Schwytać energię

Niektórzy twierdzą, że najważniejszym dobrem XXI wieku będą dane. Owszem, ale przetwarzanie danych nie uda się bez jednej rzeczy. Bez energii. Ten, kto nauczy się ją gromadzić w sposób najbardziej efektywny, zostanie panem świata w epoce danych.

Najpierw byliśmy zbieraczami i myśliwymi, potem rolnikami, następnie wynaleźliśmy maszyny parowe i tak zaczęła się rewolucja przemysłowa. Od zawsze jednak potrzebowaliśmy energii, w tej czy w innej formie. I zawsze mieliśmy ten sam problem, jak ją przechować. W jaki sposób zabezpieczyć ognisko, by nie wygasło? Jak przenieść żar? Co zrobić, by nie zabrakło pary napędzającej maszyny? Jak przechować energię elektryczną, by ulice zawsze były oświetlone? Im więcej energii wytwarzamy, tym większy mamy problem z jej magazynowaniem. A jednocześnie doskonale wiemy, że paliw kopalnych, które są dla nas takimi właśnie magazynami energii do końca świata nam nie wystarczy. Odnawialne źródła energii są dla nich doskonałą alternatywą. Mają tylko jedną olbrzymią wadę – energia z nich otrzymywana jest trudna do przechowywania. Jest, gdy słońce świeci. Jest, gdy wieje wiatr. Ale jak zasilić żarówkę w bezwietrzną noc? Zanim odpowiemy sobie na to pytanie, zastanówmy się, jak doszło do tego, że uzależniliśmy się od energii elektrycznej.

Rewolucja przemysłowa i energia paliw kopalnych

Rewolucja przemysłowa – ten proces zmian technologicznych, społecznych i gospodarczych rozpoczął się w XVIII wieku w Anglii i Szkocji. To tam właśnie zaczęto przechodzić od gospodarki typowo rolniczej do rzemiosła i przemysłu. Produkcja przemysłowa nie byłaby możliwa, gdyby nie paliwa kopalne, czyli węgiel (najpierw) oraz ropa naftowa i jej pochodne.

To właśnie wówczas w Anglii, najbogatszym i najlepiej wtedy rozwiniętym państwie świata zaczęto wykorzystywać na masową skalę węgiel. Bez węgla jako paliwa nie mogły na większą skalę funkcjonować maszyny parowe.

Atmosferyczny silnik parowy Newcomena
Pierwszy atmosferyczny silnik parowy Newcomena uruchomiony w 1712 r. w kopalni węgla w Staffordshire – symbol początku rewolucji przemysłowej (źr.: timetoast.com).

Powszechnie uznaje się, że symbolem rozpoczęcia rewolucji przemysłowej była maszyna parowa. Urządzenie Jamesa Watta, który w 1763 roku udoskonalił atmosferyczny silnik parowy zbudowany wcześniej (już ok. 1712 roku) przez mniej znanego dziś wynalazcę Thomasa Newcomena, wyzwoliło ludzkość z przymusu pracy bezpośredniej. Moc mięśni ludzkich i zwierząt domowych została wydajnie zastąpiona mocą maszyn. Maszyny przemysłowe powstałe dzięki silnikom parowym zasilanym węglem okazały się znacznie wydajniejsze od najsilniejszych ludzi. Nastał czas pary, ale także czas węgla.

Dobry węgiel? Łatwa ropa? To już było

Po parze i węglu nadszedł czas ropy naftowej. Pomógł w tym bardzo Polak, Ignacy Łukasiewicz, który wynalazł nie tylko lampę naftową, ale przede wszystkim opracował metodę destylacji ropy, którą można było zastosować na skalę przemysłową. Miało to o tyle znaczenie, że ropa jako taka była znana ludzkości znacznie wcześniej, ale nie była traktowana jako nośnik energii, czyli paliwo chemiczne, zdolne zasilić pracę maszyn. Dlaczego świat współczesny tak bardzo jest zależny od ropy i innych paliw kopalnych? Jak zauważa fizyk Marcin Popkiewicz w swojej książce „Świat na rozdrożu”:

Paliwa kopalne to niesamowicie skoncentrowana energia. 1 litr ropy to około 10 kilowatogodzin (kWh) energii. Co to znaczy? Pracujący fizycznie człowiek zjada jedzenie o energii około 3000 kcal (co odpowiada 3,5 kWh). Większość tej energii zasila mózg, serce i inne organy, wydziela się też jako ciepło – na wykonanie użytecznej pracy zostaje więc około 1 kWh dziennie. Zatem liczba kilowatogodzin, które zużywasz każdego dnia, odpowiada liczbie służących, którzy pracowaliby fizycznie dla Ciebie. Energia jednego litra ropy czy benzyny odpowiada zatem prawie połowie miesiąca roboczego intensywnej pracy człowieka.

W tym momencie łatwo zdać sobie sprawę, czemu paliwa kopalne zyskały taką popularność i przez niemal dwa wieki skutecznie napędzają naszą cywilizację. Niestety, mają też swoją ciemną stronę: spalanie paliw kopalnych ma wpływ na środowisko naturalne, ale nawet gdy pominiemy tę kwestię (czego chciałoby wielu sceptyków, którzy wciąż – mimo naukowych dowodów – zaprzeczają wpływom naszej cywilizacji na środowisko i na klimat), paliwa kopalne się wyczerpują. Na przykład w Polsce wciąż niektórzy hołdują wizji „Polska węglem stoi”. Niestety, tak nie jest. Owszem, w naszym kraju wciąż jeszcze znajdują się spore złoża węgla, problem w tym, że ten łatwo dostępny i najlepszej jakości węgiel (czyt. tani w wydobyciu) już wykopaliśmy i zużyliśmy. Mieliśmy w Polsce – w okolicach Wałbrzycha i Nowej Rudy – złoża antracytu, najlepszej, charakteryzującej się najwyższą wartością energetyczną odmiany węgla kamiennego. Już go nie mamy.

Zobaczmy inny przykład. Większość zapytanych o to, gdzie znajdują się najbogatsze złoża złoża ropy naftowej na świecie, wskaże zapewne Arabię Saudyjską lub któreś z sąsiednich państw arabskich. Jednak już nawet Arabia Saudyjska sięga po trudne w wydobyciu złoża ciężkiej ropy. Problem z trudnymi złożami jest taki, że wymagają one skomplikowanej infrastruktury wydobywczej i złożonego, energochłonnego procesu eksploatacji. O tym jak trudne może być wydobycie zasobów ropy ukrytej w łupkach bitumicznych czy właśnie ciężkiej ropy uwięzionej w wapieniach świadczy m.in. to, że kilka lat temu Saudyjczycy zwrócili się z prośbą o pomoc do ekspertów naftowego koncernu Chevron, by ci ocenili na ile efektywne może być wydobycie ropy z trudnych złóż. Menedżerowie Chevronu zaangażowani w ten projekt zgodnie uznawali go za „jeden wielki eksperyment chemiczny”, którego opłacalność wciąż stoi pod znakiem zapytania. Paradoksem jest m.in. fakt, że wydobycie trudnych złóż w Arabii Saudyjskiej wymaga olbrzymich ilości wody słodkiej. Zasobu, którego akurat Arabia Saudyjska nigdy nie miała dużo. Tam woda pitna jest droższa od ropy. Natura bywa przewrotna.

Wody nie brakuje za to w kanadyjskiej prowincji Alberta, gdzie przemysł wydobywczy z rozmachem wybudował gigantyczne zakłady przetwarzania roponośnych piasków w użyteczne dla przemysłu paliwowego i petrochemicznego paliwo. Niewielu jednak zdaje sobie sprawę jak katastrofalne dla środowiska są centra wydobywcze piasków roponośnych. Obszar wydobycia jest zamieniany praktycznie w pustynię. Zobaczcie na poniższe zdjęcie.

piaski roponośne
Jedna z kopalni piasków roponośnych w kanadyjskim stanie Alberta. To obszar całkowicie zdegradowany biologicznie (fot. Andrew S. Writght / Vancouver Observer).

Takich obiektów jak ten widoczny na powyższym zdjęciu jest obecnie w Kanadzie bardzo wiele. Warto też uzmysłowić sobie skalę działania przemysłu wydobywczego. Spójrzcie na kolejną ilustrację:

piaski roponośne a obszar miasta
Po lewej widoczny obszar jednego z wielu obiektów wydobywczych w stanie Alberta w Kanadzie, po prawej stolica naszego kraju – Warszawa – w podobnej skali (źr. Google; opr. Wintermute / CHIP)

Czy naprawdę chcielibyśmy wydobywać dalej paliwa kopalne kosztem degradacji biologicznej olbrzymich połaci ziemi i coraz szybciej kumulujących się zmian klimatycznych? Wydaje się, że to nie jest dobre rozwiązanie. Niestety, wciąż potrzebujemy energii.

Uran – ślepa uliczka

Zaraz, zaraz – a co z uranem? Co z elektrowniami jądrowymi? Przecież to bardzo wydajne źródło energii, prawda? Nie możemy zastąpić węgla i ropy właśnie energetyką nuklearną? Uran jest przecież jeszcze lepszym rezerwuarem energii niż węgiel czy ropa. Otóż odpowiedź brzmi: nie, nie możemy. Głównie dlatego, że uranu jest na naszej planecie za mało, by mógł on stanowić alternatywę.

baza danych PRIS - stan aktualny

Według bazy danych PRIS (Power Reactor Information System) zarządzanej przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej (IAEA – International Atomic Energy Agency) na świecie działa obecnie 448 reaktorów nuklearnych (mowa o rozwiązaniach cywilnych), które łącznie generują ponad 391 GW mocy. Kolejne 59 reaktorów jest w budowie, i mówimy tu o realnej budowie, a nie – jak w przypadku polskiej elektrowni nuklearnej – jedynie o wirtualnym bycie pochłaniającym realne środki podatników. Cała ta infrastruktura potrzebuje paliwa – rocznie około 68 tysięcy ton uranu naturalnego, zawierającego zaledwie 0,7% izotopu 235U stanowiącego właściwe paliwo dla reaktorów nuklearnych. Tymczasem Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej szacuje zasoby uranu na 5,5 mln ton, z czego tylko 3,3 mln ton są uznawane za pewne, pozostała część tej puli to „złoża potencjalne, czekające na odkrycie” więc tak naprawdę wielka niewiadoma.

Na jak długi czas wystarczą te złoża? To prosta matematyka. Załóżmy, że do dziś pracujących 448 reaktorów dokładamy te, które już są budowane. W efekcie otrzymujemy pulę 506 reaktorów generujących łącznie (po uśrednieniu) ok. 443 GW energii. Reaktory te oczywiście potrzebują paliwa, rocznie około 76,5 tysiąca ton uranu naturalnego. Na jak długo starczy nam zasobów uranu uważanych przez IAEA za pewne? Dzielimy 3,3 mln ton (łączne zasoby pewne) na roczne zapotrzebowanie (76,5 tysiąca) i mamy… zaledwie 43 lata. I to zakładając, że oprócz tych już budowanych nie powstanie ani jeden reaktor więcej. Cały czas też mówimy o bieżącej produkcji. Tymczasem gdy założymy, że faktycznie uran ma być alternatywą dla pozostałych paliw kopalnych, to zdaniem cytowanego już fizyka Marcina Popkiewicza, potrzebujemy jeszcze sześciokrotnego zwiększenia zainstalowanych mocy. Dopiero wtedy energetyka nuklearna w połączeniu z już istniejącą energetyką odnawialną pozwoliłaby nam zaspokoić nasze dzisiejsze potrzeby energetyczne. Niestety na krótko: po ok. siedmiu latach uran by się skończył.

Sytuacja bez wyjścia? Aż tak źle nie jest, po prostu musimy zastąpić paliwa kopalne czymś innym. Pomysłów czym, mamy naprawdę sporo, ale musimy rozwiązywać też problemy, głównie w kwestii gromadzenia w efektywny sposób energii ze źródeł niestabilnych.

Czas na OZE

OZE, czyli odnawialne źródła energii, przez jednych postrzegane są jako wybawienie dla naszej cywilizacji, inni z kolei węszą w inwestycjach w tego typu źródła energii większy spisek i są ich zdeklarowanymi przeciwnikami. Faktem jest, że musimy się pożegnać z paliwami kopalnymi, a przecież nasza cywilizacja potrzebuje coraz większych zasobów energetycznych. Odnawialne źródła energii wydają się rozsądną alternatywą. Obecnie potrafimy pozyskiwać energię m.in. z promieniowania słonecznego, wiatru, fal i pływów morskich, źródeł geotermalnych czy biomasy.

OZE globalnie
Moc zainstalowana światowej energetyki odnawialnej z podziałem na poszczególne typy źródeł (źr. REN21).

Według raportu Renewables 2017 Global Status Report opublikowanego przez organizację non-profit REN21 (Renewable Energy Policy Network for the 21th Century), zrzeszającą różne organizacje (rządowe i pozarządowe z wielu krajów) działające na rynku energetyki odnawialnej, w 2016 moc zainstalowana elektrowni OZE w skali globalnej wynosiła nieco ponad 2 TW (terawaty) energii. Z tego większość, bo ponad połowa to moc elektrowni wodnych, stanowiących najstabilniejsze źródło spośród wszystkich źródeł odnawialnych. Moc zainstalowana elektrowni słonecznych to 308 GW (wliczając w to fotowoltaikę i kolektory), a wiatrowych: 487 GW. Dla porównania na początku 2015 roku łączna moc zainstalowana wszystkich instalacji generujących energię w Polsce wynosiła ok. 40 GW, z czego tylko 4,1 GW to łączna moc instalacji OZE w naszym kraju. Co ciekawe ten ok. 10-procentowy udział OZE w łącznymi miksie energetycznym odnosi się również do globalnego rynku energii. Zobaczmy poniższy schemat.

światowy rynek energii
Wg raportu organizacji REN21 tak prezentował się rozkład globalnego zapotrzebowania na energię wg produkujących ją źródeł w 2015 roku (źr. REN21).

Generalnie produkcja energii z nowoczesnych źródeł odnawialnych w 2015 roku pokrywała globalne zapotrzebowanie naszej cywilizacji na energię w nieco ponad 10 procentach. To niewiele, ale też najważniejsi gracze, tacy jak np. Chiny od tego czasu realizują gigantyczne inwestycje w tym kierunku.

Jak informowała na początku 2017 roku agencja Reuters, w ubiegłym roku Chiny, jeden z największych rynków energetycznych świata, ogłosiły, że do 2020 roku zamierzają zainwestować w energetykę odnawialną ok. 361 mld. dolarów (ponad 1,2 bln złotych; to niemal 77 proc. rocznego PKB Polski wg stanu za rok 2016). Chiny ambitnie podeszły do planu szybkiego odejścia od „brudnej” energetyki węglowej na rzecz źródeł odnawialnych. Według chińskiej agencji NEA (National Energy Administration) pozwoli to m.in. zatrudnić w sektorze energetyki odnawialnej łącznie ok. 13 milionów ludzi, a zbudowane elektrownie korzystające ze źródeł odnawialnych w połączeniu z istniejącą infrastrukturą nuklearną mają zaspokoić w 2020 roku połowę zapotrzebowania chińskiej gospodarki na energię. Kraj ten już dziś jest liderem światowym jeżeli chodzi o inwestycje w energetykę odnawialną, w Chinach co pół godziny stawiana jest nowa turbina wiatrowa, kraj ten ma również największą produkcję energii ze Słońca.

Nie ma zatem wątpliwości, że inwestycje w energetykę odnawialną będą rosnąć. Jednak z OZE jest pewien problem. To źródła mało stabilne. Oznacza to, że z wygenerowanej za ich pomocą energii nie możemy korzystać stale. Wiatr raz wieje, raz nie, a z elektrowni słonecznej w nocy również nie będzie wielkiego pożytku (chyba, że zostanie ona odpowiednio doposażona). Potrzebujemy zatem efektywnych sposobów magazynowania energii. I tymi właśnie sposobami się teraz zajmiemy.

Elektrownie szczytowo-pompowe jako gigantyczne baterie

Elektrownie szczytowo-pompowe to tak naprawdę wcale nie elektrownie (czyli zakłady produkujące energię z jakiegoś konkretnego paliwa), lecz wielkie magazyny energii. Zasada ich działania jest prosta. Każda elektrownia szczytowo-pompowa dysponuje co najmniej dwoma zbiornikami wodnymi zlokalizowanymi na różnej wysokości. W czasie, gdy w sieci energetycznej mamy nadwyżkę energii elektrycznej, w elektrowni szczytowo-pompowej zasila się pompy, których zadaniem jest przepompowanie wody z dolnego zbiornika do górnego. Następnie, gdy popyt na energię wzrasta, woda zgromadzona w górnym zbiorniku jest spuszczana do zbiornika dolnego, po drodze przepływa przez turbiny generujące energię elektryczną, która jest następnie przekazywana do sieci energetycznej, czyli w tym przypadku placówka działa jak każda elektrownia wodna. Jednak nazywanie tego typu obiektu „elektrownią” jest o tyle mylące, że zakład taki nie wytwarza energii, a jedynie oddaje, i to ze stratą (i to sporą, nawet rzędu 30 procent), energię nagromadzoną w czasie nadwyżki produkcyjnej. Tym samym obiekt działa jak wielka bateria.

elektrownia szczytowo-pompowa
Rury łączące zbiornik górny i dolny w elektrowni szczytowo-pompowej w Żarnowcu (fot. Joanna Karnat / Wikimedia, CC BY 3.0).

Największym w Polsce akumulatorem szczytowo-pompowym jest obiekt nazywany „Elektrownia Wodna Żarnowiec”. Obiekt ten dysponuje czterema odwracalnymi hydrozespołami (mogącymi pracować jako pompy lub jako turbiny wytwarzające prąd). W trybie pomp obiekt wymaga 800 MW energii, natomiast w trybie turbin generowana moc całkowita to maksymalnie 716 MW. Pojemność tej „baterii” to ok. 3600 MWh (megawatogodzin).

Bath County Pumped Storage Station
Bath County Pumped Storage Station – największa elektrownia szczytowo-pompowa świata (renewableenergyworld.com).

Elektrownie szczytowo-pompowe nie są nowym pomysłem, największa na świecie działająca „bateria” tego typu to zlokalizowany w hrabstwie Bath, na granicy stanów Virginia i West Virginia obiekt o nazwie Bath County Pumped Storage Station. Stacja rozpoczęła działanie w grudniu 1985 roku. Po modernizacji przeprowadzonej w latach 2004-2009 zainstalowana moc sześciu turbin w tej stacji wzrosła do 3060 MW. Pojemność górnego zbiornika wystarcza na przemianę energii grawitacyjnej wody na energię elektryczną przez przez 11 godzin, co oznacza, że pojemność tej „baterii” to ok. 33600 MWh – blisko dziesięciokrotnie większa niż największej polskiej instalacji tego typu.

Wynika z tego, że elektrownie szczytowo-pompowe to całkiem pojemne akumulatory energii. Jednak na drodze do ich szerszego zastosowania, po to by zniwelować niestabilność odnawialnych źródeł energii stoi mała elastyczność tego typu instalacji. Przede wszystkim elektrowni szczytowo-pompowej nie zbudujemy tam, gdzie byśmy chcieli. Podstawowy wymóg to zróżnicowana wysokość terenu, co pozwala wykorzystać istniejące, bądź ułatwia zbudowanie nowych zbiorników wodnych na różnych poziomach. Trudno wyobrazić sobie np. sytuację, w której np. wszystkie polskie kotliny górskie zostałyby zamienione w tego typu instalacje. Nawet najmniejsza próba takiego przeobrażenia terenu, spotkałaby się z całą pewnością z negatywną reakcją mieszkańców takich terenów, a biorąc pod uwagę naruszenie środowiska naturalnego, protestowałoby znacznie więcej osób. Tym samym elektrownie szczytowo-pompowe, mimo dobrze znanej i sprawdzonej technologii pozostają wciąż tylko półśrodkiem pozwalającym na gromadzenie energii jedynie przy sprzyjających warunkach topograficznych.

Ponadto wadą instalacji szczytowo-pompowych jest ich spora bezwładność. Nie da się z tego typu baterii korzystać tak szybko, jak np. z baterii litowo-jonowych. Te ostatnie wpięte do obiegu elektrycznego zgromadzoną energię oddają natychmiast. W przypadku elektrowni szczytowo-pompowej mija sporo czasu nim spływająca woda uruchomi turbiny generujące prąd .

Bateria ze… skompresowanego powietrza

Bardziej elastycznym rozwiązaniem jest obiekt, w którym energia gromadzona jest w specjalnych zbiornikach w postaci sprężonego powietrza. Zasada działania pozostaje zbliżona do tej, według której działają elektrownie szczytowo-pompowe. Jednak w tym przypadku, zamiast pompować wodę ze zbiornika dolnego do górnego w okresach nadwyżki mocy w sieci energetycznej, powietrze z otoczenia stacji jest sprężane i przechowywane pod ciśnieniem w podziemnej, specjalnej komorze. W chwilach, gdy wzrasta popyt na energię elektryczną, sprężone powietrze jest podgrzewane i rozprężane w turbinie rozprężnej napędzającej generator do produkcji energii. Oczywiście również w tym przypadku mamy do czynienia z procesem stratnym (nie istnieje zresztą bezstratne ładowanie baterii – to byłoby przecież perpetuum mobile).

Elektrownia Huntorf
Elektrownia Huntorf, jedna z dwóch aktualnie działających instalacji typu CAES, stanowiących magazyn energii w postaci sprężonego powietrza (fot. Wikimedia)

W chwili obecnej istnieją na świecie dwie działające instalacje tego typu. Jedna z nich to zlokalizowany u naszych zachodnich sąsiadów obiekt znany pod nazwą Elektrownia Huntorf. Stacja ta została oddana do użytku dość dawno, bo 40 lat temu. Jest to pierwszy obiekt na świecie, w którym nadwyżki energii z sieci energetycznej mogą być magazynowane w postaci sprężonego powietrza. Warto zaznaczyć, że w tym przypadku nazywanie obiektu elektrownią jest w pełni zasadne, gdyż instalacje CAES stanowią element dodatkowy, a sama stacja jest formalnie rzecz biorąc elektrownią gazową, czyli obiektem, w którym turbiny napędzające generator energii elektrycznej zasilane są gazem ziemnym oraz rozprężanym powietrzem zgromadzonym wcześniej w podziemnym zbiorniku o objętości 300 000 m3.

Całkowita moc tej instalacji to 321 MW (po modernizacji dokonanej w 2006 roku). Ze względu na pojemność zbiornika sprężonego powietrza może ona być dostarczana przez 2 godziny, co oznacza, że – teoretycznie – pojemność baterii wynosi 642 MWh, jednak pamiętajmy, że w tej elektrowni energia pochodząca z rozprężania wcześniej sprężonego powietrza jedynie uzupełnia energię powstałą ze spalania gazu ziemnego napędzającego turbiny. Dzięki temu znacznie podniesiono sprawność całego systemu. Lokalizacja takiej instalacji w Niemczech nie powinna dziwić. Nasi zachodni sąsiedzi w bardzo dużym stopniu korzystają z energii z OZE. Jak dużym? Niech przemówią najnowsze statystyki. Według danych niemieckiego regulatora sieci energetycznej, organizacji BNetzA, w Nowy Rok, czyli 1 stycznia 2018 roku, całe Niemcy zasilane były w 100 procentach energią elektryczną pochodzącą ze źródeł odnawialnych. Tego właśnie dnia, do godziny 18. niemieckie systemy OZE dostarczyły ok. 41 MWh energii, co zbiegło się ze szczególnie niskim zapotrzebowaniem (dzień wolny – najwięksi odbiorcy energii w gospodarce – zakłady przemysłowe – tego dnia nie pracowały). Nie zmienia to jednak faktu, że OZE pozostają niestabilnym źródłem energii i instalacje takie jak Elektrownia Huntorf pomagają w stabilizacji całej sieci energetycznej.

Baterie ze stopionej soli

Ciekawym pomysłem na gromadzenie nadwyżek energii wyprodukowanej z niestabilnych, odnawialnych źródeł są instalacje wykorzystujące zbiorniki pełne gorącej, stopionej soli. W 2013 roku Amerykanie zbudowali elektrownię słoneczną Solana niedaleko miejscowości Gila Bend w stanie Arizona. Elektrownia ta przetwarza promienie słoneczne za pomocą skupiających zwierciadeł w ciepło. Nie jest ono jednak od razu wykorzystywane do podgrzewania wody, by para wodna następnie napędzała turbinę generatora prądu, tak jak to jest w „klasycznych” elektrowniach słonecznych wykorzystujących kolektory cieplne. Tutaj energia zebrana przez kolektory słoneczne przekazywana jest w postaci ciepła do umieszczonego na wieży odbiornika, skąd ciepło jest przekazywane i gromadzone w podziemnych zbiornikach ze stopioną solą, przechowywaną w temperaturze nieco niższej od 600 stopni Celsjusza. Następnie ciepło zgromadzone w zbiornikach z ciekłą solą jest przekazywane do turbin parowych, które dzięki temu mogą generować prąd elektryczny. Poniższy schemat objaśnia działanie takiego obiektu.

molten salt system
System gromadzący energię cieplną w zbiornikach stopionej soli, zastosowane w elektrowni słonecznej w Kalifornii (rys. newatlas).

Standardowa elektrownia słoneczna oparta na kolektorach gromadzących ciepło i podgrzewających wodę ma tę wadę, że może pracować tylko w dzień, kiedy świeci Słońce. Dzięki nagrzanym podziemnym zbiornikom ciekłej soli ciepło zgromadzone w ciągu dnia może być oddawane przez całą noc, w efekcie cała stacja działa nieprzerwanie jak elektrownia zasilana paliwem kopalnym. W 2016 roku elektrownia słoneczna Solana, wyposażona w baterie z ciekłej soli wyprodukowała nieco ponad 643 GWh energii, co według projektantów tej stacji wciąż jest poniżej jej faktycznych możliwości wynoszących 944 GWh rocznie.

Podobną instalację buduje Chile. Elektrownia słoneczna powstająca w chilijskiej prowincji Tamarugal również będzie gromadzić ciepło w zbiornikach ciekłej soli, co pozwoli wytwarzać prąd elektrycznie 24 godziny na dobę. Planowana moc całkowita tej placówki jest niższa od amerykańskiej elektrowni Solana. Rocznie chilijska elektrownia ma wyprodukować 2,6 GWh energii.

Baterie litowo-jonowe w nowej roli

Baterie litowo-jonowe to jeden z najpopularniejszych dziś nośników energii. Głównie za sprawą sprzętu mobilnego, którego niemal każdy egzemplarz ma wbudowane ogniwa właśnie tego typu. Czy możliwe jest zastosowanie baterii litowo-jonowych również jako magazynów energii w większej skali? Na tyle dużej, by mogły być uzasadnioną ekonomicznie alternatywą dla innych metod stabilizacji energii produkowanej przez źródła odnawialne? Dziś, dzięki dokonaniom należącej do Elona Muska firmy Tesla wiemy, że tak.

bateria litowo-jonowa
Schemat działania akumulatora litowo-jonowego (rys. CHIP).

Jak już pisaliśmy w naszym serwisie, na początku lipca ubiegłego roku Elon Musk we współpracy z francuską firmą Neoen obiecał Australijczykom, że zbuduje w ich kraju największą na świecie baterię litowo-jonową, która rozwiąże trapiące Południową Australię kłopoty z dostawami energii związanymi właśnie z niestabilnością źródeł. Smaczku sprawie dodał fakt, że Musk założył się z włodarzami Południowej Australii, że jeżeli nie zdąży zbudować i uruchomić całej instalacji w 100 dni, sam pokryje koszt całej inwestycji.

Bateria Tesla
Instalacja zbudowana przez firmę Elona Muska stabilizuje energię dostarczaną przez farmę wiatrową w Południowej Australii (fot. Tesla).

Musk dotrzymał słowa i potężna instalacja złożona z baterii litowo-jonowych o mocy zainstalowanej równej 100 MW uzupełniła australijską farmę wiatrową Hornsdale. Zaletą tej instalacji jest bardzo szybki czas reakcji. Zespół baterii Tesli w bożonarodzeniowy weekend ubiegłego roku osiągnął kolejny rekord – szybkości reakcji na awarię w dostawie prądu. Kiedy jedna z elektrowni w australijskim stanie Wiktoria z powodu awarii przestała dostarczać prąd, wpięty już od kilku tygodni do sieci energetycznej Australii, w pełni sprawny akumulator Tesli załączył się po rekordowym czasie zaledwie 140 milisekund. W porównaniu z bezwładnością instalacji szczytowo pompowych, czy typu CAES to imponujący rezultat.

Warto podkreślić, że Australijczycy nie mieli problemu z ilością energii, lecz ze stabilnością działania sieci energetycznej, co wynikało z podjęcia zdecydowanego kroku w 2016 roku, polegającego na całkowitej rezygnacji tej części kraju z elektrowni węglowych i przestawieniu się na OZE.

Instalacja z baterii wanadowych
Instalacja o mocy 2 MW i pojemności 8 MWh zbudowana z przepływowych ogniw wanadowych, działająca w stacji energetycznej w Snohomish County w stanie Waszyngton (fot. Arstechnica).

Oczywiście baterie litowo-jonowe to nie jedyny typ ogniw, które mogą pełnić rolę akumulatorów energii w przemysłowej skali. Na świecie możemy znaleźć wiele innych rozwiązań, wykorzystujących np. tzw. przepływowe ogniwa wanadowe. Ogniwa tego typu wykorzystują elektrolity na bazie wanadu. Gęstość energii w tych ogniwach jest mniejsza niż w ogniwach litowo-jonowych, dlatego w żadnym smartfonie czy aucie elektrycznym nie uświadczymy baterii wanadowej, ale na skalę przemysłową budowanie takich instalacji jest uzasadnione ekonomicznie.

Pod koniec ubiegłego roku Chińczycy ogłosili, że budują imponujący magazyn energii wykorzystujący właśnie ogniwa wanadowe. Instalacja powstająca w prowincji Dalian w Chinach ma mieć pojemność 800 MWh, a maksymalna moc tej stacji to 200 MW. Jak łatwo obliczyć zespół chińskich baterii wanadowych w Dalian będzie mógł przekazywać zgromadzoną energię elektryczną z maksymalną mocą stacji przez 4 godziny.

Choć ogniwa wanadowe charakteryzują się zauważalnie mniejszą gęstością energii (możliwość upakowania mniejszej ilości energii na jednostkę objętości) niż ogniwa litowo-jonowe, to mają nad tymi drugimi pewną istotną przewagę: praktycznie nie ulegają degradacji. Niestety wanad jest pierwiastkiem szkodliwym i znacznie droższym niż np. lit. Dlatego poszukiwania lepszych technologii materiałów i rozwiązań zapewniających możliwość przechowywania większej ilości energii za możliwie jak najniższą cenę wciąż trwają.

Energia była z nami od zawsze

Doskonale znane każdemu fanowi nowoczesnych technologii pomysły, takie jak błyskawicznie ładowane ogniwa grafenowe o fantastycznej wręcz gęstości energetycznej, czy w pełni kontrolowana reakcja termonuklearna, która naprawdę uwolniłaby ludzkość od problemów z pozyskiwaniem i gromadzeniem energii, to wciąż śpiew odległej przyszłości. Tak, eksperymentalne stacje badawcze pracujące nad kontrolowaną reakcją fuzji nuklearnej istnieją od dawna – niestety, przełomu w tej dziedzinie wciąż brak.

Zwróćcie uwagę, że bez względu na to, o której epoce naszej cywilizacji mówimy, to tak naprawdę energia zawsze była siłą napędową naszego rozwoju. Rewolucja neolityczna pozwoliła nam gromadzić energię biologiczną – w postaci płodów rolnych – którą mogliśmy zasilać nas samych, niewolników, udomowione zwierzęta itp. Rewolucja przemysłowa pozwoliła nam ujarzmić energię drzemiącą w paliwach kopalnych i za jej pomocą budować maszyny wielokroć przewyższające wydajność ludzkiej pracy. Dziś musimy zastąpić paliwa kopalne, do naszej dyspozycji są odnawialne źródła energii, które jednak musimy stabilizować właśnie budowanymi na wielką skalę magazynami energii. Rozwiązaniem wszelkich problemów energetycznych ludzkości byłoby opanowanie fuzji nuklearnej, czyli budowa naszych własnych mikrosłońc. Tu, na naszej planecie, która od miliardów lat korzysta z największego i najstabilniejszego źródła docierającej do nas energii: naszej dziennej gwiazdy.

Materiały dodatkowe – warto!

Wszystkim, którzy chcieliby jeszcze bardziej pogłębić wiedzę dotyczącą opisywanych zagadnień polecamy lekturę źródeł, z których korzystano podczas opracowywania niniejszego materiału:

| CHIP