Magazyny energii: elektrownie szczytowo-pompowe zyskują konkurencję

Po co nam magazyny energii? 

W ostatnich latach mogliśmy zaobserwować dynamiczny rozwój źródeł pogodozależnych, połączony ze stopniowym wygaszaniem siłowni opalanych paliwami kopalnymi. W 2023 roku, według danych PSE, energia elektryczna z OZE odpowiadała za nieco ponad 23,7% krajowej produkcji, podczas gdy w 2015 roku było to zaledwie 7,6%. W tym samym czasie, udział elektrowni zawodowych opartych na węglu obniżył się z 83,3% do 67,9%. 

Tempo powyższych zmian podyktowane jest w głównej mierze ambitnymi celami Unii Europejskiej, która zakłada, że do 2030 roku 42,5% energii elektrycznej wykorzystywanej w krajach członkowskich powinno pochodzić z OZE. Proces ten dodatkowo przyspieszyły rosnące ceny energii elektrycznej oraz konieczność uniezależnienia się od paliw kopalnych importowanych z Federacji Rosyjskiej. Niemniej jednak, zachodząca transformacja struktury jednostek wytwórczych zwiększa ryzyko niezbilansowania systemu elektroenergetycznego, czyli występowania nadpodaży bądź niedoborów energii elektrycznej. 

W odniesieniu do nadpodaży w systemie elektroenergetycznym istotne jest zjawisko znane jako „kacza krzywa” (Duck curve), która obrazuje jak kształtuje się dobowy profil zapotrzebowania na energię elektryczną. Szczególnie w dniach typu letniego w godzinach okołopołudniowych, gdy panele fotowoltaiczne generują najwięcej energii ze słońca, zapotrzebowanie rezydualne (tj. inne niż na OZE) jest relatywnie niskie. Natomiast rano i wieczorem, sytuacja odwraca się ze względu na brak lub niewielką ilość energii dostarczanej przez PV i wzmożoną działalność elektrowni konwencjonalnych.

„Kacza krzywa” od dawna jest już zauważalna w Kalifornii, która jest przedstawiana jako modelowy przykład wykorzystania potencjału energii solarnej. Natomiast w Polsce, charakterystyczny „brzuch kaczki” zaczął się uwypuklać w ostatnich latach, gdy popyt na prosumenckie oraz wielkoskalowe instalacje fotowoltaiczne wystrzelił. Widać to dokładnie na poniższym wykresie.

Zapotrzebowanie rezydualne w Polsce – 24 maja

Z drugiej strony mamy również zjawisko suszy OZE (Dunkelflaute), z którą stykamy się w dniach o niskiej wietrzności i wysokim poziomie zachmurzenia. W tym czasie niedobory energii muszą być uzupełniane jedynie przez sterowalne elektrownie konwencjonalne.

W obu powyższych sytuacjach skutecznym rozwiązaniem są magazyny energii. 

Jak działają magazyny energii i jakie jest ich przeznaczenie?

Mechanizm działania magazynów energii jest stosunkowo prosty. Polega na gromadzeniu nadwyżek wyprodukowanej energii elektrycznej w czasie wysokiej generacji z OZE i zużywaniu jej, gdy energii zaczyna brakować. Taka sytuacja deficytu może mieć miejsce np. ze względu na niekorzystne warunki pogodowe lub wzmożone zapotrzebowanie na energię elektryczną.

Aby lepiej zobrazować ten schemat działania, można hipotetycznie założyć, że Polska posiada obecnie 10 GW w wietrze na morzu, 30 GW w wietrze na lądzie oraz 50 GW w fotowoltaice, czyli poziomy w pewnym stopniu zbliżone do tych, które Niemcy posiadały w 2023 roku. Dodatkowo należy dodać 18 GW w elektrowniach dyspozycyjnych (dla uproszczenia będą to wyłącznie jednostki opalane gazem ziemnym). W tym wariancie, który nie uwzględnia magazynów energii, roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną z elektrowni dyspozycyjnych oscyluje w okolicach 20 TWh.

Produkcja energii i zapotrzebowanie (scenariusz bez magazynów)

Na powyższym wykresie można zaobserwować, że w okresach, gdy OZE wytwarzają mniej energii niż wynosi zapotrzebowanie, deficyty są uzupełniane przez elastyczne elektrownie gazowe, niemniej wiąże się to z dodatkowymi emisjami CO₂ oraz kosztem zakupu surowca_. Jak zatem zmieniłaby się struktura wytwarzania energii, gdyby zostały jeszcze uwzględnione magazyny energii o łącznej pojemności 150 GWh?

Produkcja energii i zapotrzebowanie (scenariusz z magazynami)

Dodanie magazynów energii umożliwiłoby zmniejszenie zapotrzebowania na dyspozycyjną generację gazową, dzięki rozładowaniu zmagazynowanych nadwyżek energii, gdy źródła odnawialne nie są w stanie same zaspokoić potrzeb systemu. W tym scenariuszu zapotrzebowanie na energię z elektrowni dyspozycyjnych spada do zaledwie 8 TWh.

Poza tym, magazyny energii mają za zadanie umożliwienie synchronizacji odnawialnych źródeł energii z systemem elektroenergetycznym. W takim układzie banki energii świadczą usługi dla operatora w celu zapewnienia stabilności i prawidłowego działania sieci, polegające na sterowaniu napięciem oraz częstotliwością. Rosnące zapotrzebowanie na tego typu usługi wynika ze stopniowego wygaszania źródeł synchronicznych (np. elektrowni węglowych) oraz zastępowania ich źródłami odnawialnymi.

Utrzymanie odpowiednich parametrów sieciowych to jednak nie wszystko. Polskie Sieci Elektroenergetyczne (PSE) w opublikowanym „Planie rozwoju w zakresie zaspokojenia obecnego i przyszłego zapotrzebowania na energię elektryczną na lata 2025 – 2034” przewidują, że do 2040 roku średnia skumulowana liczba godzin (mierzona wskaźnikiem LOLE), gdy krajowe moce wytwórcze nie są w stanie sprostać popytowi na energię elektryczną, przekroczy 6037 h/rok (przyjęty standard bezpieczeństwa jest nie większy niż 3 h/rok). 

Biorąc pod uwagę fakt, że moce rezerwowe w elektrowniach gazowych mają być jedynie rozwiązaniem tymczasowym, magazyny energii jawią się jako jedyne remedium. Z jednej strony, banki energii są w stanie uzupełnić niedobory energii w systemie, a z drugiej wykorzystać do tego nadmiarową energię z niesterowalnych źródeł odnawialnych, która w przeciwnym razie zostałaby zmarnowana.

Polska musi gonić europejskich liderów / BESS w Polsce i w Europie

Aktualnie większość magazynów energii w Polsce stanowią elektrownie szczytowo-pompowe. Całkowita moc zainstalowana w tej technologii szacowana jest na ponad 1,6 GW, na co składa się sześć obiektów: Żarnowiec, Porąbka-Żar, Solina, Żydowo, Dychów oraz Czorsztyn. Ostatnia taka jednostka powstała jednak ponad 40 lat temu, a budowa kolejnych jest sukcesywnie odkładana.

Bateryjne magazyny energii to rynek, który dopiero się rozwija. Łączna moc zainstalowana w sieciowych bateryjnych magazynach energii (front-of-the-meter) w Polsce pod koniec 2023 roku oscylowała w okolicach 10 MW. Jest to wynik wręcz znikomy w porównaniu do innych europejskich państw, takich jak na przykład Wielka Brytania czy Niemcy, które w tym samym czasie miały zainstalowane odpowiednio 4,4 GW/ 4,9 GWh oraz 0,9 GW / 1,3 GWh. Ponadto, ten pierwszy kraj może pochwalić się dwoma największymi projektami wielkoskalowymi w Europie, czyli Bumpers (99 MW/198MWh) oraz Pilswood (98 MW/198 MWh).

Ze względu na rosnące zapotrzebowanie na elastyczność w systemie, polski operator sieci przesyłowych przygotował dwa progresywne scenariusze, w których określa, ile magazynów energii powinna mieć Polska w 2034 roku. Zgodnie ze scenariuszem swobodnej transformacji (SST) poziom 3,7 GW mocy zainstalowanej w BESS byłby odpowiedni, natomiast scenariusz dynamicznej transformacji (SDT) zakłada aż 15,2 GW. Drugi wariant prognozuje większe względem pierwszego zużycie energii elektrycznej oraz więcej mocy zainstalowanej w odnawialnych źródłach energii. 

Sytuacja rozwija się jednak dynamicznie. W rejestrze aktualizowanym okresowo przez PSE na koniec marca 2024 roku można było znaleźć informacje, że moc planowanych do przyłączenia magazynów energii przekracza już ponad 10,3 GW. Ponadto magazyny energii zdołały zadebiutować na rynku mocy kontraktując 165 MW w 2022 roku i 1,7 GW w 2023 roku.

Ile kosztują magazyny energii? 

Koszty związane z inwestowaniem w magazyny energii pozostają nadal relatywnie wysokie. Według danych opublikowanych przez BloombergNEF, średnia cena bateryjnego magazynu energii w 2023 roku wyniosła 139 $/kWh. Główną częścią składową ceny pozostaje nadal ogniwo, które odpowiada za 70% całego kosztu magazynu.

Mimo wszystko, ceny bateryjnych magazynów energii od 2013 roku obniżyły się ponad 5,5 krotnie, notując sukcesywnie spadek w każdym kolejnym roku(z wyjątkiem 2022). Co więcej, należy spodziewać się, że trend spadkowy zostanie podtrzymany w nadchodzących latach, a średni koszt wyniesie nawet 80 $/kWh w 2030 roku. Spowodowane to jest przede wszystkim stabilizacją cen surowców, w tym przede wszystkim litu, który jest jednym z podstawowych materiałów użytych do produkcji magazynów. Cena za tonę litu w 2023 roku obniżyła się o niespotykane 80% osiągając 13 200 $. Ponadto równie istotny w kontekście taniejących baterii będą: postęp technologiczny, dodanie nowych mocy produkcyjnych oraz konkurencyjna dynamika rynku.

Magazyny energii i przychody z ich funkcjonowania

Poza stabilizacją systemu elektroenergetycznego, magazyny energii stanowią dodatkowe źródło zysku dla ich właścicieli. Ogólnie rzecz biorąc, można wsazać trzy główne strumienie przychodów tj.:

• arbitraż cenowy,
• rynek mocy,
• świadczenie usług systemowych dla operatora.

Arbitraż polega na wykorzystaniu różnic w dobowych cenach energii. W skrócie polega to na tym, że magazyn jest

• ładowany gdy energia elektryczna jest stosunkowo tania (off-peak),
• rozładowywany gdy ceny są już wysokie (peak).

Weźmy za przykład dzień 30 marca 2024 roku. Różnica między maksymalną a minimalną ceną godzinową na rynku dnia następnego (RDN) z fixingu I wyniosła 282,49 zł. Jest to tzw. spread cenowy, który obrazuje maksymalny zysk jaki magazyn energii mógł zrealizować na arbitrażu tamtego dnia.

Rynek mocy jest z kolei formą pomocy publicznej. Dany podmiot po zakontraktowaniu określonej mocy na aukcji rynku mocy otrzymuje stałe wynagrodzenie przez cały okres trwania umowy z operatorem w zamian za gotowość do świadczenia obowiązku mocowego, tj. dostarczania energii elektrycznej w okresie przywołania. Wysokość wynagrodzenia za każdy MW równa się cenie zamknięcia aukcji, która w 2022 roku oraz 2023 roku wyniosła kolejno 406,35 zł/kW/rok oraz 244,90 zł/kW/rok. W tym przypadku pojemność magazynu energii ma także znaczenie ze względu na wymaganą dostępność do nieprzerwanego świadczenia obowiązku mocowego wynoszącą co najmniej 4 h.

Ostatnim i stosunkowo nowym strumieniem przechodów jest świadczenie systemowych usług na rzecz operatora. Wyróżniamy tu systemowe usługi regulacyjne związane z utrzymaniem odpowiednich parametrów sieci (m.in. regulacja częstotliwości) oraz usługi elastyczności polegające na reagowaniu na zmiany w zapotrzebowaniu i wytwarzaniu energii elektrycznej. W tym kontekście kluczowe znaczenie ma nowelizacja prawa energetycznego z września 2023 roku, która po raz pierwszy wprowadziła oficjalne definicje tych usług.

Magazyny energii potrzebują zmian regulacyjnych

Wraz z pojawianiem się nowych instalacji OZE w systemie, popyt na magazyny energii będzie niewątpliwie wzrastał. Oprócz spadających nakładów kapitałowych jakie trzeba ponieść, takiemu trendowi może sprzyjać coraz większa świadomość po stronie ustawodawców związana z koniecznością rozwoju banków energii.

Nowelizacja ustawy o OZE z października 2023 roku wprowadziła już dwie zmiany, które mogą przyśpieszyć wdrożenie rozwiązania, jakim są bateryjne magazyny energii. Po pierwsze, zaktualizowano definicję instalacji hybrydowej, która teraz zakłada, że poza dwoma źródłami OZE różniącymi się pod względem rodzaju oraz profilu wytwarzania energii, musi być zainstalowany dodatkowo magazyn energii wprowadzający do sieci nie mniej niż 5% energii wyprodukowanej w skali roku. Po drugie, wprowadzono cable pooling, ułatwiający łączenie różnych aktywów (np. turbin wiatrowych, paneli fotowoltaicznych i BESS) dzięki współdzieleniu przyłącza. 

Magazyny energii - formy wsparcia publicznego

Jedną z kluczowych form wsparcia publicznego magazynów energii jest rynek mocy, który zapewnia stabilne źródło przychodów przez cały okres trwania kontraktu mocowego (w Polsce jest to 17 lat). Może być to jednak niewystarczające, aby zachęcić inwestorów do masowego inwestowania w ten perspektywiczny, ale wciąż rozwijający się sektor. Dlatego w Europie zaczęły w ostatnim czasie pojawiać się dodatkowe formy wsparcia finansowego, wśród których należy wyróżnić: 

• aukcje dla magazynów energii (Grecja w połowie 2023 roku przeprowadziła pierwszą aukcję na magazyny o mocy 400 MW), 
• aukcje dla odnawialnych źródeł energii z wymogiem instalacji magazynu energii (Niemcy od 2020 roku organizują aukcje mocy mające na celu powstanie instalacji hybrydowych), 
• specjalne subsydia na strategiczne lub pilotażowe projekty bateryjne (Estonia w czerwcu 2023 roku udzieliła wsparcia w wysokości 5 700 000 $ na rozwój 10 magazynów energii).

Jak dotąd, szlaki pod względem efektywnego wsparcia magazynów przetarła Wielka Brytania, która oprócz rynku mocy z oferowanymi kontraktami od 1 do 15 lat oraz kontraktami na usługi pomocnicze dla operatora, przeprowadza aukcje w ramach mechanizmu bilansującego. W ten sposób adresowane są problemy popytowo-podażowe na rynku energii elektrycznej w godzinie, w której jest ona dostarczana. Ponadto rozwój magazynów energii został zdynamizowany przez umożliwienie inwestorom zakupu udziałów w bankach energii oraz dostęp do finansowania dłużnego ze strony instytucji finansowych.

Inwestycja w magazyny energii – ryzyka

Oczywiście tam, gdzie są korzyści z inwestowania w magazyny energii, są również i ryzyka. Po pierwsze, potencjał arbitrażu cenowego jest często przeceniany. Zasadnicza większość przychodów generowana z tego źródła może być dostępna przez stosunkowo krótki okres w ciągu roku. W związku z tym, niezwykle ważne jest, aby magazyny energii były dostępne w czasie występowania największych spreadów, bo w przeciwnym razie wiązałoby się to z utratą znacznej części przychodów. Niemniej, dostęp do pozostałych dwóch strumieni jest kluczowy, aby inwestycja w magazyn mogła się zwrócić.

Dodatkowo, magazyny energii stosujące arbitraż cenowy stoją przed ryzykiem przyśpieszonej degradacji i skróconego okresu użytkowania w stosunku do aktywów skupiających się wyłącznie na pozostałych dwóch strumieniach przychodów. Wpływ na to mają takie czynniki jak częstotliwość, głębokość rozładowania, a także styl pracy.

Po drugie, istnieje ryzyko, że korzystanie z rynku mocy oraz świadczenie usług systemowych dla operatora będą się wzajemnie wykluczały. Oba strumienie przychodów mogą być de facto postrzegane jako forma pomocy publicznej. O ile w przypadku rynku mocy to stwierdzenie jest prawdziwe, to w przypadku tego drugiego nie znajduje uzasadnienia. W polskim ustawodawstwie brakuje jednak jasnego doprecyzowania tego aspektu, co z kolei może ograniczyć możliwości pozyskania finansowania zewnętrznego ze strony kredytodawców.

Na sam koniec warto wspomnieć o recyklingu bateryjnych magazynów, który jeszcze nie stanowi tak poważnego wyzwania ze względu na relatywnie młody wiek technologii. Aczkolwiek wraz z kończącym się cyklem życia pierwszych magazynów, problem ten będzie narastał. Obecnie tylko 50% magazynu nadaje się do przetworzenia, a udział baterii poddawanych recyklingowi na całym świecie nie przekracza 5%, co w kontekście coraz bardziej rygorystycznych przepisów środowiskowych oraz przechodzenia na gospodarkę obiegu zamkniętego będzie musiało raczej prędzej niż później być zaadresowane.