Grawitacyjny magazyn energii – jak działa i czy to przyszłość magazynowania prądu?
W miarę jak świat boryka się z coraz poważniejszym kryzysem środowiskowym, zapotrzebowanie na Odnawialne Źródła Energii drastycznie wzrasta. Energia wiatrów i pływów morskich jest silnie ograniczona terytorialnie. Z kolei energia słoneczna wydaje się powszechnie dostępna i niewyczerpana, ale jej efektywność cierpi z powodu cykliczności dzień-noc. Jednym z nowoczesnych osiągnięć są grawitacyjne magazyny energii. Jak działa takie rozwiązanie?
Grawitacyjny magazyn energii – co to jest i jak działa?
Wykorzystanie energii grawitacyjnej jako źródła energii polega na zaprzęgnięciu do pracy dużych i masywnych obciążników, które są wznoszone do góry w okresie nadprodukcji energii słonecznej. Kiedy tej zaczyna brakować, obciążniki są zwalniane i – spadając – generują energię kinetyczną, która następnie jest zamieniana na prąd. Te obciążniki zazwyczaj wykonuje się pod postacią betonowych bloków, kanistrów z wodą lub skompresowanych brył ziemi, ale nie tylko. Grawitacyjne magazyny energii opracowano już w kilku różnych wariantach.
Oczywiście, aby grawitacyjny magazyn energii mógł zgromadzić, a następnie oddać prąd, najpierw musi go otrzymać. Dlatego tego typu instalacje z reguły łączy się ze źródłami energii odnawialnej, jak farmy fotowoltaiczne, elektrownie wiatrowe lub wodne. W ten sposób możliwe jest uzyskanie czystej, zielonej energii do zasilania wielkoskalowych przedsięwzięć gospodarczych.
Rodzaje grawitacyjnych magazynów energii
Wyróżnia się różne rodzaje grawitacyjnych magazynów energii. Każdy z nich działa na nieco innej zasadzie, choć oczywiści efektem działania infrastruktury zawsze będzie przechowywanie wytworzonego prądu elektrycznego.
Elektrownie szczytowo-pompowe
Elektrownia szczytowo-pompowa wpompowuje wodę ze zbiornika dolnego do zbiornika górnego w okresie nadprodukcji prądu. Następnie, w okresie szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną, woda jest zrzucana na łopaty turbiny, wytwarzając zasilanie. Jej zasadniczą zaletą jest możliwość szybkiego rozruchu. Osiąga pełną sprawność w zaledwie 3-4 minuty. Szacuje się, że światowe zasoby energii w elektrowniach szczytowo-pompowych wynoszą ponad 180 GW. Wadą tego rozwiązania jest możliwość budowy elektrowni szczytowo-pompowych wyłącznie tam, gdzie istnieją zbiorniki wodne o odpowiednich parametrach. Sprawność elektrowni szczytowo-pompowych wynosi około 80%.
Magazyny MGES
Formą magazynowania energii jest też Mountain Gravitional Energy Storage. Tę technologię stosuje się wyłącznie na obszarach o znacznym nachyleniu. Polega ona na wybudowaniu dwóch dźwigów – w dolnej i górnej części wzniesienia, których zadaniem jest obsługa wagoników wciągających na górę piasek lub żwir. Podczas ruchu w górę energia elektryczna jest generowana. Kiedy zaczyna brakować prądu, wagoniki są opuszczane, napędzając turbinę prądotwórczą.
Im większe jest nachylenie stoku, tym tańsza będzie produkcja prądu. W literaturze wskazuje się więc, że zalecanymi lokalizacjami dla MGES są np. obszary Andów, Himalajów lub Alp. Zasadniczo jednak ten rodzaj infrastruktury najlepiej sprawdza się w odizolowanych obszarach, gdzie nie ma możliwość zaprojektowania innej infrastruktury, jak Hawaje. Z reguły sprawność magazynów MGES jest niższa, niż w przypadku elektrowni szczytowo-pompowych i rzadko przekracza 60-70%.
Magazyny ARES
Jeszcze inną technologią magazynującą energię elektryczną są magazyny ARES (ang. Advances Rail Energy Storage) opracowane przez firmę o tej samej nazwie1. W tym przypadku wykorzystuje się specjalnie zaprojektowane, ważące kilka ton wózki, które za pomocą potężnej wciągarki są wprowadzane po szynach, kiedy prądu powstaje zbyt dużo. W okresie niedoboru energii pojazdy szynowe są zwalniane, napędzając generatory energii. Takie rozwiązanie idealnie nadaje się jako pomocnicze źródło energii dla procesów przemysłowych, pozwalając zachować odpowiednie parametry energii elektrycznej, jak napięcie i częstotliwość.
Jak twierdzi producent, jego technologia jest odporna na eksplozję i zapłon, łatwa do wdrożenia, a jej żywotność z zachowaniem maksimum wydajności szacuje się na około 40 lat.
Magazyn energii Gravitricity
Jeszcze inną technologią grawitacyjnego magazynowania energii jest Gravitricity2, czyli technologia wykorzystująca istniejące zużyte szyby kopalniane. To w nich na specjalnych wciągarkach umieszcza się wspomniane już masywne bloki, które – w zależności od dostępu energii elektrycznej w systemie – opadają się lub wznoszą. W tym przypadku żywotność infrastruktury szacuje się na ponad 50 lat. Dużą zaletą tego systemu jest możliwość uzyskania dostępu do pełnego potencjału energii w krócej, niż sekundę.
Koszty wdrożenia Gravitricity w model przemysłowy są niższe, niż w przypadku klasycznych baterii litowo-jonowych. Jednocześnie system nie generuje żadnych kosztów przestojowych.
Oczywiście nie są to jedyne sposoby wytwarzania energii elektrycznej dzięki sile grawitacji. Wśród innych technologii warto wymienić rusztowania z powieszonymi na nich betonowymi blokami Energy Vault, czy Gravity Power Module, który wykorzystuje siłę wody tłoczonej w specjalnym cylindrze. Liczba dostępnych rozwiązań jest na tyle duża, że można spodziewać się dalszego rozwoju sposobów na magazynowanie energii w tym kierunku.
Czy grawitacyjny magazyn energii sprawdzi się w domu?
Ze względu na możliwość przeniesienia całej infrastruktury, a także jej skalowalność grawitacyjny magazyn energii wyróżnia się dużą elastycznością. Niestety – przynajmniej na razie – nie jest to technologia dla gospodarstw domowych. Ograniczenia wynikają z faktu, że magazynu grawitacyjne to dosyć duże i kosztowne konstrukcje, dlatego na ich stawianie decydują się przede wszystkim przedsiębiorcy. Niemniej jednak nie jest wykluczone, że w niedalekiej przyszłości możliwe będzie zabezpieczenie dostaw prądu dla indywidualnych odbiorców na takiej samej zasadzie, jak dzisiaj gwarantują farmy fotowoltaiczne. W dobie ryzyka blackoutu i regularnie pojawiających się awarii sieci elektroenergetycznej byłoby to wręcz pożądane.
Nawet jeśli firma działa na zbyt małą skalę, aby samodzielnie wdrożyć grawitacyjne magazyny energii, z pewnością jest to kierunek, który warto rozważyć, poszukując partnera – dostawcy zielonej energii – do podpisania umowy PPA.
Czy grawitacyjne magazyny energii to przyszłość zrównoważonej energetyki?
Obecnie grawitacyjne metody gromadzenia energii nie są popularne tak, jak klasyczne magazyny do fotowoltaiki. Niemniej jednak rozwijają się one niezwykle dynamicznie i może spodziewać się, że w ciągu najbliższej dekady zaczną wypierać alternatywne rozwiązania techniczne lub też z nimi koegzystować. Obecnie największymi wadami tego typu technologii jest ich wysoki koszt początkowy, a także konieczność wygospodarowania dużej przestrzeni na obsługę infrastruktury. Przynajmniej na razie magazyny energii wydają się bardziej ergonomiczne, choć niekoniecznie wydajniejsze. Grawitacyjne magazyny przyjęły się m.in. w Malezji, gdzie występuje wiele porzuconych szybów górniczych.
Z drugiej strony magazyny grawitacyjne oferują coś, czego nie daje energia słoneczna i wiatrowa – niewyczerpalność i stałość. Grawitacja, czy też ciążenie powszechne jest zjawiskiem fizycznym wszechobecnym na Ziemi, całkowicie niezależnym od pór dnia, pogody, czy uwarunkowań geofizycznych.
