Europejskie systemy elektroenergetyczne obciążone są dużą bezwładnością. Gdy w sieci jest nadmiar prądu, nie da się nagle wyłączyć zarówno tradycyjnych elektrowni węglowych jak i nowoczesnych – atomowych czy gazowych. Do destabilizacji systemu przyczyniają się również coraz powszechniejsze i niestety nieprzewidywalne źródła energii odnawialnej.

Ze względu na uzależnienie od chwilowego stanu pogody prym wiodą tu farmy wiatrowe i fotowoltaiczne. Dlatego ważnym wyzwaniem staje się tania i powszechna metoda magazynowania dużych ilości energii elektrycznej. A nie jest to łatwe przedsięwzięcie …

Podejście tradycyjne

Tradycyjną i relatywnie tanią metodą magazynowania ogromnych ilości energii elektrycznej są elektrownie wodne, szczytowo – pompowe. Taka elektrownia składa się z 2 zbiorników: górnego i dolnego. Zbiorniki różnią się poziomem wody. Spuszczając wodę z górnego zbiornika poprzez turbinę wodną wytwarzamy energię. Pompując wodę tymi samymi turbinami z dolnego zbiornika do górnego magazynujemy ją. Straty w tym systemie sięgają 30 % i są akceptowalne. Większą wadą elektrowni szczytowo – pompowych jest ogromna skala inwestycji przy ich budowie i negatywny wpływ tak dużego przedsięwzięcia na środowisko. Poza tym elektrownie wodne mogą być budowane tylko w sprzyjających miejscach, co nie zwiększa dywersyfikacji źródeł zasilania.

Wirująca masa

W Wałbrzyskiej kopalni Julia, już na początku XX wieku w ciekawy sposób rozwiązano problem niestabilnych źródeł zasilania w energię elektryczną. Pamiętajmy, że brak prądu w kopalni to nie tylko straty ekonomiczne, ale wręcz zagrożenie życia górników – ich uwiezienie pod ziemią przez zatrzymanie wind i ryzyko zalania sztolni z braku działania pomp. Żeby temu zaradzić, kopalnię zaopatrzono w mechaniczny akumulator energii. Jest to kilkumetrowej średnicy koło, ważące ok. 12 ton, rozkręcone przez silnik elektryczny do wysokich obrotów. W razie braku zasilania rozpędzone koło poprzez ten sam silnik wytwarza energię elektryczną wystarczającą do wywiezienia górników windami spod ziemi.

Dziś podobny pomysł wraca, jako sposób na magazynowanie energii elektrycznej. Planuje się budowę ogromnych, masywnych wirników w szczelnych obudowach ze zmniejszonym ciśnieniem powietrza celem ograniczania oporów urządzenia. Zaletą akumulatorów mechanicznych będzie prostota ich budowy, duża sprawność energetyczna oraz możliwość ich lokalizowania praktycznie wszędzie. Wadą – magazynowanie relatywnie niedużych ilości energii.

Sprężanie gazów

Również nienowym pomysłem jest sprężanie gazów i magazynowanie w ten sposób energii. Wykorzystując jako paliwo sprężone powietrze, działają m.in. torpedy, pistolety lakiernicze czy klucze do przykręcania kół w zakładach wulkanizacyjnych. Dawniej produkowano też wózki fabryczne zasilane w ten sposób. Dziś pomysł akumulowania energii w sprężonym gazie wraca. Technologia i w tym przypadku jest sprawdzona, dość bezpieczna i zapewnia dywersyfikację źródeł energii. Wadą są spore straty, wynikające z termodynamiki gazów – podczas ich sprężania pojawia się ciepło odpadowe, podczas rozprężania gaz się chłodzi, tracąc ciśnienie. Praw fizyki nie uda nam się przeskoczyć, dlatego ten sposób magazynowania energii nie będzie dominować w przyszłości.

Energia wiązań chemicznych

Już od ponad 150 lat z powodzeniem stosujemy akumulatory kwasowe. Te źródła energii wykorzystują właśnie energię wiązań chemicznych. Nowszym, mniej szkodliwym dla środowiska i coraz powszechniejszym następcą akumulatorów kwasowo – ołowiowych są ogniwa litowo – jonowe. Są sprawniejsze, lecz niestety droższe od swych poprzedników. Szczęśliwie do lamusa odchodzą wyjątkowo toksyczne baterie niklowo – kadmowe, tak popularne do niedawna w laptopach i telefonach komórkowych. Ich negatywny wpływ na środowisko i wysokie koszty wytwarzania usunęły je z rynku.

Wadą wszystkich wyżej wspomnianych akumulatorów jest ich wysoka cena, toksyczność, duża masa w stosunku do pojemności, relatywnie niska trwałość oraz długi czas ładownia. Niedoskonałość baterii jest główną barierą rozwoju aut elektrycznych, które potrzebują akumulatorów tanich, bezpiecznych, lekkich, nietoksycznych, trwałych, pojemnych i możliwych do ładowania dużymi prądami podczas hamowania silnikami elektrycznymi. Odpowiedzią na te wymagania mógłby być wodór i ogniwa paliwowe. Niestety, wodór jest silnie wybuchowy i powszechne jego stosowanie w motoryzacji jest mało realne. Jednak stacjonarne zasobniki energetyczne oparte o technologię ogniw paliwowych są już dziś w sprzedaży. Można zasilać je również gazem sieciowym.

Superkondensatory

Zasada działania kondensatora jest prosta: to 2 elektrody na których gromadzą się ładunki elektryczne. Im większa powierzchnia elektrod, tym większą ilość prądu możemy w kondensatorze zgromadzić. Tu kończy się prostota a zaczyna się … nanotechnologia! To właśnie nowoczesne techniki miniaturyzacji umożliwią osiągniecie olbrzymiej powierzchni elektrod w małej objętości urządzenia. Superkondensatory już dziś współpracują z farmami wiatrowymi czy fotowoltaicznymi. Wydaje się, że przyszłość magazynowania energii może należeć właśnie do nich. Łatwo wyobrazić sobie rozsiane po Europie stacje kondensatorowe, buforujące „piki” w elektrycznych sieciach przesyłowych.

Mówimy jednak o bardzo nowoczesnych technologiach. A nóż – widelec, pojawi się nagle pomysł, na który nie wpadłem pisząc ten odcinek felietonu? Może ten pomysł nawet już w czyjejś głowie jest… Czas pokaże!

 

Autor: Paweł Karpiński