Magazyny energii stają się coraz istotniejszym elementem systemu elektroenergetycznego, zwłaszcza w kontekście wzrostu potencjału mocy z OZE. To dlatego kreatywni inżynierowie na całym świecie nieustannie przedstawiają nowe rozwiązania, które mają pozwolić na efektywniejsze, tańsze oraz trwalsze sposoby na przechowywanie nieskonsumowanej energii. Jednym z nich jest nowa odsłona bardzo dobrze znanej technologii – grawitacyjne magazyny energii.  

OZE potrzebuje (dużych) magazynów energii

OZE odgrywa coraz istotniejszą rolę, zarówno w polskim, jak i europejskim miksie energetycznym. Produkcja z instalacji PV i farm wiatrowych jest jednak uzależniona od warunków atmosferycznych, dlatego czasem te źródła produkują energię, która nie może być skonsumowana na bieżące potrzeby. 

W celu uniknięcia destabilizacji systemu energetycznego, inżynierowie nieustannie opracowują nowe rozwiązania, które mają zapewnić efektywne, wydajne, powszechne oraz ekonomicznie opłacalne metody magazynowania energii. W domach prosumentów wciąż dominują elektrochemiczne magazyny energii oparte o technologię litowo-jonową. W przypadku systemów wielkoskalowych, nieustannie pojawiają się nowe konkurencyjne rozwiązania. Jednym z nich są grawitacyjne magazyny energii, które wkrótce mogą przyciągnąć uwagę nowych inwestorów. 

Grawitacja i magazyny to żadna nowość?

Magazynowanie energii z zastosowaniem siły grawitacji nie jest pomysłem nowym. Od końca XIX wieku na całym świecie powstają elektrownie szczytowo-pompowe. „Ładowanie” tego magazynu polega na przepompowaniu wody ze zbiornika położonego niżej do akwenu położonego wyżej. Gdy następuje wzrost zapotrzebowania na energię, zachodzi odwrotny proces. Przepływająca woda napędza turbiny, które generują energię elektryczną.

Największą i najbardziej znaną tego typu instalacją jest Zapora Trzech Przełomów znajdująca się w Chinach. W 2020 roku 32 turbiny pracujące przy tym kompleksie dostarczyły do sieci 111 TWh energii, która zasila trzy pobliskie miasta.

Sukces  projektu został jednak okupiony dużymi kosztami, nie tylko finansowymi. Ekonomiści szacują, że budowa infrastruktury pochłonęła 37 miliardów dolarów. Skala projektu doprowadziła do przymusowego przesiedlenia ponad miliona mieszkańców. Przepompowywanie 40 miliardów ton wody doprowadziło również do przechylenia się osi obrotu Ziemi, co wydłużyło dobę o 0,06 mikrosekundy. Geolodzy odnotowali również zmiany aktywności sejsmicznej w centralnych Chinach, po oddaniu Zapory do użytku.

Nowe inwestycje czekają? 

Oczywiście elektrownie szczytowo-pompowe mają swoje zalety. Są w stanie magazynować gigawatogodziny energii elektrycznej oraz w sytuacji nagłych spadków mocy wytwórczych potrafią bardzo skutecznie stabilizować sieć. Co więcej, po oddaniu tych obiektów do użytku pracują one przez wiele dziesięcioleci.  

Do ich budowy potrzebne są jednak korzystne uwarunkowania terenowe oraz odpowiednie warunki hydrologiczne. Dlatego tego typu instalacje mogą powstać tylko w miejscach spełniających określone kryteria.

 Źródło: Energy Instrat

Z tego powodu, w Polsce pracuje zaledwie sześć elektrowni szczytowo-pompowych o łącznej mocy niecałych 2 GW, które dostarczają do sieci ok. 1 TWh energii rocznie. To ok. 20% produkcji ze wszystkich instalacji fotowoltaicznych w Polsce. W przyszłości może się to zmienić, ponieważ rząd planuje budowę kolejnych pięciu elektrowni o łącznej mocy 4,4 GW.

Nowe rozwiązania na horyzoncie

Wspomniane problemy natury technicznej, jak i logistycznej przy budowie elektrowni szczytowo-pompowych skłaniają inżynierów do szukania innych rozwiązań pozwalających na zastosowanie grawitacji przy magazynowaniu energii.

Swoje rozwiązanie przedstawił szwajcarski start-up Energy Vault. Wizjonerski pomysł polega na nieustannej budowie oraz demontażu wieży, składającej się z kilku tysięcy betonowych bloków o masie 35 ton każdy. W momencie niższego zapotrzebowania na energię, sześć dźwigów sterowanych za pomocą specjalistycznego oprogramowania będzie stawiać jeden blok na drugim tworząc wieżę, której wysokość może sięgnąć nawet 30 metrów. W ten sposób energia elektryczna zostaje przemieniona w kinetyczną. Z kolei, gdy popyt na energię rośnie, poszczególne elementy budowli są ponownie odkładane na ziemię. Ruch lin, dzięki którym bloki są przenoszone z miejsca na miejsce, napędza generator wytwarzający energię elektryczną trafiającą do sieci.

Projekt nie doczekał się jeszcze pełnej realizacji. Od 2018 roku w szwajcarskim Castione pracuje pilotażowa instalacja, która jest czterokrotnie mniejsza od pierwotnych założeń. Inwestycja powstała w celu sprawdzenia oraz dalszego udoskonalania oprogramowania sterującego ruchem bloków. Inżynierowie mogą również ocenić, jak ich grawitacyjny magazyn współgra z lokalną siecią energetyczną.

Zupełnie inny pomysł mają szkoccy inżynierowie z firmy Gravitricity. W ich koncepcji do stworzenia grawitacyjnego magazynu energii zostaną wykorzystane poprzemysłowe instalacje, takie jak np. opuszczone kopalnie. Centrum całego systemu mają być nieużywane szyby oraz bloki o masie od 500 do nawet 3 000 ton. W okresie zwiększonej produkcji z instalacji OZE, ciężary będą wciągane na wyższe partie tunelu. Zmagazynowana energia zostanie uwolniona poprzez opuszczanie bloku, podtrzymywanego przez liny, których ruch napędzi generatory wytwarzające energię elektryczną.  Autorzy koncepcji podkreślają dużą elastyczność układu, ponieważ szybkie zrzucenie ciężaru z dużej wysokości może w bardzo krótkim czasie uwolnić nawet 10 GWh energii. Co więcej, instalacja może działać nawet do 50 lat lub 75 000 cykli, bez znaczących prac konserwacyjnych.

Czy rozwiązania wyjdą poza fazę projektową?

Obecnie, poza prototypem w Szwajcarii, magazyny energii zarówno Energy Vault, jak i Gravitricity można zobaczyć tylko na komputerowych wizualizacjach. Jednak wkrótce może się to zmienić. Brytyjska firma prowadzi już badania wraz z Wyższą Szkołą Górniczą w Ostrawie, które mają potwierdzić możliwość zaimplementowania instalacji w zamkniętej kopalni Staříč koło Frýdku-Místku w Czechach. Do zamiany starych kopalń w magazyny energii szykują się także inwestorzy po polskiej stronie granicy. W lipcu 2021 roku Instytut Techniki Górniczej wskazał cztery obiekty, które w przyszłości mogą pomóc w przechowywaniu energii wyprodukowanej przez instalacje OZE. W ślad za tą inicjatywą, w Ministerstwie Aktywów Państwowych podpisano porozumienie w sprawie utworzenia Śląskiego Systemu Magazynowania Energii. Projekty wciąż nie wyszły jednak poza fazę koncepcyjną.

Z większą krytyką spotkał się pomysł Energy Vault. Część ekspertów zwracała uwagę na potencjalne trudności techniczne, związane z koniecznością precyzyjnego umieszczenia każdego bloku podczas budowy wieży, bez względu na panujące warunki atmosferyczne. Autorzy projektu wciąż nie są w stanie precyzyjnie przewidzieć, czy silne podmuchy wiatru nie zaburzą pracy dźwigów oraz czy oprogramowanie komputerowe będzie w stanie skorygować ewentualne błędy powstałe na skutek działania sił natury.

Jednak obie firmy już teraz podnoszą nie tylko betonowe bloki, ale i bardzo ważną kwestię opracowania nowych metod przechowywania energii. Warto śledzić drogę obu pomysłów w przyszłości.