Serwis korzysta z plików cookies. Korzystanie z witryny oznacza zgodę, że będą one umieszczane w Państwa urządzeniu końcowym. Mogą Państwo zmienić ustawienia dotyczące plików cookies w swojej przeglądarce.

Magazynowanie energii - konieczność czasów

17-08-2022 21:45 | Autor: Prof. dr hab. Lech Królikowski
Elektroenergetyka, jako przedsięwzięcie profesjonalne i komercyjne, pojawiła się w latach osiemdziesiątych XIX w. „Kamieniem milowym” na drodze rozwoju elektroenergetyki, była elektrownia prądu stałego zbudowana w Nowym Jorku w 1881 przez Thomasa A. Edisona (1847-1931). Obsługiwała ona odbiorców w promieniu 300 m od swojej lokalizacji, co było skutkiem zastosowania prądu stałego, najlepszego, jak uważał Edison. Jego niezliczone wynalazki i konstrukcje wykorzystywały tylko ten rodzaj energii elektrycznej. Działający w Stanach Zjednoczonych Nikola Tesla (1856-1943) eksperymentował z prądem przemiennym i w tej dziedzinie osiągnął znaczące rezultaty, chociaż przyjęty przez niego system prądu przemiennego wielofazowego, nie przyjął się w elektrotechnice.

Przełomem okazała się Międzynarodowa Wystawa Elektrotechniczna we Frankfurcie nad Menem w 1891 r., na której niemiecki koncern Allgemeine Elektricitäts Gesellschaft (AEG) zaprezentował trójfazowy system prądu przemiennego, wraz z pełnym oprzyrządowaniem, tj. generatorami, silnikami, transformatorami oraz doświadczalną linią elektroenergetyczną o długości 170 km, co było wówczas niewyobrażalnym osiągnięciem. System elektroenergetyczny trójfazowy prądu przemiennego wprowadzony przez AEG z niewielkimi zmianami przetrwał do naszych dni, i na razie nie widać systemu równie prostego, ale sprawniejszego. Nie wydaje się, aby sytuacja zmieniła się w najbliższym czasie. „Wadą” prądu przemiennego jest to, że nie można go magazynować, np. w akumulatorach, tak, jak prąd stały. Powyższe stwierdzenie jest pewnym uproszczeniem, albowiem prąd przemienny można przekształcić w prąd stały, ale proces ten związany jest ze strata części energii, co nie zawsze jest ekonomicznie uzasadnione. Na marginesie warto zauważyć, iż twórcą systemu trójfazowego w elektroenergetyce był znakomity konstruktor, dyrektor berlińskiego oddziału koncernu AEG – inż. Michał Doliwo-Dobrowolski (1862-1919). Jest on jednak znany tylko garstce historyków techniki, w przeciwieństwie do T. A. Edisona, którego media – głównie anglosaskie – uczyniły wręcz bożyszczem, podobnie jak N. Teslę.

Wspomniany wyżej problem magazynowania energii elektrycznej jest obecnie bodajże jednym z najważniejszych na naszej planecie. Warto przypomnieć, że 4 lipca 2022 r. rezerwa mocy w polskich sieciach wynosiła zero i gdyby nie zakup energii za granicą, byłby gigantyczny problem.

Magazynowanie energii zawsze miało duże znaczenie, albowiem moc zainstalowana w elektrowniach (a to kosztuje krocie) musi być co najmniej równą szczytowemu zapotrzebowaniu, które w naszej szerokości geograficznej występuje w „grudniu po południu”. To znaczy wówczas, gdy dzień jest najkrótszy i najchłodniejszy, w związku z czym istnieje ogromne zapotrzebowanie na energię dla celów komunalnych, ale także dla przemysłu, który nie tylko pracuje, ale potrzebuje prądu na oświetlenie i ogrzanie hal fabrycznych.

Ostatnio jednak coraz częściej szczytowe zapotrzebowanie na energię, zdarza się także latem (głównie – klimatyzacja). Bodajże najstarszą metodą dostosowania zainstalowanej mocy w elektrowniach do zapotrzebowania szczytowego, są siłownie szczytowo-pompowe, w Polsce np. na górze Żar (łączna moc – 500 MW). Generatory w hydroelektrowniach szybko synchronizują się z siecią, co odróżnia je od generatorów w elektrowniach konwencjonalnych, które, m. in. z tego powodu, pracują non stop. W nocy, gdy zapotrzebowanie na energię jest najmniejsze, a elektrownie konwencjonalne (mimo to) pracują pełną parą, produkowana energia wykorzystywana jest m.in. do napędzania turbin pompujących wodę z dolnego zbiornika, do zbiornika usytuowanego np. na pobliskiej górze. Gdy zaistnieje zapotrzebowanie szczytowe, woda z górnego zbiornika – jak w normalnej hydroelektrowni – napędza turbiny na dole, dostarczając dodatkową energię. Analogicznym rozwiązaniem są pneumatyczne zasobniki energii (CAES). Nadmiarową energię wykorzystuje się do napędzania sprężarek, które tłoczą powietrze do podziemnych zbiorników (np. w starych kopalniach, grotach itp.). Sprężone powietrze do ok. 70 barów, napędza następnie turbogeneratory, wytwarzające energię elektryczną. Istnieją różne warianty tego pomysłu, jednym z nich jest sprężone powietrze z gazem ziemnym, co jest paliwem dla turbin gazowych. Wykorzystuje się do tego celu także skroplone powietrze. Itd. itd., itd.

Ostatnio media doniosły, że magazynem energii może być wysoki maszt (o odpowiednio wytrzymałej konstrukcji), na który – w godzinach nadmiaru energii wciąga się obiekt o dużej masie, który uwolniony (spadając w określonym reżimie) w okresie dużego zapotrzebowania, napędza generator produkujący prąd.

Bardzo popularna obecnie fotowoltaika jest mocno reklamowanym źródłem energii elektrycznej (także w Polsce). Jest to jednak źródło bardzo „kapryśne”. Największa wydajność ogniw fotowoltaicznych występuje w czerwcu i lipcu, podczas gdy w grudniu i styczniu ogniwa dostarczają zaledwie kilkanaście procent tego co latem ( oczywiście należy uwzględnić rodzaj ogniw i ich współczynnik wydajności, nachylenie baterii ogniw i jej odchylenie od kierunku południowego itd). Receptą na to naturalne zjawisko jest magazynowanie energii wyprodukowanej latem i jej konsumpcja w okresie większego zapotrzebowania. Technicznie jest to możliwe, ale czy uzasadnione ekonomicznie? Jedną z metod jest użycie wyprodukowanego latem prądu do elektrolizy, w wyniku czego otrzymujemy wodór i tlen. Wodór – nazywany zielonym - magazynujemy w specjalnej konstrukcji zbiornikach, a następnie – w razie potrzeby - spalamy, napędzając generatory wytwarzające prąd elektryczny.

Okazuje się, że proces ten technologicznie jest opanowany i stosowany, ale po procesie przekształcenia prądu, uzyskanego z ogniw fotowoltaicznych, otrzymujemy zaledwie kilkanaście procent mocy wyjściowej. Zważywszy na niski koszt pozyskiwania energii z ogniw fotowoltaicznych, nawet te kilkanaście procent może być (i jest) interesującym wynikiem, szczególnie wobec światowego kryzysu energetycznego. Wodór w procesie wyżej opisanym, traktowany jest (obecnie), mimo wszystko, jako paliwo zastępcze, albowiem docelowo świat dąży do wykorzystania go w reaktorach termojądrowych, co ma zapewni,c ludzkości dostatek energii.

Badania prowadzone są na całym świecie, a najbardziej obiecujące wyniki osiągnęli Amerykanie w słynnym MIT. Uczeni z tego ośrodka zapewniają, że w 2025 r. uruchomią pierwszy taki reaktor. Także, tuż za naszą zachodnią granicą, w Greifswaldzie, działa Instytut Fraunhofera, szczycący się obiecującymi wynikami w tym zakresie. Szkoda jednak, że Polska – chociaż swego czasu w dziedzinie kontrolowanej syntezy termojądrowej – miała obiecujące rezultaty (prace gen. prof. Sylwestra Kaliskiego z zakresu kontrolowanej mikrosyntezy termojądrowej) – nie włączyła się w tę perspektywicznie niebywale ważną dziedzinę, nie licząc kilku Polaków pracujących w wyżej wymienionym instytucie. Według mojej wiedzy, Polska nie prowadzi w dziedzinie nowych źródeł energii, jak też magazynów energii, żadnych liczących się badań. Zielona rewolucja jest faktem, toteż, aby nie wypaść z jej nurtu, trzeba na badania przeznaczyć olbrzymie fundusze!

Energię elektryczną już od połowy XIX w. magazynowano w akumulatorach kwasowo- ołowiowych, które są ciężkie, mało sprawne, potrzebują obsługi, ale są proste i tanie. No i nieustannie ulepszane, toteż nadal służą – głównie w samochodach.

Próbowano bardzo różnych rozwiązań i nadal na całym świecie tysiące naukowców pracuje nad lepszymi akumulatorami. Wydawało się, że przełomem mogą być ogniwa litowo-jonowe, ale są one „statystycznie” niebezpieczne i niekiedy prowadzą do pożarów. Trwają jednak prace nad ulepszeniem tej konstrukcji (szwedzka firma Northvolt). Rodzajem baterii litowo-jonowych, są baterie typu LFP, w których elektroda dodatnia jest litowo-żelazowofosforanowa, a elektroda ujemna jest grafitowa. Baterie tego typu mogą mieć dużą moc i są „długowieczne”. Kolejną nadzieją w tej dziedzinie są akumulatory szwedzkiej firmy Nilar International AB, która z powodzeniem opracowała baterię do użytku domowego. Urządzenie o pojemności 6 kWh ma rozmiary 305 x 945 x 900 milimetrów. W opisie znajduje się informacja, że baterie tej firmy nie zawierają trudno dostępnych materiałów oraz, że istnieje możliwość pełnego ich recyklingu.

Innym obiecującym kierunkiem badań nad magazynowaniem energii elektrycznej, stanowi europejski projekt LESGO, który ma zostać zakończony w przyszłym roku (październik 2023 r.). Istota pomysłu sprowadza się do nowego sposobu magazynowania wodoru. Ma on być magazynowany w zredukowanym tlenku grafenu (rGO) – który uzyskuje się przez utlenianie grafitu, czyli materiału łatwo dostępnego. Sposób ma być znacznie wydajniejszy od obecnych technologii (gęstość energii ponad 100 razy większa niż w przypadku wodoru w postaci gazu), a proces – bezemisyjny. Magazynowanie byłoby całkowicie bezpieczne (1).

Po najeździe Rosji na Ukrainę (24 lutego 2022 r.), system energetyczny świata uległ poważnemu wstrząsowi. Dostawy surowców energetycznych z Federacji Rosyjskiej zostały przerwane, lub ograniczona. Ceny na ropę naftową, gaz ziemny oraz węgiel kamienny wzrosły wielokrotnie. Światu grozi kryzys energetyczny. W tej sytuacji produkcja energii odnawialnej na masową skalę (energetyka rozproszona), jest nakazem chwili. Okazuje się, że polskie sieci elektroenergetyczne nie są w stanie przyjąć energię, którą już obecnie wytwarzają liczne instalacje fotowoltaiczne, czego przykładem może być miejscowość Ochotnica w Małopolsce, gdzie praktycznie wszystkie gospodarstwa domowe posiadają panele fotowoltaiczne. Niezbędna jest gruntowna modernizacja sieci (których zadaniem powinno być „dostarczanie usługi i umożliwienie realizacji kontraktu pomiędzy odbiorcą i wytwórcą”) oraz niezbędne są magazyny energii, których instalacja w Polsce pozostaje daleko w tyle za już istniejącymi odnawialnymi źródłami energii. Kilka lat temu obecny rząd zablokował energetykę wiatrową, która wcześniej czy później powróci do łask, a wówczas magazyny energii staną się jeszcze bardziej niezbędne. Ani rząd, ani koncerny energetyczne nie są najwyraźniej zainteresowane rozwojem tego sektora.

Płacz i szukanie winnego nastąpi zimą, gdy zabraknie ciepła i światła. Oby zima była lekka!

(1) Niektóre dane pochodzą z wywiadu Mariusza Marszałkowskiego z Krzysztofem Kochanowskim – prezesem Polskiej Izby Magazynowania Energii.

Fot. wikipedia

Wróć

Interesuje Cię współpraca?
Napisz do nas! wspolpraca@passa.pl
Copyright 2015 - Wszelkie prawa zastrzeżone
Projekt i wykonanie: MEETMEDIA