Grawitacyjne magazyny energii - co warto o nich wiedzieć?

Grawitacyjny magazyn energii - co to jest i jak działa?

Ogólnoświatowe dążenia do racjonalnego gospodarowania zasobami naturalnymi i pozyskiwania energii z odnawialnych źródeł spotykają się niekiedy z wątpliwościami ekspertów obawiających się narastania problemu składowania zużytych komponentów systemów wykorzystujących OZE. Okazuje się, że grawitacyjne magazyny energii nie tylko są w stanie zwielokrotnić wolumen energii pozyskiwanej z odnawialnych źródeł, ale także rozwiązać problem recyklingu części używanych w tym procesie. W jaki sposób? Wiele rodzajów grawitacyjnych magazynów energii nie potrzebuje do efektywnego działania specjalistycznych materiałów służących do ich wykonania, a niektóre z elementów instalacji mogą z powodzeniem wykorzystywać zużyte łopaty wiatraków, pozostałości spalania węgla, a także inne materiały odpadowe. Ciekawe? Czym zatem jest grawitacyjny magazyn energii?

Obecnie istnieje co najmniej kilka technologii konstrukcji w zakresie grawitacyjnych magazynów energii, dlatego ciężko w tym miejscu w kilku zdaniach opisać jak działa tego typu akumulator. Tym niemniej warto wskazać, że w ogólnym ujęciu grawitacyjny magazyn energii kumuluje energię potencjalną w momencie unoszenia obciążenia i uwalnia ją w postaci energii kinetycznej podczas opuszczania ciężaru. Energia kinetyczna zasila generatory, które oddają energię do sieci w przypadku powstania na nią zapotrzebowania. Proces magazynowania energii rozpoczyna się w momencie, w którym do sieci zaczynają wpływać nadwyżki energii elektrycznej. Zdecydowanie lepszym sposobem na omówienie zasad działania grawitacyjnych magazynów energii będzie przedstawienie po krótce najciekawszych obecnie technologii i projektów w tym obszarze.

Rodzaje grawitacyjnych magazynów energii - jakie różnice?

Coraz więcej firm technologicznych, czy startupów inwestuje czas i środki w opracowywanie kolejnych rozwiązań w zakresie grawitacyjnego magazynowania energii. Dzięki temu już teraz można wyróżnić kilka rodzajów tych systemów, które w efektywny i niezwykle ekonomiczny sposób przechowują i w razie potrzeby oddają zgromadzona energię elektryczną. Magazyny te różnią się między sobą konstrukcją i materiałami, na których opiera się ich działanie, jednak zasada funkcjonowania tych urządzeń pozostaje bardzo podobna. Jakie zatem rodzaje grawitacyjnych magazynów energii w odniesieniu do zastosowanej technologii można obecnie wyróżnić?

Magazyny MGES (ang. Mountain Gravity Energy Storage)

Czy naturalne ukształtowanie terenu polegające na różnicy poziomów górskich wzniesień może znaleźć wykorzystanie w systemie magazynowania energii? Jak udowodnili austriaccy inżynierowie - jak najbardziej. Opatentowali oni technologię o nazwie Mountain Gravity Energy Storage. Mechanizm działania magazynu energii opierającego się o tę technologię polega na wykorzystywaniu siły grawitacji i różnicy poziomów wzniesień, najlepiej o wartości około 1000 metrów. Zasada funkcjonowania magazynu MGES jest podobna do tej, która obowiązuje w przypadku elektrowni szczytowo-pompowych wykorzystujących zbiorniki wodne zainstalowane na różnych poziomach. W deficycie energetycznym woda z wyżej położonego zbiornika spływa do tego położonego niżej napędzając po drodze turbiny i generując duży wolumen prądu.

Doktor Julian David Hunt z International Institute of Applied Systems Analysis (IIASA) w Austrii w rozmowie z magazynem naukowym “IEEE” tłumaczył, że w przypadku magazynów energii typu MGES zaproponowano, aby zamiast zapory wodnej wykorzystać duży zbiornik wypełniony żwirem lub piaskiem, z którego surowce te będą transportowane za pomocą niewielkich wagoników w górę i w dół. Warunkiem powodzenia takiej inwestycji jest odpowiednia różnica poziomów górskich wzniesień. Im większa różnica, tym tańsze okaże się wykorzystanie tej technologii. W momencie powstania zapotrzebowania na prąd, wagoniki wypełnione żwirem lub piaskiem zostaną opuszczone w dół zasilając tym samym turbiny. Energia grawitacyjna przekształci się w generatorach w energię elektryczną, której nadwyżki będą następnie wykorzystane do ponownego wciągnięcia wagoników na wyższy poziom.

Grawitacyjny magazyn energii typu MGES; Opracowanie: enerad.pl na podstawie IIASA

Grawitacyjne magazyny energii typu Mountain Gravity Energy Storage to technologia wielokrotnie tańsza niż baterie litowo-jonowe. Doktor Julian David Hunt wskazuje, że koszt wyprodukowania megawatogodziny w tym systemie będzie oscylował w granicach 50 do 100 dolarów, a jego działanie można elastycznie skalować kontrolując prędkość wagoników, ich liczbę i ciężar. Dodatkowo magazyny MGES wykazują zdecydowanie mniejszy wpływ na środowisko naturalne, także w porównaniu z systemami wykorzystującymi wodę. Piasek i żwir to surowce tanie i pozostające przez cały czas w takiej samej wadze i objętości (woda sukcesywnie paruje i trzeba ją uzupełniać). Oczywistym problemem w wykorzystywaniu magazynów typu MGES na większą skalę są trudności w znalezieniu odpowiedniej lokalizacji i ukształtowania terenu. Tym niemniej przy zapewnieniu pożądanych warunków, technologia ta okazuje się niezwykle korzystnym rozwiązaniem.

[info]Grawitacyjne magazyny energii typu MGES to system, który świetnie sprawdzi się w magazynowaniu energii w przypadku średniej wielkości miejscowości, czy na przykład małej wyspy. Szacunki wskazują, że jeden magazyn jest w stanie zapewnić sprawne funkcjonowanie mikrosieci o wielkości 20 MW, co przekłada się na około 7000 gospodarstw domowych. Sprawność systemu w realnym wymiarze należy szacować na przedział od 60 do 85 procent.[end]

Magazyny ARES (ang. Advances Rail Energy Storage)

Technologie magazynowania energii z wykorzystaniem siły grawitacji zazwyczaj wykazują punkty wspólne w konstrukcji systemów. Tak jest w przypadku grawitacyjnych magazynów energii Advances Rail Energy Storage (w skrócie ARES) zaprojektowanych przez firmę o tej samej nazwie. W tej technologii również wykorzystuje się wagoniki kolejowe, jednak poruszają się one nie po zawieszonych nad zboczem wzniesienia linach, ale po specjalnie pochylonym torze kolejowym. Dodatkowo wagoniki te nie są obciążone piaskiem lub żwirem, ale ciężkim blokiem betonowym o wadze nawet kilku ton. Konstrukcja to autorski projekt firmy Ares.

Warto w tym miejscu wspomnieć, że konstruktorom udało się przeprowadzić pilotażowe testy opisywanej technologii magazynowania energii. Odbyło się to w kalifornijskim mieście Techahapi. Inżynierowie skonstruowali jeden tor położony na specjalnie przygotowanym terenie o optymalnym nachyleniu oscylującym w granicach 7,2 stopnia. Na szynach postawiono zaś wagon, a właściwie zestaw ważący 6 ton. Testy pozwoliły na oszacowanie sprawności systemu magazynowania ARES do aż 90 procent, co jest doskonałym wynikiem w przypadku tego typu technologii. W trakcie realizacji znajduje się kolejna inwestycja amerykańskiej firmy, która zlokalizowana jest w stanie Nevada w miejscowości Pahrump. Zainstalowany tam magazyn energii będzie miał pojemność 12,5 MWh oraz moc 50 MW. Na terenie kopalni żwiru zaprojektowano system składający się z floty 210 zestawów wagonów o łącznej masie 75.000 ton. Będą one poruszały się po konstrukcji 10 torów wieloszynowych.

Magazyny GPM - (ang. Gravity Power Modul)

Wykorzystanie siły wody w wytwarzaniu energii stosowane jest od lat. Firma Gravity Power również postawiła na właściwości tego surowca tworząc system o nazwie Gravity Power Modul, w skrócie GPM. Technologia oparta jest o działanie potężnego tłoka umieszczonego i przemieszczającego się w cylindrze zainstalowanym pod ziemią i wypełnionym wodą. System jest dodatkowo zabezpieczony specjalnymi uszczelkami ślizgowymi, których zadaniem jest przede wszystkim zapobieganie wydostawaniu się wody poza cylinder. Co ważne, magazyn typu GPM to tak naprawdę zamknięty system, z którego woda nie ma ujścia, ale nie można jej także w trakcie pracy magazynu dolewać. Konstruktorzy z Gravity Power oszacowali sprawność swojego opatentowanego projektu na nawet 80 procent.

Schemat działania magazynu Gravity Power Modul; Opracowanie: enerad.pl na podstawie Gravity Power

W jaki jednak sposób działa grawitacyjny magazyn energii GPM? W momencie powstania zapotrzebowania na dostarczenie energii tłok zawieszony w cylindrze opada wtłaczając wodę do rury powrotnej, co pozwala jej napędzać generator i wytworzyć energię elektryczną. Jest to tryb rozładowywania akumulatora. W trybie ładowania zaś wtłaczana przez pompę woda przepływa przez rurę powrotną aż do cylindra, co pozwala utrzymać tłok w górnej pozycji. Jak widać, mechanizm działania magazynu opatentowanego przez firmę Gravity Power nie jest szczególnie skomplikowany, a dodatkowo nie wymaga specjalnego ukształtowania terenu. Dodając jego stosunkowo wysoką skuteczność, jego zastosowanie w wielu przypadkach może się okazać korzystne dla inwestorów.

Magazyny EV1 i EVx od Energy Vault

Jedną z najbardziej znanych obecnie inicjatyw w kategorii grawitacyjnych magazynów energii jest technologia opracowana i z powodzeniem wdrażana od lipca 2020 roku przez szwajcarską firmę Energy Vault. Grawitacyjny magazyn energii o nazwie EV1 składa się z wysokiego słupa pełniącego role dźwigu oraz podwieszonych pod nim betonowych bloków, których waga wynosi setki ton (masa każdego z nich to około 35 ton). Magazynowanie energii w tym systemie odbywa się poprzez układanie wspomnianych bloków w konfiguracji jeden na drugim. Wykorzystywane są w tym celu specjalne wyciągarki. Utrzymywanie bloków w górze konstrukcji pozwala jej gromadzić energię potencjalną. W momencie wystąpienia zapotrzebowania na energię elektryczną betonowe bloki są grawitacyjnie opuszczane napędzając w ten sposób generatory prądu.

Demonstracyjny grawitacyjny magazyn energii Energy Vault; Źródło: Energy Vault

Jak przekonują konstruktorzy z firmy Energy Vault stworzony przez nich system magazynowania energii jest w stanie zaoferować stałe zasilanie na poziomie 8 MW przez 16 godzin, co odpowiada zapotrzebowaniu 8000 gospodarstw domowych. Oczywiście im więcej betonowych bloków zostanie zgromadzonych w ramach magazynu, tym większą będzie miał on pojemność. Moc chwilowa, a także wolumen oddawanej energii uzależnione są natomiast od wagi i prędkości, z jaką następuje grawitacyjne opuszczenie bloków. W Szwajcarii funkcjonuje magazyn demonstracyjny oferujący pojemność około 35 MWh. Już niedługo natomiast firma Energy Vault planuje wykorzystanie na szerszą skalę swojego nowego projektu o nazwie EVx, którego konstrukcja będzie modułowa, a pojemność ma sięgać wielu GWh.

Niewątpliwymi zaletami rozwiązań proponowanych przez szwajcarskiego konstruktora są ukierunkowanie na zminimalizowanie negatywnego wpływu technologii magazynowania na środowisko i wdrożenie wykorzystania w trakcie produkcji materiałów pochodzących z recyklingu. Dość wspomnieć, że niektóre elementy konstrukcyjne mają zawierać włókno szklane pozyskane ze zużytych łopat wiatraków pracujących na farmach wiatrowych. Dodatkowo przy produkcji betonowych bloków zakłada się wykorzystywanie odpadów kopalnych, czy pozostałości powstałych po spalaniu węgla. Wśród wad systemu magazynowania energii od Energy Vault wymienia się między innymi ingerencję w krajobraz, a także podatność wiszących bloków betonowych na podmuchy wiatru. W odpowiedzi na te aspekty firma planuje instalację kolejnych konstrukcji pod ziemią.

Magazyny Gravitricity

Potencjał przestrzeni znajdujących się poniżej linii gruntu wykorzystuje także w swoich projektach pochodzący z Edynburga startup Gravitricity. Konkretnie chodzi tu o zaangażowanie starych szybów kopalnianych, do których będą opuszczane ciężary o wadze około 25 ton każdy. W 2021 roku z sukcesem uruchomiono demonstracyjny magazyn o mocy 250 kW. Mechanizm jego działania jest bardzo prosty i polega na utrzymywaniu obciążenia w górze w fazie ładowania i grawitacyjnym opuszczaniu go do szybu kopalnianego w fazie rozładowania. Plany firmy Gravitricity obejmują seryjną produkcję pełnowymiarowych systemów o mocy od 4 do 8 MW. W tym celu konstruktorzy poszukują opuszczonych szybów w kopalniach w kilku europejskich lokalizacjach i prowadzą rozmowy z ich właścicielami. Pod uwagę brane są także polskie kopalnie. Charlie Blair, dyrektor zarządzający firmy Gravitricity mówi:

Po zbudowaniu nasz system może działać przez ponad 25 lat, bez utraty wydajności lub degradacji w czasie. To sprawia, że ​​magazynowanie grawitacyjne jest opłacalne. W przeciwieństwie do akumulatorów nie polegamy na rzadkich metalach, takich jak kobalt i nikiel, których coraz bardziej brakuje w globalnym dążeniu do elektryfikacji.

Elektrownie szczytowo-pompowe

Omawiając przykłady wykorzystania siły grawitacji w magazynowaniu energii nie sposób nie wspomnieć, że obecnie ponad 95 procent tego typu akumulatorów na świecie to po prostu elektrownie szczytowo-pompowe, których mechanizm działania został opisany przy okazji omawiania magazynu typu MGES. Ich łączna moc wynosi obecnie ponad 184 GW (2022 rok), a sprawność systemu opierającego się na grawitacyjnym zrzucie wody z wyżej położonego zbiornika do tego znajdującego się poniżej wynosi około 80 procent przy uwzględnieniu zjawiska parowania wody. Warto w tym miejscu wspomnieć o największej polskiej elektrowni szczytowo-pompowej znajdującej się w Żarnowcu. Może się ona “pochwalić” pojemnością na poziomie 3,6 GWh oraz mocą wynoszącą 716 MW. Pierwszą elektrownią szczytowo-pompową była natomiast ta znajdująca się na wyspie Okinawa.

Elektrownia szczytowo-pompowa w Żarnowcu; Źródło: pgeeo.pl

Przykłady zastosowania grawitacyjnych magazynów energii

Pomimo tego, że wiele systemów grawitacyjnego magazynowania energii znajduje się nadal w fazie testów, to warto przytoczyć najważniejsze projekty funkcjonujące obecnie na świecie, gdyż w niedalekiej przyszłości mają one szansę rozwinąć się w seryjnie produkowane instalacje. Wśród takich inicjatyw oprócz wymienionych wcześniej w artykule można wskazać między innymi takie przedsięwzięcia, jak:

• współpraca magazynów energii od Energy Vault z firmą DG Fuels produkującą odnawialny wodór oraz biogeniczne, syntetyczne paliwo lotnicze SAF i olej napędowy;
• australijska spółka Sun Metals również wdraża technologię zaproponowaną przez Energy Vault. Sun Metals to rafineria, która aspiruje do bycia pierwszą na świecie produkującą zielony cynk przy wykorzystaniu jedynie energii pochodzącej z OZE;
• demonstracyjny magazyn energii Gravitricity zainstalowany w porcie Leigh w Edynburgu. Komercyjne magazyny będą instalowane pod ziemią.

Grawitacyjne magazyny energii - zalety i wady

Dalszy rozwój technologii grawitacyjnych magazynów energii uzależniony jest między innymi od sukcesywnego dopracowywania ich zalet i przewagi nad innymi systemami przechowywania energii oraz szukania rozwiązań dla istniejących obecnie wad i ograniczeń. Wśród zalet grawitacyjnych magazynów energii trzeba z pewnością wymienić takie aspekty, jak:

• możliwość długotrwałego przechowywania energii w przeciwieństwie do innych technologii;
• wielokrotnie tańsze rozwiązanie w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi;
• znikomy wpływ na środowisko naturalne;
• wykorzystywanie surowców pochodzących z recyklingu oraz odpadów;
• bardzo duże pojemności umożliwiające przechowywanie energii i zasilanie w nią wielu gospodarstw i przedsiębiorstw;
• elastyczność systemów pozwalająca na kontrolowanie ich wydajności;
• łatwość rozbudowywania konstrukcji w przypadku wzrostu energetycznego zapotrzebowania;
• wsparcie dla zwiększenia udziału OZE w światowej gospodarce energetycznej.

Do największych wad grawitacyjnych magazynów energii zalicza się natomiast:

• niższą w porównaniu z akumulatorami chemicznymi sprawność przechowywania energii;
• konieczność instalacji w miejscach o odpowiednim ukształtowaniu terenu lub brak ogólnej dostępności lokalizacji (kopalnie);
• ograniczenia związane z wpływem czynników atmosferycznych na wydajne funkcjonowanie systemu.

Czy grawitacyjne magazyny energii to przyszłość dla sektora OZE?

Jednym z najpoważniejszych ograniczeń w sektorze magazynowania energii elektrycznej jest krótkoterminowość większości proponowanych w tym obszarze rozwiązań. Doskonałą odpowiedzią na ten problem może być popularyzacja technologii grawitacyjnego magazynowania energii, która już teraz ma miejsce za sprawą choćby elektrowni szczytowo-pompowych. Biorąc pod uwagę ekologiczne aspekty funkcjonowania i samej konstrukcji grawitacyjnych akumulatorów, nie sposób doszukać się technologii, która byłaby bardziej spójna z dążeniem do zwiększania udziału odnawialnych źródeł energii w światowej gospodarce. Zalety systemów grawitacyjnych zdecydowanie przewyższają ich potencjalne wady, co dodatkowo wskazuje, że rozwój i rozpowszechnienie tej technologii w kontekście OZE to jedyny słuszny kierunek.