W ziemi można magazynować energię. Szansa dla Polski

W wielu krajach dawne elektrownie węglowe stają się symbolami epoki, która się kończy: kluczowe kiedyś zakłady to dziś głównie porzucone, wielkie kominy, zardzewiałe konstrukcje, opustoszałe hale turbin. Ich likwidacja jest kosztowna i bolesna. Tymczasem naukowcy z Carnegie Institution for Science i Uniwersytetu Stanforda proponują pomysł, który może nadać im drugie życie: zamienić je w magazyny energii cieplnej, wykorzystujące zwykłą ziemię jako medium do przechowywania ciepła.

„To sposób, by połączyć transformację energetyczną z utrzymaniem miejsc pracy i infrastruktury” stwierdza w rozmowie z „Scientist” główny autor badań prof. John Dabiri z Uniwersytetu Stanforda. „Możemy użyć istniejących turbin parowych i sieci przesyłowych, a źródłem energii będzie nadmiar prądu z wiatru i słońca, zmagazynowany w postaci ciepła w gruncie„.

Koncepcja jest zaskakująco prosta. W pobliżu dawnej elektrowni usypuje się duży kopiec ziemi, mierzący nawet setki tysięcy ton. W jego wnętrzu montuje się system rur i izolacji, przez które przepływa gorące powietrze lub para, ogrzewając grunt do wysokich temperatur. W odpowiednim momencie ciepło jest uwalniane, podgrzewając wodę i wytwarzając parę do napędu turbin. Parametry fizyczne gruntu pozwalają na magazynowanie dużych ilości energii przy niewielkich stratach – w dużych instalacjach ponad 95 proc. ciepła pozostaje w systemie przez wiele dni.

Koszty są tu kluczowym argumentem. Według wyliczeń zespołu, koszt budowy takiego magazynu energii cieplnej wynosi zaledwie 0,01 dolara za kilowatogodzinę pojemności cieplnej (kWhth). To znacznie mniej niż w przypadku magazynów opartych na stopionej soli czy wodzie, które wymagają droższych materiałów i skomplikowanej izolacji.

Do budowy magazynu wystarczy ok. 840 000 ton lokalnego gruntu. „Wykorzystujemy to, co mamy pod ręką. Nie trzeba importować kosztownych surowców ani stosować zaawansowanej chemii” podkreśla dr William Boos, współautor badań.

Jedną z największych zalet tej technologii jest możliwość ponownego użycia istniejącej infrastruktury. Zamknięte elektrownie węglowe mają już podłączenie do sieci, systemy chłodzenia, a przede wszystkim turbiny parowe, które można zasilać ciepłem z magazynu.

Magazyn ładuje się wtedy, gdy w systemie jest nadwyżka energii z farm wiatrowych i fotowoltaicznych, a rozładowuje, gdy zapotrzebowanie rośnie, np. w mroźne zimowe poranki czy wieczorne szczyty letnie. To rozwiązanie pozwala stabilizować system elektroenergetyczny bez potrzeby uruchamiania elektrowni gazowych.

Jak to działa w praktyce

W badaniach przeanalizowano dwa modele pracy: jako tzw. „price-maker” i „price-taker”. W pierwszym przypadku magazyn aktywnie uczestniczy w rynku, ładując się w najtańszych godzinach i sprzedając energię w najdroższych. W drugim po prostu korzysta z rynkowych nadwyżek i niedoborów, bez wpływu na ceny.

W obu scenariuszach magazyn w ziemi okazał się konkurencyjny. Przy niskich kosztach budowy i eksploatacji czas rozładowania wynosi kilkanaście godzin, co wystarcza do pokrycia dziennych wahań zapotrzebowania.

Na świecie stosuje się już różne technologie magazynowania ciepła: od podziemnych zbiorników z wodą w Finlandii, po systemy z bazaltu w Niemczech. Jednak większość z nich jest droższa i bardziej skomplikowana.

W Finlandii w Vaskiluoto działa magazyn ciepła w wykutych w skale zbiornikach wodnych, który wspiera miejską sieć ciepłowniczą. W Holandii popularne są systemy ATES (Aquifer Thermal Energy Storage), które wykorzystują wody gruntowe. Oba rozwiązania mają ograniczenia – wodne magazyny są mniej efektywne w wyższych temperaturach, a systemy ATES wymagają odpowiednich warunków geologicznych.

Korzyści dla środowiska i gospodarki

Magazyn w ziemi nie emituje CO₂ w trakcie pracy i jest odporny na pożary czy wycieki. Wykorzystanie istniejących elektrowni zmniejsza koszty likwidacji i utrzymuje miejsca pracy w regionach, które często najbardziej cierpią na skutek odchodzenia od węgla.

„To technologia, która łączy niskie koszty z wysoką skalowalnością” ocenia prof. Ken Caldeira z Carnegie Institution. „Możemy ją wdrożyć w setkach lokalizacji na świecie, gdzie stoją nieczynne elektrownie węglowe”.

Technologia jest wciąż na etapie pilotażowym i wymaga dostosowania przepisów. W wielu krajach magazyny ciepła nie są jeszcze formalnie uznawane za element systemu elektroenergetycznego. Potrzebne są też modele biznesowe, które uwzględnią niskie koszty budowy, ale i relatywnie wolniejsze tempo rozładowania niż w przypadku bateryjnych magazynów litowo-jonowych.

Badacze zwracają uwagę, że kluczem będzie integracja magazynów z rynkiem energii i siecią przesyłową. „To nie jest rozwiązanie konkurencyjne dla baterii, tylko ich uzupełnienie. Baterie są świetne w szybkiej reakcji, my możemy zapewnić stabilne dostawy przez wiele godzin” wyjaśnia dr Boos.

Polska stoi przed koniecznością zamknięcia kilkudziesięciu bloków węglowych w ciągu najbliższych 15-20 lat. Wiele z nich ma dobre połączenia z siecią i lokalne zaplecze techniczne. Magazyny w ziemi mogłyby pozwolić na płynne przejście od węgla do odnawialnych źródeł energii, bez utraty wszystkich miejsc pracy.

Koszty, szacowane na ok. 0,01 USD/kWhth, są konkurencyjne nawet przy obecnych cenach energii, a możliwość wykorzystania istniejącej infrastruktury dodatkowo poprawia opłacalność. W połączeniu z rozbudową farm wiatrowych na Bałtyku i fotowoltaiki w kraju, takie magazyny mogłyby stać się ważnym elementem miksu energetycznego.

Choć pomysł magazynowania energii w ziemi może brzmieć egzotycznie, jego fundamenty są proste, a potencjał ogromny. To przykład, jak kreatywne wykorzystanie nauki i inżynierii może pomóc w rozwiązywaniu kryzysu klimatycznego, jednocześnie dbając o gospodarki lokalne.

„Nie musimy wybierać między ochroną środowiska a miejscami pracy” – podsumowuje prof. Dabiri. „Ziemia, na której stoi dawna elektrownia, może stać się źródłem energii na kolejne dekady, tym razem czystej i odnawialnej”.