Chwytając wiatr

-- czwartek, 19 marzec 2009

Czasem wiatr nie wieje. Czasem słońce nie świeci.

Dlatego właśnie inżynierowie, którzy rozumieją potrzeby energetyczne swojego kraju, twierdzą, że energia wiatru i energia słoneczna nie pozwolą osiągnąć większych korzyści bez jakiejś formy magazynowania rezerw energetycznych.

Dlatego też specjaliści z wielu branż – producenci akumulatorów, inżynierowie ds. mediów, a nawet producenci samochodów – szukają sposobów magazynowania energii. Chcą przygotować drogę, by energia słoneczna i energia wiatru mogły wnieść swój wkład w amerykańską sieć energetyczną. Wszystko, czego potrzeba – twierdzą – to jedna, wielka wizja.

Pod względem gęstości energii, akumulatory nie dorównują alternatywnym formom magazynowania, takim jak sprężone powietrze i hydro-przepompownie.

Jeśli połączy się razem tysiące akumulatorów i zapewni im odpowiednie chłodzenie, można magazynować energię generowaną przez wiatr i ogniwa słoneczne - stwierdza David Cole, dyrektor Ośrodka Badań Motoryzacyjnych, który pracował nad tą koncepcją w przemyśle samochodowym. Można zebrać tę moc i wykorzystać ją, gdy będzie potrzebna, w okresie szczytowego zapotrzebowania na energię.

Pomysłów jest wiele i są one różne. Jeśli niektóre z nich się sprawdzą, nadejdzie kiedyś dzień, w którym – jak przepowiada Cole – długie rzędy połączonych akumulatorów będą przechwytywać gigawaty energii. Inni przewidują stworzenie ogromnych ogniw akumulatorowych – każde o objętości nawet 28 m3 – zapewniających prąd elektryczny dla tysięcy domów. Jeszcze inni wolą tak zwane „akumulatory przepływowe” („flow batteries”) i nadprzewodnikowe pierścienie magazynujące.

Nie ma wątpliwości, że do realizacji tych scenariuszy jeszcze daleka droga. Ale inżynierowie rozumiejący sytuację przekonują, że technologia ta nie musi być gotowa już jutro.

Brak jakiejś formy magazynowania nie jest w tej chwili problemem, ponieważ tylko (około) 2 procent uzyskiwanej energii pochodzi od wiatru i słońca - twierdzi George Crabtree, starszy badacz i wybitny nauczyciel akademicki na Wydziale Materiałoznawstwa w Argonne National Lab. Problem zaistnieje, jeśli masz zamiar podejść do sprawy naprawdę poważnie i generować w ten sposób 30 do 40 procent swojej energii. Każde źródło energii wiatru i energii słonecznej musi mieć rezerwę.

Potrzeba równowagi

Rzeczywiście, większość specjalistów uważa, że magiczna liczba oscyluje wokół 10 procent. W tym momencie energia wiatru i energia słoneczna stają się ważniejszą i niezbędną częścią sieci energetycznej. Z tego powodu potrzebne jest tak zwane „równoważące” źródło energii.

Powód tego zapotrzebowania jest niezwykle prosty, ale często niedoceniany. Turbiny wiatrowe wytwarzają energię wtedy i tylko wtedy, gdy wieje wiatr. Ogniwa słoneczne wytwarzają energię tylko wtedy, gdy jasno świeci słońce. Jak wszystkie inne źródła energii – węgiel, atom, woda – prąd wytwarzany dzięki energii wiatru i energii słonecznej jest natychmiast zużywany. Z zaledwie kilkoma małymi wyjątkami, firmy energetyczne nie mają sposobu magazynowania tej energii w celu późniejszego wykorzystania.

Dlatego właśnie „zasoby równoważące” są tak ważne. Bez nich, odbiorcom mediów grożą zaciemnienia, jak to miało miejsce na początku tego roku, gdy wiatr przestał wiać w uzależnionej od energii wiatru zachodniej części Teksasu. Mają też do czynienia z sytuacją odwrotną – ilość generowanej energii jest zbyt duża – jak stało się niedawno w stanie Nowy Jork, kiedy to turbiny wiatrowe trzeba było wyłączyć, ponieważ powodowały „zator sieci”.

„Ciągi” akumulatorów ołowiowo-kwasowych mogą magazynować energię w ilości stosunkowo niewielu megawatów.

W miarę, jak wprowadzamy więcej energii ze źródeł ‘okresowych’ – wiatru i słońca – do naszego systemu, potrzebujemy zasobów równoważących na okresy, gdy źródła te nie są dostępne - stwierdza Arshad Mansoor, wiceprezes ds. dostaw i wykorzystania energii pracujący w Instytucie Badania Energii Elektrycznej (Electric Power Research Institute - EPRI). Mansoor twierdzi, że najpowszechniej wykorzystywanymi dziś zasobami równoważącymi są turbiny gazowe i elektrownie węglowe. Innymi słowy, firmy energetyczne muszą zrównoważyć duże ilości energii słonecznej i wiatrowej za pomocą tych samych (emitujących CO2) źródeł, które starają się wyeliminować.

Specjaliści jednak nadal twierdzą, że bez jakiejś formy magazynowania mają niewielkie możliwości. Jeśli nie możesz tego magazynować, to marny z tego pożytek - nadmienia Donald Sadoway, profesor chemii materiałowej na MIT, wyróżniony zaszczytnym tytułem „the John F. Elliott Profesor of Materials Chemistry” . Pokaż mi kogoś, kto otworzy firmę w miejscu, gdzie nie ma źródeł energii, na których można polegać.

Większość specjalistów zgadza się, że dziś w USA można by było bez problemu zwiększać ilość farm wiatrowych bez pilnej konieczności magazynowania, głównie dlatego, że energia wiatrowa i słoneczna stanowi teraz zaledwie 2 procent całkowitej energii wykorzystywanej w Ameryce. Ale jeśli te formy energii mają zmienić sytuację w sposób opisywany przez zeszłorocznych kandydatów na urząd prezydenta – i mają osłabić kryzys związany z ocieplaniem się klimatu – to magazynowanie będzie niezbędne.

Zwolennicy energii wiatrowej twierdzą, że potrzeba magazynowania to bujda, ponieważ w Danii 20% energii uzyskuje się z elektrowni wiatrowych, a nie ma tam urządzeń służących do jej magazynowania - stwierdza Tim Hennessy, dyrektor generalny VRB Power Systems. Ale do Danii podłączony jest wielki akumulator. A jego nazwa to Niemcy.

Dajcie nam akumulatory

Prawdę mówiąc, rozwiązania już są znane. Tak zwane hydro-przepompownie – rozwiązanie, w którym energię wykorzystuje się do przepompowywania wody do wyżej położonego zbiornika w porze zmniejszonego zapotrzebowania na prąd – znane jest od dziesięcioleci. Z technicznego punktu widzenia, hydro-przepompownie uważa się za realną alternatywę, ponieważ umożliwiają one zastosowanie energii potencjalnej przepompowanej wody do poruszania generatora i wytwarzania energii elektrycznej w porze najwyższego zapotrzebowania. Propozycje hydro-przepompowni napotkały jednak na problemy związane z magazynowaniem wody. Nikt chyba nie chce na swoim podwórku przechowywać milionów metrów sześciennych wody.

W podobny sposób firmy energetyczne proponują zastosowanie magazynowania energii elektrycznej za pomocą sprężonego powietrza (Compressed Air Energy Storage - CAES) w podziemnych jaskiniach. Wykorzystując energię wytworzoną przez elektrownie wiatrowe i słoneczne, firmy energetyczne twierdzą, że można byłoby pompować powietrze pod ciśnieniem od 55 do 69 barów do podziemnych jaskiń, a następnie wykorzystać sprężone powietrze do napędzania generatora prądu i odzyskać moc wytworzoną przez wiatr i światło.

W ciągu następnych pięciu do ośmiu lat hydro-przepompownie i CAES będą nadal najpewniejszymi rozwiązaniami – tak twierdzą inżynierowie ds. mediów. Ale zdaniem wielu, na dłuższą metę, zwłaszcza w miarę, jak coraz więcej farm wiatrowych będzie podłączanych do sieci energetycznej, akumulatory odegrają ważniejszą rolę. Cole z Ośrodka Badań Motoryzacyjnych twierdzi, że producenci samochodów rozmawiają teraz z firmami energetycznymi na temat wykorzystywania zużytych baterii litowo-jonowych z samochodów o napędzie hybrydowym, takich jak Chevy Volt, łącząc tysiące akumulatorów razem i tworząc tanie farmy akumulatorów. Nadmienia on także, że akumulatory litowo-jonowe nadawałyby się do tego celu idealnie, ponieważ bez problemu przeżyją one pojazdy, w których będą stosowane, być może nawet o 20 lat.

Wisconsin Power and Light planuje w grudniu podłączyć system magnetycznego, nadprzewodnikowego magazynowania energii (SMES) do swojej farmy wiatrowej w Cedar Ridge.

Czas przydatności do użytku akumulatora takiego jak w Volcie może wynosić nawet 20 do 30 lat - dodaje Cole. Istniałyby centralne zakłady generujące energię, która następnie byłaby dystrybuowana za pośrednictwem sieci, istniałyby farmy akumulatorów z odpowiednią elektroniką, przetwarzającą prąd przemienny na stały i stały z powrotem na przemienny. Farmy – stwierdza Cole – mogłyby magazynować energię wytwarzaną z energii wiatrowej do momentu, w którym byłaby ona potrzebna w porze zwiększonego zapotrzebowania na energię.

Akumulator przepływowy firmy VRB umożliwia różnym formom jonowym wanadu reakcję w stosie ogniw paliwowych, dzięki czemu akumulator można ładować i rozładowywać.

Oprócz tego, producenci samochodów omawiali nawet użycie baterii jako zasobu równoważącego w momencie, gdy byłyby one jeszcze zainstalowane w pojazdach.

Jeśli w garażu masz samochód o napędzie spalinowo-elektrycznym, którym akurat nie jeździsz, a jest właśnie szczyt zapotrzebowania na energię, dostawca mógłby odkupić od ciebie trochę prądu, który ci wcześniej sprzedał - twierdzi Cole. Mógłbyś nawet trochę zarobić, bo koszt energii poza szczytem jest niski.

Niektóre rozwiązania z dziedziny magazynowania energii są już testowane przez firmy energetyczne. Na przykład VRB Power Systems zainstalowała swoje wykorzystujące wanad ogniwa paliwowe w słonecznych i wiatrowych generatorach energii w Irlandii, Japonii, Danii, Niemczech, RPA i na Alasce. Produkt VRB, znany pod nazwą akumulatora przepływowego typu redoks, chemicznie magazynuje energię w różnych formach jonowych wanadu i przez membranę do wymiany protonów pompuje ją w „ogniwa przepływowe”. Zachodzącą w ten sposób reakcję można odwrócić, co umożliwia ładowanie i rozładowanie akumulatora, gdy magazynuje on i uwalnia energię.

Hennessy z VRB porównuje tę technologię do silnika samochodowego i zbiornika paliwa. Zwiększenie rozmiarów silnika daje więcej mocy, podczas gdy powiększenie zbiornika paliwa zwiększa zasięg i czas pracy. W przypadku akumulatora przepływowego, kluczem jest czas pracy - twierdzi. Oferowany akumulator ma określoną wielkość. Wielkość określa moc. Jeśli chcesz uzyskać dłuższy czas pracy, dodajesz więcej płynu. Hennessy dodaje, że VRB stworzyła 10-megawatowe akumulatory, wykorzystując 50 jednostek akumulatorów, każda o wymiarach około 2x3x8 m.

Kilku producentów z całego świata opracowuje inne technologie, których przeznaczeniem jest magazynowanie energii na wielką skalę. NGK Insulators, na przykład, stworzyła akumulator sodowo-siarkowy do „wyrównywania obciążenia energetycznego i oszczędności energii”. Akumulator ten, znany jako NAS, ma formę modułu zawierającego wiele ogniw, z których każde ma wielkość mniej więcej litrowej butelki napoju gazowanego. Ten szczelnie zamknięty akumulator działa na takiej zasadzie, że temperatura 300° C oddziałuje na ciekły metal (sód) i ciekły niemetal (siarkę), które oddzielają od siebie materiał ceramiczny. NGK twierdzi, że łącząc wiele modułów, może stworzyć akumulator zdolny magazynować „kilka megawatów” energii.

Podobnie twierdzi Wisconsin Power and Light. Planuje na początku 2009 roku podłączyć system magnetycznego, nadprzewodnikowego magazynowania energii (Superconducting Magnetic Energy Storage - SMES) – swego rodzaju gigantyczny akumulator – do swojej farmy wiatrowej w Cedar Ridge w celu „zapewnienia sieci większej stabilności”. SMES, opracowywany od wielu lat na University of Wisconsin, magazynuje prąd elektryczny, przepuszczając prąd stały przez cewkę, która jest chłodzona niskotemperaturowo do temperatury, w której staje się nadprzewodnikiem.

Naukowcy mają nadzieję, że w końcu olbrzymie pierścienie SMES – być może wielkości boiska – będzie można wykorzystywać do magazynowania gigawatów energii. Pierścienie takie, bardzo kosztowne z racji drogich systemów chłodzenia, potrzebnych do uzyskania temperatur, w których zachodzi zjawisko nadprzewodnictwa, oferowałyby 95-procentową sprawność oraz minimalne opóźnienie przy ładowaniu i rozładowywaniu.

Wyzwania, jakie czekają nas w przyszłości

Większość bazujących na akumulatorach technologii magazynowania dzielą jeszcze lata od fazy dojrzałości. Technologie te są bardzo kosztowne, trapią je także problemy natury technicznej. W przeciwieństwie do elektrowni atomowych, które zazwyczaj wytwarzają 1,5 do 1,6 GW energii, farmy magazynowe wykorzystujące akumulatory ołowiowokwasowe z trudem mogłyby wyprodukować 100 MW. Większość podobnych obiektów jest dziś w stanie wygenerować o wiele mniej.

W tej chwili magazynowanie takiej ilości energii jest wyzwaniem - twierdzi Crabtree z Argonne. Nie ma na to dobrego sposobu i wiadomo to od 20 lat.

To naprawdę, naprawdę trudny problem - dodaje Sadoway z MIT, pracujący nad projektem swojego własnego, masywnego akumulatora wykorzystującego ciecz i metal; ogniwa tego akumulatora mogłyby mieć wymiary 3x3x3 m.

Problemem nie jest po prostu ilość magazynowanej energii. Jest nim możliwość pobrania ładunku i szybkiego dostarczenia go. Gdy nadejdzie szczyt zapotrzebowania energetycznego, trzeba być w stanie dostarczyć energię.

Jednak specjaliści twierdzą, że energia wiatrowa i słoneczna nie będą w stanie nabrać naprawdę dużego znaczenia bez jakiejś formy magazynowania. Krótko mówiąc, problem polega na tym, że siła wiatru i ilość światła słonecznego jest zmienna i firmy związane z mediami mają problem z dopasowaniem zmiennych zasobów do zmiennego zapotrzebowania klientów.

Cały spór, by zwiększyć ilość energii uzyskiwanej z elektrowni wiatrowych po to, by energetyka stała się bardziej ekologiczna, przekształca się w bardzo realne wyzwanie natury technicznej - twierdzi Hennessy. To jest powód, dla którego dostawcy energii sprzeciwiają się idei farm wiatrowych.

Mimo tego, większość specjalistów śmiało popiera koncepcję magazynowania energii. Bez tego – twierdzą – kraj musiałby polegać na większej ilości węgla i turbin gazowych jako środka do równoważenia odnawialnej energii.

Jeśli trzeba polegać na większej ilości węgla i gazu, by zrównoważyć niedobory energii wiatrowej, wówczas – z punktu widzenia ochrony środowiska – działa się na przekór temu, co się chce osiągnąć - stwierdza Mansoor z EPRI. Dlatego magazynowanie jest tak ważne. To idealny zasób równoważący.