Odnawialne źródła energii mają kluczowe znaczenie dla transformacji energetycznej w kierunku bardziej zrównoważonej przyszłości. Ponieważ jednak źródła takie jak światło słoneczne i wiatr są z natury zmienne i niespójne, kluczowe znaczenie ma znalezienie sposobów magazynowania energii w dostępny i wydajny sposób. Chociaż istnieje wiele skutecznych rozwiązań do codziennego magazynowania energii, z których najpowszechniejszymi są baterie, wciąż brakuje opłacalnego długoterminowego rozwiązania.
Najwcześniejszą formą urządzenia wykorzystującego grawitację do wprawiania w ruch mechanizmu był zegar wahadłowy, wynaleziony w 1656 roku przez Christiaana Huygensa. Zegar był napędzany siłą grawitacji za pomocą wyposażonego w obciążniki mechanizmu, który wprawiał wahadło w ruch. Od tego czasu baterie grawitacyjne rozwinęły się w systemy, które mogą wykorzystać siłę grawitacji i przekształcić ją w energię elektryczną do magazynowania energii na dużą skalę.
Nowatorska technika o nazwie UGES (ang. Underground Gravity Energy Storage) – podziemny magazyn energii grawitacyjnej – zamienia zlikwidowane kopalnie w długoterminowo działające zasobniki do magazynowania energii, wspierając w ten sposób zrównoważoną transformację energetyczną.
W badaniu prowadzonym w ostatnim czasie przez International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA), międzynarodowy zespół naukowców opracował nowy sposób magazynowania energii poprzez transport piasku do opuszczonych podziemnych kopalń. Nowa technika o nazwie UGES daje nam skuteczne długoterminowe rozwiązanie do magazynowania energii, a jednocześnie wykorzystuje nieistniejące już kopalnie, których na całym świecie jest bardzo dużo.
UGES wytwarza energię elektryczną, gdy cena jest wysoka. Opuszczając piasek do podziemnej kopalni, silnik/generator przekształca energię potencjalną piasku w energię elektryczną poprzez hamowanie regeneracyjne. Z kolei gdy energia elektryczna jest tania, np. dostępna jest energia elektryczna ze źródeł odnawialnych, UGES magazynuje energię w postaci potencjału, podnosząc piasek z kopalni do górnego zbiornika za pomocą silników/generatorów. Głównymi komponentami systemu magazynującego UGES są: szyb, silnik/generator, górne i dolne składowiska oraz sprzęt górniczy. Im głębszy i szerszy szyb kopalniany, tym więcej mocy można wydobyć z elektrowni, a im większa kopalnia, tym większa zdolność elektrowni do magazynowania energii.
– Kiedy kopalnia zostaje zamknięta, zwalnia tysiące pracowników. To niszczy społeczności, których wyniki gospodarcze zależą wyłącznie od kopalni. UGES dałoby możliwość utworzenia nowych miejsc pracy, ponieważ kopalnia świadczyłaby usługi magazynowania energii po zaprzestaniu działalności – mówi Julian Hunt, naukowiec z programu IIASA Energy, Climate and Environment i główny autor badania. – Kopalnie mają już podstawową infrastrukturę i są podłączone do sieci elektroenergetycznej, co znacznie obniża koszty i ułatwia realizację przedsięwzięcia– dodaje.
Inne metody magazynowania energii, takie jak baterie, powodują utratę energii poprzez samorozładowanie przez długi czas. Nośnikiem energii w UGES jest piasek, co oznacza, że energia nie jest tracona w wyniku samorozładowania, a to umożliwia magazynowanie energii przez bardzo długi czas, od tygodni do hipotetycznie kilku lat. Koszty inwestycyjne UGES wynoszą od 1 do 10 USD/kWh, a koszty mocy 2000 USD/kW. Szacuje się, że globalny potencjał technologii wynosi od 7 do 70 TWh, przy czym większość tego potencjału jest skoncentrowana w Chinach, Indiach, Rosji i USA. – Aby zdekarbonizować gospodarkę, musimy przemyśleć na nowo system energetyczny w oparciu o innowacyjne rozwiązania wykorzystujące istniejące zasoby. Przekształcanie opuszczonych kopalń w magazyny energii jest jednym z wielu rozwiązań, które istnieją wokół nas, a wystarczy zmienić sposób ich rozmieszczania – podsumowuje Behnam Zakeri, współautor badania i badacz w programie IIASA Energy, Climate and Environment.
Innym przykładem innowacyjnego projektu magazynowania energii napędzanego grawitacją jest system opracowany przez szkocki start-up Gravitricity. Po przyznaniu prawie 200 000 GBP (240 000 USD) przez rząd Wielkiej Brytanii firmie Gravitricity oraz partnerowi Panitek Power na realizację 12-miesięcznego projektu, przystąpiły one do przygotowywania pierwszej instalacji grawitacyjnej w Indiach. W ramach projektu rozpoczęto opracowanie krótkiej listy miejsc do zlokalizowania demonstracyjnego programu, w ramach którego system grawitacyjny będzie magazynował energię z fotowoltaiki. Technologia Gravitricity opiera się na podnoszonym i uwalnianym szeregu ciężarów o łącznej masie do 12 000 ton w głębokich szybach kopalnianych. Niedawne badania przeprowadzone w londyńskim Imperial College wykazały, że energia elektryczna rozładowana przez dostępny na rynku projekt baterii litowo-jonowej o mocy 10 MW kosztowałaby 367 USD (283 GBP)/MWh w całym okresie jej użytkowania, w porównaniu do 171 USD/MWh w przypadku systemu Gravitricity. Według Recharge, technologia grawitacyjna jest obecnie pilotowana w Wielkiej Brytanii, Finlandii, Polsce, Czechach i RPA, gdzie szyby kopalniane mogą mieć głębokość ponad 2000 m.
Baterie grawitacyjne mogą mieć różne konstrukcje, ale wszystkie te urządzenia wykorzystują te same właściwości fizyczne do generowania energii. W baterii grawitacyjnej masa jest przemieszczana lub podnoszona w celu wytworzenia grawitacyjnej energii potencjalnej, która następnie jest przekształcana w energię elektryczną. Baterie grawitacyjne przechowują energię potencjalną grawitacji, podnosząc masę na określoną wysokość za pomocą pompy, dźwigu lub silnika. Po podniesieniu masy przechowuje ona pewną grawitacyjną energię potencjalną wyliczoną na podstawie masy obiektu i wysokości, na jaką został podniesiony. Zgromadzona grawitacyjna energia potencjalna jest następnie przekształcana w energię elektryczną. Masa jest obniżana, aby powrócić do pierwotnej wysokości, co powoduje wirowanie generatora i wytwarzanie energii elektrycznej. Całkowitą ilość wytworzonej energii można wyrazić za pomocą równania: ΔE = mg(h1 – h2), gdzie E to całkowita ilość wytworzonej energii, h1 i h2 reprezentują początkową i końcową wysokość obiektu, m to masa obiektu, g to przyspieszenie obiektu spowodowane grawitacją.
Oprac. M. Grabania
Grafika: Podziemny grawitacyjny system magazynowania energii: schemat różnych sekcji systemu
Źródła: International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA), Gravitricity, Recharge (NHST Media Group)
Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
