Choć technologie magazynowania energii są znane już od dziesięcioleci, dopiero narastający kryzys klimatyczny sprawił, że ludzkość zaczęła patrzeć na nie z perspektywy sieci energetycznych, nie zaś zwiększenia wygody użytkowania narzędzi poprzez odseparowanie ich od kabla zasilającego, zwiększenie mobilności czy uzupełnienia samochodu o urządzenia elektryczne. 

W pierwszym scenariuszu przyszłości projektu Transformacja 2050 – REStopii – komercjalizacja i wejście magazynów energii do mainstreamu stanowiły jedną z kluczowych determinant definiujących scenariusz. Bez upowszechnienia magazynów energii wysokich mocy realizacja tego scenariusza jest w zasadzie niemożliwa.

Upowszechnienie magazynów, zarówno energii elektrycznej, jak i ciepła, w scenariuszu REStopii, stało się faktem w 2050 r. Polacy dysponują szerokim dostępem do różnorodnych systemów magazynowania energii elektrycznej – zaczynając od niewielkich mocy na prywatny użytek po będące już w powszechnym użyciu przez sektor instalacje wysokich mocy (zdolne magazynować 5 GW, a w niektórych specjalnych przypadkach i więcej). Magazyny przydomowe pozwalają na gromadzenie energii wykorzystywanej do ogrzewania w okresach chłodniejszej aury. Dzięki instalacjom OZE i systemom magazynowania energii cena elektryczności jest bardzo niska – klienci płacą w zasadzie jedynie za przesył oraz obsługę. Ciepło jest w większości generowane w instalacjach elektrycznych. Kogeneracja odeszła do lamusa. 

Niemal cała sieć energetyczna znajduje się pod ciągłym nadzorem monitoringu złożonego z tysięcy różnorakich urządzeń sensorycznych, nieprzerwanie gromadzących dane i przesyłających je do dalszej analizy przez systemy działające w oparciu o chmury obliczeniowe. Wpisuje się to w szerszy kontekst scenariusza, który opisujemy w poświęconym mu artykule.

Jeszcze bardziej entuzjastycznie przedstawia przyszłość magazynowania energii tegoroczny raport WWF, promowany hasłem: “Święty graal neutralności klimatycznej: magazyny energii”, który również polecamy Państwa lekturze.

Jak wskazuje Kacper Nosarzewski, partner w firmie foresightowej 4CF, która współtworzyła na zamówienie Veolii Energia Polska raportu Energy 2050, pożądany scenariusz przyszłości potrzebuje do realizacji zarówno magazynów energii wielkiej mocy, jak i mniejszych jednostek. Co najważniejsze jednak, potrzebuje transformacji krajowego systemu elektroenergetycznego w kierunku rozwiązań nowej generacji, które zarówno infrastrukturalnie, jak i proceduralnie będą mogły wykorzystać pełny potencjał magazynów energii.

Odnawialne źródła energii mają jedną zasadniczą wadę – nie można kontrolować poziomu energii jaki jest przez nie dostarczany. Dostępna energia słoneczna zmienia się w zależności od pór roku i stopnia zachmurzenia nieba, ilość generowanej energii wiatrowej zależy od prędkości z jaką w danej chwili wieje wiatr, więcej energii pozyskuje się z turbin wodnych w deszczowe dni, a mniej gdy w okresach suszy nurt rzek spowalnia, a ich poziom opada i tak dalej. Aby skutecznie zabezpieczyć system energetyczny z jednej strony przed brakami w dostawach z drugiej strony przed gwałtownymi skokami mocy w sieci w chwilach zwiększonej podaży niezbędne jest zapewnienie alternatywnego źródła energii na czas jej deficytu oraz dodatkowego odbioru w chwilach nadmiarowej produkcji. Obie te funkcje spełnić mogą magazyny energii.

Czy możliwe jest przestawienie energetyki polskiej na pozyskiwanie energii z odnawialnych źródeł bez upowszechnienia się magazynów energii? Teoretycznie byłoby to możliwe. Obie wymienione wyżej funkcje – odbiór naddatków oraz alternatywa w wypadku deficytów – musiałyby być spełnione przez inne systemy. O ile za awaryjne zasoby energii mogą posłużyć tradycyjne elektrownie czy energia dostępna na europejskim rynku pochodząca od naszych sąsiadów – oba rozwiązania zdają się być także potencjalnie wartościowymi rozwiązaniami na okres przejścia z energetyki opartej na paliwach kopalnych (w Polskich realiach – na węglu) do energetyki odnawialnych źródeł – o tyle o wiele trudniej będzie zapewnić sensowne wykorzystanie naddatków energii celem utrzymania stałego napięcia w całej sieci. Oczywiście zawsze możliwe jest bezcelowe “przepalanie” nadwyżek powstałych w wyjątkowo korzystnych warunkach pogodowych, jednak takie działanie jest nie tylko jawnym marnotrawstwem, ale może być także szkodliwe dla środowiska – w końcu owa dodatkowa energia musiałaby zostać zamieniona na inną postać. 

Rozwiązaniem bardziej racjonalnym dla zarządzania nadwyżkami energii w systemach RES jest stworzenie systemu, w którym nadwyżki energii będą konsumowane na bieżąco przez odbiorców. Niestety ten sposób niesie ze sobą równie dużo, jeśli nie więcej wyzwań, niż opracowanie skutecznej technologii magazynowania energii. Są to zarówno wyzwania technologiczne, np. opracowanie systemu sztucznej inteligencji zarządzającym dystrybucją energii w sieci, jak i inwestycyjne – niezbędne do funkcjonowania systemu oczujnikowanie sieci, które dostarczyłoby danych do efektywnego i szybkiego reagowania na zmiany w podaży energii. Wreszcie najtrudniejszą do wdrożenia zmianą będzie zapewne zmiana społeczno-kulturowa, czyli uświadomienie końcowym odbiorcom, że energochłonne czynności, takie jak pieczenie ciast czy wstawianie prania – powinni planować na chwile większego zaopatrzenia sieci w energię.

Magazyny energii wydają się więc jedynym racjonalnym rozwiązaniem dla zarysowanych wyżej wyzwań energetyki OZE. I choć zagadnienie magazynowania energii nie jest nowe – największy na świecie magazyn szczytowo-pompowy w Bath County w stanie Virginia został oddany do użytku już w 1985 roku – to jednak ich pojemność jest niewystarczająca do uniezależnienia systemu od tradycyjnych źródłem energii. Wspomniany magazyn w Bath County dysponuje pojemnością nieco ponad 3 GW. Komercyjne rozwiązania litowo-jonowe (stacja w japońskim mieście Buzen) są dziesięciokrotnie mniej pojemne. 

Przed innowatorami stoją więc wielkie wyzwania technologiczne, których pokonanie pozwoli na upowszechnienie się magazynów energii. Możliwe rozwiązania zestawiliśmy w tabeli poniżej – musimy jednak w tym miejscu zaznaczyć, że w przypadku magazynów energii będziemy mieć do czynienia raczej z miksem rozwiązań, niż jedną, dominującą technologią. Wynika to z rachunku ekonomicznego – tradycyjna elektrownia szczytowo-pompowa jest tańszym rozwiązaniem niż innowacyjne magazyny wodorowe, lecz nie wszędzie istnieją warunki, by ją zbudować – ale także i zupełnie różnych zastosowań do jakich magazyny energii będą wykorzystywane. Wąska specjalizacja w postaci zaadaptowania rokujących technologii do specyficznej funkcjonalności stanowi olbrzymią szansę na rozwinięcie nowej gałęzi polskiej gospodarki.

Wspomniane wyżej funkcjonalności można zawęzić do czterech kategorii. Są to: 

• Magazyny operatorskie – magazyny będące do wyłącznej dyspozycji operatorów sieci przesyłowych i zakładów energetycznych zajmujących się dystrybucji.
• Magazyny długoterminowe – magazyny będące w stanie przechować energię przez długi okres. Za taki uznaje się obecnie okresy liczone w tygodniach bądź sezonach.
• Mobilne magazyny energii – magazyny dedykowane użytkownikom indywidualnym, jak i przeznaczone do zasilania pojazdów.

Specyficzne magazyny dedykowane pod potrzeby przemysłowe znajdujące się pod kontrolą zakładów przemysłowych, w których procesy technologiczne wymagają zasilania w określonym czasie, a wahania poboru zakładów są znaczne.

To, które rozwiązania techniczne – a ściślej, jaki miks tych rozwiązań – upowszechni się w polskiej energetyce, nie jest jeszcze przesądzone. Dostępne prognozy, w tym prognozy w wzmiankowanym wyżej raporcie, opracowane dla WWF przez zespół polskich uczonych z Politechniki Warszawskiej, Uniwersytetu Warszawskiego i SGH, priorytetyzują rozwój wybranych technologii magazynowania energii do 2030 r. Jak wynika z przeprowadzonego przez nich porównania wydatków inwestycyjne CAPEX (ang. capital expenditures) poszczególnych technik magazynowania energii:

“najlepiej w perspektywie średnioterminowej wypadają magazyny oparte o elektrownie szczytowo-pompowe (PHS). PHS posiada najwyższą żywotność finansową, która może dochodzić do 80 lat, również sumaryczny właściwy CAPEX (biorąc pod uwagę ładowanie oraz rozładowanie) wynosi 450–1020 EUR/kW, sam zaś koszt kapitału do energii nie przekracza 20 EUR/kWh.”

“W perspektywie 2030 r. zakłada się, że koszty te będą nieznacznie wyższe ze względu na wzrost ceny energii elektrycznej. Podobna sytuacja będzie miała miejsce w przypadku adiabatycznego oraz diabatycznego CAES. Czynnikiem decydującym, wskazującym na technologię PHS jest wyższa sprawność dla PHS, sięgająca do 85%, podczas gdy dla adiabatycznego magazynu sprężonego powietrza nie przekracza 70%. Najkorzystniej pod względem kosztów kapitału do energii w perspektywie 2030 r. wypada metan CH4 (koszt kapitału do energii 0,14 EUR/kWh301, wysoki jest natomiast sumaryczny właściwy CAPEX, ponad 2 000 USD/kW.”

Opracowując dla Państwa to wydanie Transformacji 2050 wyznaczyliśmy horyzont trzydziestoletni i zapytaliśmy ekspertów Veolii oraz ekspertów zewnętrznych o ich prognozy. Poniżej zamieszczamy omówienie wybranych z analizowanych rozwiązań, zarówno istniejących dziś, jak i mogących rozwinąć się w przyszłości.

Macierz 4CF to narzędzie analizy strategicznej, pozwalające na ocenę atrakcyjności przyszłych rozwiązań produktowych pod kątem ich relatywnej przewagi rynkowej (RA – Relative Advantage) oraz minimalnego oczekiwanego czasu, w którym osiągną dojrzałość rynkową (ETM – Earliest Time to Mainstream). Relatywna przewaga rozwiązań określana jest na osi pionowej macierzy, zaś mierzony w latach czas do osiągnięcia dojrzałości na osi poziomej. 

Typowy rozkład rozwiązań w macierzy 4CF przebiega wokół linii rosnącej, co oddaje prawidłowość, że oczekiwany czas upowszechnienia rozwiązań rośnie wraz z ich relatywną przewagą rynkową. Z pomocą macierzy udaje się jednak często zidentyfikować także takie rozwiązania, które lokują się znacznie powyżej lub poniżej tej linii. Te pierwsze, zaliczane do szkwałów i pirackich skarbów stanowią atrakcyjny przedmiot inwestowania, ponieważ mogą przynieść duży zwrot we względnie krótkim czasie. W przypadku tych drugich, określanych mianem raf koralowych i syren, należy zachować szczególną ostrożność, gdyż zainwestowane środki mogą nigdy się nie zwrócić.  

W celu zastosowania macierzy 4CF do analizy przyszłości inteligentnych sieci energetycznych w Polsce, poprosiliśmy ekspertów o ocenę, kiedy najwcześniej każde z wymienionych wcześniej rozwiązań może upowszechnić się na rynku polskim (od 0 do 30 lat), a także o to, jaką przewagę rynkową dałoby ono dzisiaj posiadającym je interesariuszom (w skali od 0 do 10). Macierz 4CF znajdująca się poniżej zawiera zestawienie ocenionych przez ekspertów rozwiązań.

Wyniki analizy macierzy rozkładają się czytelnie i łatwo poddają się interpretacji. Na osi RA prominentną pozycję zajmuje technologia ogniwa paliwowego, obecnie opartego na wodorze jako pierwiastku o wysokiej gęstości energetycznej. Żadne z innych analizowanych rozwiązań osiągalnych w perspektywie 15 lat i 30 lat nie może rzucić mu wyzwania. Eksperci zgodnie i jednomyślnie ocenili wysoką względną przewagę tego rozwiązania, a odsunięcie go o około 12 lat w przyszłość licząc od 2020 r., pozwala wpisać je dobrze w plany inwestycyjne polskich przedsiębiorstw energetycznych.

Rozwiązaniom wodorowym poświęcone będzie skądinąd jedno z kolejnych wydań Transformacji 2050 i tam poświęcimy znów ogniwom paliwowym więcej uwagi. Pamiętajmy jednak, że w różnych punktach systemu i różnych warunkach również inne rozwiązania mogą znaleźć praktyczne i opłacalne zastosowanie. Przyjrzyjmy się więc kilku klastrom rozwiązań na macierzy, wyróżnionym przez koncentrację dwóch rozwiązań w podobnym punkcie.

Pierwszy klaster to rozwiązania oparte na energetycznych magazynach ciśnieniowych: wodnym i sprężonego powietrza. W przeciwieństwie do autorów raportu WWF, eksperci Transformacji 2050 ocenili je jako nisko rokujące. Oba rozwiązania osiągnęły RA zaledwie 2,3, co w porównaniu z innymi rozwiązaniami neutralizuje ewentualne korzyści wynikające z możliwości ich prędkiego wdrożenia na względnie dużą skalę. W terminologii foresightowej można by nazwać te rozwiązania niebezpiecznymi rafami koralowymi, co potwierdza cytowana niżej wypowiedź Józefa Węgreckiego, członka zarządu PKN Orlen do spraw operacyjnych.

Drugi klaster obejmuje rozwiązania zupełnie heterogeniczne technologicznie, ale obiecujące i nieodległe w czasie: inteligentne oprogramowanie do obsługi magazynów energii oraz magazyny w technologii galwanicznej. Ich RA zostało wysoko ocenione na poziomie 7,3 oraz 7,5, co w połączeniu ze względnie niewysokim ETM, odpowiednio 7,4 lat i 9,8 lat, sugerowałoby, że rozwiązania te to tzw. szkwały, które mogą już niebawem wzmożyć swoje oddziaływanie na rynek energetyki. Nie zaskakuje to zwłaszcza w zakresie technologii galwanicznych, które – przynajmniej do wyczerpania ziemskich zasobów litu – są technologią pierwszego wyboru na potrzeby elektromobilności.

Trzeci klaster jest również ciekawie heterogeniczny, ponieważ łączy rozwiązania już znane i rozwijane, tj. różnorodne magazyny ciepła np. w systemie kaskady naczyń wzbiorczych z rozwiązaniami prawdziwie futurologicznymi, nowymi technologiami, które jeszcze nie opuściły laboratoriów badawczych. To niepokojący sygnał dla ciepłownictwa. Jeśli magazyny ciepła nie upowszechnią się szybciej, ich czas może przeminąć przedwcześnie. Szybki rozwój magazynowania energii elektrycznej – a większość rozwiązań na macierzy osiąga dojrzałość wcześniej niż magazyny ciepła – wspiera bowiem odwrót od wodnych nośników w ciepłownictwie na rzecz ogrzewania i chłodzenia elektrycznego. Ten trend omawialiśmy już na łamach Transformacji 2050 wielokrotnie, m.in. w ostatnim wydaniu poświęconym debacie foresightowej na XXIV Forum Ciepłowników Polskich w Międzyzdrojach.

Poza klastrami sytuują się dwa rozwiązania: technologie współużytkowania mobilnych magazynów energii elektrycznej i technologia grawitacyjna. O ile jednak mobilne magazyny wpisują się one w widoczną na wykresie progresję rozwiązań o wysokim potencjale RA, o tyle technologia grawitacyjna, replikująca założenia technologii wodnej w nośniku mineralnym jawi się raczej jako ślepa uliczka. 

Podsumowując, dystrybucja rozwiązań magazynowania energii na macierzy 4CF uświadamia, że rynek tych rozwiązań będzie prawdopodobnie rozwijał się w najbliższych dekadach bardzo dynamicznie. Osobną kwestią, którą należy szerzej omówić, jest realna możliwość absorpcji tych rozwiązań w systemie energetycznym Polski.

Systemowy, a nie tylko rynkowy charakter zmian, potrzebnych do wdrożenia magazynów energii podkreśla również dr. inż. Jarosław Tworóg, wiceprezes Izby Gospodarczej Zaawansowanych technologii. Wskazuje on m.in. na obserwację, że już od lat prognozy spadku ujednoliconego kosztu energii (LCOE) wskazywały na dynamiczny spadek kosztów całkowitych przesunięcia w czasie.

“Przyjmuje się, że magazyn energii będzie konkurencyjny wobec technologii opartej na rynku mocy, gdy koszt przesunięcia spadnie w okolicę 5-7 centów na kWh. Większość z technologii, które analizujemy w tym wydaniu Transformacji 2050 ma tę szansę przy zwiększeniu skali produkcji”. 

“A jednak stopień penetracji rynku przez rozwiązania magazynowe nie jest wysoki. Japonia opanowała ze swoim narodowym potentatem w dziedzinie elektryki, firmą NGK technologię NaS, ale masowe jej wdrożenia w Europie wymagają decyzji strategicznych na poziomie krajowym i ponadnarodowym. Natomiast najniższe koszty w zastosowaniach energetycznych ma technologia VRFB. Jej stosy są tak trwałe, że czas życia magazyny wydłuża się do ponad 30 lat. Problem jednak tkwi znów w tym, że technologia wymaga skali”.

Wydaje się, że skoordynowane, ukierunkowane działania wspierające rozwój magazynów energii są w interesie szerokiego grona interesariuszy rynku energii. Kierunek ten ma szerokie poparcie. Zacytujmy choćby raport przygotowany na zlecenie Fundacji WWF Polska, przez ekspertów z Politechniki Warszawskiej pt. “Dostępne i przyszłe formy magazynowania energii”:

“Należy stwierdzić, biorąc pod uwagę rozwój techniczno-ekonomiczny technologii magazynowania energii, że świat, w którym produkujemy energię wyłącznie ze słońca i wiatru, w dłuższej perspektywie jest możliwy.”

Opinię tę podzielają także liderzy przemysłu i energetyki. W wypowiedzi dla Transformacji 2050, Józef Węgrecki, członek zarządu PKN Orlen ds. operacyjnych podkreśla, że inwestycje w energetykę wiatrową, w tym offshore potrzebują skoordynowanych działań również w Polsce.

Z drugiej strony, w związku ze względnie niedużym doświadczeniem np. Polski w nowych technologiach magazynowania, zbyt pochopne i przedwczesne inwestycje w rozwiązania magazynowe niosą ogromną premię dla pierwszych globalnych, zagranicznych innowatorów, udostępnianą kosztem krajowych, istniejących uczestników rynku mocy.

Śmiałe decyzje polityczne, które faworyzuje unijny Zielony Ład mogą doprowadzić do upowszechnienia magazynów energii. Nie jest to jednak przesądzone.

Portal internetowy „Transformacja 2050”, który właśnie odwiedzasz, to kontynuacja projektu foresightowego Energia 2050. Pragniemy, aby portal, podobnie jak projekt „Energia 2050”, był źródłem wartościowej, eksperckiej, nietuzinkowej wiedzy na tematy związane z przyszłością rynku energii, transformacją energetyczną i pokrewnymi tematami. „Transformacja 2050” jest otwartą trybuną rozmowy o przyszłości energetyki w polskich miastach, animowanej przez Veolię Energia Polska oraz specjalistów w zakresie foresightu strategicznego z firmy 4CF. Zapraszamy do kontaktu i współtworzenia tego portalu ekspertów i interesariuszy rynku energii.

Jeśli zainteresował Cię powyższy artykuł, to z pewnością chętnie zobaczysz i przeczytasz także: