Nie da się ignorować trendu pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych. Indywidualne instalacje fotowoltaiczne czy też większe farmy słoneczne, skupiska wiatraków – to jest coś co zauważamy już codziennie wokół nas. Na energię z turbin wodnych nie wszędzie są odpowiednie warunki. Na atom po katastrofie w Fukushimie niektóre kraje spoglądają z obawą (wyłączając nawet swoje sprawnie działające bloki energetyczne), a w Polsce dominujące obecnie pokolenia mają traumę po Czarnobylu. Mimo, że kierunek wydaje się słuszną drogą do krajowej niezależności energetycznej (dzisiejsze technologie jak i nasze uwarunkowania geologiczne są raczej gwarancją spokoju), to sam proces ewentualnej budowy reaktora włączając w to wszelkie stadia legislacyjne i finansowe – potrwa długo. Czy jest na to jakieś remedium?

Niestety niestabilność ciągłości generacji prądu ze wspomnianych na samym początku „zielonych, odnawialnych źródeł” jest sporym hamulcem w wygaszaniu „brudnych źródeł” energii. W związku z tym zasadne wdaje się dążenie do buforowania energii powstającej w nadwyżce, którą będzie można oddać w miarę bezprzerwowo w momencie chwilowego niedoboru.

Stosowane dziś technologie dają nam kilka możliwości….

Znane od lat są elektrownie szczytowo-pompowe. Jeśli warunki środowiskowe pozwalają na stworzenie dwóch zbiorników na różnych poziomach wysokości (wystarczająca jest różnica poziomów już rzędu kilku- kilkunastu metrów) to za pomocą wcale nieskomplikowanego systemu pompo-generatorów (tzw. hydrozespołów odwracalnych) doprowadzaną z zewnątrz energię wykorzystuje się do przepompowania wody z dolnego zbiornika do górnego, a w przypadku zapotrzebowania na moc, w zaledwie kilka minut można odwrócić proces i spływająca w dół woda oddaje zgromadzoną energię napędzając generator. Sprawność takiego układu może wynosić około 80%.

W kraju mamy kilka takich przykładów, największa w Żarnowcu, ale zapewne najbardziej znana turystom znajduje się w Czorsztynie-Niedzicy. Warto odwiedzić takie miejsce i choć raz zobaczyć je na własne oczy – pozwala to zrozumieć, że nie jest to inwestycja łatwa do realizacji, a już na pewno nie w dowolnym miejscu (co więcej – wg oficjalnych danych w naszym kraju nie ma już dogodnej lokalizacji na takową budowlę hydrotechniczną). Z magazynowaniem przy wykorzystaniu wody wiążą się także zapory na zalewach. Podczas nadwyżki mocy w systemie wystarczy ograniczyć przepływ wody pozwalając na jej dodatkowe gromadzenie, a w niedoborze – wykorzystać zwiększoną moc generatorów.

Na podobnej do powyższego sposobu zasadzie mogą działać „akumulatory pneumatyczne” (określane skrótem CAES). Tu sprężamy powietrze, które później można odzyskać rozprężając je w turbinie prądotwórczej. Niestety sprawność takiego systemu wynosi zaledwie około 30%, gdyż spora część energii podczas sprężania tracona jest w postaci ciepła. Można oczywiście modyfikując całość wykorzystać to ciepło i zwiększyć efektywność do około 70%, lecz komplikuje to znacząco całość instalacji (co oczywiście wiąże się wprost z większym kosztem).

Inna metoda, po części podobna do magazynowania w wodzie (gdzie zgromadzona energia potencjalna uwalniana była przy upuszczaniu wody) to akumulatory wykorzystujące energię grawitacyjnego opuszczania czy staczania dużej masy. Aby łatwiej to zobrazować – proszę wyobrazić sobie szeroką i głęboką studnię, w której na bloczku zawieszony jest kilkusettonowy blok betonowy. Przy nadwyżce energii nawijana na bęben lina wciąga masę do góry, a przy zapotrzebowaniu – swobodnie opuszcza się w dół napędzając generator. Kto wie – może to u nas w kraju po części okaże się alternatywnym wykorzystaniem terenów pokopalnianych? W końcu wiele szerokich i głębokich szybów jakie pozostaną po kopalniach można by tak wykorzystać.

Na następny wymieniany przeze mnie pomysł musiał chyba wpaść jakiś inżynier układając z dzieckiem wieżę z klocków: zespół automatycznych dźwigów, który będąc zasilanym układa jeden na drugim ciężkie bloki, aby rozładowując je mógł oddać znaczną część pobranej energii. Koncepcja jest w fazie wdrażania – kombinują i Japończycy i Szwajcarzy, którzy tworzą pilotażową instalację (dla ciekawych – szukajcie „Energy Vault”).

Jeszcze inny (działający w USA) pomysł to transport po szynach ciężkich wagoników pod górkę, które na jej szczycie są rozkładane po wielu bocznicach. Jak potrzebujemy odzyskać to co wydatkowaliśmy – pozwalamy im zjeżdżać. Pomysł o tyle wart zaznajomienia, że wagonik posiada silnik/generator, który „do sieci” przyłączony jest własnymi kołami („szyna +” i „szyna -”), więc każdy jest niezależny. Poszukajcie „Advanced Rail Energy Storage” – to naprawdę interesująca koncepcja.

Następna możliwość to wirująca masa – potężne koło zamachowe. Rozpędzone zachowuje energię, którą może następnie oddawać do generatora wyhamowując jego prędkość obrotową. Niestety minimalizacja tarcia polegająca na utrzymaniu całości w próżni, na łożyskach magnetycznych jest dość droga. Dodatkowo szybki ubytek energii (około 10% na godzinę) sprawia, że ta opcja nie wszędzie dobrze się sprawdzi.

Ciepło – to także sposób na kumulację energii. Tu metod jest kilka, a wszystkie opierają się na procesach termodynamicznych. Choć wykorzystujemy je głównie do ogrzewania (co nie ukrywajmy – stanowiąc często sporą część „budżetu energetycznego” budynków czy procesów, pozwala odciążyć zużywane zasoby energii elektrycznej) to są także instalacje pozwalające na takie nagrzanie czynnika, które umożliwia wytworzyć wystarczającą ilość pary wodnej do rozpędzenia turbiny.  
Magazyny paliwowe to np. te oparte o wodór lub metan. W nadwyżce energetycznej, elektrolizą możemy wyprodukować wodór, który zgromadzony w zbiornikach najefektywniej zamieniamy w energię w ogniwie paliwowym. Ewentualnie gaz ten (jako dość niebezpieczny i trudny do gromadzenia w większych ilościach) łączony z dwutlenkiem węgla w reakcji Sabatiera możemy zamienić na metan. Substancję tą jako łatwiejszą w magazynowaniu, można wykorzystać w procesie spalania do napędzania turbin. Dygresyjnie – sam proces Sabatiera jest również ciekawy – polecam zapoznanie się z nim, zwłaszcza w aspekcie planowanej załogowej misji na Marsa.

W rozważaniach na temat zasobników energii nie sposób pominąć technologii nadprzewodnikowej, która pozwala magazynować ją w polu magnetycznym, jednak konieczność utrzymania ekstremalnie niskich temperatur jak i sam koszt wytworzenia tych materiałów wydaje się na razie poza naszym zasięgiem.

Na sam koniec zostawiłem sobie energię więzioną w procesach chemicznych, czyli dobrze wszystkim znane akumulatory elektryczne. Co prawda sprawność wersji kwasowo-ołowiowych oscyluje w granicach 60%, ale dla ogniw opartych o lit jest to już ponad 90%. Prace badawcze prowadzone na całym świecie, w celu uzyskania ogniw o znacznie lepszej relacji wydajności do kosztów wytworzenia, są całkiem zaawansowane (przykładowo u nas w kraju wybija się w badaniach krakowska AGH, gdzie komercjalizuje się projekt ogniw opartych o sód). Generalnie akumulatory pomimo głównych wad w postaci ograniczonej żywotności i stosunkowo niemałym koszcie i tak są powszechnie używane, a to głównie z powodu braku konieczności stosowania rozbudowanej „infrastruktury pobocznej”: ładujemy prądem – odzyskujemy prąd. I wydaje się, że właśnie ta metoda jest i nadal będzie się rozpowszechniać najszerzej.

Po co nam w ogóle te magazyny energii? Przydatność ich należy rozważać w 3 obszarach:

1. Kompensacja mocy w krajowej sieci energetycznej – często nadprodukcja w jednej chwili a niedobór w innej potrafi sprawić energetykom sporo kłopotów. Z tego powodu należy mieć możliwość pewnych manewrów, co ułatwiają właśnie duże bufory, np. w postaci elektrowni szczytowo-pompowych.
2. Zabezpieczenie kluczowych procesów bądź obiektów przed przerwami w dostawie prądu. Dobrym przykładem są tu np. szpitale, które nie mogą sobie pozwolić na zaniki zasilania podczas prowadzanej operacji chirurgicznej. W przypadku awarii sieci, bufor energii pozwala natychmiast obsłużyć źródła przez czas startu zapasowych generatorów (opartych np. o silniki spalinowe). Podobnie ma się rzecz w fabrykach, gdzie zatrzymanie produkcji a następnie jej ponowne uruchomienie generuje spory koszt finansowy, poza chwilowym przestojem wspominając choćby o koniecznych do utylizacji brakach. Tutaj spisują się świetnie średniej wielkości pakiety akumulatorów z falownikami odpowiedniej mocy. Takie pakiety najczęściej montowane są w szafach na systemach szufladowych, gdzie idealnie sprawdzą się złącza montowane na tylnej ściance, które współpracują z szynami prądowymi będącymi elementami konstrukcji całości.

3. Prywatne gospodarstwa domowe, gdzie użytkownicy postawili na własne instalacje fotowoltaiczne. Prąd produkuje się jak świeci słońce – jeśli chwilowo przysłonią je chmury lub zapadnie zmrok, pobieramy energię z sieci nabijając kilowaty na licznik. Zastosowanie niewielkiego bufora domowego pozwala nam utrzymać ciągłość zasilania co w najbardziej optymistycznym przypadku daje nam sytuację, że za dnia wyprodukowana energia wystarcza na całkowite zasilenie odbiorników domowych. Pobierana z zewnątrz jest dopiero w nocy, i to dopiero po wyczerpaniu naładowanego za dnia pakietu akumulatorów. Przykładowo zastosowany w Polsce schemat rozliczeniowy bez kosztowego odbioru 80% energii wprowadzonej do sieci operatora może sprawić, że jeszcze szybciej zwróci się nam inwestycja w instalację, bo poza opłatami stałymi nie zostanie nam nic naliczone na rachunek. Mając na uwadze określony czas życia akumulatorów, co wiąże się z ich okresową wymianą, warto zastosować bezpieczne połączenia z którymi poradzi sobie bezbłędnie zwykły użytkownik.

W związku z powyższymi wywodami myślę, że możemy pokusić się o wniosek: „Bateryjne akumulatory energii będą lada chwila bardzo silnie rozwijającą się dziedziną rynku energoelektronicznego”. Można spodziewać się, że zarówno obecni specjaliści w branży jak i nowopowstające przedsięwzięcia będą poszukiwały sprawdzonych komponentów do ich produkcji. A tu, jak widać na przykładach powyżej, firma Phoenix Contact służy pomocą – jeśli ktoś poszukuje niezawodnych połączeń do pakietów bateryjnych, zapraszamy do kontaktu i rozmowy!

Dowiedz się więcej na www.phoenixcontact.pl/innowacjeDC

Autor:

Piotr Andrzejewski  – Menadżer Segmentu przyłączy do Urządzeń

email: pandrzejewski@phoenixcontact.pl