Weird Science

Energia - jak magazynować?

English ver­sion is here

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w kwar­tal­niku Eko­lo­gia (3/2024):

Ilustracja

Ples M., Ener­gia - jak maga­zy­no­wać?, Eko­lo­gia, 3 (2024), Pol­ska Izba Eko­lo­gii, str. 33-34

Wstęp

Maga­zy­no­wa­nie ener­gii elek­trycz­nej jest jed­nym z naj­ważn­iej­szych wyzwań współcze­snej ener­ge­tyki, szcze­gól­nie w obli­czu dyna­micz­nego roz­woju odna­wial­nych źródeł ener­gii, takich jak ener­gia sło­neczna i wia­trowa. Wyzwa­nie to wynika z nie­sta­bil­no­ści pro­duk­cji ener­gii, która zależy od zmien­nych warun­ków pogo­do­wych. Sta­bi­li­za­cja sys­temu ener­ge­tycz­nego, zmniej­sze­nie uza­leżn­ie­nia od paliw kopal­nych oraz reduk­cja emi­sji CO2 to cele, które kie­rują wysiłk­ami w poszu­ki­wa­niu nowych, sku­tecz­nych tech­no­lo­gii maga­zy­no­wa­nia ener­gii.

Jed­nakże roz­wój tech­no­lo­gii maga­zy­no­wa­nia ener­gii nie ogra­ni­cza się tylko do sta­bi­li­za­cji możl­i­wo­ści wyko­rzy­sta­nia ener­gii odna­wial­nej. Z bie­giem czasu stał się klu­czo­wym ele­men­tem także dla elek­try­fi­ka­cji tran­s­portu, zwłasz­cza w kon­tek­ście rosnącej liczby pojaz­dów elek­trycz­nych. Wyma­gają one coraz bar­dziej wydaj­nych, bez­piecz­nych i pojem­nych aku­mu­la­to­rów. Dla­tego maga­zy­no­wa­nie ener­gii wpływa zarówno na prze­mysł ener­ge­tyczny, jak i na sek­tor tran­s­portu, prze­mysł ciężki, a pośred­nio, nawet na sek­tor miesz­ka­niowy.

Histo­ria tech­no­lo­gii maga­zy­no­wa­nia ener­gii, zwłasz­cza aku­mu­la­to­rów, sięga dekad wstecz, od cza­sów pro­stych, tra­dy­cyj­nych ogniw oło­wio­wych, aż po pow­szech­nie sto­so­wane dziś aku­mu­la­tory litowo-jonowe i podobne. Wyzwa­nia związane z kosz­tami pro­duk­cji, ogra­ni­czoną dostęp­no­ścią surow­ców oraz trud­no­ściami z recy­klin­giem skła­niają do poszu­ki­wa­nia alter­na­tyw­nych roz­wiązań.

Ilustracja
Gra­fika: doda­tek autora

Wśród tych alter­na­tyw znaczną rolę zaczy­nają odgry­wać ogniwa pali­wowe, w szcze­gól­no­ści wodo­rowe. Choć ich roz­wój napo­tyka pewne przesz­kody, takie jak wyso­kie koszty pro­duk­cji (wyko­rzy­sta­nie m.in. pla­tyny i innych rzad­kich metali w roli kata­li­za­to­rów), ofe­rują one obie­cu­jące per­spek­tywy, szcze­gól­nie w kon­tek­ście tran­s­portu ciężk­iego oraz prze­my­sło­wego. Oprócz tego poja­wiają się także inne nowa­tor­skie kon­cep­cje, które mogą zdo­mi­no­wać rynek w przy­szło­ści. Latach. Dalej posta­ram się przy­bli­żyć niek­tóre z nich.

Nowo­cze­sne tech­no­lo­gie maga­zy­no­wa­nia ener­gii

Postęp w dzie­dzi­nie maga­zy­no­wa­nia ener­gii opiera się na roz­woju nowych, zaa­wan­so­wa­nych tech­no­lo­gii, które popra­wiają efek­tyw­ność, bez­pie­czeńs­two i dostęp­ność ener­gii w różn­ych sek­to­rach. Obec­nie sto­suje się sze­reg różn­ych metod maga­zy­no­wa­nia, każda z nich ma swoje uni­kalne zalety i ogra­ni­cze­nia.

Aku­mu­la­tory litowo-jonowe

Aku­mu­la­tory litowo-jonowe są jed­nymi z naj­pow­szech­niej wyko­rzy­sty­wa­nych tech­no­lo­gii maga­zy­no­wa­nia ener­gii, zarówno w urządze­niach prze­no­śnych, jak i pojaz­dach elek­trycz­nych czy sys­te­mach ener­ge­tycz­nych. Ich popu­lar­ność wynika z wyso­kiej gęsto­ści ener­gii, dłu­giej żywot­no­ści oraz szyb­kiego łado­wa­nia. Mimo wielu zalet, tech­no­lo­gia ta ma też swoje ogra­ni­cze­nia. Surowce uży­wane do pro­duk­cji, takie jak lit i kobalt, są kosz­towne i trudno dostępne. Ponadto pro­ces recy­klingu tych bate­rii jest skom­pli­ko­wany i kosz­towny, co rodzi pro­blemy eko­lo­giczne.

Aku­mu­la­tory sodowo-jonowe

Alter­na­tywą dla tech­no­lo­gii litowo-jono­wych są aku­mu­la­tory sodowo-jonowe, które wyko­rzy­stują sód zamiast litu. Sód jest znacz­nie bar­dziej dostępny (oczy­wi­ście jedy­nie w for­mie związa­nej, np. w for­mie chlorku sodu NaCl), co spra­wia, że koszt pro­duk­cji tych aku­mu­la­to­rów jest niższy. Choć gęstość ener­gii w tych aku­mu­la­to­rach jest także niższa, to ich ska­lo­wal­ność i niższe koszty pro­duk­cji mogą czy­nić je przy­szło­ścio­wym roz­wiąza­niem, zwłasz­cza w zasto­so­wa­niach sta­cjo­nar­nych.

Aku­mu­la­tory prze­pły­wowe

Aku­mu­la­tory prze­pły­wowe posia­dają nie­ty­pową kon­struk­cję: ich elek­trody występują w postaci zawie­siny w roz­two­rze. Tech­no­lo­gia ta jest ska­lo­walna i znaj­duje zasto­so­wa­nie w dużych insta­la­cjach, np. w maga­zy­no­wa­niu ener­gii pocho­dzącej z farm wia­tro­wych i sło­necz­nych. Choć aku­mu­la­tory prze­pły­wowe cha­rak­te­ry­zują się dłuższą żywot­no­ścią oraz łatwo­ścią roz­bu­dowy, ich skom­pli­ko­wana infra­struk­tura oraz niższa gęstość ener­gii sta­no­wią wyzwa­nia, które mogą ogra­ni­czać ich szer­sze wdro­że­nie.

Aku­mu­la­tory ze sta­łym elek­tro­li­tem

Aku­mu­la­tory tego rodzaju eli­mi­nują potrzebę wyko­rzy­sta­nia cie­kłych elek­tro­li­tów, co zwięk­sza ich bez­pie­czeńs­two i sta­bil­ność. Cha­rak­te­ry­zują się więk­szą pojem­no­ścią oraz szyb­szym łado­wa­niem w porów­na­niu do aku­mu­la­to­rów litowo-jono­wych. Obec­nie tech­no­lo­gia ta jest jesz­cze na wcze­snym eta­pie roz­woju, jed­nak ma poten­cjał, aby w przy­szło­ści zdo­mi­no­wać rynek, zwłasz­cza w obsza­rze tran­s­portu elek­trycz­nego, gdzie bez­pie­czeńs­two i dłu­go­w­iecz­ność aku­mu­la­to­rów są klu­czowe.

Ogniwa pali­wowe

Ogniwa pali­wowe, zwłasz­cza wodo­rowe, to kolejne obie­cu­jące roz­wiąza­nie na rynku maga­zy­no­wa­nia ener­gii. Ich dzia­ła­nie opiera się na bez­po­śred­niej kon­wer­sji che­micz­nej ener­gii wodoru i tlenu w ener­gię elek­tryczną, przy czym jedy­nym pro­duk­tem ubocz­nym jest woda. Ogniwa te mają poten­cjał do zasto­so­wa­nia zarówno w tran­s­por­cie, jak i w dużych insta­la­cjach ener­ge­tycz­nych, choć ich wdro­że­nie jest obec­nie ogra­ni­czone przez wyso­kie koszty pro­duk­cji oraz braki w infra­struk­tu­rze do maga­zy­no­wa­nia i tran­s­portu wodoru.

Maga­zy­no­wa­nie ener­gii w sprężo­nym powie­trzu (CAES)

Maga­zy­no­wa­nie ener­gii przy uży­ciu sprężo­nego powie­trza (ang. CAES, czyli Com­pres­sed Air Energy Sto­rage) polega na spręża­niu powie­trza w momen­cie nad­wyżki ener­gii, a następ­nie uwal­nia­niu go w momen­cie zapo­trze­bo­wa­nia, co napędza tur­biny gene­ru­jące prąd. Choć wydaj­ność CAES nie jest tak wysoka jak w przy­padku aku­mu­la­to­rów, to może oka­zać się przy­dat­nym uzu­pełn­ie­niem dla innych tech­no­lo­gii maga­zy­no­wa­nia, szcze­gól­nie w kon­tek­ście sta­bi­li­za­cji sieci ener­ge­tycz­nej.

Maga­zy­no­wa­nie ener­gii ter­micz­nej (TES)

Tech­no­lo­gia maga­zy­no­wa­nia ener­gii ter­micz­nej (ang. TES, czyli Ther­mal Energy Sto­rage) wyko­rzy­stuje zdol­ność do prze­cho­wy­wa­nia ener­gii w postaci cie­pła, które można odzy­skać i zamie­nić na ener­gię elek­tryczną lub inną w odpo­wied­nim momen­cie. Ener­gia ta może być maga­zy­no­wana poprzez ogrze­wa­nie sub­stan­cji takich jak woda, sól czy mate­riały o dużej pojem­no­ści ciepl­nej. TES jest sto­so­wany głów­nie w elek­trow­niach sło­necz­nych oraz w sys­te­mach ogrze­wa­nia/chło­dze­nia budyn­ków. Przy­kła­dem może być tech­no­lo­gia kon­cen­tra­cji ener­gii sło­necz­nej (CSP), która umożl­i­wia maga­zy­no­wa­nie ener­gii ciepl­nej na późn­iej­sze uży­cie, rów­nież w nocy. Cho­ciaż metody TES są tech­no­lo­gicz­nie dopra­co­wane, to wydaj­ność i ska­lo­wal­ność pozo­stają wyzwa­niami tu w porów­na­niu z innymi meto­dami maga­zy­no­wa­nia, ponie­waż próg opła­cal­no­ści zostaje tu prze­kro­czony jedy­nie dla sto­sun­kowo dużych insta­la­cji, pro­ble­mem jest więc minia­tu­ry­za­cja.

Wyzwa­nia i ogra­ni­cze­nia tech­no­lo­gii maga­zy­no­wa­nia ener­gii

Cho­ciaż roz­wój tech­no­lo­gii maga­zy­no­wa­nia ener­gii stwa­rza sze­reg możl­i­wo­ści, ist­nieją także istotne wyzwa­nia, które muszą zostać roz­wiązane, aby te tech­no­lo­gie mogły sze­roko wspie­rać trans­for­ma­cję ener­ge­tyczną.

Koszty surow­ców i pro­duk­cji

Jed­nym z głów­nych wyzwań pozo­stają koszty związane z surow­cami uży­wa­nymi do pro­duk­cji aku­mu­la­to­rów i innych odw­ra­cal­nych źródeł zasi­la­nia. Surowce takie jak lit, kobalt czy nikiel są ogra­ni­czone pod względem dostęp­no­ści, co powo­duje wzrost kosz­tów pro­duk­cji. Ponadto wydo­by­cie tych surow­ców wiąże się z kon­se­kwen­cjami eko­lo­gicz­nymi oraz pro­ble­mami związa­nymi z odpo­wie­dzial­nym pozy­ski­wa­niem mate­ria­łów, szcze­gól­nie w kra­jach roz­wi­ja­jących się.

Recy­kling i gospo­darka odpa­dami

Kwe­stie recy­klingu sta­no­wią kolejne poważne wyzwa­nie. Aku­mu­la­tory, zwłasz­cza litowo-jonowe, po zakończe­niu swo­jej żywot­no­ści stwa­rzają pro­blemy związane z ich bez­piecz­nym uty­li­zo­wa­niem i odzy­ski­wa­niem surow­ców. Pro­cesy te są kosz­towne i skom­pli­ko­wane, co stwa­rza koniecz­ność opra­co­wy­wa­nia bar­dziej efek­tyw­nych metod recy­klingu i ponow­nego wyko­rzy­sta­nia surow­ców. Inno­wa­cje w tej dzie­dzi­nie są nie­zbędne do zapew­nie­nia zrów­no­wa­żo­nego roz­woju tech­no­lo­gii maga­zy­no­wa­nia ener­gii.

Sku­tecz­ność i ska­lo­wal­ność

Każda z tech­no­lo­gii maga­zy­no­wa­nia ener­gii ma swoje ogra­ni­cze­nia doty­czące sku­tecz­no­ści oraz ska­lo­wal­no­ści. Aku­mu­la­tory litowo-jonowe, choć pow­szech­nie sto­so­wane, mają ogra­ni­czoną gęstość ener­gii oraz żywot­ność, co czyni je mniej efek­tyw­nymi w dłu­go­ter­mi­no­wych zasto­so­wa­niach. Inne roz­wiąza­nia ofe­rują więk­szą ska­lo­wal­ność, jed­nak ich wydaj­ność ener­ge­tyczna często nie dorów­nuje aku­mu­la­to­rom che­micz­nym. Zwięk­sze­nie wydaj­no­ści tych sys­te­mów, obni­że­nie kosz­tów oraz poprawa bez­pie­czeńs­twa pozo­stają klu­czo­wymi celami badaw­czymi w tej dzie­dzi­nie.

Infra­struk­tura i wdro­że­nie

Kolej­nym wyzwa­niem jest brak odpo­wied­niej infra­struk­tury wspie­ra­jącej roz­wój niek­tórych tech­no­lo­gii maga­zy­no­wa­nia ener­gii, zwłasz­cza ogniw pali­wo­wych opar­tych na wodo­rze. Infra­struk­tura do wytwa­rza­nia, maga­zy­no­wa­nia, tran­s­portu i dys­try­bu­cji wodoru wymaga zna­czących inwe­sty­cji, a jej brak sta­nowi poważną barierę dla sze­ro­kiego wdro­że­nia tej tech­no­lo­gii. Podob­nie, wdro­że­nie tech­no­lo­gii takich jak CAES czy TES wymaga inwe­sty­cji w spe­cja­li­styczne insta­la­cje, które mogą być trudne do zre­a­li­zo­wa­nia w niek­tórych regio­nach.

Przy­szłość maga­zy­no­wa­nia ener­gii

Per­spek­tywy roz­woju tech­no­lo­gii maga­zy­no­wa­nia ener­gii są obie­cu­jące, choć przy­szłość tej dzie­dziny będzie zależna od dal­szych inno­wa­cji, poprawy efek­tyw­no­ści i obni­że­nia kosz­tów. Jed­nym z klu­czo­wych kie­run­ków roz­woju będzie dąże­nie do bar­dziej zrów­no­wa­żo­nych i dostęp­nych mate­ria­łów, co zmniej­szy zależn­ość od rzad­kich surow­ców. Dłu­go­ter­mi­nowe inno­wa­cje mogą rów­nież doty­czyć nowych spo­so­bów maga­zy­no­wa­nia ener­gii, takich jak wyko­rzy­sta­nie ener­gii gra­wi­ta­cyj­nej (maga­zy­no­wa­nie ener­gii w postaci ener­gii poten­cjal­nej siły ciężk­o­ści masy unie­sio­nej na odpo­wied­nią wyso­kość) czy nano­tech­no­lo­gii do poprawy gęsto­ści ener­gii w aku­mu­la­to­rach. Można ocze­ki­wać, że roz­wój tech­no­lo­gii maga­zy­no­wa­nia ener­gii będzie klu­czo­wym czyn­ni­kiem napędza­jącym glo­balną trans­for­ma­cję ener­ge­tyczną, umożl­i­wia­jąc sta­bil­niej­sze i bar­dziej zrów­no­wa­żone korzy­sta­nie z odna­wial­nych źródeł ener­gii oraz wspie­ra­jąc elek­try­fi­ka­cję tran­s­portu i prze­my­słu.

Pod­su­mo­wa­nie

Tech­no­lo­gie maga­zy­no­wa­nia ener­gii sta­no­wią jeden z klu­czo­wych fila­rów przy­szłego, zrów­no­wa­żo­nego sys­temu ener­ge­tycz­nego. Ofe­rują one roz­wiąza­nia, które nie tylko sta­bi­li­zują dostawy ener­gii, ale także wspie­rają roz­wój elek­tro­mo­bil­no­ści i trans­for­ma­cję prze­my­słową. Wyzwa­nia związane z kosz­tami, recy­klin­giem, wydaj­no­ścią oraz infra­struk­turą nadal wyma­gają inten­syw­nych badań i inno­wa­cji, jed­nak poten­cjał tech­no­lo­gii takich jak aku­mu­la­tory półp­rze­wod­ni­kowe, prze­pły­wowe czy ogniwa pali­wowe może przy­nieść rewo­lu­cję w spo­so­bie maga­zy­no­wa­nia i wyko­rzy­sta­nia ener­gii w nad­cho­dzących latach.


Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa