W ostatnich dziesięcioleciach koszty wytwarzania energii wiatrowej i słonecznej dramatycznie spadły. To jeden z powodów dla których Unia Europejska przewiduje, że energia odnawialna będzie najszybciej rozwijającym się źródłem energii w Europie do 2050 roku.
Zastoje ciemności
Produkowanie energii to jednak dopiero początek wyzwania energetycznego. Niemieckie słowo „Dunkelflaute” oznacza „zastoje ciemności”. Mrozi serca inżynierów środowiska zajmujących się energią odnawialną, którzy używają go w odniesieniu do zastoju w produkcji energii, gdy panele słoneczne i turbiny wiatrowe nie mogą jej wytwarzać przez chmury, noc lub nieruchome powietrze. W jasny, bezchmurny dzień farma słoneczna może generować ogromne ilości energii elektrycznej. Kiedy jest porywisty wiatr, turbiny wiatrowe ożywiają dzielnice. W nocy, co oczywiste, panele słoneczne nie produkują energii. Tak samo jak turbiny wiatrowe w bezwietrzną pogodę.
„Zastoje ciemności” utrudniają sieci elektrycznej całkowite poleganie na energii odnawialnej. Firmy energetyczne muszą opracowywać sposoby na magazynowanie energii na zapas nie tylko na pojedyncze ulewy lub bezwietrzne noce. Potrzebujemy jej także na zastoje ciemności, które ciągną się przez kilka dni lub dłużej. W ubiegłym roku Europa doświadczyła np. tygodniowej „suchy wiatrowej”. W 2006 roku Hawaje musiały przetrwać energetycznie sześć tygodni następujących po sobie deszczowych dni pozbawionych słońca. Niemcy, które wycofują się z energetyki atomowej, ciężko pracują nad wykorzystaniem oraz magazynowaniem energii z odnawialnych źródeł, ale ze względu na problem „nieciągłości” w jej dostawach pozostają zależne od paliw kopalnych, w tym od rosyjskiego gazu.
Magazynowanie energii w bateriach
Oczywistym rozwiązaniem w takiej sytuacji są baterie. Od baterii alkalicznych po baterie litowo-jonowe – korzystamy z nich wszyscy i w każdej dziedzinie życia. Najbardziej rozpowszechniona ich odmiana to litowo-jonowa. Takie baterie zasilają wszystko, od telefonów komórkowych po pojazdy elektryczne. Są też stosunkowo niedrogie w produkcji. Jednak typowe modele zużywają zmagazynowaną energię już po trzech lub czterech godzinach maksymalnej wydajności. I – jak wie każdy właściciel iPhone’a – ich pojemność maleje stopniowo z każdym ładowaniem.
W niedawnym raporcie naukowcy z NREL oszacowali, że istnieje potencjał do zwiększenia zdolności na magazynowanie energii odnawialnej do 2050 roku nawet o 3000%. I to w dużej części dzięki bateriom. Na przykład akumulatory o dużej pojemności i długim czasie rozładowywania – do 10 godzin – świetnie nadają do przechowywania energii słonecznej w nocy lub do wyposażania pojazdów elektrycznych. Mimo to obecnie produkuje się ich niewiele.
Zgodnie z ostatnimi prognozami do 2050 r. ma się to zmienić. Przewiduje się, że do obiegu wypuścimy ilość baterii tego typu, która będzie w stanie pomieścić ponad 100 gigawatów energii. Dla porównania, jest to 50 razy większa moc generacyjna niż moc zapory Hoovera. Mogłoby to mieć bardzo duży wpływ na rentowność energii odnawialnej.
Recykling baterii i materiałów do ich produkcji
Jedną z największych przeszkód w produkowaniu baterii bez ograniczeń są kurczące się zapasy litu i kobaltu. Na obecnym poziomie rozwoju technologicznego te pierwiastki są niestety niezbędne do produkcji najbardziej lekkich i wydajnych baterii. Według niektórych szacunków około 10% światowych zasobów litu i prawie wszystkie światowe rezerwy kobaltu wyczerpiemy do 2050 roku. Co więcej, prawie 70% światowego kobaltu wydobywa się w Kongo w warunkach, które od dawna zostały udokumentowane jako nieludzkie.
Naukowcy pracują nad opracowaniem technik recyklingu baterii litowych i kobaltowych oraz zaprojektowaniem baterii opartych na innych materiałach. Tesla planuje rozpocząć produkcję baterii bezkobaltowych w ciągu najbliższych kilku lat. Inni dążą do zastąpienia litu sodem, który ma właściwości bardzo podobne do litu, ale jest łatwiej dostępny. Prace nad rozwiązaniem problemu kurczących się możliwości na magazynowanie energii trwają.
Bezpieczeństwo i wytrzymałość baterii
Kolejnym priorytetem w kwestii rozwoju przemysłu baterii jest pilna potrzeba zwiększenia ich bezpieczeństwa. Jednym z obszarów wymagających poprawy są elektrolity – medium, często płynne, które umożliwia przepływ ładunku elektrycznego z anody lub bieguna ujemnego akumulatora do katody lub bieguna dodatniego. Gdy bateria działa, naładowane cząsteczki w elektrolicie poruszają się, aby zrównoważyć ładunek energii elektrycznej wypływającej z baterii. Elektrolity często zawierają materiały łatwopalne. W przypadku wycieku bateria może się przegrzać i zapalić lub stopić, co też zresztą często ma miejsce.
Naukowcy opracowują stałe elektrolity, dzięki którym baterie będą bardziej wytrzymałe. Cząsteczkom znacznie trudniej jest poruszać się w ciałach stałych niż w cieczach, ale zachęcające wyniki w skali laboratoryjnej sugerują, że baterie te mogą być gotowe do użycia w pojazdach elektrycznych w nadchodzących latach. Docelowa data wprowadzenia ich na rynek to już 2026 rok.
Szukając rozwiązań na magazynowanie energii na dużą skalę, naukowcy pracują nad projektami opartymi na całkowicie innych typach baterii, nieznanych powszechnie, zwanych płynnymi bateriami przepływowymi. W tym rodzaju baterii zarówno elektrolit, jak i elektrody są cieczami. Pozwala to na superszybkie ładowanie i ułatwia wykonanie akumulatorów o naprawdę dużej pojemności. Obecnie systemy te są bardzo drogie, ale badania i udoskonalenie prototypów pozwala cały czas sukcesywnie obniżać cenę ich produkcji.
Magazynowanie energii – nowe, alternatywne sposoby
Do niedawna nie musieliśmy dużo myśleć o nowych sposobach na magazynowanie naszej energii. Paliwa kopalne w zupełności nam wystarczały. Teraz jednak ten stany rzeczy uległ radykalnej zmianie i problemem, wbrew powszechnej opinii, nie okazuje się samo pozyskiwanie energii. Wyzwaniem dla inżynierów jest niedoprowadzenie do jej rozproszenia.
Większość energii, która nie jest zużywana natychmiast, jest tracona. Problem polega na tym, że przy OZE przechowywanie energii elektrycznej kosztuje więcej niż jej wytwarzanie
– powiedział w jednym z wywiadów Bill Gross, wieloletni inwestor w branży energii słonecznej i współzałożyciel jednej z największych firm zajmujących się magazynowaniem energii w USA, Energy Vault.
W wielu przypadkach energia słoneczna i wiatrowa stały się tańsze niż węgiel i gaz. Ale jeśli dodamy do tego koszty magazynowania, odnawialne źródła energii trącą względem paliw kopalnych
– tłumaczy.
Inżynierowie cały czas starają się poprawić wydajność baterii oraz szukają dla nich alternatyw. Jest to dobry trop, ponieważ inne dotychczas znane rozwiązania umożliwiające magazynowanie energii odnawialnej kosztują w niektórych przypadkach mniej niż baterie.
Sól, piasek, wosk – jak wykorzystujemy to, co mamy pod ręką
Na przykład skoncentrowane elektrownie słoneczne używają luster do skupiania światła słonecznego, które podgrzewa setki lub tysiące ton soli, aż do jej stopnienia. Tę stopioną sól inżynierowie wykorzystują następnie do napędzania generatora elektrycznego. Dokładnie w taki sam sposób, jak węgiel lub energia jądrowa, jest w elektrowniach wykorzystywana do podgrzewania pary.
Niestety obecnie stosowane sole nie są stabilne w wysokich temperaturach. Naukowcy pracują nad opracowaniem nowych soli lub innych materiałów, które wytrzymują temperatury dochodzące do 1300 stopni Fahrenheita (705 stopni Celsjusza).
Jednym z wiodących pomysłów na osiągnięcie wyższej temperatury jest podgrzewanie piasku zamiast soli. Taki piasek przenosimy za pomocą przenośników taśmowych z punktu grzewczego do magazynu. Departament Energii ogłosił niedawno finansowanie pilotażowych badań skoncentrowanych na tym pomyśle.
Norweski Uniwersytet Nauki i Technologii zbudował znowuż instalację, która pozwala na magazynowanie energii za pomocą płynnego wosku. Rozwiązanie to jest testowane w jednym budynku w mieście Trondheim i pozwala na jego ogrzanie nawet przez 4 dni.
Inny sposób to przechowywanie sprężonego powietrza w zbiornikach i zatrzymanie ciepła uwalnianego podczas procesu sprężania, które następnie ponownie przenosi się na powietrze podczas rozprężania. Zwiększa się tym samym jego zdolność do napędzania turbiny i generowania energii elektrycznej.
Podsumowanie
Baterie są przydatne do krótkoterminowego przechowywania energii. Musimy jednak pamiętać, że nadal stoi przed nami wyzwanie polegające na wynajdywaniu coraz doskonalszych rozwiązań na magazynowanie dużej ilości energii przez nieograniczony czas. Naukowcy widzą tutaj nadzieję w paliwach odnawialnych takich jak sód, wodór czy amoniak. Sód miałby być wykorzystywany do wytwarzania baterii, natomiast wodoru i amoniaku używalibyśmy tam, gdzie nie działają baterie. Na przykład w transporcie ciężkich ładunków i obsługi ciężkiego sprzętu oraz do wytwarzania paliwa rakietowego.
Obecnie paliwa te są niestety w większości wytwarzane z gazu ziemnego lub z innych nieodnawialnych paliw kopalnych w wyniku niezwykle nieefektywnych reakcji. Chociaż myślimy o nich jako o czymś, co ma być ekologiczne, większość dzisiejszego wodoru wytwarzana jest z gazu ziemnego.
Naukowcy cały czas szukają sposobów na produkcję paliwa wodorowego i innych paliw pokrewnych przy użyciu odnawialnej energii elektrycznej. Na przykład możliwe jest wytwarzanie paliwa wodorowego poprzez rozszczepianie cząsteczek wody za pomocą elektryczności. Kluczowym wyzwaniem jest więc optymalizacja tego procesu tak, aby był on wydajny i ekonomiczny. Potencjalne korzyści są ogromne: niewyczerpalna, całkowicie odnawialna energia.
Interesuje Cię ten temat?
Zachęcamy wszystkich zainteresowanych tematem do przejrzenia oferty naszych kursów w działach takich jak: instalacje, mechanika i wzornictwo.
