Wstęp
W miarę jak świat zmierza w kierunku bardziej zrównoważonego krajobrazu energetycznego, magazynowanie energii stało się kluczowym elementem transformacji. Kluczowymi rywalami na rynku stały się trzy główne technologie magazynowania energii: baterie litowo-jonowe, magazynowanie termiczne i magazynowanie wodorowe. Niniejszy artykuł zagłębi się w różnice między tymi technologiami, porównując ich koszty kapitałowe, wydajność, żywotność, efektywność produkcji energii elektrycznej (dla magazynowania termicznego) oraz zrównoważone koszty magazynowania (LCOS).
Magazynowanie litowo-jonowe
Magazynowanie litowo-jonowe obecnie dominuje na rynku, znane ze swojej wysokiej efektywności i wszechstronności w różnych zastosowaniach. Koszty inwestycyjne baterii litowo-jonowych znacząco spadły w ostatnich latach,
z obecnymi kosztami w przedziale od 200 do 400 $ za kWh. Akumulatory te oferują wydajność w obie strony na poziomie 85 – 95%, zapewniając minimalne straty energii podczas cykli ładowania i rozładowania.
Żywotność akumulatorów litowo-jonowych różni się w zależności od konkretnego składu chemicznego, głębokości rozładowania i warunków pracy, przy ogólnym zakresie 2000–8000 cykli. Szacuje się, że wyrównany koszt magazynowania dla akumulatorów litowo–jonowych wynosi od 150 do 250 $ za MWh, czyniąc je konkurencyjną opcją dla różnych zastosowań magazynowania energii.
Magazynowanie termiczne
Magazynowanie termiczne obejmuje kilka podtechnologii, w tym magazynowanie ciepła jawnego, magazynowanie ciepła utajonego i magazynowanie termochemiczne, z kosztami kapitałowymi w przedziale od 1 do 300 $ za kWh. Efektywność magazynowania termicznego w obie strony zależy od konkretnej technologii i zastosowania, zwykle mieszcząc się w przedziale 60 – 90%.
Gdy magazynowanie termiczne jest używane do produkcji energii elektrycznej, efektywność zależy od typu używanego silnika cieplnego, takiego jak turbiny parowe (cykl Rankine'a), turbiny gazowe (cykl Braytona) lub silniki Stirlinga. Sprawność wytwarzania energii elektrycznej dla tych silników cieplnych waha się od 20 do 60%. Zrównoważony koszt magazynowania dla magazynowania termicznego jest bardzo zmienny i ogólnie wyższy niż w przypadku magazynowania litowo-jonowego ze względu na niższą efektywność w obie strony i efektywność produkcji energii elektrycznej.
Systemy magazynowania termicznego zazwyczaj nie mają ograniczonej liczby cykli, ale mogą wymagać konserwacji lub wymiany komponentów po wielu latach eksploatacji.
Magazynowanie wodorowe
Magazynowanie wodorowe oferuje unikalne podejście do magazynowania energii, wykorzystując wodór jako paliwo do produkcji energii elektrycznej. Koszty kapitałowe magazynowania wodoru zależą od konkretnej zastosowanej metody, takiej jak sprężony wodór, ciekły wodór lub magazynowanie wodorków metali, a koszty wahają się od 5 do 200 $ za kWh. Efektywność magazynowania wodoru w obie strony jest niższa niż w przypadku baterii litowo-jonowych i wynosi od 30 do 50%.
Szacowany zrównoważony koszt magazynowania dla systemów magazynowania wodorowego wynosi między 200 – 600 $ za MWh. Technologie magazynowania wodorowego mają znaczącą przewagę pod względem cykli żywotności, przy czym elektrolizery i ogniwa paliwowe wytrzymują 40 000 – 80 000 godzin pracy, a zbiorniki magazynowe oferują praktycznie nieograniczoną liczbę cykli.
Synergia z fotowoltaiką i pompami ciepła
Integracja technologii magazynowania energii z systemami fotowoltaicznymi i pompami ciepła może prowadzić do bardziej efektywnego i elastycznego zarządzania energią. Połączenie systemów fotowoltaicznych z magazynowaniem litowo-jonowym pozwala na magazynowanie nadmiaru energii słonecznej w godzinach szczytowej produkcji, która może być potem wykorzystywana w okresach niskiego promieniowania słonecznego lub wysokiego zapotrzebowania na energię. Połączenie to może pomóc maksymalizować wykorzystanie energii słonecznej i poprawić ogólną wydajność systemu energetycznego.
Magazynowanie termiczne, połączone z pompami ciepła i systemami fotowoltaicznymi, może również oferować kilka korzyści. Nadmiar energii słonecznej można wykorzystać do napędzania pomp ciepła, które następnie magazynują energię w postaci ciepła do późniejszego wykorzystania w zastosowaniach związanych z ogrzewaniem lub chłodzeniem pomieszczeń. Te połączone systemy mogą również poprawić stabilność sieci i zwiększyć elastyczność w zarządzaniu energią.
Przechowywanie wodoru, gdy zostanie zintegrowane z systemami fotowoltaicznymi, może stanowić rozwiązanie do długotrwałego przechowywania energii. Energię słoneczną można wykorzystać do produkcji wodoru poprzez elektrolizę, który następnie można przechowywać i używać jako paliwo do wytwarzania energii elektrycznej w razie potrzeby. Dzięki połączeniu magazynowania wodoru z pompami ciepła możliwe jest stworzenie wysoce wydajnego systemu ogrzewania i chłodzenia zasilanego energią odnawialną.
Porównanie
Magazynowanie litowo-jonowe:
CAPEX/Nakład inwestycyjny: 200 – 400 $ za kWh (stan na 2022 rok; ceny nadal spadają)
Wydajność: 85 – 95% (wydajność w obie strony)
Czas życia: 2 000 – 8 000 cykli, w zależności od składu chemicznego baterii, głębokości rozładowania i warunków pracy
LCOS: 150 – 250 $ za MWh (zależy od konkretnego zastosowania, składu chemicznego baterii i warunków pracy).
Magazynowanie termiczne:
CAPEX/Nakład inwestycyjny: Różni się znacznie w zależności od rodzaju magazynu termicznego:
Magazynowanie ciepła czułego (np. woda, kamienie): 1– 50 $ za kWh
Magazynowanie ciepła utajonego (np. materiały zmieniające fazę): 20 – 200 $ za kWh
Magazynowanie termochemiczne: 50 – 300 $ za kWh
Wydajność: Różni się w zależności od rodzaju magazynowania ciepła i zastosowania:
Magazynowanie ciepła czułego: 70 – 90% (wydajność w obie strony)
Magazynowanie ciepła utajonego: 75 – 85% (wydajność w obie strony)
Magazynowanie termochemiczne: 60 – 75% (wydajność w obie strony)
Sprawność wytwarzania energii elektrycznej (w przypadku stosowania z silnikiem cieplnym, np. turbiną parową, turbiną gazową lub silnikiem Stirlinga):
Cykl Rankine'a (turbina parowa): 30 – 45%
Cykl Braytona (turbina gazowa): 40 – 60%
Silnik Stirlinga: 20 – 40%
LCOS: bardzo zmienny, w zależności od konkretnej technologii, zastosowania i skali, ale ogólnie wyższy niż w przypadku magazynowania litowo–jonowego ze względu na niższą wydajność w obie strony i wydajność wytwarzania energii elektrycznej.
Czas życia: Ogólnie nieograniczony liczbą cykli; może wymagać konserwacji lub wymiany komponentów po wielu latach użytkowania.
Magazynowanie wodorowe:
CAPEX/Nakład inwestycyjny: Różni się znacznie w zależności od metody przechowywania i produkcji wodoru:
Magazynowanie sprężonego wodoru: 5 – 15 $ za kWh
Magazynowanie ciekłego wodoru: 10 – 25 $ za kWh
Magazynowanie wodorków metali lub środków chemicznych: 50 – 200 $ za kWh
Wydajność: 30 – 50% (wydajność w obie strony, biorąc pod uwagę elektrolizę, magazynowanie i konwersję z powrotem na energię elektryczną za pomocą ogniw paliwowych lub silników spalinowych)
LCOS: 200 – 600 $ za MWh (zależy od konkretnego zastosowania, metody produkcji i warunków pracy).
Czas życia: Elektrolizery i ogniwa paliwowe mają ogólnie żywotność od 40 000 do 80 000 godzin pracy; samo przechowywanie (np. zbiorniki na skompresowany lub płynny wodór) ma praktycznie nieograniczoną liczbę cykli.
Należy pamiętać, że podane wartości są przybliżone i powinny być używane tylko jako punkt odniesienia. Rzeczywiste koszty, sprawność i wydajność mogą znacząco różnić się w zależności od takich czynników, jak skala, lokalizacja, postępy technologiczne i warunki rynkowe. Aby uzyskać dokładne szacunki dla konkretnych projektów lub zastosowań, należy przeprowadzić szczegółową analizę.
Podsumowanie
Każda z tych technologii magazynowania energii — magazynowanie cieplne
i magazynowanie wodoru — oferuje unikalne zalety i wady pod względem kosztów inwestycyjnych, efektywności, żywotności oraz zrównanych kosztów magazynowania. Wybór technologii zależy od konkretnego zastosowania, skali oraz lokalizacji, a także innych czynników. Integracja tych technologii magazynowania z systemami fotowoltaicznymi i pompami ciepła może prowadzić do bardziej efektywnych i zrównoważonych rozwiązań energetycznych. W miarę jak krajobraz energetyczny się rozwija, kluczowe jest zrozumienie tych różnic i wybranie najodpowiedniejszego rozwiązania magazynującego dla każdego projektu czy zastosowania.
Jaka technologia zwycięży?
Lithium-Ion Storage
Thermal Storage
Hydrogen storage
Comments