Góry i siła grawitacji pomogą w długoterminowym magazynowaniu energii10.12.2019

Grupa europejskich naukowców stworzyła rozwiązanie, które pomoże skuteczniej przechowywać energię w małych sieciach energetycznych. Ich „górskie baterie" mają być niedrogie i przyjazne środowisku. 

Naturalne, odnawiane źródła energii, takie jak słońce czy wiatr mają wiele zalet. Przede wszystkim nie generują zanieczyszczeń i tym samym obniżają emisję CO2. Wadą takich rozwiązań jest jednak brak ciągłości w dostarczaniu przez nie prądu. Trudno włączyć je do sieci energetycznych, które wymagają stałego źródła zasilania. Aby zapewnić im nieprzerwaną moc, trzeba więc magazynować dodatkową energię, która może być przydatna, kiedy zajdzie słońce lub nie będzie wiało. 

Jednym z największych wyzwań związanych z produkowaniem stuprocentowo odnawialnej energii jest więc stanięcie przed perspektywą długotrwałego jej przechowywania. Dziś na rynku dominują przede wszystkim baterie litowo-jonowe, które sprawdzają się raczej w sytuacjach krótkoterminowych. Z biegiem czasu tworzą się w nich kryształy wytrąconych pierwiastków, które uszkadzają te ogniwa. Trudno zatem uznać tę modę za efektywną, a tym bardziej za przyjazną środowisku. Poza tym przechowywanie wystarczającej ilości energii przez miesiące lub lata wymagałoby użycia wielu takich akumulatorów, a to bardzo kosztowna opcja. 

Dlatego do tej pory za magazyny energii służyły najczęściej elektrownie szczytowo-pompowe. Ich działanie polega na wykorzystywaniu różnicy poziomów dwóch zbiorników wypełnionych wodą. Kiedy zapotrzebowanie na prąd jest małe, ciecz jest pompowana do wyżej położonego basenu. Z kolei kiedy potrzeba na prąd rośnie, woda spływa w dół napędzając turbiny, co skutkuje uwalnianiem dużej ilości energii. Pierwszym takim rozwiązaniem mogła poszczycić się japońska elektrownia znajdująca się na wyspie Okinawa.

Powyższe rozwiązanie hydroelektryczne postanowiła ulepszyć grupa europejskich naukowców. Inżynierowie dowodzeni przez doktora Juliana Davida Hunta z International Institute for Applied Systems Analysis w Austrii zrezygnowali z użycia wody w całym procesie. Swoje odkrycie opublikowali w magazynie „Energy”. System nazwano Mountain Gravity Energy Storage (MGES), ponieważ w znacznej mierze opiera się on na sile grawitacyjnej, którą można otrzymać wykorzystując różnicę poziomów górskich wzniesień.

– Zamiast tworzenia zapory proponujemy zbudowanie sporego zbiornika do przechowywania żwiru lub piasku – wyjaśnia Hunt w rozmowie z magazynem naukowym „IEEE”.

Kluczem do powodzenia całej operacji jest znalezienie dwóch miejsc, które będą miały odpowiednią różnicę w wysokości, najlepiej około 1000 metrów. Im większa różnica, tym tańsza okaże się technologia. Zasada działania MGES opiera się na transportowaniu  wagoników z piaskiem lub żwirem w górę i w dół. Ważne jest, aby w miejscu, gdzie stanie system, było możliwe wydobywanie tego konkretnego materiału, który nada odpowiedni ciężar mechanizmowi. Gdy zaistnieje potrzeba uwolnienia dużej ilości energii, wagoniki poszybują bezwolnie w dół, zasilając ruch turbin. W ten sposób energia grawitacyjna zostanie przekształcona w energię elektryczną. A ta zostanie w razie potrzeby i w zrównoważony sposób wykorzystana do wciągnięcia wagoników z powrotem na wyższe wzniesienie.

Jak tłumaczy Julian David Hunt, działanie systemu jest bardzo elastyczne. Łatwo można zmieniać prędkość poruszania się wagoników z piaskiem, zwiększyć ich liczbę lub załadunek, aby odpowiedzieć na zmienne zapotrzebowanie energetyczne. Koszt magazynowania energii za pośrednictwem tej metody będzie się wahał między 50 a 100 dolarów za megawatogodzinę – korzystanie z baterii litowo-jonowych kosztuje przynajmniej 10-krotnie więcej. Mniejszy jest także wpływ metody na środowisko, nawet w porównaniu z wykorzystaniem energii wodnej. Piasek czy żwir są także tańsze od wody i, ponieważ nie parują, można ich używać praktycznie w nieskończoność. 

Rozwiązanie jest adresowane w szczególności do mieszkańców mniejszych wysp, gdzie koszt uzyskania energii jest wysoki, a zapotrzebowanie na nią, z uwagi na sezony turystyczne, zmienne. MGES jest w stanie zapewnić funkcjonowanie mikrosieci o wartości 20 megawatów. To wystarczająco, by zasilić 7000 tysięcy domów jednorodzinnych.

Zespół Hunta nie jest jednak pierwszym, który zaproponował podobny system oparty na sile grawitacyjnej i energii kinetycznej. Szwajcarski startup Energy Vault stworzył rodzaj „powerbanku”, który korzysta z ruchu wznoszenia i opadania ceglanych bloków. Energia magazynowana jest poprzez budowanie innowacyjnej wieży – jej nadmiar wykorzystywany jest przez 6-ramienny dźwig do unoszenia ważących po 35 ton betonowych bloków. Kiedy zapotrzebowanie na energię rośnie, bloki opuszczane są grawitacyjnie i tworzy się energia kinetyczna, która zamieniana w energie elektryczną trafia do sieci. Działanie tej metody można obejrzeć TU.