Jeśli nie baterie, to co? Tak można magazynować zieloną energię
I elektrownie wiatrowe, i ogniwa fotowoltaiczne mają zalety i wady. W dobrych warunkach produkują niezwykle tanio ogromne ilości energii. Ale kiedy słońce zachodzi, a wiatr nie wieje, nie produkują niemal niczego. Najprościej byłoby magazynować produkowaną przez nie energię, kiedy jest jej nadmiar. Dlaczego to taki problem? I jak przechować energię, gdy baterie zawodzą?
Brytyjczycy przygotowują się do ogromnej, energetycznej rewolucji. Szkocja ogłosiła właśnie, że u jej wybrzeży powstanie 17 ogromnych wiatrowych farm, które wyprodukują łącznie 25 gigawatów mocy. To dwuipółkrotnie więcej, niż dziś produkują wszystkie morskie wiatraki w całej Wielkiej Brytanii.
Projekt, w którym uczestniczą m.in. naftowe koncerny BP i Shell może przeobrazić brytyjską energetykę i zdecydowanie przybliżyć ten kraj do osiągnięcia zerowych emisji netto. Kraj zamierza wyeliminować wszystkie emisje gazów cieplarnianych z energetyki do 2035 r.
Jest jednak jeden problem. Sieć energetyczna, która przenosi elektryczność między Szkocją, Anglią i pozostałymi częściami Zjednoczonego Królestwa ma przepustowość 5,5 GW energii. Szkockie wiatraki wyprodukują w korzystnych warunkach zdecydowanie więcej mocy, niż zużyje sama Szkocja. Co zrobić, jeśli nadwyżki nie będzie się dało natychmiast przesłać dalej?
Baterie bez baterii
Wraz z rozwojem odnawialnych źródeł energii w systemie energetycznym pojawia się wiele okresów, w których mamy dużo energii ze źródeł niskoemisyjnych. Ale kiedy nie jest wietrznie, kiedy słońce nie świeci, musimy produkować energię elektryczną z gazu.
Rozwiązaniem jest budowa magazynów energii, które przechowywałyby nadmiar energii gdy jest jej zbyt wiele w sieci i uwalniały wtedy, kiedy jest najbardziej potrzebna. Tyle, że choć pomysłów na to, jak mogłoby działać, jest wiele, a większość z nich do tej pory nie była stosowana na wystarczająco wielką skalę.
Najprostszym sposobem wydawałoby się budowanie ogromnych farm akumulatorów. To pomysł, którego zwolennikiem jest m.in Elon Musk. Jego Tesla zbudowała podobne instalacje m.in. w Australii. Baterie litowo-jonowe faktycznie są bardzo użytecznym narzędziem w sieciach energetycznych między innymi dlatego, że energia zmagazynowana w nich może być uwolniona niemal natychmiast. Ale problemów z takim rozwiązaniem jest o wiele więcej.
Przede wszystkim podobne instalacje najczęściej są w stanie podawać do sieci zmagazynowaną moc przez dość krótki czas - najczęściej godzinę lub dwie. To wystarczy, by zapobiec krótkotrwałym zaburzeniom w dostawie prądu, ale nie wystarczy do pełnego skompensowania wahań dostaw energetyki odnawialnej. W tym celu taka instalacja powinna być w stanie uwalniać moc i podtrzymywać zasilanie w okolicy przez co najmniej 4 godziny - czyli np. przez większą część nocy.
Akumulatory są też drogie i stosunkowo trudno dostępne w wystarczających ilościach. Po prostu mają tak wiele zastosowań, że w kolejce po nie ustawiają się niemal wszyscy - od producentów samochodów po firmy z branży elektronicznej. A im większy popyt, tym wyższa cena. Nie produkujemy na dziś wystarczająco wielu baterii litowo-jonowych, by zapewnić bezproblemowy dostęp do nich wszystkim chętnym.
Skutkiem tego, mimo że podobne “zasilacze awaryjne" są stosowane, mają na razie stosunkowo niewielkie rozmiary. Zasilają pojedyncze fabryki, a nie całe miasta. W Wielkiej Brytanii zainstalowano obecnie litowo-jonowe magazyny energii o łącznej mocy 1 GW. Potrzeby są o wiele większe. Brytyjczycy szacują, że będą potrzebowali magazynów o łącznej mocy 38 GW.
Góry zamiast baterii
Największym sojusznikiem energetyki odnawialnej może więc okazać się... grawitacja. Wiele z pomysłów na długoterminowe magazyny energii korzysta z prostego faktu, że przedmioty, spadając z dużej wysokości, uwalniają energię, która jest wcześniej magazynowana przez wynoszenie ich czy pompowanie pod górę.
Najpowszechniejszym z takich magazynów energii są tzw. elektrownie szczytowo-pompowe, których kilka znajduje się także w naszym kraju. Inwestycje w kolejne tego typu instalacje zapowiada Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Składają się z rur z pompami, stawu, turbin i pagórka. Gdy energii jest dużo, woda jest pompowana pod górę do znajdującego się na szczycie wzniesienia zalewu. Gdy jest jej za mało, woda jest spuszczana w dół i napędza turbiny jak w konwencjonalnej elektrowni wodnej.
Problemem jest jednak geografia, bo odpowiednich wzgórz nie ma wystarczająco wiele. Do tego budowa podobnej elektrowni powoduje spore obciążenie dla środowiska - istniejące wzgórze wraz z pokrywającymi je lasami, domami czy polami w zasadzie przestaje istnieć, zastąpione elektrownią. Budowa takiej elektrowni to także koszy sięgające wielu milionów czy wręcz miliardów.
Ale co, jeśli można by zrezygnować ze wzgórza? Jednym z pomysłów na magazynowanie energii jest wykorzystywanie w tym celu czegoś, co do niedawna było tejże energii głównym źródłem: kopalni węgla. Nieczynne kopalnie mogłyby być wykorzystywane jako magazyn mocy na dokładnie takiej samej zasadzie, na jakiej działają elektrownie szczytowo-pompowe: woda byłaby przepompowywana z najgłębszych poziomów do najpłytszych, a następnie uwalniana w celu odzyskania przechowywanej w tej postaci mocy.
Przeprowadzone w Chinach testy pokazały, że niewielka kopalnia jest w stanie zmagazynować w ten sposób energię wyprodukowaną przez słoneczną czy wiatrową elektrownię o mocy od kilkuset megawatów do kilku gigawatów. Chińczycy szacują, że mają nawet 12 tys. porzuconych szybów kopalnianych, które mogłyby być wykorzystane w takim celu.
Cegły, głazy i lokomotywy
Grawitację można wykorzystać do magazynowania energii także na o wiele mniej oczywiste sposoby. W 2016 r. w USA otworzono projekt ARES - Advanced Rail Energy Storage, w którym magazynami energii są... stare wagony kolejowe. Wciągane na wzgórze za pomocą wyciągarki wypełnione gruzem wagony są następnie uwalniane, a, staczając się w dół, zasilają generator.
Z kolei szwajcarska firma Energy Vault w lipcu 2020 r. stworzyła demonstracyjny magazyn energii, który składał się z dźwigu i ważących setki ton betonowych bloków. Ten magazyn działa jak wielki zestaw LEGO albo odwrotny Tetris - przy nadmiarze energii bloki są ustawiane jeden na drugim w wysokie wieże, a gdy energii brakuje, są opuszczane w dół. Opadając, uruchamiają generującą prąd turbinę. Projekt ma jednak kilka wad, w tym fakt, że ciężkie betonowe bloki są bardzo wrażliwe na podmuchy wiatru. Dlatego dla bezpieczeństwa i niezawodności, kolejne takie magazyny mają powstawać pod ziemią. Zapewne także w starych kopalniach. Zaletą takiego magazynu jest to, że raz zmagazynowana w postaci betonowych wież energia może być przechowywana przez dziesięciolecia.
Prąd z powietrza
Innym podejściem jest sprężanie lub skraplanie powietrza, przechowywanie go w zbiornikach, a następnie rozprężanie lub podgrzewanie w celu uruchomienia turbiny i uwolnienia energii. Firma Highview Power zbudowała już pod Manchesterem małą demonstracyjną instalację ciekłego powietrza która jeszcze w tym roku powinna magazynować ok. 50 MW mocy.
Innym pomysłem jest tzw. przepływowa bateria wanadowa, która składa się z dwóch zbiorników elektrolitów oddzielonych membraną. Można także wykorzystać nadmiar prądu do produkcji wodoru w ramach procesu elektrolizy. Tu jednak także pojawia się problem, bo chętnych na wodór jest wielu i bardziej opłacalne jest sprzedawanie go na wolnym rynku, a nie magazynowanie na miejscu w celu uwolnienia energii później.
Pewne jest jedno. W miarę jak w coraz większym stopniu będziemy polegać na odnawialnych źródłach energii, wokół nas i pod naszymi stopami pojawi się coraz więcej instalacji do jej przechowywania. Nawet jeśli na pierwszy rzut oka nie będą przypominały niczego, co miałoby jakikolwiek związek z energetyką.
