Przeładowanie akumulatorów litowych grozi pożarem, a ich przewożenie obostrzone jest warunkami dotyczącymi materiałów niebezpiecznych. Wszystko to powodowało, że w sytuacji, kiedy akumulatory litowo-jonowe zaczęto stosować w domowych magazynach energii, już nie jako małe jednostki w telefonie, kamerze czy laptopie, tylko jako zasobniki o znacznie większej pojemności, pojawiły się wątpliwości, czy nie stanowi to zagrożenia dla mieszkańców domu.

Analiza wybranego przykładu

Firma Huawei w swoich magazynach wykorzystuje ogniwa LiFePO4. Są to aktualnie najbardziej bezpieczne dostępne na rynku ogniwa. Dla tego typu ogniw temperatura ucieczki termicznej w przypadku przeładowania, nadmiernego rozładowania lub przegrzania wynosi 480°C. Firma oferuje na rynku polskim magazyn Luna2000. To modularny magazyn energii. Składa się on z jednostki sterującej będącej konwerterem DC/DC oraz z modułów magazynu energii. Moduł magazynu energii posiada pojemność 5 kWh, przy czym do pojedynczego modułu sterującego możliwe jest podłączenie maksymalnie trzech modułów magazynu energii (co dałoby maksymalną pojemność zestawu wynoszącą 15 kWh) [18].

Wszystkie elementy magazynu energii przystosowane są do pracy na zewnątrz budynku, w zakresie temperatur -10°C do +55°C, a kompletny magazyn oferuje stopień ochrony na poziomie IP65. Magazyn posiada pasywne chłodzenie modułu sterującego, co będzie mogło się przełożyć na długą bezobsługową pracę całego systemu. Wymagana pojemność magazynu jest skorelowana z mocą instalacji PV oraz dziennym zapotrzebowaniem obiektu na energię. Obrazuje to poniższy rysunek.

Magazyn Huawei działa pod napięciem nominalnym 360V dla falowników jednofazowych, przy czym zakres napięć pracy wynosi w tym przypadku 350-560V, oraz 600V dla falowników trójfazowych i dla tych falowników zakres napięć wynosi 600-980V. Są to oczywiście napięcia stałe. Tak wysokie napięcie pracy magazynu gwarantuje niskie straty związane z przesyłaniem energii do falownika oraz bardzo małymi stratami związanymi z przetwarzaniem energii prądu stałego na energię prądu przemiennego w samym falowniku. Jest to zdecydowana wyższość rozwiązania Huawei nad niskonapięciowymi rozwiązaniami innych firm.

Dodatkową funkcjonalnością oferowaną przez system Huawei jest możliwość zastosowania modułu Backup Box, który pozwala zasilać wydzielone obwody w przypadku braku zasilania z sieci, ale w sytuacji gdy mamy zgormadzoną energię w magazynie. Wszystkie parametry magazynu mogą być wizualizowane w aplikacji na portalu FusionSolar [18].

Podsumowanie

Jak wybrać magazyn energii? Na to pytanie nie ma idealnej odpowiedzi. Wszystko zależy od tego jakie dokładnie zapotrzebowanie na energię ma dany dom. Równie istotne jest to, ile energii elektrycznej potrafi wyprodukować we własnym zakresie dzięki instalacji PV i ile z tego musi magazynować, aby to było optymalne. Poniżej przedstawiono to zadnienie na schemacie.

Najpopularniejsze obecnie magazyny energii, składające się z akumulatorów LiFePo4, które gwarantują długą żywotność, dużą liczbę cykli rozładowania, a ich sprawność sięga nawet 90%, mają mniejszą wagę i posiadają większą odporność na niskie temperatury.