Spis treści
W systemach elektroenergetycznych od lat używa się wielkich i wydajnych magazynów energii. To ESP – elektrownie szczytowo-pompowe, zdolne dostarczać lub odbierać moc setek MW, i na dokładkę posiadające wysoką sprawność. Zasadniczą wadą ESP jest to, że nie da się jej zbudować gdziekolwiek. Liczba odpowiednich lokalizacji jest ograniczona, a ingerencja w środowisko znaczna. W najpopularniejszej wersji budowa ESP wymaga zniszczenia pod zbiornik całej góry, czy sporego pagórka.
Kolejną popularną uliczką są różnego rodzaju elektrochemiczne akumulatory energii elektrycznej, potocznie zwane bateriami. Mają bardzo wysoką sprawność i – co jest bardzo ważną cechą – dużą szybkość reakcji. Typowe pracujące w sieci magazyny oparte na ogniwach litowo-jonowych mają moc do 100 MW i pojemność do 400 MWh.
Operatorzy chętnie je wykorzystują, ale nie do gromadzenia nadmiaru energii, tylko stabilizowania pracy sieci, coraz bardziej nasyconych zmiennymi OZE i regulowania częstotliwości. Magazyn taki pracuje zazwyczaj bardzo krótko i to w obu kierunkach. Choć w razie konieczności może dostarczyć sporej mocy przez kilka godzin, wspomagając system w sytuacji awaryjnej.
Magazyny tego typu są jednak stosunkowo drogie, poza tym użyte do ich budowy związki chemiczne, zazwyczaj są kłopotliwe w późniejszym recyklingu. Dotyczy to zwłaszcza popularnego litu. Łatwo dostępne zasoby tego pierwiastka, podobnie jak i szeregu innych, stosowanych w akumulatorach, są ograniczone.
Pozostając przy elektrochemii, pomysłem są np. baterie redox-flow, potencjalnie dużej mocy i teoretycznie olbrzymiej pojemności, ograniczonej tylko ilością elektrolitów. Urządzenia te jednak ciągle nie trafiły na rynek.
Ciepło to przecież energia
Pojawia się wreszcie cały obszar rozwiązań, wykorzystujących najprostsze reguły termodynamiki. Jeżeli nad jakimś układem wykonamy pracę, to dostarczymy mu energii, którą układ ten zmagazynuje na przykład w postaci ciepła. Proces ten jest częściowo odwracalny, energię tą możemy odzyskać i przekształcić. I to właśnie jest najprostszy opis baterii Carnota. W praktyce rozwiązań jest kilka, i choć technicznie mogą się znacznie różnić, to korzystają z tych samych uniwersalnych praw termodynamiki.
Prototyp najmniej skomplikowanej baterii skonstruowała firma Siemens Gamesa Renewable Energy w porcie w Hamburgu. W izolowanym termicznie pomieszczeniu znajduje się 100 ton wulkanicznej skały. Grzałki o mocy 5 MW są w stanie, za pośrednictwem powietrza, nagrzać ją do 600 stopni Celsjusza, gromadząc 120 MWh energii w formie ciepła. Ciepło to, w razie potrzeby, ogrzewa wytwornicę pary, a para napędza 1,2 MW generator.
W ten sposób można odzyskać ok. 35 MWh w formie energii elektrycznej. Sprawność całego procesu w magazynie wynosi więc ok. 30%. Ograniczenia wynikające z II zasady termodynamiki sprawiają, że nie może być ona znacznie większa, maksymalne sprawności w tego typu rozwiązaniach mogą być rzędu 40%. Jest jednak metoda, by zwiększyć je nawet dwukrotnie.
Pompa ciepła i jej wariacje
Do tego potrzebny będzie napędzany energią elektryczną agregat, powszechnie znany jako pompa ciepła. Jest on w stanie z bardzo wysoką sprawnością podnosić temperaturę odpowiedniego czynnika roboczego dzięki szeregowi procesów termodynamicznych. W uproszczeniu pompa ciepła to przenicowana lodówka. Zamiast odbierać ciepło z wnętrza izolowanego pomieszczenia i rozpraszać je na zewnątrz, pompa zbiera to rozproszone ciepło i „pompuje” je do wnętrza.
Dysponując idealną pompą ciepła do podnoszenia temperatury, oraz odwrotnym do niej silnikiem Carnota, czerpiącym energię z jej spadku, mamy baterię Carnota o sprawności 100%, i to bez względu na temperatury magazynowania ciepła i chłodu. W praktyce jest szereg projektów, wskazujących, że bez większych problemów można przekroczyć 50%, a nawet sięgnąć w okolice 70%.
Zauważmy, że pojemność takiej baterii zależy wyłącznie od ilości używanego czynnika magazynującego ciepło (lub chłód). Może być go bardzo dużo, wtedy i cała bateria będzie miała odpowiednio dużą pojemność. Nic nie stoi na przeszkodzie, by taki magazyn mógł gromadzić ilości energii rzędu GWh. I co ważne, wychodzi na to, że będzie to dużo tańsze niż przechowywanie energii elektrycznej w elektrochemicznych akumulatorach.
Sól energetyki
Jednym z pierwszych pomysłów na tego typu magazyn energii było przerobienie kopalni węgla na wielki zbiornik odpowiedniej stopionej soli. Pompa ciepła miałaby ładować go energią, podnosząc temperaturę solnego nośnika. Odwrotna produkcja energii następowałaby klasycznie – poprzez turbinę parową, zasilaną z wytwornicy, ogrzewanej stopioną solą. Problemem okazał się brak technologii pomp ciepła, mogących wytworzyć odpowiednio wysoką temperaturę, rzędu kilkuset stopni Celsjusza. To warunek niezbędny do utrzymywania soli w stanie ciekłym.
Taki projekt rozwija w USA firma Malta Inc., która podpisała list intencyjny z jednym z największych amerykańskich operatorów elektrowni- Duke Energy. Obie firmy mają opracować studium wykonalności magazynu o mocy 100 MW w jednym z zamykanych bloków węglowych. Projekt dostał grant amerykańskiego Departamentu Energii.
Innym pomysłem jest magazynowanie energii w postaci skroplonego powietrza. Rozwiązanie to opatentowała brytyjska firma HighView, która zaczęła już budowę wielkoskalowych instalacji. Zasada działania jest prosta – powietrze skraplają elektryczne agregaty, a w wyższej temperaturze skroplony gaz gwałtownie odparowuje, a jego ciśnienie wykorzystuje się do napędu turbiny.
HighView twierdzi, że możliwe jest uzyskanie sprawności na poziomie 70%, pod warunkiem dostępności ciepła odpadowego – do ogrzania skroplonego powietrza. Z uwagi na wysoką gęstość magazynowania energii, rozwiązanie jest stosunkowo kompaktowe.
Taki projekt rozwija w USA firma Malta Inc.
Jeszcze bardziej zaawansowana technologicznie jest bateria Lauglina-Braytona. Co do zasady działa tak samo jak bateria Carnota, ale urządzenie do pompowania i odzysku energii używa się tego samego agregatu. W jednym kierunku spręża on gaz, który rozgrzewa się i przekazuje energię czynnikowi magazynującemu. W cyklu odzysku ogrzany w magazynie gaz napędza ten sam agregat, generując energię elektryczną. Jeden z takich projektów dofinansowuje ARPA-E czyli amerykańska agencja do finansowania często na pierwszy rzut oka szalonych pomysłów w obszarze energii.
Czy polski patent się przebije
Droga do znacznego zwiększenia możliwości magazynowania energii w opisany sposób wymaga jeszcze dopracowania technologii. Jednak ci, którzy tego dokonają, mogą liczyć na premię za pierwszeństwo. Bo trudno sobie wyobrazić taką zmianę obecnych trendów, przy której magazynowanie energii przestanie być priorytetem.
W Polsce bateriami Carnota zajmuje się Instytut Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego PAN (IMP PAN). Zakład turbin IMP PAN analizuje nowatorską architekturę baterii Carnota, którą opracowała jedna z polskich firm. Magazyn, który jest chroniony zgłoszeniem patentowym do Urzędu Patentowego RP, będzie w stanie magazynować energię elektryczną w gorącej i chłodnej wodzie ze sprawnością przekraczającą nawet 60%.
Polski wynalazek bazuje na podkrytycznym obiegu pary czynnika organicznego. Innymi słowy, układ pracując w cyklu ładowania przypomina tradycyjną sprężarkową pompę ciepła. W cyklu rozładowania, urządzenie pracuje jako tzw. organiczny obieg Rankine’a (ORC – Organic Rankine Cycle).
Będący zwieńczeniem ponad 15 lat pracy badawczej magazyn energii charakteryzuje się szeregiem zalet w stosunku do wariantów baterii Carnota opisanych dotychczas. Po pierwsze, maksymalne ciśnienie pracy czynnika roboczego w układzie nie przekracza kilkunastu barów. Ponadto, maksymalna temperatura występująca w instalacji to ok. 100 ᵒC. Cechy te sprawiają, że większość podzespołów do budowy takiego magazynu, takich jak płytowe wymienniki ciepła oraz izolowane zbiorniki z wodą, można bez większych problemów znaleźć na rynku.
Tego typu baterię można praktycznie bez ograniczeń skalować w górę już od ok. 100 kW i 1 MWh, a co najważniejsze, można ją wybudować właściwie wszędzie, w przeciwieństwie do elektrowni szczytowo-pompowych. Wynalazek pozwoli na magazynowanie dużych ilości energii na kilka lub nawet kilkadziesiąt godzin.
Instytut Maszyn Przepływowych PAN ma w planach budowę demonstratora tej technologii, który, jeśli osiągnie zakładane parametry, może stać się długo wyczekiwanym przełomem w dziedzinie magazynowania energii.
