Technologie magazynów energii: BESS i TES

Energię da się magazynować na wiele sposobów: chemicznie, cieplnie, mechanicznie w elektrowniach szczytowo-pompowych, a nawet w sprężonym powietrzu. Dla domu, firmy i gospodarstwa rolnego technologie magazynów energii sprowadzają się jednak do dwóch, które można kupić i uruchomić u siebie.

Obie technologie magazynów energii są dziś dostępne od ręki i obie mają swoje miejsce w tym samym budynku. Pierwsza to magazyn bateryjny, czyli BESS (Battery Energy Storage System). Druga to magazyn ciepła, czyli TES (Thermal Energy Storage). Różnią się nie tylko ceną, ale przede wszystkim tym, co potrafią oddać z powrotem: BESS oddaje prąd, TES oddaje wyłącznie ciepło.

W praktyce najlepszy efekt daje połączenie obu. Ciepłej wody nie opłaca się bowiem robić z baterii, skoro można ją zrobić bezpośrednio ze słońca.

Baterie litowe mają różne chemie, a chemię dobiera się pod zastosowanie. Smartfon ma być lekki, samochód ma mieć zasięg przy akceptowalnej cenie, natomiast magazyn energii stoi w jednym miejscu i ma po prostu przeżyć kilkanaście lat. Dlatego priorytety są zupełnie inne.

NMC - nikiel, mangan, kobalt

Największą zaletą NMC jest bardzo wysoka gęstość energii, czyli dużo kilowatogodzin na kilogram. Z tego powodu spotyka się ją w elektronice i w wielu samochodach. Minusem jest natomiast mniejsza stabilność termiczna: w uproszczeniu przy przegrzaniu lub uszkodzeniu łatwiej o poważny problem. Stąd biorą się restrykcje transportowe i ostrożne podejście do tej chemii w budynkach.

LFP, czyli LiFePO4 - lit, żelazo, fosfor

To dziś złoty standard magazynów stacjonarnych. LFP jest stabilniejsza termicznie, zwykle ma dłuższą żywotność cykliczną, a jej słabość - większa masa przy tej samej pojemności - nie ma znaczenia, skoro magazyn nie jeździ. Innymi słowy: wada, która dyskwalifikuje ją w aucie, w garażu nie przeszkadza w ogóle.

LTO - tytanian litu

LTO to półka premium: bardzo wysoka żywotność, bardzo szybkie ładowanie i duża odporność na ciężkie warunki pracy. Koszt jest jednak na tyle wysoki, że chemię tę spotyka się głównie w wymagających zastosowaniach przemysłowych oraz w części flot pojazdów ciężkich, na przykład w autobusach.

Co z tego wynika przy zakupie

Spośród wszystkich technologii magazynów energii do domu i do większości firm wybiera się LFP i jest to wybór rozsądny, a nie kompromisowy. Jeżeli zatem sprzedawca tłumaczy przewagę swojego produktu wyższą gęstością energii, warto zapytać, co konkretnie zyskujesz z lżejszej baterii, która i tak zostanie przykręcona do ściany.

Technologie magazynów energii porównuje się zwykle po nazwie chemii, a to stanowczo za mało. O tym mało kto mówi wprost: na rynku istnieją ogniwa tej samej chemii, ale o bardzo różnej jakości. Napis „LFP” na karcie katalogowej nie mówi więc jeszcze nic o tym, jak bateria będzie się zachowywać po kilkuset cyklach.

Klasa ogniw

Producenci ogniw prowadzą topowe serie oraz partie tańsze, o gorszych lub mniej powtarzalnych parametrach. W efekcie cena jednej i drugiej potrafi się różnić o kilkadziesiąt procent, a dla klienta końcowego obie wyglądają identycznie.

Selekcja i parowanie

W dobrej baterii ogniwa są dobierane tak, by miały zbliżoną pojemność, rezystancję wewnętrzną i zachowanie w zmiennej temperaturze. Dzięki temu pakiet starzeje się równo. Bateria złożona z losowo zebranych partii będzie natomiast szybciej tracić parametry, ponieważ BMS musi stale i agresywnie wyrównywać różnice między ogniwami.

Powtarzalność produkcji

Trzeci element to zwykła dyscyplina fabryki: te same procesy, ta sama kontrola, te same testy końcowe każdej sztuki. Właśnie tu przebiega zatem granica między producentem a firmą, która skręca moduły z kupionych ogniw.

Ogniwa to zwykle mniej więcej połowa wartości urządzenia. Druga połowa decyduje natomiast o tym, czy po pięciu latach nadal masz sprawny magazyn energii, czy zaczynasz rozmowę o reklamacji.

Co robi BMS

BMS, czyli Battery Management System, kontroluje napięcia i temperatury poszczególnych ogniw, balansuje pakiet, wyłącza go przy przekroczeniu bezpiecznych progów prądu lub temperatury oraz rozmawia z falownikiem. Krótko mówiąc, to on decyduje, czy bateria pracuje w swoim oknie bezpieczeństwa.

Elementy prądowe i zabezpieczenia

Poza samym sterownikiem liczą się czujniki temperatury, bezpieczniki, styczniki odłączające oraz projekt szyn prądowych i połączeń śrubowych. Większość usterek, które wychodzą po dwóch-trzech latach, nie wynika z chemii ogniw, tylko z oszczędności właśnie na tych elementach.

Docisk, chłodzenie i „puchnięcie”

Ogniwa podczas pracy minimalnie zmieniają objętość. Konstrukcja musi więc na to pozwalać, a jednocześnie nie dopuszczać do niekontrolowanego pęcznienia pakietu i luzowania się połączeń. Dlatego w lepszych magazynach zwraca się uwagę na docisk i prowadzenie modułów, odprowadzanie ciepła, a przy większych mocach także na chłodzenie aktywne. Na zdjęciu produktowym nie widać tego w ogóle.

Magazyny dzieli się według zastosowania. Wersje residential trafiają do domów: mniejsze moce, mniejsze prądy, moduły, które da się wnieść we dwie osoby i dołożyć kolejne po roku. Wersje commercial and industrial, w skrócie C&I, projektuje się natomiast od razu jak urządzenie przemysłowe.

Co się zmienia przy większej skali

W magazynach C&I stosuje się większe formaty ogniw, mocniejszy docisk i konstrukcje rackowe, zwykle chłodzenie aktywne, a także inne podejście do ochrony przeciwpożarowej i do serwisowania w obiekcie. Poza tym inaczej rozwiązuje się samo przyłączenie, bo prądy są nieporównywalnie wyższe.

Dlaczego 200 kWh bywa mniejsze niż czterdzieści modułów po 5 kWh

Powód jest prosty: konstrukcja przemysłowa lepiej wykorzystuje przestrzeń i ma jeden wspólny układ chłodzenia, zabezpieczeń i sterowania, zamiast czterdziestu osobnych. Dlatego magazyn 200-260 kWh potrafi zająć mniej miejsca niż zestaw złożony z wielu urządzeń domowych, mimo że zgromadzi wielokrotnie więcej energii.

Wśród technologii magazynów energii ta jedna bywa pomijana, choć kosztuje najmniej. Magazyn ciepła w domu albo w firmie to najczęściej zasobnik ciepłej wody użytkowej, bufor dla centralnego ogrzewania, a rzadziej rozwiązania z materiałami zmiennofazowymi. Sedno jest jednak proste: nie opłaca się rozładowywać baterii po to, żeby podgrzać wodę, skoro tę samą wodę można ogrzać w dzień wprost z fotowoltaiki.

Jak to ustawić w praktyce

Czym podgrzewasz wodę

Źródłem ciepła może być zwykła grzałka, pompa ciepła albo sterowanie realizowane przez system zarządzania energią. Wybór zależy zatem od tego, co już masz w kotłowni. Grzałka jest najprostsza, natomiast pompa ciepła zrobi z tej samej kilowatogodziny prądu kilka razy więcej ciepła.

Dlaczego BESS i TES działają najlepiej razem

Bateria daje elastyczność po stronie prądu: zasila obiekt wtedy, gdy fotowoltaika nie pracuje albo gdy cena energii z sieci jest wysoka. Magazyn ciepła z kolei zdejmuje z baterii jednego z największych odbiorników w budynku, czyli ciepłą wodę i ogrzewanie. W efekcie ta sama pojemność baterii wystarcza na dłużej, a w okresach przejściowych pobór z sieci realnie spada.

Technologie magazynów energii najłatwiej porównać po sześciu rzeczach. Poniższa lista sprowadza cały poradnik do pytań, o które warto zapytać, zanim podpiszesz umowę. Co ważne, żadna z nich nie wymaga wiedzy technicznej - wystarczy zadać pytanie i posłuchać, czy odpowiedź jest konkretna.

Pytania o technologie magazynów energii, które wracają w rozmowach z klientami najczęściej. Odpowiedzi są celowo krótkie, ponieważ szczegóły zależą już od konkretnego obiektu.