– Zwolennicy budowy systemów energetycznych opartych wyłącznie o źródła odnawialne, często na podnoszone zastrzeżenia dotyczące niestabilności podstawowych źródeł OZE to jest wiatru i słońca, mówią o mitycznych magazynach energii, które mają być tanie i ma być ich dużo, a tak w ogóle to już czekają za progiem. A jak jest naprawdę? – zastanawia się Józef Sobolewski, dyrektor Departamentu Energii Jądrowej w Ministerstwie Energii.
W poprzednim artykule na bardzo podstawowych faktach pokazałem, że niestabilne źródła OZE bazujące na wietrze i słońcu nie tylko, że nie są efektywnym narzędziem redukcji emisji CO2, to także, że nie mogą stanowić podstawy systemu energetycznego, ponieważ nie są dyspozycyjne. Nie zmienia to faktu, że mogą one funkcjonować w systemie energetycznym ale jako dodatek a nie baza systemu. Jedyną zaletą źródeł odnawialnych jest ich stosunkowa niska cena jednostkowa za pojedyncze urządzenie, ideologicznie podbudowany system subsydiów, no i jak w jednym z gospodarczych portali powiedział parę lat temu doradca sektora OZE; wiatrak to nie elektrownia, to znakomity instrument finansowy. I tym ostatnim trudno się nie zgodzić.
Magazyny energii
Zwolennicy budowy systemów energetycznych opartych wyłącznie o źródła odnawialne, często na podnoszone zastrzeżenia dotyczące niestabilności podstawowych źródeł OZE to jest wiatru i słońca, mówią o mitycznych magazynach energii, które mają być tanie i ma być ich dużo, a tak w ogóle to już czekają za progiem. A jak jest naprawdę ?
Barierą do stworzenia dużych magazynów energii nie są problemy technologiczne (te inżynierowie mogą pokonać) ale podstawowe prawa fizyki, których pokonać się nie da. Oczywiście można próbować się im sprzeciwić, ale wówczas szybko osiągniemy poziom absurdu ekonomicznego albo środowiskowego. Tak, środowiskowego, zwolennicy OZE niechętnie mówią, że o ile produkcja energii jest czystym procesem, to produkcja urządzeń OZE jest już bardzo brudnym biznesem, a o utylizacji też raczej się nie myśli.
W magazynie energii podstawowym parametrem określany przy budowie takiego magazynu jest gęstość energii na jednostkę masy (inaczej ilość energii możliwa do skumulowania w jednostce masy). Znaczenie tego terminu zależne jest od sposobu w jaki ta energia może zostać wydobyta. Ponieważ zasady termodynamiki nakładają fundamentalne ograniczenia na efektywność przemiany energii, wydobycie tej energii nigdy nie obędzie się bez jej strat. Rozważając różne typy magazynów energii przyjrzyjmy się rzeczywistej (uwzględniającej procesy przemiany) gęstości źródła energii.
Na początek jeszcze przyjmijmy benchmark jakim jest zapotrzebowanie na energie elektryczną Polski uśrednione w skali czasu. W 2017 roku zużycie energii elektrycznej w Polsce wyniosło około 170 000 GWh, co oznacza w skali kraju uśrednione zapotrzebowanie przekraczające 19 GWh na godzinę. Czyli jeśli nasz system bazowałby wyłącznie na wietrze i słońcu to systemy magazynowania energii musiałyby dostarczyć taką ilość energii w ciągu godziny, jeśli wiatr nie zawieje a słońce sobie zaszło.
Gromadzenie energii w wodzie
Najpopularniejsze obecnie magazyny energii (99% zainstalowanej w świecie mocy), to jest elektrownie szczytowo-pompowe (ESP) bazują na wykorzystaniu energii grawitacyjnej (potencjalnej). W zależności od różnicy wysokości gęstość energii waha się w granicach 0,0001-0,0003 kWh/kg. To niewiele, ale zbiorniki wodne mogą zgromadzić setki tysięcy ton wody. Największa na świecie ESP San Louis (USA) może zgromadzić 126 GWh, co teoretycznie mogłoby zaspokoić średnie potrzeby takiego kraju jak Polska przez 6 godzin, ale nie jest to możliwe, ponieważ zainstalowane generatory (związane z uwolnieniem wody i produkcją energii elektrycznej) dają maksymalnie około 500 MW mocy. Należy jeszcze zauważyć, że strata energii w ESP w zależności od jej konstrukcji to 20-40% (według ARE w 2017 średnia w Polsce to 35%).
Łączna energia zgromadzona w polskich ESP to około 8 GWh, przy zainstalowanej mocy do pracy turbinowej rzędu 1,5 GW. Proszę policzyć na jak długo starczyłoby energii zgromadzonej w ESP, na zasilanie całego kraju, gdyby taka generacja była możliwa (a nie jest). To mniej niż pół godziny.
Ocenia się, że koszt budowy ESP, gdzie jeden zbiornik jest naturalny a drugi sztuczny, na mniej więcej 60-70 milionów Euro za 1 GWh pojemności (dane niemieckie; ESP Goldisthal). Oznacza to, że budowa ESP, które byłyby w stanie zasilać Polskę przez 1 dobę ze zgromadzonej w nich energii (około 456 GWh) to koszt co najmniej 130 miliardów złotych. Pozostaje jeszcze pytanie gdzie te ESP miałyby powstać. Teraz mamy 6 ESP, a potrzebowalibyśmy przy założeniu podobnego rozkładu pojemności co najmniej 300 (!) ESP.
Gromadzenie energii w sprężonym powietrzu
Innym typem magazynu energii zastosowanym w większej skali, który mieści się w tym pozostałym 1% jest koncepcja wykorzystywania energii sprężonego powietrza. Zgromadzona energia zależy od stopnia sprężenia i w obecnie używanych tego typu magazynach waha się w granicach 0,01-0,05 kWh/kg. Nie jest to technologia czysta, gdyż odzysk energii zgromadzonej w sprężonym powietrzu następuje poprzez współspalanie gazu ziemnego w turbinie gazowej. Sprawność takiego systemu to średnio 60%. Obecnie działają dwa takie magazyny energii, jeden w Niemczech o mocy 320 MW i w USA o mocy 110 MW. To są typowe elektrownie szczytowe. Problemem w tym rozwiązaniu są zbiorniki. Ze względu na potrzebę znacznych objętości używa się kawern solnych. W niemieckiej elektrowni to dwie kawerny o pojemności ponad 300 000 m3, zaś możliwa do zgromadzenia energia to około 0,6 GWh. Zwolennikom budowy magazynów energii odnawialnej bazujących na tej technologii proponuję zastanowienie się nad ilością kawern solnych dostępnych w naszym kraju.
Gromadzenie energii w stopionej soli
Kolejnym typem magazynu energii możliwym do stosowania w większej skali jest magazynowanie w postaci ciepła w zbiornikach ze stopionymi solami. Gęstość energii waha się w granicach 0,1-0,2 kWh/kg. Największa tego typu instalacja zbudowana w Arizonie (USA) wykorzystuje bezpośrednio energię słoneczną, ogrzewając przy pomocy zwierciadeł zbiornik z solą do temperatury około 600 stopni Celsjusza. Stopiona sól gromadzona jest w podziemnym zbiorniku, a następnie w razie potrzeby przekazywana do wytwornic pary napędzających klasyczne turbiny parowe. Instalacja ta działa w zasadzie jak klasyczna elektrownia i jest w stanie maksymalnie zgromadzić około 1,7 GWh energii. Można tą technologię wykorzystywać ogrzewając stopioną sól energią elektryczną pochodzącą z wiatru czy słońca, jednak o efektywności takiego rozwiązania lepiej nie mówić.
Gromadzenie energii w bateriach
Ostatnim sposobem magazynowania energii, nadzieją zwolenników idei 100% OZE są systemy bateryjne oparte o chemiczne magazynowanie energii elektrycznej w bateriach litowo-jonowych (Li-Ion). Gęstość energii w tego typu systemach waha się w granicach 0,1-0,3 kWh/kg. Faktem jest, że baterie tego typu zdobyły sobie dużą popularność w urządzeniach przenośnych, ale w tym przypadku potrzeby systemu energetycznego są znacznie większe. Przyjrzyjmy się Świętemu Grallowi energetyki niestabilnej, czyli magazynowi Elona Muska zbudowanemu w Australii Południowej. Ta wielka bateria o mocy 100 MW i pojemności 129 MWh ma za zadanie zabezpieczyć około 30 000 gospodarstw w przypadku blackout’u dostarczając energię przez około godzinę. Zaletą tej instalacji jest bardzo szybki czas reakcji na zapotrzebowanie, więc w chwili obecnej służy przede wszystkim do stabilizacji sieci opartej na źródłach odnawialnych, zaś jeśli chodzi o blackout to Australijczycy powinni znaleźć inne rozwiązanie. Nieco ponad rok przed oddanie tego magazynu w południowej Australii zdarzył się blackout. Zapotrzebowanie na moc wynosiło wówczas 1700 MW, co oznacza, że cała energia zgromadzona w wielkiej baterii starczyłaby na niecałe 5 minut. Inaczej taką ilość energii dostarcza klasyczny 1000 MW blok węglowy w 8 minut. A na jak długo starczyłaby pojemność takiej baterii na uśrednione zasilanie naszego kraju ? Na 23 sekundy.
Przejdźmy do ostatniego istotnego elementu, czyli kosztów. Często słyszymy zapewnienia, że magazyny energii są (będą) coraz tańsze. Jakie ma to odniesienie w rzeczywistości? Niestety jak w każdym biznesie kwestie finansowe nie są do końca jasne. Australijskie media oceniają koszt magazynu Muska na około 100 milionów USD. Zakładając, że bazujemy w 100% na wietrze i słońcu, to w przypadku gdybyśmy chcieli na 1 godzinę zabezpieczyć nasze uśrednione krajowe zapotrzebowanie z takich właśnie magazynów, konieczne jest wybudowanie 150 takich magazynów energii za łączną sumę 15 miliardów USD. Za tą sumę możemy mieć 3-4 GW w energetyce jądrowej pracujące na okrągło. Nie zapomnijmy, że po 10-15 latach potrzebna będzie wymiana zdegradowanych baterii na nowe.
Co jeszcze?
Od czasu do czasu zwolennicy magazynowania energii z emocją mówią o egzotycznych pojedynczych rozwiązaniach, nie mających na ogół komercyjnego charakteru. Wystarczy się przyjrzeć tylko temu jednemu parametrowi jakim jest gęstość energii na jednostkę masy lub objętości. Wszystkie typy akumulatorów oparte są na zamianie energii elektrycznej w wiązania chemiczne mają zbliżoną gęstość energii, tego samego rzędu wielkości. Koło zamachowe porównywalne jest z baterią litowo-jonową. Kondensatory porównywalne są z wodą, a super kondensatory są może o rząd wielkości lepsze.
Tak dla porównania energia chemiczna zgromadzona w węglu jest 100-krotnie większa niż w tej samej jednostce masy baterii litowo-jonowej, a energia jądrowa 200 milionów razy większa.
