Zrównoważony rozwój gospodarczy wymaga wykorzystania odnawialnych źródeł energii w sposób racjonalny i przemyślany. Odnawialne źródła energii, pomimo ich zalet, charakteryzują się sezonowością i znaczną niestabilnością. W celu zwiększenia efektywności wykorzystania potencjału odnawialnych źródeł energii wykorzystuje się autonomiczne systemy zasilania.

Autonomiczne systemy zasilania (off-grid) to niezależne źródła zasilające, które nie wymagają przyłączenia do sieci energetycznej. Taki system działa w układzie wyspowym i służy do niezawodnych dostaw energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii. Autonomiczne systemy zasilania można stosować jako alternatywny sposób zasilania instalacji domowych ale również w układ darmowego zasilania energooszczędnych instalacji przemysłowych oraz wszędzie tam, gdzie nie sięga sieć energetyczna.

Autonomiczne systemy energetyczne są znane także jako mikrosieci energetyczne lub autonomiczne mikrosieci, to małe, niezależne systemy energetyczne, które są zdolne do wytwarzania, przechowywania i zarządzania energią elektryczną na lokalnym poziomie. Te systemy są zazwyczaj wykorzystywane do zasilania odrębnych obszarów lub budynków i są niezależne od tradycyjnych, scentralizowanych sieci elektroenergetycznych.

Główne cechy autonomicznych systemów energetycznych to:

• Odnawialne źródła energii: Autonomiczne systemy energetyczne często wykorzystują odnawialne źródła energii, takie jak panele fotowoltaiczne, wiatraki lub energię geotermalną, aby wytwarzać energię elektryczną. To pozwala na zrównoważone i ekologiczne źródła energii.
• Magazynowanie energii: Autonomiczne systemy często wyposażone są w baterie lub inne urządzenia do magazynowania energii, które pozwalają na przechowywanie nadwyżek energii i wykorzystanie jej w okresach niskiej produkcji, np. w nocy lub w okresach braku słońca.
• Zarządzanie energią: Systemy te są wyposażone w zaawansowane systemy zarządzania energią, które kontrolują wytwarzanie, dystrybucję i zużycie energii, aby zoptymalizować jej wykorzystanie.
• Odporność na awarie: Autonomiczne systemy energetyczne są często projektowane z myślą o odporności na awarie. W przypadku awarii w sieci elektroenergetycznej głównej, mikrosieć można nadal dostarczać energię lokalnie.
• Zintegrowane technologie: Systemy te mogą łączyć różne technologie, takie jak energetyka odnawialna, inteligentne liczniki, systemy zarządzania bateriami i systemy kontroli, aby zapewnić wydajne i niezawodne dostawy energii.

Autonomiczne systemy energetyczne znajdują zastosowanie w różnych środowiskach, w tym w odległych obszarach, wyspach, obszarach wiejskich, zakładach przemysłowych i komercyjnych, a także w budynkach mieszkalnych. Stanowią innowacyjne podejście do zrównoważonej i niezależnej produkcji energii elektrycznej, co może przyczynić się do zmniejszenia zależności od tradycyjnych źródeł energii i przyczynić się do walki ze zmianami klimatycznymi.

Autonomiczne systemy zasilania mogą być łączone w celu utworzenia sieci lokalnej, która automatycznie odpowiada na niedobory energii w różnych węzłach sieci regulując przepływ energii elektrycznej.

Podstawowy system składa się z głównego źródła zasilania, dodatkowego źródła energii, źródła zasilania awaryjnego, urządzenia do magazynowania energii, stacji pogodowej i regulatora. Podstawowe źródło energii ma 60-80% udziału w wytwarzanej energii elektrycznej i może korzystać z fotowoltaiki, małych turbin wiatrowych lub kogeneracji.

Dodatkowym źródłem jest 20-40% udział wytworzonej energii elektrycznej dostarczonej z odmiennego rodzaju energii odnawialnej niż pierwotne źródło. Mix energetyczny zależy od geograficznego położenia systemu. Awaryjne źródło może być realizowane jako złącze on-grid lub za pomocą agregatu prądotwórczego. System magazynowania energii składa się z baterii lub superkondensatorów oraz wodorowych magazynów energii.

Wodór wykazuje wysoką efektywność m.in. dzięki temu, że charakteryzuje się najwyższym współczynnikiem przewodzenia ciepła spośród wszystkich gazów. Przy jego spalaniu otrzymuje się także średnio trzy razy więcej energii niż w przypadku innych paliw – benzyny, propanu czy metanu. Jednak dotychczas odgrywał niewielką rolę w sektorze elektroenergetycznym Europy. Jeszcze w 2019 r. odpowiadał za mniej niż 2% łącznej produkcji energii. Wykorzystywany był głównie w zakładach rafineryjnych, petrochemicznych oraz w hutnictwie. Jednak, jak ambitnie pokazują plany Unii Europejskiej w 2050 r. może stanowić już ponad 25%.

Rola wodoru w systemie elektroenergetycznym jest coraz bardziej istotna, zwłaszcza w kontekście dążeń do zrównoważonego i czystego wytwarzania energii oraz redukcji emisji gazów cieplarnianych.

Wodorowy system energetyczny może pełnić kilka różnych ról i funkcji:

• Magazynowanie energii: Wodór może służyć jako nośnik energii, który pozwala na przechowywanie nadwyżek energii elektrycznej wytworzonej z odnawialnych źródeł, takich jak energia słoneczna i wiatrowa. Wodór jest w stanie magazynować energię w postaci chemicznej i dostarczać ją, gdy jest potrzebna, co pozwala na stabilizację dostaw energii elektrycznej i dostosowywanie się do zmieniających się warunków pogodowych.
• Produkcja energii elektrycznej: Wodór może być wykorzystywany w ogniwach paliwowych do produkcji energii elektrycznej. Ogniwa paliwowe przekształcają wodór i tlen w energię elektryczną i cieplną, bez emisji substancji szkodliwych. Jest to szczególnie przydatne w miejscach, gdzie nie jest możliwe bezpośrednie wytwarzanie energii z odnawialnych źródeł, np. w nocy, gdy nie ma słońca ani wiatru.
• Transport: Wodór może być wykorzystywany jako nośnik energii w transporcie, szczególnie w pojazdach o napędzie wodorowym. Ogniwa paliwowe zasilane wodorem pozwalają na produkcję energii elektrycznej, która napędza pojazd, co przyczynia się do ograniczenia emisji spalin i poprawy efektywności energetycznej transportu.
• Przemysł: Wodór może być stosowany jako nośnik ciepła i energii w przemyśle. Może być wykorzystywany do procesów produkcyjnych, np. w celu redukcji metali, a także do wytwarzania ciepła i pary wodnej w zakładach przemysłowych.
• Zrównoważony rozwój: Wodór jest czystym źródłem energii, które nie generuje emisji dwutlenku węgla ani innych szkodliwych substancji. Jego wykorzystanie przyczynia się do ograniczenia negatywnego wpływu działalności człowieka na środowisko naturalne i promuje zrównoważony rozwój.

Wraz z dynamicznym wzrostem zapotrzebowania na energię odnawialną, rośnie także zapotrzebowanie na jej przechowywanie, a przez to znaczenie samego wodoru jako magazynu. Ten, od dłuższego czasu jest rozpatrywany jako jedna z najbardziej obiecujących substancji magazynowania energii chemicznej, którą można przekształcać ponownie w energię cieplną oraz elektryczną. I to nie tylko na potrzeby wielkoskalowych instalacji przemysłowych czy energetycznych, ale także dla użytkownika końcowego.

Tym więcej mówimy o wodorze, im bardziej dostrzegamy jego przewagi nad pozostałymi alternatywami. Nie można nie wspomnieć, iż obecnie funkcjonuje cały szereg technologii magazynowania energii, które różnią się od siebie przede wszystkim parametrami pojemności, czasem przechowywania energii, czasem ładowania i rozładowywania oraz oczywiście cenami instalacji. Wśród nich dominują systemy bateryjne. Poza nimi wykorzystywane są także energia kinetyczna i cieplna, sprężone powietrze czy elektrownie szczytowo-pompowe. Średni czas przechowywania w nich energii pozostaje jednak stosunkowo krótki. Podobnie jak stosunkowo niewielkie pozostają pojemności jej magazynowania. W przypadku baterii, energię przechowuje się średnio od kilku minut do kilku dni i przeważnie w granicach 10 MW. Energia kinetyczna zapewnia średnie magazynowanie do 100 MW w czasie od kilku do kilkunastu minut. Energia cieplna umożliwia średnie przechowywanie ponad 100 MW w czasie od kilku do kilkunastu dni. Elektrownie szczytowo-pompowe z kolei nawet ponad 1000 MW w czasie do kilku dni. Na ich tle wyraźnie odróżnia się wodór oraz paliwa wodorowe, jak choćby amoniak. Umożliwiają one średnie magazynowanie energii do 1000 MW w okresie od kilku tygodni do kilku miesięcy. Jak dowodzą niektóre analizy, przy ponoszeniu niewielkich strat umożliwiają one magazynowanie energii nawet w okresie pełnego roku. Staje się to jedną z najważniejszych przewag wodoru w odniesieniu do zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego.

Tym bardziej, że na zdominowanym przez systemy bateryjne rynku może w końcu zabraknąć litu do produkcji baterii m.in. w technologiach LFP (litowo-żelazowo-fosforanowe), NMC (litowo-niklowo-manganowo-kobaltowo-tlenowe), LCO (litowo-kobaltowo-tlenowe) czy LMO (litowo-manganowo- tlenowe). Zapotrzebowanie na ten surowiec stale wzrasta, m.in. ze względu na rozwój elektromobilności. Jak podkreślają eksperci przy rosnącej produkcji akumulatorów wynikającej z obecnego popytu (96 mln sztuk pojazdów w 2018 r.) zasoby surowca szacowane na 40 mln ton mogą wyczerpać się w ciągu najbliższych 300 lat. A to scenariusz optymistyczny. Przy szacowanych zasobach na poziomie 11 mln ton, czas wyczerpania złóż to perspektywa najbliższych 100 lat.

Do produkcji wodoru z OZE wykorzystuje się metodę elektrolizy. Polega ona na rozdzieleniu wody pod wpływem prądu elektrycznego na wodór oraz tlen. W ten sposób pozyskujemy zeroemisyjny zielony wodór, który możemy wykorzystać bezpośrednio lub magazynować na potrzeby późniejszego wykorzystania lub przetworzenia z powrotem w energię elektryczną.

Obecnie dostępnych jest kilka technologii magazynowania wodoru, które stale są udoskonalane tak, aby zapewniały jak najwyższą skuteczność przechowywania wodoru przy jego określonych właściwościach fizykochemicznych, a dzięki temu zapewnione jest bezpieczeństwo użytkowania. Wodór można magazynować m.in. w specjalnie przystosowanych zbiornikach ciśnieniowych (sprężony i skroplony), pokopalnianych kawernach solnych (sprężony i magazynowany na skalę przemysłową), bogatych w wodór związkach chemicznych, w postaci wodorków metali, a także substancjach porowatych.

Ponowne przetworzenie wodoru w energię jest możliwe dzięki ogniwom wodorowym. To dużo bardziej efektywna metoda przetwarzania wodoru niż np. jego bezpośrednie spalanie. Jej sprawność obecnie plasuje się na poziomie ok. 60% (prąd elektryczny), a pozostałe 40% to ciepło.

Oprócz ogniw wodorowych stosuje się różnego rodzaju siłownie energetyczne. Zgodnie z definicją siłownia, niekiedy również nazywana maszynownią to zespół urządzeń należących do większego, przetwarzającego energię układu, w którym odbywa się konwersja pewnego rodzaju energii na energię mechaniczną.

W praktyce spotykamy wiele rodzajów siłowni energetycznych. W siłowni na statkach używa się najczęściej silnika cieplnego do napędzania śruby okrętowej. Siłownia parowa składa się z kotłowni i maszynowni. W siłowni okrętowej wytwarzana jest też energia elektryczna, potrzebna do napędu statku. Na statkach oprócz siłowni głównej napędzającej śruby występują siłownie pomocnicze zawierające np. agregaty prądotwórcze, pompy itp.

W elektrowni cieplnej mianem siłowni często określa się wydzielony budynek, w którym znajduje się: turbina parowa, generator oraz urządzenia wspomagające (układ sterowania, pompy, rurociągi, kocioł parowy, skraplacz, wymienniki regeneracyjne itp.).

Określenie siłownia wiatrowa odnosi się do gondoli, w której mieści się wirnik, przekładnia, generator oraz układ sterowania, choć w mowie potocznej często pod tym pojęciem rozumie się cały wiatrak.

Na siłownię wodną składa się turbina wodna, przekładnia, generator i urządzenia pomocnicze.

Jednym z najbardziej innowacyjnych rozwiązań, jakie pojawiły się w ostatnim czasie w zakresie wytwarzania i magazynowania energii elektrycznej, pochodzącej z odnawialnych źródeł energii jest koncepcja oparta na wykorzystaniu Bezemisyjnych Siłowni Energetycznych (BSE). Służą one do konwersji użytecznej energii elektrycznej, w autonomicznych systemach zasilania oraz produkcji wodoru za pomocą elektrolizera z wielkoskalowych instalacji odnawialnych i alternatywnych źródeł energii, a także dalszą dystrybucję energii lub jej magazynowanie. Realizując inwestycje w tym zakresie chcemy przyczynić się do zaspokojenia potrzeb miast, gmin, przedsiębiorstw i odbiorców końcowych związanych z transformacją energetyczną i klimatyczną.