Trudność produkcji energii dokładnie na miarę potrzeb
Główne źródło trudności, którą omawiam, wiąże się z faktem, że zarówno ilość produkowanej energii, jak i jej zużycie stale się zmieniają. Ideałem jest sytuacja, gdy produkujemy tyle energii, ile w danym momencie klienci wykorzystają. Ale ten ideał bardzo trudno osiągnąć, bo mimo naukowych metod prognozowania zapotrzebowania na energię (sam się tym zajmowałem przy użyciu sieci neuronowych) – rzeczywistość często rozmija się z oczekiwaniami. Szczególnie trudna sytuacja powstaje, gdy potrzeby przewyższą produkcję. Trzeba wtedy wyłączać niektórych odbiorców, co jest nieprzyjemne i wiąże się ze stratami ekonomicznymi. Dlatego energii produkuje się zawsze trochę więcej, niż przewidywane zapotrzebowanie.
Ale jeśli klienci tej nadwyżki energii nie kupią – to pojawia się problem. W przypadku innych towarów można nadmiar zmagazynować i sprzedać w momencie, gdy ponownie popyt przewyższy podaż. W przypadku energii elektrycznej magazynowanie jest bardzo trudne.
Fluktuacje podaży energii elektrycznej w energetyce źródeł odnawialnych
Problem magazynowania nadwyżek produkowanej energii pojawia się w „dużej” energetyce, gdzie dostawcami prądu są duże elektrownie, a odbiorcami całe miasta albo duże fabryki. Ale problem ten występuje także w przypadku modnych ostatnio źródeł energii odnawialnej. Nastawiamy się na to, żeby tę „zieloną” energetykę rozwijać, organizując między innymi sieci tak zwanych prosumentów, to znaczy uczestników rynku energetycznego, którzy pełnią zarówno rolę producentów (stąd „pro”) jak i konsumentów energii elektrycznej. Zwykle są to właściciele farm baterii słonecznych (ogniw fotowoltaicznych) jak i właściciele energetycznych wiatraków. O tych źródłach energii można mówić dobrze i źle. Ogniwa słoneczne albo wiatraki nie zużywają wprawdzie coraz kosztowniejszych surowców energetycznych (węgla, ropy, gazu) ale są zależne od kaprysów pogody – stopnia nasłonecznienia albo siły wiatru. Na pogodę nie mamy wpływu, więc często bywa tak, że raz produkowanej energii jest za dużo, a innym razem potrzebujemy zasilania, a tu słońce nie świeci, wiatr nie wieje... I tu znowu pojawia się problem magazynowania energii. Chcemy ją gromadzić, gdy jest w nadmiarze (w słoneczne południe) a odzyskiwać, gdy jej brakuje (nocą). Ale jak i gdzie ją gromadzić?
Akumulatory nie rozwiążą problemu
Rozwiązanie, które przychodzi w tym momencie do głowy laikowi, polega na zastosowaniu akumulatorów. Wiadomo, że służą one do magazynowania energii elektrycznej, na przykład w samochodach. Ale przy obecnym stanie techniki to nie wystarcza, bo osiągalne obecnie pojemności akumulatorów są zbyt małe. Niemniej pracuje się intensywnie nad ich powiększeniem. Instytucja BNEF (Bloomberg New Energy Finance), zajmująca się tą problematyką przewiduje, że oparte na akumulatorach magazyny energii, których pojemność w 2018 roku szacowano na 17 GWh, w 2040 roku osiągną pojemność 2850 GWh, czyli zanotują stukrotny wzrost! Żeby osiągnąć ten cel BNEF zamierza wydatkować astronomiczną kwotę 660 mld USD!
Może wytwarzać wodór?
Podejmowane są próby magazynowania energii w formie chemicznej. Działa to tak: prąd elektryczny rozkłada wodę na tlen i wodór. Ten ostatni jest znakomitym paliwem, mającym najlepszy stosunek ilości energii dostarczanej podczas spalania do ciężaru paliwa, dlatego chętnie jest wykorzystywany jako paliwo rakietowe. Jednak w zastosowaniach codziennych wodór jest mniej praktyczny – łatwo ucieka ze zbiorników (ma najmniejsze cząsteczki ze wszystkich istniejących substancji!), a po zetknięciu z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową o ogromnej sile. Dlatego po elektrycznym wytworzeniu wodoru uruchamia się kolejny proces (też napędzany elektrycznie) zamiany wodoru w metan. Metan jest gazem dobrze znanym, używamy go w domowych piecach gazowych oraz w samochodach, a można go także użyć w elektrowniach, żeby w momentach deficytu energii wytworzyć dodatkowy prąd.
Koła zamachowe i magazyny sprężonego powietrza
Wiele jest też różnych sprytnych urządzeń mechanicznych, które mają akumulować energię w momencie, gdy mamy jej nadmiar, a potem oddawać, gdy pojawia się deficyt. Najprostszym urządzeniem tego typu jest koło zamachowe – system, w którym przy nadwyżce energii silnik elektryczny rozpędza do dużej prędkości obrotowej koło o bardzo dużym momencie bezwładności, po czym specjalne sprzęgło odłącza silnik. Rozpędzone koło umieszczone jest w specjalnej osłonie i wiruje w próżni (bez oporu powietrza), a jego łożyska zapewniają minimalne tarcie, więc raz rozpędzone może wirować wiele godzin. Gdy przychodzi moment, że zgromadzoną w kole energię kinetyczną chcemy odzyskać – włącza się sprzęgło i silnik napędowy, który staje się w tym momencie prądnicą, oddaje energię elektryczną do sieci. Pozbawiane energii koło zwalnia, aż wreszcie zatrzymuje się. W tym stanie spoczynku czeka na kolejny moment, gdy nadwyżka energii w sieci ponownie je rozpędzi – i cały cykl się powtórzy. Niestety tym sposobem udaje się zmagazynować stosunkowo mało energii, a ponadto część energii jest tracona, bo z wirowaniem koła związane jest zawsze pewne tarcie, które „kradnie” energię. Innym mechanicznym sposobem magazynowania energii są instalacje określane jako CAES (Compressed Air Energy Storage). Są to zbiorniki, w których przechowuję się sprężone powietrze. Gdy w sieci jest nadmiar energii napędzane elektrycznie kompresory sprężają powietrze w zbiornikach mogących wytrzymać bardzo wysokie ciśnienie (typowo 70 atmosfer). Zbiorniki te lokuje się zwykle w naturalnych jaskiniach lub w wyrobiskach opuszczonych kopalni. Sprężone powietrze może być przechowywane przez długi okres praktycznie bez strat (przypomnijmy sobie, jak długo utrzymuje się sprężone powietrze w oponach samochodu!), zaś gdy pojawi się deficyt energii w sieci – można je wpuści do turbiny wytwarzającej prąd i zmagazynowaną energię odzyskać.Elektrownie szczytowo-pompowe
Wyjątkowo użyteczne są tak zwane elektrownie szczytowo-pompowe. Do zbudowania takiej elektrowni (będącej w istocie potrzebnym magazynem nadwyżek energii) potrzebne jest specyficzne ukształtowanie terenu. Musi się znaleźć góra, na której szczycie da się zbudować sztuczne jezioro. Potrzebny jest więc płaski szczyt i skały nie przepuszczające wody, więc nie wszędzie da się to zrobić. U podnóża góry z kolej potrzebny jest zasób wody (jezioro lub głęboka rzeka). Górny i dolny zbiornik wody łączy się rurociągiem albo sztolnią i uzupełnia zespołem pompoturbin, które mogą pracować jako pompy tłoczące wodę i jako turbiny napędzane energią spadającej wody.
Zasada działania tego systemu jest bardzo prosta: Gdy w sieci energetycznej jest nadwyżka energii uruchamia się pompy i rurociągiem pompuje się wodę z dolnego zbiornika do górnego. Zwykle górny zbiornik jest położony dość wysoko (w stosunku do dolnego) i ma dużą pojemność, więc ilość energii zgromadzona w tej wpompowanej na szczyt wodzie może być bardzo duża. Konkretne dane podam za chwilę dla kilku wybranych elektrowni, ale są to tak duże instalacje, że łącznie na świecie stanowią on 95% mocy wszystkich istniejących magazynów energii, dostarczających łącznie 184 GW mocy.
Jak łatwo się domyślić, gdy już górny zbiornik zostanie napełniony wodą i gdy przyjdzie moment, że zapotrzebowanie na energię elektryczną stanie się większe, niż jej bieżąca produkcja w czynnych elektrowniach – otwiera się zasuwy i woda z górnego zbiornika spada rurociągiem lub sztolnią upadową wprost na łopatki pompoturbin, pracujących w tym momencie jako prądnice zasilające sieć w potrzebną brakującą energię. Zaletą elektrowni szczytowo-pompowych jest szybka reakcja na deficyt prądu. Turbiny w elektrowni cieplnej wymagają czasu rozruchu rzędu kilku godzin lub co najmniej kilkudziesięciu minut. Elektrownia szczytowo-pompowa osiąga pełną moc w ciągu 180 sekund!
Ten sposób gromadzenia energii jest też bardzo sprawny odzyskuje się 80% energii włożonej w pompowanie wody – to więcej, niż w przypadku innych sposobów magazynowania energii!
W Polsce największa elektrownia szczytowo-pompowa związana jest z miejscowością Żarnowiec, gdzie miała powstać pierwsza polska elektrownia jądrowa. Dolnym zbiornikiem tej elektrowni jest Jezioro Żarnowieckie, natomiast górnym jest sztuczny zbiornik wodny o powierzchni 135 ha i pojemności prawie 14 mln m3 wody. Górny zbiornik wybudowano na wzgórzu morenowym na wysokości 126 m. Poziom wody w tym zbiorniku zmienia się i różnica poziomów między całkowitym napełnieniem i całkowitym opróżnieniem wynosi 16 m (tyle, co sześciopiętrowy dom!). Rurociągi pomiędzy górnym i dolnym zbiornikiem mają ponad kilometr długości. Gdy są otwarte, to przepływa przez nie 700 m3 wody w ciągu jednej sekundy. To mniej więcej tyle, ile wynosi roczny przepływ Wisły na wysokości Warszawy! Moc elektrowni to 716 MW, czyli w przybliżeniu daje ona tyle energii, ile zużywa 400 tysięcy mieszkań.
Ryszard Tadeusiewicz jest informatykiem, biocybernetykiem i profesorem nauk technicznych. Był trzykrotnie rektorem Akademii Górniczo-Hutniczej. W 2019 roku wygrał nagrodę główną w konkursie Popularyzatora Nauki.
