Magazyn energii – co to jest i jak działa? Zasada działania i rodzaje

Wiele już napisaliśmy o magazynowaniu energii – opłacalności inwestycji, doborze odpowiedniej pojemności akumulatora czy dostępnych w Polsce możliwościach dofinansowania. Ale jak działa magazyn energii? Jakie procesy elektrochemiczne w nim zachodzą i w jaki dokładnie sposób funkcjonuje w naszej sieci elektrycznej?

Tym razem przyjrzymy się zatem bliżej samej zasadzie działania magazynów energii. Wyjaśnimy, jak przetwarzają i gromadzą energię, a także jak wybrać rozwiązanie najlepiej dopasowane do naszych potrzeb. Omawiając nieco szerzej najpopularniejsze technologie akumulatorów, w tym litowo-jonowe (Li-Ion) i fosforanowo-litowe (LiFePO4), wykażemy również, dlaczego jedne akumulatory są bardziej wydajne lub trwałe od innych.

Jakie są sposoby na magazynowanie energii?

Magazynowanie energii jest kluczowe dla stabilności nowoczesnych systemów energetycznych, szczególnie tych opartych na odnawialnych źródłach energii (OZE). Wybór odpowiedniej metody magazynowania zależy od wielu czynników, takich jak czas przechowywania, efektywność i koszty. 

Wyróżniamy pięć zasadniczych rodzajów magazynów energii:

1. Magazyny elektromechaniczne – przechowują energię jako energię mechaniczną, którą można odzyskać jako elektryczną. Przykładem są elektrownie szczytowo-pompowe oraz systemy z kołami zamachowymi. Zapewniają szybkie dostarczanie energii, co czyni je popularnym wyborem w wielu zastosowaniach.
2. Magazyny elektrochemiczne – wykorzystują reakcje chemiczne do przechowywania energii, którą można przekształcić w elektryczność. Najczęściej spotykane są baterie litowo-jonowe, stosowane w pojazdach elektrycznych oraz w domowych systemach magazynowania energii.
3. Magazyny termiczne – magazynują energię w postaci ciepła, na przykład poprzez stopione sole lub wodę. Stosowane w systemach wymagających stabilnego dostarczania ciepła, jak przemysł czy systemy ogrzewania budynków.
4. Magazyny chemiczne – przechowują energię poprzez odwracalne reakcje chemiczne, jak wodór, który może być przekształcany w energię elektryczną w ogniwach paliwowych. Idealne dla dużych systemów, wymagających długoterminowego magazynowania energii.
5. Magazyny oparte na sprężonym powietrzu (CAES) – magazynowanie energii odbywa się przez sprężanie powietrza, które później napędza turbiny. Wykorzystywane głównie w dużych systemach do magazynowania energii na skalę przemysłową.

Współcześnie najczęściej wykorzystywane są magazyny elektrochemiczne, ze względu na ich wszechstronność i wysoką wydajność, zwłaszcza w zastosowaniach mobilnych i domowych. Przyjrzyjmy się zatem nieco bliżej.

Rodzaje elektrochemicznych magazynów energii

Magazyny elektrochemiczne to najczęściej stosowany typ magazynów energii, w których energia jest przechowywana i uwalniana za pomocą reakcji chemicznych zachodzących w specjalnych ogniwach lub bateriach. Wykorzystują one elektrody i elektrolity, które umożliwiają przepływ jonów i prowadzą do gromadzenia oraz późniejszego uwalniania energii elektrycznej. Ich różnorodność wynika z zastosowania różnych technologii akumulatorowych, które charakteryzują się odmiennymi właściwościami, takimi jak gęstość energii, żywotność czy poziom bezpieczeństwa. 

Elektrochemiczne magazyny energii dzielimy na:

• Akumulatory kwasowo-ołowiowe – jedne z najstarszych typów, szeroko stosowane w motoryzacji i jako awaryjne źródła zasilania. Są stosunkowo tanie, ale mają niższą gęstość energii i żywotność w porównaniu do nowocześniejszych technologii.
• Akumulatory litowo-jonowe – obecnie najpopularniejsze w urządzeniach mobilnych, pojazdach elektrycznych i domowych systemach magazynowania energii. Charakteryzują się wysoką gęstością energii i długą żywotnością, ale są bardziej kosztowne.
• Akumulatory sodowo-jonowe – stanowią tańszą alternatywę dla litowo-jonowych, o podobnych właściwościach, lecz są na wczesnym etapie rozwoju. Uznawane za przyszłościowe rozwiązanie, szczególnie do zastosowań przemysłowych i sieciowych.
• Akumulatory niklowo-kadmowe (NiCd) – mają dużą wytrzymałość na ekstremalne temperatury i długą żywotność, jednak zawierają toksyczny kadm, co ogranicza ich stosowanie głównie do zastosowań specjalistycznych.
• Akumulatory przepływowe – w tym typie energia jest magazynowana w cieczach, które przepływają przez ogniwa wytwarzające prąd. Charakteryzują się skalowalnością i możliwością długoterminowego przechowywania energii, co czyni je atrakcyjnymi dla systemów stacjonarnych.

Zasada działania magazynu energii – szczegółowy opis

Magazyn energii działa na zasadzie przechowywania energii elektrycznej w postaci chemicznej, by móc ją później uwolnić i ponownie przekształcić na prąd, gdy jest potrzebna. Przyjrzyjmy się szczegółowemu procesowi na mikroskali na przykładzie najczęściej spotykanych magazynów energii, jakimi są baterie litowo-jonowe.

Budowa baterii litowo-jonowej

Bateria litowo-jonowa składa się z kilku kluczowych elementów:

• Anoda – zwykle wykonana z grafitu,
• Katoda – wykonana z tlenków metali (np. kobaltu, niklu lub manganu) związanych z litem,
• Elektrolit – substancja przewodząca jony litowe między anodą a katodą,
• Separator – cienka warstwa, która zapobiega bezpośredniemu kontaktowi anody i katody, zapobiegając zwarciom, ale pozwala na przepływ jonów.

Proces ładowania

Podczas ładowania bateria absorbuje energię elektryczną, która zostaje zamieniona na energię chemiczną.

1. Ruch jonów i elektronów – pod wpływem napięcia dostarczonego z zewnętrznego źródła, jony litu z katody przemieszczają się przez elektrolit w kierunku anody. W tym czasie elektrony, które również są częścią reakcji, nie mogą przemieszczać się przez elektrolit, więc muszą przepłynąć przez zewnętrzny obwód elektryczny do anody.
2. Osadzanie jonów w anodzie – gdy jony litu docierają do grafitowej anody, wiążą się z atomami węgla, tworząc stabilne kompleksy i przechowując energię. Elektrony, które przemieściły się przez zewnętrzny obwód, łączą się z jonami litu w anodzie, zamykając reakcję. W miarę ładowania ilość jonów litu w katodzie zmniejsza się, a w anodzie – zwiększa.
3. Tworzenie gradientu energetycznego – zjawisko to powoduje różnicę potencjału między anodą a katodą. Energia chemiczna jest tymczasowo magazynowana w strukturze anody, w kompleksie jonów litu i atomów węgla.

Proces rozładowania

Gdy bateria jest podłączona do obciążenia (np. urządzenia elektrycznego), proces zachodzi w odwrotną stronę, uwalniając zgromadzoną energię chemiczną w postaci prądu elektrycznego.

1. Ruch jonów i elektronów w przeciwnym kierunku – jony litu opuszczają anodę i przemieszczają się przez elektrolit w kierunku katody. Jednocześnie elektrony przemieszczają się przez zewnętrzny obwód od anody do katody, dostarczając prąd elektryczny do urządzenia.
2. Reakcja z katodą – w katodzie, jony litu z elektrolitu łączą się z elektronami, wracając do swojej pierwotnej struktury w tlenkach metali. Ten proces uwalnia energię chemiczną w postaci prądu elektrycznego.

Rola mikroskali i zjawisk chemicznych

Ważnym elementem efektywności magazynowania energii w bateriach litowo-jonowych jest zdolność do powtarzalnego przemieszczania się jonów litu między anodą a katodą bez degradacji materiałów. W trakcie tych procesów dochodzi do mikroskopijnych zmian, które mogą wpływać na żywotność baterii. Na przykład:

• Degradacja elektrod – z biegiem czasu cykle ładowania i rozładowania powodują uszkodzenia strukturalne anody i katody, a w szczególności gromadzenie się warstw tzw. SEI (Solid Electrolyte Interface) na anodzie, co może zmniejszyć wydajność przepływu jonów.
• Zjawiska związane z jonami litu – przemieszczające się jony litu muszą przenikać przez różne materiały, co z czasem prowadzi do zmian strukturalnych w anodzie i katodzie, wpływając na pojemność i trwałość baterii.

To właśnie precyzyjna kontrola nad przepływem jonów i zarządzanie mikroskopijnymi zmianami materiałowymi sprawiają, że baterie litowo-jonowe mogą być efektywnym, ale także podatnym na degradację magazynem energii.

Magazyn energii z akumulatorem LiFePO₄ – sposób działania

Akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy (LiFePO₄) to rodzaj baterii litowo-jonowej, który różni się od standardowych baterii litowo-jonowych głównie materiałem katody oraz właściwościami użytkowymi. To właśnie takie baterie spotkamy dziś najczęściej systemach magazynowania energii. Dlaczego? Wyjaśnijmy to, wskazując różnice między LiFePO₄ a tradycyjnymi litowo-jonowymi bateriami opartymi na kobalcie (LiCoO₂):

1. Materiał katody

• LiFePO₄ – katoda wykonana z fosforanu litowo-żelazowego (LiFePO₄), który jest bardziej stabilny chemicznie i termicznie.
• Tradycyjne litowo-jonowe – katoda najczęściej wykonana z tlenku litowo-kobaltowego (LiCoO₂) lub innych mieszanek metalowych, które są mniej stabilne termicznie.

2. Bezpieczeństwo

• LiFePO₄ – wyższa stabilność termiczna i chemiczna, co znacząco zmniejsza ryzyko przegrzania i zapłonu. Akumulatory te są mniej podatne na reakcje egzotermiczne i są bardziej odporne na uszkodzenia mechaniczne.
• Tradycyjne litowo-jonowe – bardziej podatne na przegrzanie i ryzyko „ucieczki termicznej” (runaway thermal), co zwiększa ryzyko pożaru lub wybuchu.

3. Żywotność i liczba cykli ładowania

• LiFePO₄ – znacznie dłuższa żywotność, która może osiągnąć ponad 2000 cykli ładowania/rozładowania bez znaczącej degradacji pojemności.
• Tradycyjne litowo-jonowe – zwykle oferują około 500–1000 cykli, po czym wydajność znacząco spada.

4. Gęstość energii

• LiFePO₄ – niższa gęstość energii (około 90–120 Wh/kg), co oznacza, że są nieco większe lub cięższe przy tej samej pojemności.
• Tradycyjne litowo-jonowe – wyższa gęstość energii (120–200 Wh/kg), co sprawia, że są bardziej kompaktowe i lżejsze przy tej samej pojemności.

Jak zatem widać, akumulatory LiFePO₄ oferują większe bezpieczeństwo, dłuższą żywotność oraz stabilność, choć kosztem nieco niższej gęstości energii, co czyni je bardziej odpowiednimi do zastosowań stacjonarnych i wymagających dużej liczby cykli użytkowania.

Co może zaburzać działanie magazynu energii?

Działanie magazynu energii, takiego jak bateria lub akumulator, może być zaburzone przez różne czynniki, które wpływają na jego wydajność, trwałość oraz bezpieczeństwo. Oto najważniejsze z nich:

1. Temperatura

• Przegrzewanie – wysokie temperatury mogą prowadzić do “ucieczki termicznej,” czyli gwałtownej reakcji egzotermicznej, która może uszkodzić akumulator, a nawet wywołać pożar. Przegrzewanie przyspiesza też degradację elektrod.
• Niskie temperatury – niska temperatura zmniejsza szybkość reakcji chemicznych i opóźnia przepływ jonów, co ogranicza wydajność akumulatora i obniża pojemność.

2. Przeładowanie i głębokie rozładowanie

• Przeładowanie – wprowadzenie zbyt dużej ilości energii powoduje, że jony litu nie mogą być stabilnie magazynowane w anodzie, co może prowadzić do uszkodzenia elektrod i zwiększenia ryzyka pożaru.
• Głębokie rozładowanie – nadmierne rozładowanie może powodować degradację elektrolitu i elektrod, a nawet prowadzić do nieodwracalnych uszkodzeń, co obniża pojemność i żywotność magazynu energii.

3. Zanieczyszczenia i jakość materiałów

• Zanieczyszczenia w materiałach użytych do produkcji akumulatora mogą zaburzyć przebieg reakcji chemicznych, co prowadzi do szybszej degradacji i zmniejszenia efektywności magazynu energii. Jakość i czystość materiałów, zwłaszcza elektrolitu i elektrod, mają ogromny wpływ na trwałość i wydajność akumulatora.

4. Uszkodzenia mechaniczne

• Fizyczne uszkodzenie, takie jak uderzenie, zgniecenie czy perforacja, może prowadzić do wycieków elektrolitu i zwarć wewnętrznych, które mogą wywołać pożar lub wybuch. Uszkodzenie separatora między anodą a katodą może doprowadzić do kontaktu elektrod, powodując zwarcie i niebezpieczne reakcje chemiczne.

5. Nierównomierne ładowanie i rozładowanie (zjawisko balansowania)

• Jeśli poszczególne ogniwa w magazynie energii nie są ładowane lub rozładowywane równomiernie, może dojść do nierównomiernego zużycia ogniw. Przykładowo, jedno ogniwo może ulec przeładowaniu, a inne – głębokiemu rozładowaniu, co skraca żywotność i zmniejsza efektywność całego magazynu energii.

6. Efekty starzenia

• Formowanie się warstwy SEI (Solid Electrolyte Interphase) – w bateriach litowo-jonowych na powierzchni anody z czasem tworzy się warstwa SEI, która ogranicza przepływ jonów litu. Choć SEI jest konieczna dla stabilności baterii, jej nadmierne narastanie zmniejsza wydajność i zwiększa opór wewnętrzny.
• Degradacja elektrod – z czasem elektrody podlegają zmianom strukturalnym, takim jak rozwarstwienie, co zmniejsza ich zdolność do magazynowania jonów litu i obniża pojemność akumulatora.

7. Reakcje chemiczne w elektrolitach i elektrodach

• W wyniku intensywnego użytkowania i cyklicznego ładowania/rozładowania dochodzi do reakcji chemicznych, które mogą prowadzić do osłabienia struktury elektrolitu lub elektrod. Niektóre związki chemiczne mogą się rozkładać pod wpływem wysokiej temperatury lub wysokiego napięcia, co zmienia właściwości magazynu energii i obniża jego efektywność.

8. Efekt pamięci

• Choć efekt pamięci jest mniej powszechny w nowoczesnych akumulatorach litowo-jonowych i LiFePO₄, nadal może wystąpić w wyniku częstego, płytkiego ładowania i rozładowania. W efekcie akumulator “zapamiętuje” niższy poziom pojemności i z czasem może pracować mniej wydajnie.

Magazyn energii może być narażony na różnorodne zaburzenia działania, wynikające z warunków zewnętrznych, jakości materiałów, starzenia się oraz niewłaściwego użytkowania. Regularna konserwacja, kontrola temperatury oraz właściwe ładowanie i rozładowanie mogą pomóc w utrzymaniu efektywności i bezpieczeństwa akumulatora przez dłuższy czas.

Jak działa magazyn energii z fotowoltaiką?

Zasadę działania magazynu energii w naszej sieci można już na szczęście wytłumaczyć w znacznie bardziej przystępny sposób. Magazyn energii współpracujący z siecią elektryczną i systemem fotowoltaicznym pełni kluczową rolę w zarządzaniu przepływem energii, jej magazynowaniem oraz dostarczaniem do odbiorców, gdy jest potrzebna. W przypadku takiej współpracy cały system dąży do efektywnego wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych oraz stabilizacji sieci. 

Zobaczmy, jak działa taka współpraca krok po kroku:

1. Zbieranie energii – generacja fotowoltaiczna

• Działanie paneli fotowoltaicznych – panele fotowoltaiczne produkują energię elektryczną, gdy są wystawione na działanie promieni słonecznych. Wytwarzają prąd stały (DC), który musi być przekształcony na prąd zmienny (AC), aby zasilić urządzenia domowe lub sieć.
• Inwerter – prąd stały z paneli jest przekazywany do inwertera, który zamienia go na prąd zmienny kompatybilny z siecią i domowymi urządzeniami. Inwerter zarządza także przepływem energii – rozdziela ją między bezpośrednie zużycie w budynku, magazyn energii oraz eksport do sieci.

2. Magazynowanie nadwyżki energii

• Kiedy jest więcej energii niż zapotrzebowanie – jeśli panele produkują więcej energii, niż wynosi bieżące zapotrzebowanie (np. w słoneczny dzień, gdy zużycie jest niskie), nadwyżka energii jest magazynowana w akumulatorach.
• Magazyn energii – akumulatory przechowują energię elektryczną na później, kiedy zapotrzebowanie wzrośnie, a produkcja energii z paneli spadnie (np. w nocy lub przy pochmurnej pogodzie). Magazyn energii umożliwia korzystanie z własnej, tańszej energii zamiast energii z sieci.

3. Oddawanie energii z magazynu do budynku i sieci

• Kiedy zapotrzebowanie jest wyższe niż produkcja – w nocy lub podczas pochmurnych dni, gdy produkcja z paneli fotowoltaicznych jest niska lub zerowa, system pobiera energię z magazynu. Dzięki temu użytkownicy mogą zasilać dom bez konieczności pobierania energii z sieci.
• Współpraca z siecią – jeśli magazyn energii jest pełny, a panele nadal produkują nadwyżkę energii, może ona zostać przesłana do sieci. Z kolei, gdy zarówno magazyn jest pusty, jak i zapotrzebowanie przewyższa produkcję (np. podczas okresu wzmożonego użycia urządzeń elektrycznych lub zimą), energia może być pobierana z sieci.

4. Zarządzanie energią i optymalizacja zużycia

• Inteligentny system zarządzania – nowoczesne systemy fotowoltaiczne wyposażone w magazyny energii są często połączone z inteligentnymi systemami zarządzania energią (EMS). System taki monitoruje zużycie, produkcję i stan magazynu, dostosowując automatycznie priorytety, aby zoptymalizować wykorzystanie dostępnych zasobów.
• Optymalizacja kosztów – w przypadku korzystania z taryf zmiennych, system może także decydować o poborze energii z sieci w godzinach, gdy ceny są najniższe, jednocześnie magazynując energię na godziny, gdy koszt prądu wzrasta. To pozwala na znaczne obniżenie kosztów energii.

5. Stabilizacja sieci energetycznej

• Magazyn jako wsparcie dla sieci – magazyny energii mogą nie tylko zasilać gospodarstwo domowe, ale również wspierać stabilność sieci energetycznej. W momentach wysokiego zapotrzebowania na prąd (tzw. peak hours) nadwyżki energii z magazynów mogą być oddawane do sieci, zmniejszając obciążenie systemu.
• Zarządzanie odnawialnymi źródłami energii – energia z fotowoltaiki jest niestabilna, ponieważ zależy od warunków pogodowych. Magazyny energii pomagają w stabilizacji dostaw energii, magazynując ją w momentach wysokiej produkcji, aby oddać ją, gdy jest najbardziej potrzebna, co przyczynia się do zwiększenia udziału odnawialnych źródeł energii w sieci.

6. Tryby pracy magazynu energii

• Tryb autokonsumpcji – energia z paneli fotowoltaicznych i magazynu jest wykorzystywana w pierwszej kolejności na potrzeby gospodarstwa domowego, co zmniejsza koszty zakupu energii z sieci.
• Tryb off-grid – system może działać także w trybie wyspowym (off-grid), zasilając dom w całości energią z magazynu i paneli, nawet jeśli nie jest podłączony do sieci. Jest to popularne rozwiązanie na obszarach bez dostępu do sieci.
• Tryb hybrydowy – w standardowych instalacjach domowych z dostępem do sieci stosuje się tryb hybrydowy, który pozwala na korzystanie z energii z magazynu oraz z sieci, dostosowując się do bieżącego zapotrzebowania i poziomu naładowania magazynu.

Magazyn energii w połączeniu z fotowoltaiką i siecią elektryczną pozwala na maksymalne wykorzystanie produkowanej energii słonecznej, redukując koszty energii, stabilizując jej dostawy i wspierając sieć w momentach szczytowego zapotrzebowania. Dzięki takim systemom możliwe jest bardziej zrównoważone, efektywne i ekonomiczne zarządzanie energią.

Jak dobrać magazyn energii do instalacji fotowoltaicznej?

Dobór odpowiedniego magazynu energii do instalacji fotowoltaicznej wymaga jednak uwzględnienia kilku kluczowych aspektów. Przed zakupem zwróć uwagę przede wszystkim na:

• Pojemność magazynu – dopasuje pojemność do swojego dziennego zapotrzebowania na energię, aby magazyn był w stanie przechowywać nadmiar produkcji z paneli słonecznych.
• Typ baterii – po naszej analizie wiesz już, że wybór powinien się rozegrać pomiędzy akumulatorami Li-Ion (kompaktowe, krótsza żywotność) a LiFePO4 (bardziej trwałe, stabilniejsze).
• Moc wyjściowa – upewnij się, że moc wyjściowa magazynu odpowiada wymaganiom Twoich urządzeń, aby uniknąć przeciążeń systemu.
• Kompatybilność z inwerterem – sprawdź, czy magazyn energii jest kompatybilny z inwerterem w Twojej instalacji fotowoltaicznej.
• Cykle ładowania – wybierz magazyn z liczbą cykli odpowiadającą planowanej intensywności użytkowania. Im więcej cykli, tym dłuższa żywotność (tu znów rekomendujemy LiFePO4).
• Bezpieczeństwo i stabilność temperaturowa – w przypadku intensywnej eksploatacji lub zmiennych warunków środowiskowych wybierz baterie bardziej odporne na przegrzewanie, np. LiFePO4.
• Koszt i dostępność serwisu – oceń opłacalność inwestycji, biorąc pod uwagę koszt magazynu oraz dostępność serwisu i wymiennych komponentów na rynku lokalnym.

Dobierając magazyn energii do fotowoltaiki, kieruj się nie tylko jego specyfikacją techniczną, ale również długoterminowymi potrzebami i warunkami pracy.

Jeśli nie wiesz, który magazyn jest dla Ciebie oraz jak to wszystko zrozumieć i ze sobą połączyć, skontaktuj się z nami. Wyjaśnimy wszystkie wątpliwości i pomożemy Ci wybrać idealne rozwiązanie.