Magazyny energii. Od pociągów z gruzem po baterie z piasku

To będzie niezwykły widok. W Bogatyni, na terenie Kopalni Węgla Brunatnego Turów, ma powstać nietypowa linia kolejowa. Podróżować nią będą wagony z ogromnymi, betonowymi blokami. Ale nie będą jechać daleko. Po wjechaniu na górę, w odpowiednim momencie po prostu stoczą się do punktu wyjścia. I tak dzień za dniem, raz za razem.

Nietypowa kolejka to projekt naukowców z Politechniki Wrocławskiej. Nie chodzi o transport. Inżynierowie zaczną wkrótce testować system, który do generowania prądu zamiast węgla wykorzystuje… ciężar. Projekt „GrEnMine” opiera się na idei grawitacyjnego magazynowania energii. Kiedy w sieci jest nadmiar prądu z turbin wiatrowych czy paneli słonecznych, ciężkie bloki są unoszone na specjalnych torach. Gdy zapotrzebowanie rośnie, bloki są opuszczane, a ich ruch napędza generatory. To odwrócona logika kopalni: zamiast wydobywać węgiel z ziemi, system pozwala magazynować energię dzięki jej sile ciążenia.

Prof. Przemysław Moczko z Politechniki Wrocławskiej podkreśla, że to nie tylko technologia energetyczna, ale i sposób na drugie życie terenów pogórniczych. – Przez dekady kopalnia dostarczała paliwo, dziś może stać się miejscem, które pomaga gospodarce w inny sposób – mówi.

Elektrownie szczytowo-pompowe – klasyka w górach

Grawitacyjne magazyny energii to nowość, ale sama zasada wykorzystywania wysokości jest znana od dawna. Klasyczne elektrownie szczytowo-pompowe działają jak gigantyczne baterie wodne. Gdy prądu jest za dużo, pompują wodę do górnego zbiornika. Gdy sieć potrzebuje wsparcia, woda spływa w dół i napędza turbiny.

Tak działają m.in. Żarnowiec i Porąbka-Żar w Polsce, ale też tysiące obiektów na świecie – największe z nich w Chinach czy Szwajcarii potrafią przechowywać gigawaty mocy. Wadą jest to, że wymagają górskiego terenu i dużych zbiorników, dlatego dziś inżynierowie szukają bardziej uniwersalnych rozwiązań.

Baterie – od litowo-jonowych po przepływowe

Wydawałoby się, że najbardziej oczywistym sposobem przechowywania energii są akumulatory. Baterie litowo-jonowe, podobne do tych w smartfonach czy samochodach elektrycznych, można zestawiać w ogromne bloki i podłączać do sieci. Tak powstają tzw. farmy bateryjne, które reagują niemal natychmiast i stabilizują napięcie. Problemem są jednak koszty i ograniczona żywotność urządzeń.

Dlatego rozwijają się alternatywy, np. baterie przepływowe, w których energia magazynowana jest w zbiornikach z płynnymi elektrolitami. Mogą działać dziesiątki lat, a ich pojemność zależy głównie od wielkości zbiorników. W Niemczech czy Australii takie systemy już wspierają lokalne sieci.

Niektóre rozwiązania przypominają raczej piece niż akumulatory. W Finlandii działa pierwsza na świecie „piaskowa bateria”. To stalowy silos wypełniony setkami ton zwykłego piasku, podgrzewanego do 600 stopni Celsjusza energią z OZE. Piasek trzyma ciepło przez wiele tygodni, a powietrze przepuszczane przez zbiornik pozwala odzyskać energię i ogrzać pobliskie domy.

Podobnie działają magazyny ciepła oparte na cegłach czy stopionej soli. Nie oddają prądu do sieci, ale są znakomitym sposobem na zapewnienie ciepła w zimie, co w krajach północnych bywa równie ważne jak energia elektryczna.

Sprężone powietrze i ciekłe gazy

Inny pomysł to magazynowanie energii w postaci sprężonego powietrza. W specjalnych podziemnych kawernach lub stalowych zbiornikach powietrze jest wtłaczane pod wysokim ciśnieniem, a następnie wypuszczane, by napędzać turbiny. Nowoczesne systemy próbują zwiększyć sprawność dzięki odzyskiwaniu ciepła z procesu sprężania.

Jeszcze dalej idzie technologia ciekłego powietrza. Powietrze jest schładzane do temperatury poniżej minus 190 stopni Celsjusza, zamienia się w ciecz i może być przechowywane w zbiornikach. Gdy jest potrzebna energia, ciecz gwałtownie się rozpręża, zasilając turbiny. Pierwsze takie instalacje testuje się w Wielkiej Brytanii.

We Włoszech firma Energy Dome wpadła na pomysł wykorzystania sprężonego dwutlenku węgla. Gaz ten łatwo przechodzi ze stanu gazowego w ciekły i z powrotem, więc świetnie nadaje się do magazynowania energii. W praktyce działa to tak: nadmiar energii używany jest do sprężenia CO₂ i jego skroplenia, a w razie potrzeby ciecz się rozpręża i napędza generator. Efektywność całego procesu jest porównywalna z bateriami, ale koszty – znacznie niższe.

Energia wyporu w oceanach

Są też koncepcje wyglądające jak eksperymenty z placu zabaw. Jedną z nich jest magazynowanie energii dzięki sile wyporu. W dnie morskim zakotwicza się wielkie balony lub pojemniki. Gdy w sieci jest nadmiar prądu, pompuje się do nich powietrze. Gdy energia jest potrzebna, powietrze wypływa, obracając turbiny. To odwrotność sprężonego powietrza na lądzie – tu wykorzystuje się naturalną siłę wyporu wody.

W Teksasie rozwija się jeszcze inny sposób, zwany geomechanicznym magazynowaniem. Nadmiar energii używany jest do wtłaczania wody pod wysokim ciśnieniem w szczeliny skalne na dużej głębokości. Skała działa jak gigantyczna sprężyna, a gdy woda zostaje uwolniona, przepływa przez turbiny. To technologia z pogranicza energetyki i przemysłu naftowego wykorzystuje podobne urządzenia i doświadczenia, ale w zupełnie nowym celu.

Dlaczego te wszystkie wysiłki są tak ważne? W samej Unii Europejskiej do 2030 r. udział OZE w miksie energetycznym ma przekroczyć 45 proc. Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej globalne zapotrzebowanie na magazyny energii wzrośnie sześciokrotnie do 2030 r. i trzydziestokrotnie do połowy wieku. Bez magazynowania prądu zielona transformacja stanie w miejscu, bo sieci nie poradzą sobie z rosnącą liczbą źródeł niestabilnych.

Już dziś w wietrzne noce w Niemczech czy Danii turbiny produkują więcej prądu niż odbiorcy są w stanie zużyć. Bez magazynów nadwyżki muszą być eksportowane albo po prostu marnowane. Z kolei w upalne dni w Kalifornii panele słoneczne dają ogrom energii w południe, ale wieczorem, gdy miliony ludzi włączają klimatyzację, sieć boryka się z deficytem. Magazyny energii mogą działać jak amortyzator – wyrównują szczyty i doliny. W praktyce oznacza to mniej awarii, mniejsze ryzyko blackoutów i stabilniejsze ceny dla odbiorców.

Nie ma jednej odpowiedzi na pytanie, która technologia zwycięży. Każda ma swoje mocne i słabe strony: baterie są szybkie, ale drogie; elektrownie szczytowo-pompowe niezawodne, ale wymagają gór; piasek i sól są tanie, ale sprawdzają się głównie w systemach ciepłowniczych. Dlatego niemal każde państwo inwestuje równolegle w kilka różnych rozwiązań.

Eksperci są zgodni, że przyszły system energetyczny będzie przypominał mozaikę – część prądu zmagazynują wielkie instalacje wodne, część lokalne baterie, a część nietypowe systemy, jak grawitacyjne dźwigi czy podziemne zbiorniki. Wspólnie stworzą sieć, która pozwoli odejść od paliw kopalnych i utrzymać stabilność w erze OZE.