Urządzenie do przechowywania energii wykorzystywane w instalacjach fotowoltaicznych umożliwia gromadzenie nadwyżek prądu wyprodukowanego w ciągu dnia i udostępnianie go w późniejszych godzinach, zwłaszcza wtedy, gdy zapotrzebowanie przewyższa bieżącą produkcję. Jego funkcjonowanie przypomina pracę akumulatora, który może wspierać zasilanie również w sytuacjach awaryjnych. Aby urządzenie działało stabilnie i efektywnie, musi być zainstalowane w miejscu o odpowiednich parametrach środowiskowych, szczególnie pod względem temperatury otoczenia. Jak działają magazyny energii w niskich temperaturach?
Przeczytaj także:
- Dobór mocy falownika do instalacji fotowoltaicznej
- Poziom naładowania baterii SOC – co to jest?
- Jak poradzić sobie z przegrzewaniem się magazynów energii?
Co to jest magazyn energii elektrycznej?
Urządzenie umożliwiające przechowywanie energii elektrycznej, powszechnie znane jako magazyn energii, zbudowane jest na bazie ogniw akumulatorowych. Jego działanie opiera się na procesach elektrochemicznych, które pozwalają na wielokrotne ładowanie i rozładowywanie. Dzięki temu możliwe staje się wykorzystanie energii w dogodnym czasie, niezależnie od momentu jej wytworzenia.
Zastosowanie takiego urządzenia pozwala m.in. na zwiększenie wykorzystania energii wyprodukowanej przez własną instalację fotowoltaiczną, obniżenie kosztów poprzez zakup energii w czasie obowiązywania niższych stawek, czy udział w rynku energii jako zasób wspierający stabilność sieci. Inną z funkcji może być również zapewnienie zasilania w przypadku przerwy w dostawach prądu. Sposoby przechowywania energii różnią się w zależności od technologii – obok rozwiązań chemicznych, takich jak akumulatory litowo-jonowe, stosowane są także inne systemy, jak elektrownie szczytowo-pompowe czy zasobniki wykorzystujące nadprzewodnictwo.
Każde urządzenie tego typu opisuje się poprzez określenie pojemności, czyli ilości energii, jaką może zgromadzić oraz mocy, która wskazuje, jak szybko energia może zostać oddana lub przyjęta. Relacja pomiędzy tymi wartościami nazywana jest współczynnikiem szybkości ładowania i rozładowywania, czyli C-rate. Parametr ten wyraża, ile czasu potrzeba, aby całkowicie naładować lub rozładować urządzenie przy danej mocy.
Obliczenia wykonuje się według zależności:
C-rate (h) = pojemność (kWh)/moc (kW)
Jak działają magazyny energii do fotowoltaiki?
Magazyn energii w instalacji z ogniwami fotowoltaicznymi umożliwia przechowywanie wyprodukowanej energii elektrycznej oraz jej późniejsze wykorzystanie. System złożony z modułów PV dostarcza prąd do zasilania urządzeń znajdujących się w budynku, a jednocześnie pozwala na ładowanie akumulatora energią, która nie została zużyta na bieżąco. W przypadku pojawienia się nadwyżek możliwe jest ich przekazanie do sieci energetycznej i późniejsze rozliczenie z operatorem.
Zmagazynowana energia może być wykorzystywana również po zmroku, kiedy produkcja z paneli ustaje. W momencie całkowitego zużycia zgromadzonej energii, system automatycznie korzysta z zasilania dostarczanego przez operatora sieci. Koszt takiego zużycia zostaje pomniejszony o wartość uprzednio oddanej do sieci energii, co wpływa na końcowy bilans w rozliczeniu.
Obecność akumulatora w instalacji zwiększa stopień wykorzystania energii na własne potrzeby. Jest to szczególnie istotne, ponieważ zapotrzebowanie na energię często występuje również w godzinach wieczornych. W takim modelu wykorzystywanie zgromadzonego wcześniej prądu staje się korzystniejsze finansowo niż jego odsprzedaż do sieci.
Jaką ma sprawność magazyn energii w niskich temperaturach?
Większość obecnie stosowanych magazynów energii bazuje na technologii litowo-jonowej, w której obok litu mogą występować pierwiastki takie jak żelazo, glin, fosfor czy mangan. Prawidłowe działanie tego typu urządzeń wymaga zachowania przepływu jonów litu w procesie ładowania. W tym czasie przemieszczają się one z katody do grafitowej anody, która posiada strukturę zdolną do ich tymczasowego osadzania.
Działanie akumulatora zależy od warunków, w jakich funkcjonuje – szczególnie istotne okazuje się tu oddziaływanie temperatury. Zarówno zbyt wysokie, jak i zbyt niskie wartości mogą wpływać na zachowanie materiałów, z których wykonane są ogniwa. W warunkach laboratoryjnych badania prowadzi się w temperaturze 25°C, która uznawana jest za najkorzystniejszą dla zachowania długiej żywotności urządzenia. W takich właśnie warunkach określa się m.in. liczbę cykli ładowania i rozładowywania, po których akumulator wciąż utrzymuje określony poziom sprawności, np. 80% pojemności początkowej.
Analizy pokazały, że przy wzroście temperatury otoczenia do 45°C maksymalna pojemność ogniwa może zwiększyć się nawet o jedną piątą, jednak towarzyszy temu szybsze tempo zużycia. Degradacja po pierwszych 200 cyklach pracy w temperaturze 25°C wynosi około 3,3%, natomiast przy 45°C już 6,7%. Dane te zostały opublikowane w czasopiśmie Scientific Reports.
Niska i wysoka temperatura a wydajność magazynu energii
Zainteresowanie magazynami energii systematycznie rośnie zarówno na kontynencie europejskim, jak i w innych częściach świata. Ich działanie, a także efektywność użytkowania, w dużej mierze zależne są od warunków pogodowych oraz klimatu występującego w miejscu instalacji. Zarówno zbyt niska, jak i zbyt wysoka temperatura otoczenia może wpływać na osiągi urządzenia.
W chłodniejszych warunkach atmosferycznych występuje ograniczenie objętości ogniw i wzrost oporu wewnętrznego. W rezultacie procesy zachodzące w bateriach stają się mniej efektywne, a to przekłada się na wolniejsze ładowanie oraz zmniejszenie pojemności, czyli zdolności do gromadzenia energii.
Na efektywność pracy magazynu energii mają również wpływ inne czynniki. Wśród nich istotne znaczenie ma rodzaj użytej technologii, a zwłaszcza chemiczny skład ogniw. Systemy oparte na technologii kwasowo-ołowiowej zachowują zdolność działania w szerokim zakresie temperatur, ale przy silnym mrozie ich pojemność może ulec znacznemu obniżeniu. Litowo-jonowe akumulatory z kolei wykazują większą stabilność przy ładowaniu w temperaturach dodatnich i pozwalają na rozładowywanie również przy ujemnych wartościach.
Ważne jest także tempo pracy akumulatora. Zbyt szybkie ładowanie lub rozładowywanie przy niskich temperaturach może negatywnie odbić się na trwałości ogniw. Z tego względu należy stosować się do wytycznych producenta w zakresie dopuszczalnych temperatur działania. Przeciążanie urządzenia zbyt wysokim napięciem w celu przyspieszenia cyklu może prowadzić do nadmiernego wzrostu ciśnienia wewnątrz ogniwa, co niesie ze sobą ryzyko uszkodzenia urządzenia, a w skrajnych przypadkach nawet jego zniszczenia.
Jak chronić system magazynowania energii przed bardzo niskimi temperaturami?
Przed podjęciem decyzji o zakupie magazynu energii należy wziąć pod uwagę, jaki typ urządzenia najlepiej odpowiada oczekiwaniom użytkownika. W dalszej kolejności niezbędne jest opracowanie projektu, którego wykonanie warto powierzyć firmie mającej doświadczenie w instalacjach tego typu. Aby ograniczyć wpływ niskich temperatur na działanie systemu, można wdrożyć kilka praktycznych rozwiązań.
W projekcie należy przewidzieć lokalizację urządzenia w pomieszczeniu, które nie tylko ułatwi jego integrację z instalacją fotowoltaiczną, lecz także zapewni stabilne warunki temperaturowe – optymalnie zbliżone do 25°C. Jeśli urządzenie nie może zostać umieszczone wewnątrz budynku, konieczne będzie jego odpowiednie zabezpieczenie, tak aby nie dopuścić do spadku temperatury poniżej zera.
Dobrym rozwiązaniem może być wyposażenie magazynu energii w system zarządzania BMS, który umożliwia stałe śledzenie parametrów pracy, w tym temperatury, i wysyła stosowne ostrzeżenia w przypadku przekroczenia bezpiecznych wartości. W sytuacjach, w których urządzenie pracuje w nieoptymalnych warunkach, należy unikać prób przyspieszania procesu ładowania, ponieważ może to skutkować skróceniem jego trwałości.
Przy doborze urządzenia istotne jest również uwzględnienie pojemności akumulatora, która powinna odpowiadać zapotrzebowaniu energetycznemu obiektu oraz parametrom samej instalacji PV. W warunkach zimowych warto wziąć pod uwagę spadek dostępnej pojemności i tak dobrać urządzenie, aby umożliwiało ono efektywne działanie niezależnie od warunków zewnętrznych.
