În contextul evoluției rapide a sectorului energetic și al creșterii ponderii surselor regenerabile, România se află în fața unei provocări majore: asigurarea unui sistem energetic stabil, flexibil și sustenabil. Nevoia de stocare a energiei devine esențială, însă soluția nu poate fi redusă la o singură tehnologie de stocare.
Există mai multe tipuri de stocare a energiei electrice, iar încărcarea și descărcarea tehnologiilor de stocare incumbă o conversie a energiei, dintr-o formă într-o altă formă de energie, precum cea: chimică (hidrogen, amoniac, metanol, metan sintetic, etc,), electromagnetică (supercapacitori, stocarea magnetică) electrochimică (in principal baterii), mecanică (centrale hidroelectrice cu acumulare prin pompare, gravitațională, aer comprimat – CAES, flywheel, etc.) și termică (apă fierbinte, etc.), gravitațională (prin greutăți) [1].
Mai mult, performanța unui sistem de stocare diferă în funcție de tehnologia aleasă, principalii parametri urmăriți fiind[2]:
- Capacitatea de stocare a energiei (kWh)
- Ratele de încărcare și descărcare (kW)
- Timpul de răspuns (în secunde, minute)
- Durata de viață a sistemului de stocare (nr cicluri, ani, etc.)
- Eficiența (sau eficiența ciclului complet, %)
- Densitatea energiei (kWh/kg, kWh/m3, Wh/l) și densitatea puterii (kW/kg și kW/m3), care sunt importante în aplicațiile unde spațiul este limitat.
Stocarea energiei este vitală pentru integrarea în rețea a surselor regenerabile, precum energia eoliană și solară. Aceste surse sunt caracterizate de intermitență și variații imprevizibile, ceea ce creează dificultăți în menținerea unui echilibru constant între producție și consum. În acest context, un mixt de tehnologii de stocare poate răspunde în mod eficient acestor provocări. Fiecare tehnologie de stocare are punctele sale forte și poate acoperi diferite aspecte ale necesităților sistemului energetic, fapt reprezentant prin urmatoarea figură:
Figura 1. Durata de stocare a energiei electrice ale diferitelor tehnologii
Sursa: Jiang et al., 2021 [3]
Din graficul prezentat mai sus, putem observa faptul că pentru:
- stocarea la nivel de luni de zile sau săptămâni, cel mai pretabilă soluție este transformarea energiei electrice întrun vector energetic (hidrogen, metan sintetic, amonic, metanol, etc.) – fiind pretabilă astfel stocarea chimică;
- stocarea la nivel de orar, zile sau săptămâni, cea mai pretabilă soluție o reprezintă stocarea mecanică (centrale hidroelectrice cu acumulare prin pompare – CHEAP, prin aer comprimat, etc.)
- stocarea la nivel de minute și ore, cea mai pretabilă soluție o reprezintă stocarea electrochimică (in principal baterii).
Astfel, în funcție de scopul stocării (durata de stocare și capacitatea de descărcare) se va alege și tehnologia de stocare aferentă. Un mixt diversificat de tehnologii de stocare este crucial pentru a face față variabilității structurilor producției și cererii de energie, garantând astfel securitatea și serviciul de alimentare cu energie electrică.
În cadrul prezetului articol vom aborda câte o tehnologie din cele 3 mari categorii de stocare a energiei electrice: stocarea la nivel de luni de zile sau săptămâni prin utilizarea hidrogenului, stocarea la nivel de orar, zile sau săptămâni prin utilizarea CHEAP, respectiv stocarea la nivel de minute și ore prin baterii.
1. Tehnologii de stocare a energiei
1.1. Stocarea la nivel de luni de zile sau săptămâni prin utilizarea hidrogenului
Există mai multe modalități de obținere a hidrogenului, cea mai răspândită în prezent fiind cracarea metanului fără captarea, sechestrarea și utilizarea dioxidului de carbon – acesta având denumirea de hidrogen gri. În cazul în care se captează și stochează și CO2 rezultat, discutăm de hidorgen albastru. Hidrogenul negru sau maro este obținut din gazeificarea cărbunelui. Hidrogenul obținut prin electroliza apei are cea mai redusă amprentă de carbon (în funcție de provenineța energiei electrice), având hidrogen verde – care se obține utilizând energie solară, eoliană, hidroenergie, etc., hidrogen roz – care utilizează energia nucleară sau galben – cel care utilizează un mix din rețea.
Unul dintre principalele avantaje ale hidrogenului este versatilitatea sa, putând fi utilizat într-o gamă largă de aplicații, de la generarea de energie electrică până la utilizarea drept combustibil pentru transport. De asemenea, hidrogenul poate fi stocat pentru perioade lungi fără pierderi semnificative. În plus, hidrogenul poate fi o soluție sustenabilă, hidrogenul verde fiind produs prin electroliza apei folosind energie din surse regenerabile, oferind astfel o opțiune ecologică.
Pe de altă parte, dezavantajele includ costurile ridicate, deoarece producția de hidrogen este încă foarte costisitoare în comparație cu alte forme de stocare a energiei, iar tehnologia este încă în curs de dezvoltare. Aproximativ 80% din costurile asociate producției de hidrogen verde, obținut prin electroliza apei și utilizând energie electrică din surse regenerabile, reprezintă costul energiei electrice. Astfel, o scădere a costurilor asociate surselor de energie regenerabilă (solar PV, eolian) va crește competivitatea hidrogenului verde. În ultimii 10 ani costurile asociate panourilor fotovoltaice au scăzut cu aproximativ 90%, iar al tehnologiei eoliene de pe uscat cu aproximativ 70%[4]. Mai mult, în perioadele cu prețuri negative la electricitate, se poate produce hidrogen verde, însă doar acestea singure nu sunt de ajuns pentru a obține un factor adecvat de eficiență a unui electrolizor, care necesită atât energie din solar fotovoltaic, eolian cât și energie din rețea, atunci când nu este suficient soare și nici nu bate vântul.
În plus, hidrogenul necesită o infrastructură specifică pentru producție, transport și stocare, care nu este încă dezvoltată pe scară largă. Un alt dezavantaj este eficiența scăzută, deoarece conversia energiei electrice în hidrogen și apoi înapoi în energie electrică implică pierderi semnificative de energie.
Figura 2. Lanțul valoric al hidrogenului
Sursa: S&P – Economics of low-carbon hydrogen production, 2024 [5]
Durata de viață a unei soluții de stocare bazate pe hidrogen poate ajunge până la 30 de ani, însă cu un randament de 20-40% și un cost investițional de 2,000 – 5,000 € / kW[6].
1.2. Stocarea la nivel de orar, zile sau săptămâni prin utilizarea CHEAP
Printre avantajele acestor sisteme se numără faptul că această tehnologie este una matură, având o eficiență energetică ridicată – de până la 90%, și o capacitate de a stoca mari cantități de energie pentru perioade lungi. Un alt avantaj este durata de viață extinsă, centralele cu acumulare prin pompare având o durată de viață de până la 50 de ani sau mai mult. Acestea pot fi retehnologizate, prelungind astfel perioada de utilizare, care poate depăși 100 de ani[7]. De asemenea, capacitatea mare de stocare le face ideale pentru echilibrarea rețelei la nivel național și regional.
Pe de altă parte, dezavantajele includ costurile inițiale ridicate, deoarece investițiile necesare pentru construirea unor astfel de centrale sunt foarte mari. În plus, aceste centrale depind de topografie, fiind fezabile doar în anumite condiții geografice (posibilitatea de a construi două lacuri – unul superior iar altul inferior) și necesitând o infrastructură specifică.
Figura 3. Reprezentare schematică a CHEAP
Sursa: IRENA – Electricity storage and renewables: costs and markets to 2030 [8]
Durata de viață a unei soluții CHEAP poate ajunge până la peste 100 de ani (cu o retehnologizare la 50 ani de ani), cu un randament de 70-90% și un cost investițional de 400 – 1,500 € / kW[9].
1.3. Stocarea la nivel de minute și ore prin baterii
În funcție de cerințele specifice de putere și durata de stocare, există există diverse tipuri de baterii bazate pe litiu (litiu-ion, litiu-sulf, litiu-metal-polimeri), sodiu (sodiu-ion, sodiu-nichel-clor, sidu-sulf), nichel (nichel-cadmiu, hidrură de nichel-metal), plumb-acid, etc. Cele mai utilizate baterii în scopuri de stocare pe scară mare, sau pentru clienții rezidențiali și companii, sunt cele bazate pe tehnologia litiu-ion, pe care le vom analiza în continuare.
Un prim avantaj al bateriilor este densitatea energetică ridicată, în special în cazul bateriilor Li-ion, care permit stocarea unor cantități mari de energie într-un volum relativ mic. Un alt avantaj este reacția rapidă, bateriile putând răspunde aproape instantaneu la variațiile cererii și ofertei. De asemenea, modularitatea este un avantaj important, bateriile putând fi instalate la scară mică sau mare și fiind potrivite pentru diverse aplicații, putând fi mutate în funcție de necesități.
Pe de altă parte, dezavantajele includ durata de viață limitată, performanța bateriilor scăzând în timp și necesitând înlocuiri periodice. De asemenea, problemele de reciclare reprezintă o provocare semnificativă din punct de vedere ecologic, managementul deșeurilor și reciclarea bateriilor fiind aspecte dificile de gestionat.
Figura 4. Locații potențiale și aplicații ale stocării energiei electrice în sistemul energetic
Sursa: IRENA – Electricity storage and renewables: costs and markets to 2030[10]
Durata de viață a unei baterii litiu-ion este între15 și 20 de ani, cu un randament de 90-98% și un cost investițional de 150 – 1,000 € / kW[11]. Costul bateriilor a scăzut cu 90% în ultimii 10 ani[12].
2. Rolul unităților de stocare a energiei pentru rețeaua energetică
Unitățile de stocare pot îndeplini mai multe roluri în sistemul energetic, oferind atât servicii de flexibilitate, arbitraj, reglajul frecvenței, cât și jucând rolul de stocare a energiei pentru clienții casnici și non-casnici care au instalare sisteme fotovoltaice.
2.1. Flexibilitatea și Arbitrajul Energiei
Sistemele de stocare a energiei adaugă un nivel important de flexibilitate rețelei energetice. Ele permit operatorilor să stocheze excesul de energie produs în perioadele de cerere scăzută și să o elibereze atunci când cererea este mare. Acest lucru este esențial în contextul energiei din surse regenerabile, care sunt intermitente și nu pot fi controlate în mod direct. Stocarea energiei permite compensarea acestor fluctuații și menținerea unui echilibru constant în rețea. Stocarea energiei permite și arbitrajul acesteia, adică cumpărarea de energie atunci când prețurile sunt scăzute și vânzarea acesteia când prețurile sunt ridicate. Această strategie nu doar că optimizează costurile pentru operatorii de rețea, dar și ajută la echilibrarea cererii și ofertei în rețea, contribuind la stabilitatea pieței energetice.
2.2. Reglajul Frecvenței
Reglajul frecvenței este vital pentru menținerea stabilității sistemului energetic. Rețeaua trebuie să opereze la o frecvență constantă de 50 Hz, iar orice deviație semnificativă de la această frecvență poate duce la instabilitate și, în cazuri extreme, la blackout.
Sistemele de stocare a energiei oferă un răspuns la modificările bruște ale cererii sau ofertei de energie electrică și ajută la stabilizarea frecvenței sistemului în limite acceptabile. Un sistem este în echilibru dacă frecvența este de 50 Hz, când consumul de energie este prea mare, frecvența scade (energie de echilibrare pozitivă), iar când este prea multă energie, frecvența crește (energie de echilibrare negativă).
De ce este nevoie de aceste tehnologii care sunt complementare?
Centralele convenționale, în special cele hidroelectrice, sunt preferate pentru serviciile de reglare a frecvenței datorită inerției lor naturale. Inerția se referă la capacitatea fizică a generatoarelor rotative mari de a rezista schimbărilor rapide în frecvență. Aceasta oferă o stabilitate inerentă și o amortizare a fluctuațiilor frecvenței, permițând rețelei să absoarbă și să amortizeze perturbările.
În contrast, bateriile, în special cele de tip Li-ion, au o viteză de reacție extrem de rapidă. Ele pot detecta și răspunde la schimbările de frecvență în milisecunde, oferind un reglaj precis și rapid. Această capacitate de reacție este crucială pentru corectarea imediată a deviațiilor de frecvență și pentru susținerea stabilității rețelei în timp real.
Un mixt de tehnologii de stocare nu doar că optimizează utilizarea resurselor disponibile, dar și reduce riscul de dependență de o singură tehnologie. Această diversitate funcțională permite operatorilor de rețea să gestioneze mai eficient diverse scenarii de cerere și ofertă, utilizând resursele cele mai potrivite pentru fiecare situație specifică. În plus, prin combinarea avantajelor fiecărei tehnologii, sistemul energetic devine mai rezilient și mai capabil să facă față eventualelor perturbări sau defecțiuni. Pe lângă beneficiile tehnice, un mixt de tehnologii de stocare facilitează optimizarea costurilor pe termen lung. Investițiile pot fi direcționate către tehnologiile cele mai eficiente pentru fiecare tip de aplicație, asigurând astfel o gestionare financiară sustenabilă a resurselor energetice.
3. Ambițiile României în ceea ce privește stocare
Rolul unităților de stocare a energiei pentru rețeaua energetică
În prezent în România există 75 MW capacitate de stocare în baterii, însă nu există centrale cu acumulare prin pompaj[13]. Conform estimărilor Transelectrica, în contexul în care România și-a asumat să atingă neutralitatea climatică la orizontul anului 2045, sunt necesare capacități de stocare între 2000 și 4000 MW, care pot genera 10.000 – 20.000 MWh, pentru 8-12 ore[14].
La nivel de ambiții asumate prin Planul Național Integrat în domeniul Energiei și Schimbărilor Climatice (PNIESC) , la orizontul 2030 România țintește instalarea a 1200 MW sau 2400 MWh (2000 MW până în 2035 și 4500 MW până în 2045) capacități de stocare în principal în baterii (subsidiar și hidrogen) respectiv 800 MW în centrale cu acumulare prin pompaj, ca răspuns la variația producției și cererii, oferind astfel adecvanță și flexibilitate sistemului energetic național[15].
Figura 5. Producția de energie electrică la nivel orar (2030)
Sursa: PNIESC, Figura 36, pag. 81
Datorită potențialului hidrografic și a geografiei, România poate implementa un mixt diversificat de tehnologii de stocare a energiei pentru siguranța, stabilitatea și sustenabiltate sistemului energetic. Prin adoptarea unui astfel de mixt, țara poate valorifica pe deplin potențialul surselor regenerabile, răspunzând eficient provocărilor legate de variabilitatea producției și cererii, respetctiv asigurarea alimentării continue și sigure cu energie pentru toți consumatorii. Această abordare holistică este esențială pentru a garanta un viitor energetic robust și sustenabil.
Surse:
[1] https://ease-storage.eu/energy-storage/technologies/
[2] https://www.irena.org/Publications/2012/Apr/Electricity-storage
[3] Du, Er & Jiang, Haiyang & Xiao, Jinyu & Hou, Jinming & Zhang, Ning & Kang, Chongqing. (2021). Preliminary analysis of long‐term storage requirement in enabling high renewable energy penetration: A case of East Asia. IET Renewable Power Generation. Doi: 15.10.1049/rpg2.12104.
[4] https://ourworldindata.org/data-insights/solar-panel-prices-have-fallen-by-around-20-every-time-global-capacity-doubled#:~:text=Solar%20photovoltaic%20costs%20have%20fallen,production%20of%20that%20technology%20increases.
[5] https://connect.ihsmarkit.com/document/show/phoenix/4754180?connectPath=Search&searchSessionId=6fabf55d-dcda-4b25-9c4c-fa4a1f5bf010
[6] https://ease-storage.eu/energy-storage/technologies/
[7] https://hal.science/hal-03443019v1/document
[8] https://www.irena.org/Publications/2017/Oct/Electricity-storage-and-renewables-costs-and-markets [9] https://ease-storage.eu/energy-storage/technologies/
[10] https://www.irena.org/Publications/2017/Oct/Electricity-storage-and-renewables-costs-and-markets
[11] https://ease-storage.eu/energy-storage/technologies/
[12] https://ourworldindata.org/data-insights/solar-panel-prices-have-fallen-by-around-20-every-time-global-capacity-doubled#:~:text=Solar%20photovoltaic%20costs%20have%20fallen,production%20of%20that%20technology%20increases.
[13] https://www.transelectrica.ro/ro/web/tel/productie
[14] https://e-nergia.ro/transelectrica-avertizeaza-romania-are-nevoie-de-instalatii-de-stocare-de-4-000-mw-variatiile-mari-de-productie-a-turbinelor-eolienelor-care-se-vor-tot-instala-pot-duce-la-blackout
[15] https://energie.gov.ro/pniesc/
