Magazyn energii na miarę czasów
Jeszcze kilka lat temu domowy magazyn energii był rozwiązaniem spotykanym głównie w instalacjach off-grid, czyli tam, gdzie budynek nie miał dostępu do sieci elektroenergetycznej. Dziś sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Rosnące ceny energii, dynamiczny rozwój fotowoltaiki, popularyzacja pomp ciepła oraz samochodów elektrycznych sprawiły, że magazyny energii zaczęły trafiać do coraz większej liczby domów jednorodzinnych.
Zmieniła się również sama energetyka. Coraz większy udział źródeł odnawialnych powoduje, że produkcja energii staje się mniej przewidywalna. Fotowoltaika produkuje najwięcej energii w środku dnia, gdy wiele gospodarstw domowych zużywa jej stosunkowo niewiele. Wieczorem sytuacja się odwraca – zapotrzebowanie rośnie, a produkcja z paneli spada praktycznie do zera. Magazyny energii mają pomóc w rozwiązaniu tego problemu.
Dla użytkownika oznacza to możliwość czasowego przechowywania nadwyżek energii i wykorzystania ich później. Technicznie cały proces jest jednak znacznie bardziej skomplikowany, niż mogłoby się wydawać.
Wbrew potocznym określeniom magazyn energii nie przechowuje „prądu” w takiej postaci, w jakiej płynie on przewodami w instalacji domowej. Energia elektryczna zostaje najpierw przekształcona i zapisana chemicznie wewnątrz ogniw akumulatorowych, a następnie ponownie zamieniona na energię elektryczną podczas rozładowania.
To dokładnie ten sam mechanizm, który działa w smartfonach, laptopach czy samochodach elektrycznych, tylko w znacznie większej skali i z dużo bardziej rozbudowanym systemem zarządzania energią.
Z czego składa się domowy magazyn energii?
Choć z zewnątrz magazyn energii często wygląda jak pojedyncza skrzynka zawieszona na ścianie garażu lub kotłowni, w rzeczywistości jest to rozbudowany system składający się z kilku kluczowych elementów.
Najważniejszą częścią są moduły bateryjne zbudowane z pojedynczych ogniw akumulatorowych. Obecnie zdecydowanie dominują technologie litowo-jonowe, przede wszystkim ogniwa LFP, czyli litowo-żelazowo-fosforanowe. Jeszcze kilka lat temu częściej stosowano baterie NMC, jednak rynek magazynów energii coraz mocniej przesuwa się w stronę LFP ze względu na większą trwałość oraz wyższy poziom bezpieczeństwa.
Same ogniwa to jednak dopiero początek. Równie ważny jest system BMS, czyli Battery Management System. To elektroniczny układ nadzorujący pracę całego akumulatora. Kontroluje temperaturę ogniw, napięcia poszczególnych sekcji, poziom naładowania oraz bezpieczeństwo ładowania i rozładowania. Bez takiego systemu nowoczesny magazyn energii nie mógłby działać bezpiecznie ani osiągać deklarowanej trwałości.
Kolejnym kluczowym elementem jest falownik. Akumulatory pracują na prądzie stałym, natomiast domowa instalacja elektryczna wykorzystuje prąd przemienny 230 V. Falownik odpowiada więc za konwersję energii pomiędzy różnymi elementami systemu. W nowoczesnych instalacjach coraz częściej stosuje się falowniki hybrydowe, które jednocześnie współpracują z fotowoltaiką, magazynem energii i siecią elektroenergetyczną.
Jak wygląda proces ładowania i rozładowania?
Najłatwiej wyjaśnić działanie magazynu energii na przykładzie domu wyposażonego w instalację fotowoltaiczną.
W ciągu dnia panele PV produkują energię elektryczną. Najpierw trafia ona do urządzeń aktualnie działających w domu – lodówki, klimatyzacji, sprzętu AGD czy pompy ciepła. Jeśli produkcja jest wyższa niż bieżące zużycie, nadwyżka energii może zostać skierowana do magazynu.
W tym momencie energia elektryczna zostaje przekształcona w energię chemiczną i „zapisana” w ogniwach akumulatorowych. Proces ten jest stale kontrolowany przez system BMS, który pilnuje parametrów pracy baterii.
Wieczorem lub nocą sytuacja się odwraca. Produkcja energii z paneli praktycznie zanika, ale budynek nadal potrzebuje energii elektrycznej. Wtedy magazyn zaczyna oddawać wcześniej zgromadzoną energię. Falownik ponownie zamienia ją na prąd przemienny wykorzystywany przez instalację domową.
Jeśli poziom naładowania magazynu spadnie do ustalonego minimum, energia zaczyna być pobierana z sieci.
Dlaczego magazyn energii nie ma 100 proc. sprawności?
Jednym z najczęściej pomijanych aspektów działania magazynów energii są straty energetyczne.
Każde przekształcenie energii powoduje pewne straty. Pojawiają się one podczas ładowania akumulatora, rozładowania, pracy falownika oraz działania układów sterujących. Część energii zamienia się po prostu w ciepło.
Dlatego magazyn energii nigdy nie oddaje dokładnie takiej samej ilości energii, jaka została do niego wcześniej wprowadzona.
Nowoczesne systemy litowo-jonowe osiągają zwykle sprawność pełnego cyklu ładowanie–rozładowanie na poziomie około 90 proc. Ostateczny wynik zależy między innymi od temperatury pracy, jakości falownika, mocy ładowania oraz samej konstrukcji akumulatora.
Uwaga na temperaturę
Akumulatory litowo-jonowe są bardzo wrażliwe na temperaturę. Zbyt wysoka przyspiesza degradację ogniw, natomiast bardzo niska ogranicza możliwość ładowania i rozładowania.
Z tego powodu nowoczesne magazyny energii są wyposażane w rozbudowane systemy kontroli temperatury. Coraz częściej pojawia się również aktywne chłodzenie lub podgrzewanie baterii, podobnie jak w samochodach elektrycznych.
Ma to szczególne znaczenie zimą. Przy bardzo niskiej temperaturze system może ograniczyć moc ładowania, aby chronić ogniwa przed uszkodzeniem.
Czym różni się pojemność brutto od użytecznej?
To jeden z parametrów, który często powoduje nieporozumienia. Producenci magazynów energii podają zwykle pojemność całkowitą oraz użytkową. Nie są to jednak te same wartości.
Pojemność brutto oznacza całkowitą ilość energii, jaką teoretycznie można zgromadzić w akumulatorze. Użytkownik nie ma jednak dostępu do całego tego zakresu. Część energii pozostaje zarezerwowana przez system zarządzania baterią jako bufor bezpieczeństwa. Takie rozwiązanie ogranicza degradację ogniw i wydłuża żywotność akumulatora.
Jak długo działa magazyn energii?
Trwałość magazynu energii zależy głównie od liczby cykli pracy, temperatury oraz sposobu użytkowania.
Nowoczesne magazyny LFP bardzo często oferują trwałość na poziomie od 6000 do nawet 10000 cykli ładowania i rozładowania. Po wielu latach eksploatacji akumulator zwykle nadal działa, ale stopniowo maleje jego pojemność.
To podobny proces do tego, który zachodzi w bateriach samochodów elektrycznych. System nie „psuje się” nagle – po prostu magazynuje mniej energii niż na początku.
Czy magazyn energii działa podczas awarii prądu?
Nie zawsze. To kwestia, która bywa często błędnie rozumiana przez użytkowników.
Standardowa instalacja fotowoltaiczna najczęściej wyłącza się podczas zaniku napięcia w sieci. Wynika to z wymogów bezpieczeństwa – instalacja nie może oddawać energii do uszkodzonej sieci energetycznej.
Aby magazyn energii mógł zasilać dom podczas awarii, system musi posiadać funkcję zasilania awaryjnego oraz odpowiedni układ odseparowania budynku od sieci elektroenergetycznej. Dopiero wtedy możliwe jest stworzenie lokalnego, niezależnego obiegu energii działającego mimo blackoutów.
Magazyny energii będą coraz ważniejsze dla całego systemu energetycznego
Wraz ze wzrostem udziału odnawialnych źródeł energii rośnie znaczenie systemów zdolnych do stabilizowania pracy sieci elektroenergetycznej. Energia produkowana z wiatru i słońca jest zmienna, dlatego coraz większe znaczenie ma możliwość jej czasowego przechowywania i przesuwania zużycia w czasie. Magazyny energii mają pomóc ograniczać przeciążenia sieci, stabilizować napięcie i poprawiać bezpieczeństwo energetyczne. I dlatego ich znaczenie rośnie.
PS
