Wstęp
Magazyn energii bateryjny („BESS”) to system, w którym zmagazynowana energia chemiczna może być w razie potrzeby przekształcana w energię elektryczną. Rozwiązanie powyższe ma na ogół modułowy charakter (np. kontener) i nie ma mniej ograniczeń geograficznych w porównaniu z innymi typami ESS. Dla przykładu elektrownie szczytowo-pompowe są ograniczone do obszarów geograficznych o zróżnicowanych wysokościach i dużych zbiornikach wodnych, podczas gdy magazynowanie energii za pomocą sprężonego powietrza zazwyczaj wymaga podziemnych jaskiń.
Kompaktowy charakter BESS pozwala na jego wysoką skalowalność i wszechstronne zastosowanie. Na świecie największe magazyny bateryjne powstały w Kalifornii w USA, w Australii i w Japonii. Najbardziej znane, to:
- Moss Landing Energy Storage Facility, magazyn w Kalifornii w USA o mocy 400MW i pojemności 1600MWh, zbudowany na terenie dawnej elektrowni
Fot. Magazyn BESS o mocy 400MW w Kaliformii oparty na bateriach Tesli.
- Victorian Big Battery zbudowany w Australii, w pobliżu miasta Geelong, o mocy 300MW/450MWh, oparty na bateriach litowo-jonowych
Jak widać na zamieszczonych zdjęciach oba magazyny mają podobną budowę. Baterie zlokalizowane są w kontenerach, o aktywnej wentylacji. Takie rozwiązanie pozwala na dowolną rozbudowę systemu, poprzez dostawianie kolejnych elementów. Spróbujmy się przyjrzeć, jak taki magazyn wygląda w środku.
Rys. Budowa kontenerowego bateryjnego magazynu energii.
1- Stojaki z bateriami połączonymi szeregowo lub równolegle
2- Falownik (PCS power conversion system) PCS przetwarza prąd przemienny („AC”) na prąd stały („DC”) i odwrotnie, aby umożliwić przepływ mocy między BESS a siecią.
3- System zarządzania energia, monitoruje wszystkie parametry pracy magazynu, optymalizuje przepływ mocy do sieci.
4- System zarządzania temperaturą akumulatorów – chłodzenie powietrzem lub cieczą, w zależności od rozwiązania.
Na powyższym rysunku mamy wnętrze magazynu bateryjnego. Akumulatory zamocowane są tutaj na stojakach i połączone ze sobą elektrycznie w sposób szeregowy i równoległy. Oba systemy połączeń pozwalają na sumowanie wartości napięć pozyskiwanych w pojedynczych ogniwach, lub sumowanie natężeń generowanych prądów. Zamiana prądu stałego na sinusoidalny następuje w falowniku. Nad całością czuwa centralny regulator (system zarządzania energią), który na bieżąco analizuje potrzeby sieci i aktualne parametry pracy ogniw, takie jak napięcie, natężenie prądu, temperaturę, oraz kilka innych ważnych parametry pracy, jak:
– SOC (State-of-Charge)
– SOH (State-of-Health)
– SOP (State-of-power)
SOC – stan naładowania baterii, wskaźnik informujący o aktualnej pojemności baterii w porównaniu do pojemności maksymalnej
SOH – stan kondycyjny baterii (stopień jej zużycia) w porównaniu do baterii nowej
SOP – ilość dostępnej energii w czasie, w zależności od jej aktualnego zapotrzebowania, temperatury i innych warunków
Rodzaje baterii w magazynach BESS
W starszych systemach królowały akumulatory kwasowo-ołowiowe. Ich trwałość liczona liczbą cykli była jednak relatywnie mała i z reguły nie przekraczała 500. Obecnie w magazynach bateryjnych stosowane są najczęściej akumulatory litowo-jonowe, w których dodatkowo wyróżnić można trzy technologie:
- NMC, z katodą wykonaną z LiNixMnyCozO2, a anodą grafitową. Typowe prądy ładowania i rozładowania są na poziomie 2C, temperaturowy zakres pracy od -20oC do +60oC przy ilości cykli w zakresie 1500-5000 w zależności od głębokości rozładowania i temperatury pracy.
- LFP, gdzie katoda jest wykonana z LiFePO4 a anoda jest również grafitowa. Typowe prądy ładowania i rozładowania są na poziomie 3-5C, temperaturowy zakres pracy od -30oC do +70oC, przy ilości cykli w zakresie 200-7000.
- LTO, najbardziej obiecująca, ze względu na duża żywotność. Ilość cykli pracy może sięgać nawet 100000. Problemem jest duży prąd ładowania, wynoszący aż 10C. Temperatury typowe dla takiego magazynu mieszczą się w granicach od -30 do +40oC.
Magazyny bateryjne w Polsce
W 2016 roku uruchomiony został w firmie Energa Operator, w okolicach Pucka na Pomorzu pierwszy w Polsce bateryjny magazyn energii o mocy 0,75 MW i pojemności rzędu 1,5 MWh. Magazyn wybudowany w dwóch 12m kontenerach wystarcza do zasilania przez dwie godziny około 1tys. mieszkańców leżącego nieopodal Pucka.
Fot. Magazyn energii litowo-jonowy w okolicach Pucka. (źr. Energa)
PGE Energia Odnawialna uruchomiła na górze Żar, w województwie śląskim, magazyn energii o mocy 500 kW i pojemności użytkowej 750 kWh. Instalacja powstała obok pierwszej, należącej do spółki farmy fotowoltaicznej.
Fot. Magazyn energii na górze Żar. (źr. PGE)
PKP w miejscowości Garbce, uruchomiło największy jak do tej pory magazyn bateryjny o mocy 5,5MW i pojemności 1,2MWh składający się z 4240 ogniw litowo-jonowych. Magazyn ma wspomagać sieć trakcyjną kolei państwowej, w ramach programu „zielona kolej”. W chwili pisania artykułu (12.2022) magazyn ten jest największym w Europie magazynem energii pracującym na potrzeby trakcyjne. Akumulatory wykonane zostały w technologii NMC.
Fot. Magazyn energii w Garbcach (źr. PKP)