Grawitacyjny magazyn energii - 5 najważniejszych faktów

Co to jest grawitacyjny magazyn energii?

Grawitacyjny magazyn energii to konstrukcja, która przechowuje energię, wykorzystując do tego siłę grawitacji. 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 elektryczną do sieci w przypadku powstania na nią zapotrzebowania.

Brzmi skomplikowanie? Prostymi słowami, w grawitacyjnych magazynach energii nadmiarowa energia najpierw jest używana do podnoszenia ciężkiego obiektu na pewną wysokość. Następnie, kiedy zachodzi potrzeba jej odzyskania, obiekt opuszcza się, co generuje prąd.

Rodzaje grawitacyjnych magazynów energii

Można wyróżnić kilka rodzajów grawitacyjnych magazynów energii. Różnią się między sobą konstrukcją i materiałami, na których opiera się ich działanie, jednak zasada funkcjonowania tych urządzeń pozostaje bardzo podobna

Elektrownie szczytowo-pompowe

Elektrownia szczytowo-pompowa to rodzaj magazynu energii, który wykorzystuje różnicę wysokości wody do generowania prądu. Działa w dwóch trybach: ładowania i generowania energii. W trybie ładowania, gdy zapotrzebowanie na energię jest niskie, elektrownia używa nadmiaru energii elektrycznej do pompowania wody z dolnego zbiornika do górnego. W trybie generowania energii, gdy zapotrzebowanie na prąd wzrasta, wodę z górnego zbiornika spuszcza się z powrotem do dolnego przez turbiny, które wytwarzają energię elektryczną.

Obecnie ponad 95 procent tego typu akumulatorów na świecie to elektrownie szczytowo-pompowe. Ich sprawność oscyluje w granicach 80%.

Magazyny MGES

Magazyn MGES (ang. Mountain Gravity Energy Storage) opiera się 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.

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

W przypadku magazynów energii typu MGES zamiast zapory wodnej można jednak 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 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.

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.

Magazyny ARES

Grawitacyjne magazyny energii Advances Rail Energy Storage (w skrócie ARES) wykorzystują wagoniki kolejowe, które poruszają się po specjalnie pochylonym torze kolejowym. Dodatkowo wagoniki obciąża się piaskiem lub żwirem, ale ciężkim blokiem betonowym o wadze nawet kilku ton. Konstrukcja to autorski projekt firmy Ares.

Testy pozwoliły na oszacowanie sprawności systemu magazynowania ARES do aż 90 procent, co jest doskonałym wynikiem w przypadku tego typu technologii. W badaniu sprawności wykorzystano jeden tor położony na specjalnie przygotowanym terenie o optymalnym nachyleniu oscylującym w granicach 7,2 stopnia. Na szynach postawiono zaś zestaw wagonów ważący 6 ton.

Magazyny GPM

Magazyn Gravity Power Modul, w skrócie GPM to technologia opierająca się o działanie potężnego tłoka umieszczonego i przemieszczającego się w cylindrze zainstalowanym pod ziemią i wypełnionym wodą. System dodatkowo zabezpiecza się specjalnymi uszczelkami ślizgowymi, których zadaniem jest przede wszystkim zapobieganie wydostawaniu się wody poza cylinder.

Jak działa magazyn 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.

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

Konstruktorzy z Gravity Power oszacowali sprawność swojego opatentowanego projektu na nawet 80 procent.

Magazyny Gravitricity

Gravitricity to magazyn energii opracowany przez spółkę o tej samej nazwie, który wykorzystuje stare szyby kopalniane do przechowywania energii za pomocą grawitacji. System polega na podnoszeniu ciężarów o masie około 25 ton na dużą wysokość w fazie ładowania, a następnie ich opuszczaniu w dół szybu, co generuje energię elektryczną. W 2021 roku firma Gravicity z sukcesem uruchomiła demonstracyjny magazyn o mocy 250 kW.

Według twórców magazyn Gravicity może działać bez utraty wydajności nawet przez 25 lat.

Grawitacyjny magazyn energii Energy Vault

Jedną z najbardziej popularnych inicjatyw w kategorii grawitacyjnych magazynów energii jest technologia, którą opracowała szwajcarska firma 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.

Demonstracyjny grawitacyjny magazyn energii Energy Vault; Źródło: Energy Vault

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. 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.

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.

Zalety i wady grawitacyjnych magazynów energii

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.

Grawitacyjne magazyny energii w Polsce

Jeśli chodzi o grawitacyjne magazyny energii, w Polsce (póki co) mamy do czynienia głównie z elektrowniami szczytowo-pompowymi.

Nie wykluczone, że wraz z rozwojem innych technologii magazynowania grawitacyjnego, w Polsce pojawią się nowe rozwiązania. Nasz kraj dysponuje ogromnym potencjałem, m.in. jeśli chodzi o magazyny energii Gravicity. Wykorzystują one bowiem np. szyby kopalniane, których w Polsce nie brakuje.

FAQ - grawitacyjne magazyny energii

1. Czy da się wykonać domowy grawitacyjny magazyn energii? Tak, teoretycznie istnieje możliwość zbudowania domowego grawitacyjnego magazynu energii, jednak jest to skomplikowane i mało praktyczne. Wymagałoby to stworzenia odpowiednio dużej masy, którą można by podnosić i opuszczać, oraz instalacji odpowiednich mechanizmów do konwersji energii potencjalnej w energię elektryczną. Ze względu na wysokie koszty, niską wydajność oraz wymogi techniczne, rozwiązanie to nie jest powszechnie stosowane w warunkach domowych.
2. Jaka jest cena grawitacyjnego magazynu energii? Koszt budowy grawitacyjnego magazynu energii zależy od wielu czynników, w tym wielkości instalacji, lokalizacji oraz zastosowanej technologii. Duże projekty komercyjne mogą kosztować od kilkudziesięciu do kilkuset milionów złotych. W przypadku rozwiązań na mniejszą skalę, takich jak instalacje pilotażowe, koszty mogą wynosić kilkanaście milionów złotych. Warto jednak zauważyć, że są to inwestycje długoterminowe, które mogą przynieść znaczące korzyści w postaci stabilizacji systemu energetycznego.
3. Jak długo można przechowywać energię w grawitacyjnym magazynie energii? Grawitacyjne magazyny energii mogą przechowywać energię przez długi czas, praktycznie bez strat, co jest jedną z ich głównych zalet w porównaniu do innych form magazynowania, takich jak baterie. W praktyce, czas przechowywania energii zależy od konkretnej konstrukcji i potrzeb systemu energetycznego, ale może wynosić od kilku godzin do wielu miesięcy.