Nowatorskie techniki magazynowania energii

Gdy pomyślimy o tym, z czego składa się bateria, to od razu przychodzi na myśl lit, kadm czy nikiel. A więc metale, z którymi lepiej uważać. Są one szkodliwe dla środowiska i dla nas samych. Czy jednak na tym kończą się nasze możliwości w świecie, który nieustannie potrzebuje energii?

Magazynowanie energii w dobie rozwijającego się sektora OZE ma dwa cele. Pierwszym jest wypełnianie luki, kiedy nie ma wiatru lub jest pochmurno. Drugim jest możliwość nabywania taniej energii przed szczytem zapotrzebowania i korzystania z niej wtedy, kiedy jest ona bardzo potrzebna.

Do tej pory magazynowanie energii, szczególnie dla energochłonnego przemysłu skupiało na gigantycznych konwencjonalnych bateriach. Dużych urządzeniach, które w jedną sieć chce połączyć brytyjska National Grid. To firma zajmująca się dystrybucją energii, która zdaje sobie sprawę, że same OZE mają piętę achillesową w postaci braku ciągłości w produkcji energii. Rośnie jednak zainteresowanie magazynowaniem energii w postaci ciepła. I tu pojawiają się nowe składniki, takie jak powietrze, sól czy cegły. To materiały, które dobrze się sprawdzają w utrzymaniu ciepła.

Kilka start-upów dąży do upowszechnienia tej praktyki.

Bezpieczeństwo dostaw energii

Magazynowanie ciepła zamiast ładunku elektrycznego staje się coraz bardziej popularne. Nie dawno brytyjska Izba Lordów wezwała rząd do poważniejszego potraktowania kwestii magazynowania energii.

– Wiatr i energia słoneczna oferują tanią, domową energię elektryczną i będą stanowić rdzeń rozszerzonej i zdekarbonizowanej sieci potrzebnej do zapewnienia zerowej emisji netto w Wielkiej Brytanii. Jednak jej produkcja zmienia się w czasie w zależności od pogody. Technologie magazynowania energii o długim czasie działania są niezbędne, aby umożliwić Wielkiej Brytanii utrzymanie bezpieczeństwa dostaw przy wysokim udziale energii odnawialnej w sieci – powiedziała Baroness Brown, przewodnicząca Komisji Nauki i Technologii w Izbie Lordów.

– W świetle ogromnych szkód gospodarczych, jakie spowodował niedawny kryzys energetyczny, z niepokojem obserwujemy, że rządowi brakuje jasnego planu dotyczącego zagrożeń związanych z dostawami energii i rzeczywiście nadal rozważa on inwestycje w długoterminowe magazynowanie, aby zapobiec przyszłym kryzysom – kontynuowała Brown.

Nowe sposoby na magazynowanie energii. Ciepło przechowywane w soli

Według Instytucji Inżynierów Mechaników (IMEchE) ciepło zapewnia ponad połowę całkowitej energii, której potrzebuje przemysł. Jednak to baterie elektryczne i wodór skupiają na sobie uwagę, kosztem lepszych, tańszych systemów magazynowania ciepła.

W tej sprawie ma odbyć się w tym miesiącu konferencja, którą poprowadzi IMechE. Jedną z prezentowanych na konferencji technologii będzie Heatcube. Technologia ta została opracowana przez norweską firmę Kyoto Group. Instalacja ta ma postać zbiorników wypełnionych solą, instalowanych tam, gdzie potrzebne jest ciepło.

Jak to działa? Pionowe zbiorniki z solą są ładowane energią w okresach niskiego zapotrzebowania. Stopiona sól szczególnie dobrze utrzymuje ciepło w temperaturach do 500°C. Temperatura musi być oczywiście odpowiednio wysoka, by sól nie krzepła, i tym samym mogła spełniać swoją funkcję w magazynowaniu energii. Heatcube wykorzystuje szereg modułowych zbiorników do magazynowania energii w postaci płynnej soli, której temperatura zmienia się od 170 do wyżej wspomnianych 500 st. C.

Zasada jest taka, że kiedy jest nadwyżka energii ze Słońca i wiatru, to wykorzystuje się ją do podgrzewania płynnej soli w zbiornikach. Heatcube składa się z trzech różnych elementów. To jednostka ładująca energię w postaci ciepła. Drugim są zbiorniki z solą, która przechowuje w sobie energię cieplną. Trzecim elementem jest wymiennik ciepła generatora parowego, który zienia ciepło z soli w prąd. Na schemacie wygląda to tak:

kyotogroup / smoglab.pl

Schemat HeatCube

• Czytaj także: Miasta zasilane z OZE, oczyszczalnia przyszłości i termomodernizacja. Pokazali nowe projekty

Kyoto Group zdaje sobie sprawę z problemów współczesnej energetyki

Dzięki tej technologii OZE zyskają stałość w dostarczaniu energii. Zyskają to, co mają paliwa kopalne, ale jednocześnie energia będzie stosunkowa tania. Nie będzie przy tym wahań jej cen w odpowiedzi na braki lub nadwyżki.

– Tak więc w Norwegii produkujemy tylko tyle energii elektrycznej, ile potrzebujemy, w wyniku czego różnice cen w ciągu dnia są w Norwegii mniejsze niż w Europie Środkowej – powiedział Tim de Haas z zarządu Kyoto Group.

Ten start-up już otwiera się na rynek zewnętrzny, chcąc dostarczać nową technologię do europejskich państw. W wielu krajach dostępność bezpiecznej energii staje się wyzwaniem. Jest także presja związana z polityką klimatyczną i samymi konsekwencjami ocieplającego się klimatu. Wiemy przecież, że tradycyjna energetyka cieplna może paść, kiedy fale upałów i susze zatrzymają zdolność chłodzenia elektrowni.

„Dla nas główne rynki znajdują się w Niemczech i Hiszpanii. Niemcy mają największe w Europie zapotrzebowanie na ciepło przemysłowe. Obecnie przemysł wykorzystuje duże ilości gazu do produkcji tego ciepła. Dlatego naszym głównym celem jest wymiana przemysłowych kotłów gazowych, pomagając przemysłowi w osiągnięciu celów w zakresie redukcji emisji CO2 poprzez wymianę kotłów gazowych na energię odnawialną dostarczaną przez całą dobę – wyjaśnia de Haas.

Sól jest o wiele lepszym rozwiązaniem niż tradycyjne baterie. Łatwa w ekstrakcji, dostępna, mająca odpowiednie właściwości potrzebne do magazynowania ciepła. Szacuje się, że zbiorniki soli można ponownie ładować tysiące razy przez okres 40 lat. To trzy razy więcej niż w przypadku obecnych form magazynowania energii. Doktor Robert Barthorpe z Uniwersytetu w Sheffield, który bada możliwości magazynowania energii, mówi, że stopiona sól będzie ważnym elementem koszyka energetycznego. Według niego to fantastyczna technologia, oferująca odpowiednią ilość ciepła na skalę przemysłową.

Inne technologie magazynowania energii

Oprócz soli, jak na samym początku wspomnieliśmy, są też cegły. Amerykański start-up Rondo Energy wykorzystuje podobny schemat opierający się na zmiennym zapotrzebowaniu na energię. Różnica jest taka, że zamiast soli stosuje się setki, a nawet tysiące ton cegieł. Cegły podgrzewane są aż do 1500 st. C. Cegły magazynują ciepło, oczywiście jeśli jest ich dużo. Mogą je przechorować przez wiele dni przy bardzo niewielkich stratach. Ciepło przekazywane jest przez przegrzane powietrze, które może zostać wykorzystane w procesach przemysłowych lub wykorzystane do wytworzenia pary. Oczywiście bateria cieplna Rondo może od razu produkować gorąca parę potrzebną do zasilania np. turbin.

Z kolei szkocka firma Sunamp niedawno otrzymała granty na przetestowanie swojej technologii. Polega ona na magazynowaniu ciepła i zimna w materiale zmiennofazowym, podobnym do żelu stosowanego w kieszonkowych podgrzewaczach dłoni. Są też inne firmy, które myślą o podobnej technologii. Np. przez sprężone powietrze albo system wykorzystujący ciekłe powietrze, który został opracowany przez Petera Dearmana. Highview Power, która zakupiła od Dearmana technologię, rozpoczęła prace nad obiektem o mocy 300 MWh w pobliżu Manchesteru, który ma przechowywać energię wystarczającą do zasilania około 50 tys. domów przez pięć godzin.

– Potrzebujemy wielu różnych form magazynowania energii i jestem przekonany, że ciekłe powietrze będzie jedną z nich – uważa Dearman.

Jak to działa? Wykorzystując nadmiar energii, czyli tak samo, jak w przypadku soli i cegieł, schładza się powietrze do -196 st. C. Powietrze staje się ciekłe i jest przechowywane pod niskim ciśnieniem w zbiorniku. Kiedy OZE nie są w stanie wygenerować potrzebnej energii, ciekłe powietrze jest pobierane ze zbiorników i pompowane do zbiornika z wysokim ciśnienie. Tam jest ponownie podgrzewane i rozprężane. W wyniku tego procesu powstaje gaz pod wysokim ciśnieniem, który jest wykorzystywany do napędzania turbin w celu generowania energii.

Konkurencyjna forma magazynowania energii, ale z wyzwaniami na przyszłość

Niedawne komentarze Grega Handsa, byłego ministra energii w brytyjskim rządzie dają nadzieję, dla rodzącego się przemysłu magazynowania energii. – Rozwój technologii magazynowania energii będzie kluczowy dla naszego przejścia na tanią, czystą i bezpieczną energię odnawialną – powiedział Hands. Raport firmy konsultingowej McKinsey z 2022 r. podkreśla zalety magazynowania termicznego, obliczając cenę na 65–100 dol. za megawatogodzinę. Te 100 dol. to wartość maksymalna. To bardzo mało, bo przy obecnych kursie dolary wychodzi niecałe 400 zł, a przecież u nas megawatogodzina energii kosztuje ponad 1000 zł. Nie trzeba przecież tłumaczyć, dlaczego tak się dzieje. Jesteśmy zależni od paliw kopalnych, podatnych na wysokie ceny.

Raport McKinsey ostrzega przed potencjalnymi wyzwaniami związanymi z bateriami termicznymi. Głównie dlatego, że są one mało znane decydentom. A jak coś jet mało znane, to od razu pojawiają się obawy, czy to się sprawdzi, czy będzie dobre. Poza tym istnieje potencjalne ryzyko komercyjne wynikające ze względnej nowości w branży i różnej dojrzałości technologii, biorąc pod uwagę, że firmy często mają kosztowne, rozciągnięte w czasie cykle inwestycyjne. W raporcie wezwano liderów biznesu do inwestowania w projekty pilotażowe i demonstracyjne w celu zwiększenia świadomości i zaprezentowania technologii ciepłowniczych.