Magazynowanie energii przybiera różne formy i jest nieodzowną częścią wielu procesów technologicznych i przemysłowych, jak również życia codziennego. W artykule Historia magazynowania energii pisaliśmy już o najbardziej znanych jego sposobach. Tym razem przedstawiamy mniej oczywiste, ale interesujące i przyszłościowe metody magazynowania energii.
Materiały zmiennofazowe (PCM ? phase-change materials)
Każdy z nas spotkał się kiedyś z ogrzewaczem do rąk w formie foliowego woreczka wypełnionego żelem. Aktywuje się go poprzez wygięcie znajdującej się w jego wnętrzu blaszki, natomiast do pierwotnego stanu przywraca go umieszczenie we wrzącej wodzie. To przykład materiału zmiennofazowego, którym jest w tym przypadku przesycony roztwór octanu sodu. Tego rodzaju materiały mają dużą zdolność akumulacji i uwalniania ciepła przy przemianie fazowej (np. ciało stałe-ciecz). PCM dzielą się na organiczne i nieorganiczne. Przykładami organicznych materiałów zmiennofazowych są różnego rodzaju parafiny, kwasy tłuszczowe i estry, natomiast nieorganicznych metale, sole i hydraty. Stosowane są między innymi w budownictwie w celu zmniejszenia dobowych amplitud temperatury w budynkach, jako forma magazynowania energii ze źródeł odnawialnych oraz do utrzymywania leków i żywności w odpowiedniej temperaturze.
Magazynowanie energii w lodzie
Energia termiczna może być przechowywana w lodzie. W godzinach nocnych, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest mniejsze, a ceny niższe, woda jest zamrażana. W dzień, gdy działają biura i temperatura wzrasta, można wykorzystać zmagazynowaną w ten sposób energię do chłodzenia pomieszczeń. Roztwór etanolu lub glikolu propylenowego krąży po zbiorniku z lodem, ochładzając się, a następnie trafia do wężownicy chłodzącej w centrali wentylacyjnej. Tam znajduje się wentylator rozprowadzający chłodne powietrze. Takie rozwiązanie nie tylko zmniejsza koszty klimatyzacji, ale także zapobiega przeciążaniu sieci energetycznej w najgorętsze dni.
Baterie przepływowe
Obiecującą alternatywę dla powszechnie stosowanych dziś baterii litowo-jonowych stanowią baterie przepływowe. Wykorzystują one energię chemiczną roztworów elektrolitycznych. Baterie przepływowe można podzielić na redukcyjne, hybrydowe i bezmembranowe. Obecnie najczęściej wykorzystuje się pierwszy typ, w którym energia pochodzi z reakcji redukcji i utleniania. Ciecze przechowywane w oddzielnych zbiornikach są pompowane do reaktora przedzielonego błoną półprzepuszczalną, w którym zachodzą reakcje. Akumulatory przepływowe mają wiele zalet, do których należy długa żywotność (wytrzymałość na wiele cykli ładowania i rozładowywania) i skalowalność (możliwość swobodnego zwiększania pojemności energetycznej poprzez łączenie wielu zbiorników). W przeciwieństwie do baterii litowo-jonowych, produkcja baterii przepływowych nie wymaga użycia rzadkich substancji. Dzięki czemu są one bardziej ekonomicznym rozwiązaniem. Ich wadą jest niska gęstość energii oraz szybkość ładowania i rozładowywania, które wymuszają zwiększenie rozmiarów baterii. Z tego powodu obecnie stosuje się je głównie w dużych, stacjonarnych instalacjach.
Baterie cynkowo-powietrzne
Według portalu naukowego Frontiers bateria cynkowo-powietrzna należy do najbardziej obiecujących technologii magazynowania energii nowej generacji. Jest to jeden z rodzajów baterii metalowo-powietrznej, wykorzystującej elektrododatni metal i tlen z powietrza do produkcji energii. Charakteryzuje się wysokim bezpieczeństwem i gęstością energii, a koszt jej wytworzenia jest niski. Obecnie jednak niemożliwe jest osiągnięcie przez tego typu baterie ich pełnego potencjału ze względu na trudność w skonstruowaniu stabilnej cynkowej anody i powietrznej katody. CO2 z powietrza wpływa negatywnie na elektrolit, natomiast cynk jest podatny na niepożądane zmiany struktury (dendryty). Dodatkowo reakcja cynku z elektrolitem powoduje korozję anody. Jednak badania nad właściwościami baterii cynkowo-powietrznych jakie miały miejsce w ostatniej dekadzie wykazują, że te trudności są możliwe do pokonania. Rezultatem będzie bezpieczna i efektywna alternatywa dla baterii litowo-jonowych.
Dokładniej o bateriach cynkowych pisaliśmy w artykule Akumulatory cynkowo-powietrzne.
Akumulator kinetyczny
Znane od czasów prehistorycznych koło zamachowe może być używane do magazynowania energii kinetycznej jako akumulator kinetyczny. Jego zasada działania jest bardzo prosta ? wirująca masa zwiększa swoją prędkość kątową podczas ładowania i zmniejsza ją podczas rozładowywania. Już przez II wojną światową powstał prototyp pojazdu przechowującego energię w akumulatorze kinetycznym ? żyrobusu. W latach 50. powstał pierwszy autobus tego typu. Źródłem jego zasilania był silnik elektryczny wykorzystujący energię produkowaną przez generator, który magazynował energię w akumulatorze. Rozpędzanie akumulatora od stanu nieruchomego do pełnej prędkości obrotowej trwało ok. 40 minut, jednak doładowywanie go po pokonaniu trasy zajmowało jedynie między 2 a 5 minut. W zależności od charakteru trasy, żyrobus był w stanie pokonać do 10 kilometrów po jednokrotnym naładowaniu.
Obecnie udoskonalona wersja akumulatora kinetycznego jest stosowana w samochodach sportowych wykorzystujących układ Williams Hybrid Power. Jest to unikalne podejście do technologii KERS (Kinetic Energy Recovery System), systemu odzyskującego energię kinetyczną. System ten jest łączony z układem napędowym samochodu. Podczas hamowania energia jest gromadzona w obracającym się akumulatorze, a następnie może zostać uwolniona podczas przyspieszania. Układ jest w stanie zgromadzić ok. 500 kJ energii.
Grawitacyjne magazynowanie energii
Grawitacyjne magazynowanie energii opiera się na prostej koncepcji umieszczenia masy w wysoko położonym miejscu, a następnie opuszczenia jej w dół. Wtedy potencjalna energia grawitacji zostaje zamieniona na kinetyczną, a ta z kolei na inną formę, zazwyczaj elektryczną. Przykładem zastosowania tej technologii jest wynoszenie pojemników ze żwirem na dużą wysokość w czasie gdy ceny energii są niskie, a następnie opuszczanie ich w godzinach szczytu, wynalazek firmy Energy Cache. Advanced Rail Energy Storage używa podobnej technologii do wwożenia betonowych bloków na wzniesienia takie jak górskie szczyty za pomocą pojazdów szynowych, które zjeżdżają na dół pod wpływem grawitacji, gdy potrzebna jest dodatkowa energia.
Przykłady wykorzystania grawitacyjnego magazynowania energii opisywaliśmy w artykułach Demonstrator grawitacyjnego magazynu energii oraz Drapacze chmur jako magazyny energii.
Istnienie opisanych wyżej technologii, jak i wielu innych innowacyjnych sposobów magazynowania energii prognozuje, że w najbliższej przyszłości będziemy obserwować dalszy rozwój i wiele zmian w tej dziedzinie.
