Przewodnik po magazynowaniu energii elektrycznej

Magazynowanie energii elektrycznej polega na zamianie prądu w inną postać energii, w domowym akumulatorze chemiczną, i ponownym oddaniu go wtedy, gdy jest potrzebny. Dzięki temu nadwyżka z paneli fotowoltaicznych z południa zasila dom wieczorem, zamiast trafiać do sieci po niskiej cenie. Sama bateria to jednak za mało. Dopiero BMS i falownik zamieniają ogniwa w magazyn, który bezpiecznie oddaje energię do gniazdek.

Czym jest magazynowanie energii elektrycznej i jak działa magazyn?

Magazynowanie energii elektrycznej polega na zamianie prądu w inną postać energii, przechowaniu jej i ponownej zamianie w prąd wtedy, gdy jest potrzebny. W praktyce to przesunięcie energii w czasie: od chwili nadwyżki, na przykład słonecznego południa, do chwili zapotrzebowania, na przykład wieczoru. W akumulatorze tą pośrednią postacią jest energia chemiczna, w innych technologiach – energia wody podniesionej na wysokość albo sprężonego gazu.

Ustawa Prawo energetyczne ujmuje ten proces w dwóch definicjach. Magazynowanie energii elektrycznej to według art. 3 pkt 59 odroczenie końcowego zużycia energii albo jej przetworzenie do innej postaci, przechowanie i ponowne przetworzenie na energię elektryczną. Chodzi przy tym o energię pobraną z sieci elektroenergetycznej lub wytworzoną w jednostce wytwórczej przyłączonej do sieci albo z nią współpracującej. Magazynem energii elektrycznej jest z kolei, zgodnie z art. 3 pkt 10k, instalacja umożliwiająca magazynowanie energii elektrycznej i wprowadzenie jej do sieci.

Domowy magazyn ma zwykle postać płaskiej szafki na ścianie albo kolumny modułów ustawionych na podłodze. Budowa magazynu energii opiera się na czterech elementach o odrębnych funkcjach:

• Moduł bateryjny – zestaw połączonych ogniw, w których energia jest przechowywana w postaci chemicznej; liczba modułów wyznacza pojemność magazynu.
• BMS – system zarządzania baterią, który nadzoruje napięcie, prąd i temperaturę każdego ogniwa, wyrównuje ich naładowanie i odcina pracę po przekroczeniu bezpiecznych granic.
• Falownik – własny albo wspólny z instalacją fotowoltaiczną, zamienia prąd stały z baterii na przemienny, którym zasilany jest dom, a przy ładowaniu z sieci wykonuje zamianę odwrotną.
• Obudowa z zabezpieczeniami – chroni ogniwa przed wilgocią i uszkodzeniem mechanicznym oraz mieści bezpieczniki, rozłącznik i przewody komunikacyjne.

Z tego układu wynika, że sam akumulator nie jest jeszcze magazynem w sensie użytkowym. Bez BMS ogniwa litowe szybko uległyby uszkodzeniu przez przeładowanie albo głębokie rozładowanie. Bez falownika zgromadzona w nich energia nie zasiliłaby żadnego gniazdka.

Ten sam mechanizm działa w trzech skalach: domu, firmy i całego systemu elektroenergetycznego. Zmienia się pojemność, moc i medium, a zadanie pozostaje jedno. W skali kraju magazyny wyrównują różnicę między produkcją ze słońca i wiatru a zużyciem – tę samą, którą w domu wyrównuje bateria na ścianie.

Technologie magazynowania energii

Energię elektryczną przechowuje się w trzech postaciach: chemicznej, mechanicznej albo w polu elektrycznym. W domach dominują akumulatory litowo-jonowe. System elektroenergetyczny opiera się głównie na zbiornikach wody i coraz częściej na dużych bateriach sieciowych. Do tych trzech postaci nie należy magazynowanie energii cieplnej, bo zwykle nie oddaje z powrotem prądu.

Akumulatory litowo-jonowe

Ogniwa litowo-jonowe zdominowały rynek domowy, bo w urządzeniu wielkości szafki łączą dużą gęstość energii, wysoką sprawność i tysiące cykli ładowania. Ich cena spadła wraz z masową produkcją ogniw do samochodów elektrycznych, co otworzyło drogę do magazynów w domach.

Pod wspólną nazwą kryją się jednak różne chemie katody, a w magazynach domowych liczą się dwie. LFP, czyli LiFePO4 (litowo-żelazowo-fosforanowa), mieści mniej energii w kilogramie, ale wytrzymuje więcej cykli i lepiej znosi wysoką temperaturę. NMC (niklowo-manganowo-kobaltowa) ma wyższą gęstość energii, dlatego dominuje w samochodach, gdzie liczy się każdy kilogram.

Różnica w stabilności termicznej dotyczy ucieczki termicznej – samonapędzającej się reakcji, której nie przerywa odcięcie prądu. W przeglądzie badań nad ogniwami cylindrycznymi najniższą temperaturę początku tej reakcji, 88 °C, miało ogniwo NMC formatu 21700. Najwyższą, 220 °C, miało ogniwo LFP formatu 18650.

O co więc pytać sprzedawcę? O chemię ogniw, bo w karcie katalogowej bywa ukryta pod ogólnym „Li-ion”. Dla domu bezpieczniejszym wyborem jest LFP.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe, przepływowe i superkondensatory

Trzy alternatywy dla litu różnią się czasem oddawania energii, trwałością i rozmiarem instalacji:

• Akumulator kwasowo-ołowiowy – oddaje energię przez kilka godzin i jest tani, ale wytrzymuje znacznie mniej cykli niż lit i źle znosi głębokie rozładowanie. Służy dziś głównie w zasilaczach awaryjnych UPS i małych układach bez sieci.
• Akumulator przepływowy – ciekły elektrolit krąży z zewnętrznych zbiorników przez stos ogniw, więc pojemność rośnie wraz z objętością zbiorników. Oddaje energię przez wiele godzin i pasuje do magazynów przemysłowych i sieciowych.
• Superkondensator – gromadzi ładunek w polu elektrycznym, ładuje się i rozładowuje w ciągu sekund, ale mieści mało energii. Stabilizuje napięcie i przechwytuje energię hamowania w pojazdach.

Do domu żadna z tych technologii nie trafia często. Ołów przegrywa z litem trwałością, akumulator przepływowy – rozmiarem instalacji, a superkondensator – czasem pracy.

Magazyny mechaniczne i wodór

Największe magazyny energii na świecie to zbiorniki wody. Elektrownia szczytowo-pompowa w godzinach nadwyżki pompuje wodę do zbiornika górnego, a przy wysokim zapotrzebowaniu spuszcza ją przez turbiny do dolnego. W Żarnowcu, największej takiej elektrowni w Polsce, woda krąży między Jeziorem Żarnowieckim a położonym wyżej sztucznym Jeziorem Czymanowskim.

Magazynowanie energii w Polsce w skali systemu przez dekady opierało się na takich elektrowniach, zdolnych pracować z pełną mocą przez kilka godzin. Podobny horyzont mają magazyny sprężonego powietrza, tłoczonego do podziemnych kawern i rozprężanego w turbinie. Koło zamachowe, wirujące z dużą prędkością, utrzymuje energię zaledwie przez minuty i służy do wyrównywania częstotliwości sieci.

Wodór odpowiada na inny problem: przechowanie energii między sezonami. Letnia nadwyżka prądu napędza elektrolizę wody. Wodór można trzymać w zbiornikach lub kawernach przez miesiące i zimą zamienić z powrotem w prąd. Ceną jest sprawność – w całym cyklu przepada więcej energii, niż wraca. Horyzonty układają się więc w drabinę: koło zamachowe trzyma energię minuty, woda i sprężone powietrze godziny, a wodór sezony.

kWh, kW i cykle – jak czytać parametry magazynu energii?

Pojemność, wyrażana w kilowatogodzinach (kWh), mówi, ile energii magazyn zmieści, a moc w kilowatach (kW) – jak szybko ją odda. Pozostałe parametry z karty katalogowej decydują, ile z tej energii realnie się odzyska i ile lat posłuży urządzenie.

Pojemność nominalna i użytkowa

Pojemność nominalna to cała energia, jaką mieszczą ogniwa, a pojemność użytkowa – ta jej część, którą BMS pozwala faktycznie pobrać. Kilowatogodzina odpowiada przy tym energii, którą urządzenie o mocy 1 kW zużywa w ciągu godziny.

Producenci podają dwie wartości, bo ogniw nie rozładowuje się do zera ani nie ładuje do absolutnego maksimum. Bufor na obu końcach chroni je przed przyspieszoną degradacją, więc pojemność użytkowa to nominalna pomnożona przez dopuszczalną głębokość rozładowania. Ten współczynnik, oznaczany skrótem DoD, mówi, jaki procent pojemności wolno zużyć w jednym cyklu. Przykładowo magazyn o pojemności nominalnej 10 kWh przy DoD równym 90 procent odda 9 kWh.

Gdy oferta podaje tylko jedną liczbę, warto ustalić, którą z nich. Do porównań ofert i do liczenia zapasu na wieczór służy wyłącznie pojemność użytkowa.

Moc ładowania i rozładowania

Moc mówi, ile energii magazyn oddaje w danej chwili, a pojemność – jak długo może to robić. Magazyn 10 kWh o mocy ciągłej 3 kW zasili przez wiele godzin lodówkę i oświetlenie, ale nie uruchomi naraz czajnika, piekarnika i płyty indukcyjnej.

Karty katalogowe podają dwie moce. Moc ciągła to wartość utrzymywana bez limitu czasu, a moc szczytowa wystarcza tylko na kilka sekund, na przykład na rozruch sprężarki lodówki albo pompy. Gdy suma odbiorników przekracza moc ciągłą, w normalnej pracy brakującą energię dobiera się z sieci, a w trybie awaryjnym falownik się wyłącza. Dlatego oba parametry czyta się razem. Moc ciągła mówi, co da się włączyć jednocześnie. Moc szczytowa mówi, czy magazyn udźwignie rozruch.

Głębokość rozładowania, cykle i gwarancja pojemności

Cykl ładowania to pełne naładowanie i rozładowanie magazynu; dwa rozładowania do połowy liczą się zwykle jako jeden cykl. Im głębiej ogniwo jest rozładowywane, tym szybciej postępuje degradacja, czyli trwały spadek pojemności. Wysoki dopuszczalny DoD w karcie nie oznacza więc, że codzienne rozładowanie do dna jest dla ogniw obojętne.

Gwarancja producenta wyznacza koniec żywotności progiem pojemności, który magazyn ma zachować po określonej liczbie lat. Często dochodzi limit cykli albo ilości przepuszczonej energii – obowiązuje ten, który nastąpi pierwszy. Gwarantowany procent liczy się od pojemności znamionowej.

Żywotność magazynu energii porównuje się więc trzema liczbami z karty gwarancyjnej: progiem pojemności, liczbą lat i limitem cykli lub przepustowości. Oferta z wyższym progiem przy tej samej liczbie lat obiecuje wolniejszą degradację.

Sprawność

Sprawność cyklu to stosunek energii oddanej przez magazyn do energii, która do niego trafiła. W domowych magazynach litowych wynosi zwykle około 85–86 %, więc z 10 kWh włożonych wraca mniej niż 9 kWh.

Straty powstają na kilku etapach: przy konwersji prądu w falowniku, w oporze wewnętrznym ogniw zamieniającym część energii w ciepło oraz na zasilaniu BMS i elektroniki. Liczbę konwersji w falowniku wyznacza układ podłączenia. Na sprawność wpływa też temperatura pracy. Zimno zwiększa opór ogniw. Upał uruchamia chłodzenie, które samo pobiera energię. Zmagazynowana kilowatogodzina nie równa się więc oddanej i rachunek opłacalności musi tę różnicę uwzględniać.

Jak działa magazyn energii przy fotowoltaice?

W domu z fotowoltaiką i magazynem energia z paneli trafia najpierw do bieżących odbiorników, potem do baterii, na końcu do sieci. O tej kolejności decyduje EMS, czyli system zarządzania energią, wbudowany zwykle w falownik hybrydowy. Sterownik mierzy przepływy przez licznik przy przyłączu i dąży do jak najwyższej autokonsumpcji – zużycia własnego prądu na miejscu, bez oddawania go do sieci.

Typowa letnia doba przebiega w pięciu fazach:

1. Poranek – produkcja z paneli pokrywa część zużycia, a resztę dom pobiera z sieci albo z zapasu pozostałego w baterii.
2. Południe – produkcja przewyższa zużycie, więc EMS kieruje nadwyżkę do magazynu.
3. Popołudnie – po naładowaniu baterii nadwyżka płynie do sieci.
4. Wieczór – panele słabną i dom zasila magazyn.
5. Noc – po rozładowaniu baterii do ustawionego minimum dom wraca do poboru z sieci.

Ten schemat to tylko tryb domyślny. Magazyn może też ładować się z sieci w tańszej strefie dwustrefowej taryfy G12 i oddawać energię w droższych godzinach. Inny tryb utrzymuje stałą rezerwę pojemności na wypadek awarii, kosztem mniejszej autokonsumpcji na co dzień.

Co się dzieje, gdy w sieci zabraknie napięcia? Zwykły falownik sieciowy wyłącza się wtedy automatycznie, by nie podawać napięcia na linię, przy której pracują monterzy. Dom zostaje bez prądu mimo naładowanej baterii, o ile instalacja nie przewiduje pracy wyspowej, czyli zasilania domu odciętego od sieci z własnych paneli i magazynu. Zasilanie awaryjne nie jest więc cechą każdego magazynu.

Tryb awaryjny wymaga falownika hybrydowego albo inwertera bateryjnego z wyjściem zasilania awaryjnego, automatycznego odłączenia domu od sieci oraz rezerwy pojemności ustawionej w sterowniku. Zwykle potrzebny jest też wydzielony obwód odbiorów podtrzymywanych. Od konfiguracji zależy też, czy przełączenie trwa ułamek sekundy, czy kilka sekund, i czy panele ładują baterię podczas awarii.

Magazyn do nowej czy do istniejącej instalacji PV?

Magazyn łączy się z instalacją fotowoltaiczną po stronie prądu stałego (DC) albo przemiennego (AC). Wybór zależy przede wszystkim od tego, czy falownik już pracuje i w jakim jest stanie. Przy budowie od zera przeważa układ DC, przy dokładaniu baterii do działającej instalacji – częściej AC.

Sprzężenie DC

Przy nowej instalacji magazyn podłącza się zwykle przez falownik hybrydowy, który obsługuje naraz panele, baterię i sieć. W tym układzie, nazywanym DC-coupled, prąd z paneli ładuje baterię bez zamiany na przemienny – przez wewnętrzną przetwornicę DC/DC. Konwersja DC/AC następuje dopiero przy oddawaniu energii do domu.

Ta różnica przekłada się na straty. Droga z panelu przez baterię do gniazdka obejmuje jedną konwersję DC/AC, podczas gdy układ AC wymaga trzech. Mniej przetworzeń oznacza wyższą sprawność, a jedno urządzenie zamiast dwóch – prostszą instalację i jeden punkt serwisowy.

Ograniczeniem jest kompatybilność. Falownik hybrydowy współpracuje tylko z bateriami z listy zatwierdzonej przez producenta. Musi zgadzać się napięcie – niskie, rzędu 48 V, albo wysokie – oraz protokół komunikacji z BMS, zwykle CAN lub RS485. Falownik wyznacza też maksymalną moc ładowania i liczbę modułów, a więc górny limit pojemności. Rozbudowa po latach bywa trudna, gdy dany model baterii zniknął z rynku, dlatego przed zakupem warto sprawdzić listę kompatybilności i obsługiwaną pojemność.

Sprzężenie AC

W domu z działającym falownikiem sieciowym magazyn można dołożyć w układzie AC-coupled. Taki magazyn ma własny inwerter bateryjny i łączy się równolegle z domową instalacją prądu przemiennego, obok dotychczasowego falownika. Inwerter odczytuje przepływy z licznika przy przyłączu i ładuje baterię nadwyżką, którą falownik PV już zamienił na prąd przemienny.

Podłączenie magazynu energii do zwykłego falownika w tym układzie nie wymaga ingerencji w okablowanie DC ani komunikacji z dotychczasowym urządzeniem. Rozwiązanie sprawdza się tam, gdzie wymiana falownika byłaby kosztowna albo technicznie kłopotliwa. Ceną jest nieco niższa sprawność cyklu.

O wyborze rozstrzyga przede wszystkim wiek i stan obecnego falownika:

• Sprawny falownik z aktywną gwarancją – magazyn AC, bez demontażu i bez ryzyka dla gwarancji.
• Mikroinwertery albo panele na gruncie daleko od budynku – magazyn AC, bo układ DC wymagałby przebudowy instalacji lub nowych przewodów.
• Stary, awaryjny falownik po gwarancji – wymiana na hybrydowy i układ DC, bo nowe urządzenie i tak trzeba kupić.
• Planowana rozbudowa paneli – falownik hybrydowy z zapasem mocy, który przyjmie i dodatkowe moduły, i baterię.

Im bliżej końca życia jest obecny falownik, tym mocniej rachunek przechyla się w stronę wymiany.

Kiedy magazyn energii się opłaca, a kiedy nie?

Korzyść z magazynu bierze się z różnicy między ceną, po której sprzedaje się nadwyżkę, a ceną zakupu prądu z sieci. W systemie net-billing prosument sprzedaje nadwyżkę po cenie rynkowej, a pobraną energię kupuje po cenie detalicznej z opłatami dystrybucyjnymi. Każda kilowatogodzina przesunięta z południa na wieczór zastępuje droższy zakup, pomniejszona o straty sprawności. Im szersza ta różnica, tym więcej wart jest każdy cykl.

Czy ta różnica wystarczy, by magazyn się zwrócił? Zależy to od warunków, które ją powiększają albo zjadają. Okres zwrotu skracają: duże zużycie wieczorem i w nocy oraz wysoka nadwyżka z paneli. Pomaga też taryfa dynamiczna, w której cena zmienia się w ciągu doby za rynkiem hurtowym. Okres zwrotu wydłużają natomiast: zużycie skupione w ciągu dnia, gdy autokonsumpcja jest wysoka już bez baterii, oraz niewielka różnica cen.

Część korzyści nie trafia do rachunku. Magazyn skonfigurowany do pracy awaryjnej podtrzymuje zasilanie przy awarii sieci, co liczy się przy częstych przerwach, ogrzewaniu pompą ciepła albo pracy zdalnej. Da się go zainstalować także bez własnego źródła. Również wtedy urządzenie współpracuje z siecią, więc przed zakupem warto sprawdzić, czy przy jego mocy i sposobie przyłączenia wymagane jest zgłoszenie magazynu energii.

Dobór pojemności i mocy oraz miejsce montażu

Pojemność magazynu dobiera się do energii zużywanej wieczorem i w nocy, a nie do rocznej sumy z rachunku. Roczne zużycie nie mówi, ile prądu dom pobiera po zachodzie słońca, a tylko tę część magazyn faktycznie przejmuje.

Profil zużycia odczytuje się z danych godzinowych, które operator sieci udostępnia odbiorcom z licznikiem zdalnego odczytu. Suma zużycia od końca produkcji PV do rana z kilku typowych dni wyznacza docelową pojemność użytkową. Jeśli od 18:00 do 7:00 dom pobiera średnio 8 kWh, rozsądnym punktem wyjścia jest magazyn o pojemności użytkowej około 8 kWh. Kalkulator magazynu energii przyspiesza to liczenie, gdy danych godzinowych jest dużo.

Przy ładowaniu wyłącznie z paneli górną granicę wyznacza instalacja PV. Magazyn większy niż nadwyżka z typowego słonecznego dnia nie naładuje się do pełna. Zimą, przy słabej produkcji, nawet mniejszy pozostaje częściowo pusty. Falownik hybrydowy dokłada własne limity: maksymalną moc ładowania i obsługiwaną pojemność. Moc magazynu powinna z kolei pokryć wieczorny szczyt, gdy jednocześnie pracują kuchnia, pralka i ogrzewanie.

Miejsce montażu decyduje o trwałości ogniw. BMS zwykle blokuje ładowanie ogniw LFP poniżej 0 °C, chyba że magazyn ma podgrzewanie. Górna granica ładowania wynosi według większości kart katalogowych 45–55 °C. Najdłużej ogniwa służą w ogrzewanym pomieszczeniu o stałej, umiarkowanej temperaturze, z dala od pieca i słońca; wiążący jest zawsze zakres z instrukcji producenta. Montaż magazynu energii na zewnątrz wymaga modelu dopuszczonego do takiej pracy i obudowy o odpowiedniej szczelności.

Kwestie przeciwpożarowe nie mają jeszcze pełnego oparcia w przepisach. Według raportu instytutu ochrony przeciwpożarowej brakuje dedykowanych, szczegółowych przepisów i wymagań w tym zakresie. Raport zaleca, by magazyn stał w technicznej części budynku, a nie w części mieszkalnej. Prace nad wytycznymi, prowadzone przez Komendę Główną Państwowej Straży Pożarnej z branżą zabezpieczeń, trwają od sierpnia 2024 r. Bez względu na ich postęp lokalizacja techniczna i instrukcja producenta pozostają najbezpieczniejszym punktem odniesienia.