Magazynowanie energii jest jednym z podstawowych elementów w systemach produkcji energii ze źródeł odnawialnych. Jest to szczególnie ważne, gdy energia produkowana jest niesystematycznie, jak to jest w przypadku systemów fotowoltaicznych, gdzie dostępność energii słonecznej jest różna w skali roku – zmienia się w zależności od pory roku, w dzień i w nocy oraz z dnia na dzień (różne warunki pogodowe). Zużycie energii w zależności od pory dnia i roku obrazuje Rys. 1. Aby zrównoważyć różne schematy czasowe obciążeń i produkcji energii słonecznej, magazynowanie energii musi być włączone do prawie wszystkich autonomicznych systemów zasilania.

Wymagania dotyczące elektrycznych systemów magazynowania energii [1]:

• wysoka efektywność energetyczna,
• długa żywotność,
• dobra wydajność ładowania nawet przy bardzo niskich prądach,
• niska szybkość samorozładowania,
• duża dostępność mocy,
• łatwe oszacowanie stanu naładowania i stanu zużycia,
• bezpieczne zachowanie przy przeładowaniu lub głębokim wyładowaniu,
• łatwość zwiększenia napięcia i pojemności poprzez połączenie szeregowe i równoległe,
• mała różnica napięcia między ładowaniem a rozładowywaniem,
• możliwość szybkiego ładowania,
• brak efektu utraty pojemności,
• niski potencjał wybuchowy,
• wysoka niezawodność pracy,
• łatwy recykling,
• niska toksyczność materiałów,
• niskie koszty.

Przez magazynowanie energii rozumie się wszelakie metody, umożliwiające przechowywanie wytworzonej energii elektrycznej.
Obecnie profesjonalne magazynowanie energii w skali świata jest oparte na specjalnych elektrowniach [2]. Zgodnie z ustawą o OZE magazynem energii jest wyodrębnione urządzenie lub zespół urządzeń służących do przechowywania energii w dowolnej postaci, niepowodujących emisji będących obciążeniem dla środowiska, w sposób pozwalający co najmniej na częściowe jej odzyskanie.

Sposoby magazynowania energii elektrycznej otrzymanej z energii słonecznej

Magazynowanie energii elektrycznej w sieci elektroenergetycznej
Możliwe jest traktowanie sieci elektroenergetycznej jako sposobu na magazynowanie energii słonecznej. W okresie zbyt dużej produkcji prądu nadwyżka wprowadzana jest do sieci, skąd w dowolnym czasie może być odebrana, ale tylko w \( 80\% \), pozostałe \( 20\% \) jest liczone jako „opłata” dla zakładu energetycznego za tę formę przechowywania energii. Swobodny przepływ energii między siecią a konsumentem możliwy jest dzięki dwukierunkowemu licznikowi. Taka forma instalacji fotowoltaicznej to on-grid. Oczywiście, nie pozwala ona na osiągnięcie energetycznej autonomii, ale umożliwia korzystanie z energii elektrycznej wytworzonej we własnym domu, bez posiadania baterii akumulatorów.

Magazynowanie energii elektrycznej – inne sposoby
Istnieją możliwości magazynowania energii elektrycznej w polu elektrycznym i magnetycznym, a także poprzez jej zamianę na energię elektrochemiczną, mechaniczną, chemiczną oraz energię termiczną. Niektóre z nich mogą być użyte w gospodarstwach domowych, a inne do zastosowań przemysłowych.

Zamiana na energię elektrochemiczną
Najbardziej intuicyjna i prosta metoda magazynowania energii to ładowanie akumulatorów. Obecnie stosuje się akumulatory kwasowo-ołowiowe, niklowo-kadmowe (NiCd), niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH) i litowo-jonowe [3]. Akumulatory magazynują prąd stały pod napięciem, np. 12 V. W celu wykorzystania energii zgromadzonej w akumulatorach konieczne jest podłączenie do urządzeń elektronicznych, które zamieniają prąd stały na zmienny, czyli zastosowania inwerterów.
Zagadnienia magazynowania energii w akumulatorach wymagają omówienia jeszcze kilku tematów, np. kwestii maksymalnych i minimalnych napięć odbioru i dostarczania prądu do akumulatora.

Zamiana na energię mechaniczną
Duże elektrownie z turbinami gazowymi korzystają ze sprężonego powietrza jako sposobu na magazynowanie energii. W ciągu dnia, gdy produkcja energii elektrycznej jest największa następuje sprężanie powietrza. W momencie, gdy w sieci jest zapotrzebowanie, to sprężone powietrze jest wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej. W przypadku małych instalacji ze względu na małą wydajność takie przechowywanie energii nie jest opłacalne.
Można energię elektryczną przechowywać z zastosowaniem tak zwanych elektrowni szczytowo-pompowych, wyposażonych w tzw. pompoturbiny, które w ciągu mniejszego zapotrzebowania na energię elektryczną pompują wodę do wyżej położonego zbiornika. A zmagazynowana w ten sposób energia jest odzyskiwana przez pompoturbinę rewersyjną w okresie wzrostu zapotrzebowania na energię. Elektrownie szczytowo-pompowe znakomicie nadają się do magazynowania ogromnych ilości energii w długim czasie, odbierając moc z systemu w czasie jej nadpodaży, zaś dostarczając w okresie zwiększonego zapotrzebowania. Sprawność magazynowania energii w elektrowni szczytowo-pompowej zawiera się w przedziale od \( 65 \) do \( 85\% \), co stanowi bardzo dobry wynik na tle innych technologii magazynowania energii.

Zamiana na energię kinetyczną
Na krótką metę można magazynować energię w postaci energii kinetycznej wirującego koła zamachowego ( Rys. 2 ) [2]. Stosowane są one często w silnikach spalinowych (o mniejszej niż 6 liczbie cylindrów) do wyrównywania ich pracy, więc technologia ta jest w miarę dobrze opanowana. Ale poza nielicznymi zastosowaniami (np. w samochodach hybrydowych) na większą skalę one się nie pojawiają.

Rysunek 2: G2 front2 (koło zamachowe G2). Fot. NASA, licencja CC0, źródło: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:G2_front2.jpg.

Chemiczne magazynowanie energii elektrycznej – produkcja wodoru
Jednym ze sposobów produkcji wodoru jest elektroliza. Zaletą magazynowania energii w postaci wodoru jest możliwość przechowywania go przez długi czas oraz wysoka gęstość energii (trzykrotnie większa niż w przypadku benzyny i ponad stukrotnie większa niż w przypadku akumulatorów). Dzięki temu może potencjalnie być wykorzystywany jako paliwo samochodowe. Zastosowanie wodoru w ogniwach paliwowych daje możliwość, podobnie jak koła zamachowe, reagowania na gwałtowne zmiany zapotrzebowania na energię w sieci.
Alternatywą dla przechowywania energii w postaci wodoru jest przechowywanie jej w postaci metanu. Jest on łatwiejszy do przechowywania przez długi czas, a ponadto może być bezpośrednio wykorzystywany w istniejących elektrowniach gazowych. Wadą są dalsze straty energii w procesie wytwarzania metanu, które sprawiają, że całkowita ilość odzyskiwanej energii nie przekracza \( 38\% \) [4]. Wytwarzanie metanu jest atrakcyjne dla przechowywania nadmiarowej energii wytwarzanej przez elektrownie fotowoltaiczne, a także wiatrowe [5]. Instalacje zamieniające nadmiarową energię w metan powstały w Danii oraz w Niemczech.

Magazynowanie energii elektrycznej w superkondensatorach
Superkondensator to rodzaj kondensatora elektrolitycznego o dużej pojemności. Działa on gromadząc ładunek na podwójnej warstwie elektrycznej, która powstaje na granicy elektrolitu i elektrody. Wykorzystane nanorurki węglowe pozwalają na uzyskanie dużej powierzchni, a dzięki temu wzrasta pojemność kondensatorów. Przewagą superkondensatorów [6] nad akumulatorami jest większa gęstość energii. Oznacza to, że potrafią one oddać energię o dużej mocy. Co więcej, ogromną zaletą jest mały spadek właściwości użytkowych i długa żywotność (do 20 lat eksploatacji).

Wykorzystanie pola magnetycznego
Wykorzystanie pola magnetycznego jako magazynu energii dla prądu stałego wymaga nadprzewodnika. Pole magnetyczne, wytworzone przez prąd w nadprzewodniku, utrzymuje się przez nieskończenie długi czas, a co za tym idzie, energia może być w nim przechowywana też dowolnie długo. Niestety nadprzewodniki wymagają niskich temperatur, czyli chłodzenia, co jest bardzo kosztowne. Wydajność takiego układu jest rzędu \( 95\% \), niestety przechowywanie dużej ilości energii nie jest możliwe [7].

Magazynowane energii elektrycznej – procesy termiczne
Energię nadmiarową można zmagazynować przez ochłodzenie powietrza do -195°C co powoduje jego skroplenie. Objętość powietrza spada tysiąc razy, a jego przechowywanie staje się znacznie prostsze niż przechowywanie sprężonego wodoru. W momencie zapotrzebowania skroplone powietrze można ogrzać, co spowoduje jego zamianę w gaz pod dużym ciśnieniem, który można użyć do napędzania turbiny generującej prąd elektryczny. Wykorzystanie ciepła odpadowego z elektrowni może podnieść jej efektywność do \( 70\% \) [8], [9].
Istnieje szereg metod przechowywania energii w postaci różnicy temperatur. W większości zastosowań energia ta jednak nie jest zamieniana potem na energię elektryczną, tylko wykorzystywana w zmagazynowanej postaci (np. do ogrzewania).
Metody, które umożliwiają magazynowanie energii elektrycznej, to między innymi pompa ciepła. Pompa ciepła może być wykorzystana do magazynowania energii w następujący sposób: dwa zbiorniki o dużej pojemności cieplnej połączone są pompą. W momencie małego zapotrzebowania na prąd pompuje się ciepło do gorącego zbiornika. W momencie większego zapotrzebowania pompa jest wyłączana, a zamiast tego uruchamiane są turbiny generujące prąd dzięki różnicy temperatur. Brytyjska firma Isentropic rozwija to rozwiązanie, przewidując, że może stać się ono konkurencją dla elektrowni szczytowo-pompowych, przy kosztach rzędu 35$/MWh i efektywności odzyskiwania energii rzędu \( 72-80\% \) [10].