Czy baterie Carnota są przyszłością bilansowania sieci elektroenergetycznych?

Zapraszamy do przeczytania najnowszego artykułu dr inż. Piotra Klonowicza.

Na horyzoncie pojawiła się nowa grupa technologii, która umożliwi magazynowanie energii w średniej i dużej skali, znacznie przewyższająca sprawnością konwersję energii elektrycznej na wodór i z powrotem. Mowa o tzw. bateriach Carnota, nad którymi od kilku lat pracują znane ośrodki naukowe i koncerny takie jak Google, ABB, MAN czy Siemens. Temat ten pojawił się również w raporcie rocznym Międzynarodowej Agencji Energetycznej, dotyczącym magazynowania energii [1]. Warto przyjrzeć się bliżej temu rozwiązaniu, ponieważ może stać się ono następcą elektrowni szczytowo-pompowych, które są obecnie bezkonkurencyjne w magazynowaniu dużych ilości energii. Baterie Carnota mają nad nimi jedną niepodważalną przewagę – można je budować właściwie wszędzie, co może być kluczowe w przyszłym bilansowaniu systemu elektroenergetycznego opartego na OZE.

OZE potrzebują magazynów energii

Osoby zorientowane we współczesnych problemach energetyki zdają sobie sprawę, że „Świętym Graalem” w tym obszarze wydaje się tania, sprawna, skalowalna i trwała metoda magazynowania energii elektrycznej. Technologia tego typu umożliwiłaby magazynowanie energii ze słabo przewidywalnych źródeł, takich jak wiatr oraz słońce. Ceny turbin wiatrowych oraz paneli fotowoltaicznych systematycznie spadają a technologie te obecnie są już bardzo dojrzałe. Zasadniczym wyzwaniem w ich intermitentnej pracy jest konieczność, w okresie przerw działania, kompensacji niewygenerowanej energii poprzez źródła konwencjonalne, takie jak np. węgiel lub gaz. Turbiny gazowe przeznaczone do pracy szczytowej są drogie. Bloki węglowe nie są z kolei przystosowane do szybkich zmian obciążeń, a jeśli takowe są wymuszane, wpływa to negatywnie na żywotność podzespołów takich jak kocioł i turbina (czyli tych najdroższych).

Energetyka jądrowa

Energetyka jądrowa wydaje się atrakcyjną alternatywą dla OZE, ale nie jest pozbawiona wad. Pomijając skutki ekologiczne (mimo wszystko nieporównywalnie mniejsze w stosunku do energetyki konwencjonalnej), bloki jądrowe wymagają znacznego kapitału początkowego, a ich czas budowy rozciąga się na długie lata (nie dotyczy to tzw. reaktorów modułowych, ale do ich wdrożenia upłynie jeszcze sporo czasu). Fakt ten jest szczególnie bolesny dla Polski, która nie posiada elektrowni jądrowych, ale przede wszystkim nie posiada swoich technologii jądrowych oraz wysoko wyspecjalizowanych kadr, które są w tym wypadku niezbędne. Budowa elektrowni jądrowej w Polsce wymaga zatem importu całej kluczowej technologii.

Fuzja jądrowa, która w ostatnich dekadach rokowała nadzieję właśnie na „Święty Graal” energetyki, jest daleka od dojrzałości technologicznej (złośliwi mawiają: „Forever 20 years away…”). Nawet jeśli uda się opanować stabilną fuzję jądrową charakteryzującą się dodatnim bilansem energetycznym, to pozostaje jeszcze problem jej ew. opłacalności.

Reasumując, magazynowanie energii jawi się jako warunek sine qua non nie tylko ochrony klimatu, ale ogólnie stabilności gospodarczej, a w dalszej kolejności – politycznej.

Technologie magazynowania energii: elektrownie szczytowo-pompowe

Idea magazynowania energii elektrycznej znana jest w technice przynajmniej od XVIII wieku, czyli od czasów eksperymentów Benjamina Franklina. Od tego czasu powstało wiele technologii magazynowania energii elektrycznej wykorzystujących różne grupy zjawisk fizycznych oraz chemicznych. Znane są zasobniki mechaniczne, termiczne, chemiczne, elektrochemiczne oraz elektryczne. Obecnie, zdecydowana większość światowej pojemności magazynów energii przypada na elektrownie szczytowo-pompowe. Zasada działania tych olbrzymich układów polega na zwiększaniu energii potencjalnej mas wody poprzez tłoczenie ich do zbiorników położonych wyżej wtedy, gdy następuje nadwyżka energii w sieci elektroenergetycznej, a następnie odzyskiwaniu tej energii potencjalnej w szczycie zapotrzebowania. Sam proces magazynowania charakteryzuje się stosunkowo wysoką sprawnością, przekraczającą 70% lub nawet 80%. Głównymi wadami elektrowni szczytowo-pompowych są: zależność od warunków geograficznych, długi czas budowy oraz względnie duży wymagany kapitał początkowy. Eksperci są zgodni, że technologia ta prawdopodobnie nie sprosta światowemu zapotrzebowaniu na magazynowanie energii, głównie ze względu na ograniczoną liczbę potencjalnych lokalizacji tego typu układów. Rozważa się alternatywne realizacje tych odwracalnych siłowni, np. poprzez zagospodarowanie zamkniętych szybów pokopalnianych. Jednakże, liczba takich miejsc jest również niewystarczająca.

Technologie magazynowania energii: baterie litowo-jonowe

Inną technologią, w której pokłada się nadzieje na bilansowanie coraz bardziej niestabilnej sieci, są ogniwa elektrochemiczne, takie jak baterie litowo-jonowe, które magazynują i uwalniają energię elektryczną poprzez odwracalne reakcje chemiczne. Niewątpliwą zaletą tych akumulatorów jest wysoka sprawność magazynowania energii oraz duża gęstość mocy, która umożliwia coraz powszechniejsze zastosowania w elektromobilności, a także – szybki czas reakcji. Ogniwa te, pomimo drastycznego spadku ich cen w ostatnich latach, są ciągle zbyt drogie, aby można było je powszechnie wykorzystywać do stabilizacji całych systemów elektroenergetycznych. Ponadto, zwraca się także uwagę na aspekty środowiskowe związane z ich produkcją oraz na konieczność wykorzystania stosunkowo rzadkich pierwiastków. Wątpliwości budzi też możliwość pozyskania tych pierwiastków, gdy dotrzemy do etapu powszechnej elektromobilności w skali globalnej.

Technologie magazynowania energii: magazynowanie energii w wodorze

Kolejną perspektywiczną metodą magazynowania energii, która, bez wątpienia, charakteryzuje się wszechstronnym potencjałem, jest produkcja wodoru (oraz ew. dalsza jego przeróbka, np. w zielony metan). Zielony wodór wytwarzany za pomocą elektrolizerów zasilanych energią z OZE może być magazynowany, a następnie wykorzystywany do elastycznej produkcji energii elektrycznej za pomocą, na przykład, ogniw wodorowych lub turbin gazowych. Ze względu na wyzwania towarzyszące przechowywaniu oraz transportowaniu wodoru, alternatywną wersją jest konwersja tego gazu na sztuczny metan. Ta grupa technologii znana jest w anglojęzycznej nomenklaturze jako „power-to-gas”. Jest to w zasadzie jedyne znane obecnie perspektywiczne rozwiązanie umożliwiające sezonowe magazynowanie energii elektrycznej, które jest tak ważne z punktu widzenia zmienności produkcji energii z OZE w ciągu roku.

Największą wadą technologii „power-to-gas”, podnoszoną na każdym kroku przez jej krytyków, jest niska sprawność całkowita procesu magazynowania energii (z ang.: „round trip efficiency”), na którą składają się sprawności cząstkowe procesu elektrolizy, sprężania, transportu i powtórnej konwersji na prąd. Nawet przy wykorzystaniu wysokosprawnych elektrolizerów i ogniw wodorowych, trudno spodziewać się sprawności znacznie przekraczających 30%. Nietrudno zauważyć, że tak niska efektywność wymagałaby znacznej nadwyżki mocy zainstalowanej w OZE.

Aspekt ekonomiczny

Należy zwrócić uwagę na fundamentalnie odmienne charakterystyki ekonomiczne magazynów, takich jak elektrownie szczytowo-pompowe oraz „power-to-gas”, w porównaniu do ogniw elektrochemicznych. W tym pierwszym przypadku występuje wyraźne rozgraniczenie pomiędzy mocą a pojemnością magazynu energii, ponieważ koszty inwestycyjne odpowiadające za moc magazynów są bezpośrednio związane z infrastrukturą do konwersji energii (np. elektrolizer, ogniowo wodorowe, turbozespoły odwracalne itp.). Za pojemność magazynu odpowiada natomiast objętość zasobników przechowujących energię w stanie pośrednim, takich jak zbiorniki z wodorem lub zbiorniki wodne. W przypadku ogniw elektrochemicznych moc maksymalna oraz pojemność magazynu są ze sobą ściśle skojarzone (wyjątek: baterie przepływowe). Chcąc zwiększyć pojemność należy zwiększyć liczbę ogniw, co jest równoznaczne ze zwiększeniem mocy maksymalnej. Wyobraźmy sobie urządzenie zasilane pojedynczą baterią AA przez jakiś czas. Co można zrobić, żeby mogło ono działać dwukrotnie dłużej? To oczywiste: wziąć dwie baterie. Tyle, że koszt takiego magazynowania energii będzie wtedy dwukrotnie wyższy.

Cechy te sprawiają, że magazyny, w których moc i pojemność nie są ze sobą ściśle skojarzone, są względnie tańsze dla dłuższych okresów magazynowania. Na przykład, instalując mały elektrolizer oraz małe ogniowo wodorowe (czyli najdroższe elementy układu) a duży zbiornik wodoru, który jest komponentem stosunkowo tanim, uzyskuje się relatywnie niedrogi magazyn długookresowy. Z drugiej strony, dla stosunkowo dużych mocy i krótkich okresów ładowania i rozładowania, zdecydowanie korzystniej jest zastosować baterie elektrochemiczne, tym bardziej, że są to magazyny o prawie natychmiastowym czasie reakcji, Rysunek 1.

Rysunek 1. Trend kosztów budowy magazynów energii w zależności od czasu ładowania i rozładowania.

Dlaczego potrzebujemy różnych technologii magazynowania energii?

W świetle powyższych rozważań można wysnuć wniosek, że bilansowania systemu elektroenergetycznego o dużej penetracji OZE nie da się zrealizować wykorzystując jedną tylko technologię magazynowania. Potrzebna jest zatem swoista kaskada magazynów krótkookresowych, średniookresowych i długookresowych (sezonowych).

Ograniczenia magazynów energii o dużej pojemności

Magazyny krótkookresowe, czyli baterie elektrochemiczne oraz długookresowe, związane z produkcją wodoru, są obecnie intensywnie rozwijane przez przemysł oraz ośrodki naukowe na całym świecie (w tym również w Polsce). Magazyny średniookresowe o dużej pojemności, niezależne od lokalizacji i o sprawności przynajmniej 50% lub więcej, stanowią, natomiast, obecnie nierozwiązany problem techniczny. Ze względu na ograniczenia lokalizacyjne elektrowni szczytowo-pompowych rozważa się zastosowanie między innymi magazynów sprężonego powietrza (CAES), jednak i one wymagają określonych warunków geologicznych, np. kawern solnych, które pełnią rolę wysokociśnieniowych zbiorników (choć niektóre firmy, np. kanadyjski Hydrostor, opracowują technologie CAES niezależne od lokalizacji).

Dlaczego baterie Carnota mogą zastąpić elektrownie szczytowo-pompowe?

Wielu ekspertów uważa, że technologią, która może stać się potencjalnym następcą elektrowni szczytowo-pompowych są tzw. baterie Carnota znane również jako technologia PTES (Pumped Thermal Energy Storage) lub ETES (Electric Thermal Energy Storage). Jest to właściwie grupa technologii umożliwiających magazynowanie energii elektrycznej poprzez konwersję jej na ciepło i/lub chłód, które można następnie wykorzystać do produkcji prądu w obiegu energetycznym.

Sposób działania baterii Carnota

Najprostszą metodą produkcji ciepła z energii elektrycznej jest wykorzystanie grzałek rezystancyjnych. Niemiecka Agencja Kosmiczna (DLR) planuje wdrożenie baterii Carnota, w których magazynami ciepła będą zbiorniki wypełnione stopioną solą ogrzewaną rezystancyjnie za pomocą energii wytworzonej ze źródeł odnawialnych. Idea polega na wykorzystaniu istniejącej infrastruktury bloków węglowych poprzez wytwarzanie pary świeżej za pomocą parowników zasilanych zgromadzonym wysokotemperaturowym ciepłem, Rysunek 2.

rysunek pokazujący wykorzystanie obecnej infrastruktury elektrowni węglowej
Rysunek 2. Wykorzystanie istniejącej infrastruktury elektrowni węglowych, według pomysłu niemieckiego DLR. Źródło: en:former. Kliknij by powiększyć obrazek.

W ten sposób możliwa będzie stopniowa redukcja zużycia węgla w istniejących elektrowniach konwencjonalnych [2]. Podobne rozwiązanie ma zamiar wdrożyć spółka Siemens Gamesa, jednakże w tym przypadku magazynem ciepła mają być podgrzewane do wysokich temperatur skały wulkaniczne [3], Rysunek 3.

ateria Carnota opracowana przez Siemens Gamesa
Rysunek 3. Bateria Carnota opracowana przez Siemens Gamesa Źródło: Simens Gamesa. Kliknij by powiększyć obrazek.

Ograniczenia wynikające z II zasady termodynamiki sprawiają, że sprawności odzysku energii z ciepła w powyższych rozwiązaniach będą oscylowały w okolicach 40%.

Zastosowanie pomp ciepła w bateriach Carnota

Oprócz grzałek rezystancyjnych, w bateriach Carnota można wykorzystać również odpowiednio zaprojektowane pompy ciepła, które wytwarzają zarówno ciepło jak i chłód ze współczynnikiem wydajności znacznie przekraczającym 1, w przeciwieństwie do grzałek rezystancyjnych.

Należy zauważyć, że dysponując idealną pompą ciepła oraz odwrotnym do niej silnikiem cieplnym (silnikiem Carnota), uzyskuje się baterię Carnota o sprawności 100%, bez względu na temperatury magazynowania energii ciepła i chłodu. Wprawdzie w rzeczywistych układach występują straty na skutek nieodwracalnych przemian termodynamicznych oraz nieidealnej wymiany ciepła, jednakże, prace różnych zespołów badawczych pokazują, że w praktyce możliwe jest uzyskanie baterii Carnota o sprawnościach przekraczających 50%, a nawet dochodzących do 70%. Szeroki i aktualny przegląd różnych rodzajów baterii Carnota został opracowany przez międzynarodowy zespół naukowców na łamach „Journal of Energy Storage” [4].

Magazyn energii wykorzystujący odwracalny obieg

Noblista z dziedziny fizyki z Uniwersytetu w Stanford, Robert B. Laughlin, zaproponował baterię Carnota wykorzystującą odwracalny, znany z turbin gazowych, obieg Joula-Braytona, w którym magazynem ciepła są zbiorniki ze stopioną solą a magazynem chłodu zbiorniki z cieczą kriogeniczną. Teoretyczna sprawność magazynowania  energii w tym układzie przekracza 70% [5]. Pomimo faktu, że proces stanowi znaczne wyzwanie technologiczne, wydaje się on na tyle dobry, że skupił na sobie uwagę pierwszej ligi amerykańskich inwestorów. Wsparli go, między innymi, Bill Gates oraz Google. Obecnie, pomysł  ten rozwijany jest przez solidnie dofinansowany spin-off Google o nazwie Malta Inc. [6], Rysunek 4.

Rysunek 4. Schemat magazynu energii wykorzystującego odwracalny obieg Joula-Braytona Źródło: MALTA. Kliknij by powiększyć obrazek.

Magazyn energii w skroplonym powietrzu

Ciekawym wariantem baterii Carnota jest skraplanie powietrza a następnie jego regazyfikacja. Omawiane rozwiązanie zostało opatentowane przez brytyjską firmę HighView, która ma za sobą budowę pierwszych demonstratorów, a obecnie jest w fazie konstrukcji wielkoskalowych instalacji. HighView twierdzi, że możliwe jest uzyskanie sprawności na poziomie 70%, pod warunkiem dostępności ciepła odpadowego. Ponadto, z uwagi na wysoką gęstość magazynowania energii, rozwiązanie jest stosunkowo kompaktowe [7], Rysunek 5, Film.

Schemat działania magazynu energii wykorzystującego skraplanie powietrza.
Rysunek 5. Schemat działania magazynu energii wykorzystującego skraplanie powietrza. Źródło: HighView. Kliknij by powiększyć obrazek.

Zastosowanie transkrytycznego obiegu CO2

Kolejna, interesująca wersja baterii Carnota pochodzi ze szwajcarskiego działu R&D firmy ABB, która współpracuje przy tej inicjatywie z niemieckim MAN Turbo. Twórcy rozwiązania zaproponowali zastosowanie transkrytycznego obiegu CO2, dzięki czemu możliwe jest wykorzystanie gorącej wody jako magazynu ciepła, magazynem chłodu jest natomiast lód zawiesinowy. Wykorzystanie wody jako medium magazynującego ciepło i chłód jest nie do przecenienia biorąc pod uwagę dotychczasowy jej sukces w bilansowaniu sieci elektroenergetycznych na świecie. Ponadto, według modeli matematycznych, sprawność magazynowania energii w tym typie zasobnika może przekraczać 50% lub nawet 60% (w zależności od przyjętych założeń) [8], Rysunek 6.

Schemat baterii Carnota według pomysłu MAN oraz ABB
Rysunek 6. Schemat baterii Carnota według pomysłu MAN oraz ABB Źródło: MAN Turbo & Diesel. Kliknij by powiększyć obrazek.

Dodatkowe zalety baterii Carnota

Dodatkową zaletą Baterii Carnota jest możliwość ich integracji ze źródłami ciepła odpadowego oraz sieciami ciepłowniczymi, wiele z ich wariantów może, poza samym magazynowaniem, pracować jako bardzo wydajne, wielkoskalowe pompy ciepła.

Baterie Carnota w Polsce

Pomimo, że wiele zespołów badawczych na świecie pracuje od kilku lat nad różnymi wariantami tej technologii, w Polsce temat baterii Carnota jest stosunkowo mało znany, a badania w tym zakresie znajdują się dopiero we wstępnej fazie. Jedną z polskich jednostek badawczych, które zajmują się tym zagadnieniem, jest Instytut Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego PAN (IMP PAN). Zakład Turbin IMP PAN analizuje nowatorską architekturę baterii Carnota, którą opracowała jedna z polskich firm. Zasobnik, który jest chroniony zgłoszeniem patentowym do Urzędu Patentowego RP, będzie w stanie magazynować energię elektryczną w gorącej i chłodnej wodzie ze sprawnością przekraczającą nawet 60%. Ponadto, sam proces jest znacznie prostszy w implementacji w stosunku do znanych rozwiązań i jest lepiej skalowalny w zakresie małych mocy i pojemności, tzn. można go zastosować już od kilkudziesięciu kilowatów i kilkuset kilowatogodzin. Dodatkowo, układ może wykorzystywać znaczną część podzespołów już dostępnych na rynku, co upraszcza jego potencjalną implementację. Istotnym wyzwaniem w procesie wdrożenia technologii jest budowa specjalnych, wysokosprawnych turbozespołów, będących integralnym elementem zasobnika – IMP PAN specjalizuje się w tego typu konstrukcjach.

Przyszłość baterii Carnota

Tak jak w przypadku każdej nowej technologii, trudno przewidzieć, jak rozwiną się baterie Carnota. Ostateczną weryfikacją będzie ich konkurencyjność na rynku. Najpierw jednak, konieczna jest budowa demonstratorów, ponieważ same symulacje komputerowe umożliwiają jedynie oszacowanie podstawowych parametrów tych układów. Faktyczne osiągi oraz ewentualne problemy eksploatacyjne można zbadać dopiero na rzeczywistym obiekcie.

 

Dr inż. Piotr Klonowicz

Dr inż. Piotr Klonowicz
Dr inż. Piotr Klonowicz

Pracę doktorską obronił w Politechnice Łódzkiej w dziedzinie turbin przeznaczonych do pracy w układach ORC. Po uzyskaniu stopnia doktora pracował naukowo w Niemczech na Uniwersytecie w Bayreuth, a następnie przeniósł się do Gdańska, gdzie obecnie pracuje na stanowisku adiunkta w Zakładzie Turbin Instytutu Maszyn Przepływowych im. R. Szewalskiego PAN.

Jest autorem wielu prac naukowych dotyczących nowoczesnych technologii w energetyce. Zainteresowania naukowe dr. Klonowicza dotyczą m.in. projektowania i optymalizacji cieplnych maszyn wirnikowych, obiegów cieplnych oraz magazynowania energii w układach baterii Carnota.

Źródła:

[1]   https://iea-eces.org/news/annual-report-2019-available/

[2]   https://www.en-former.com/en/coal-fired-power-plant-as-large-heat-storage-facility/

[3]   https://www.siemensgamesa.com/products-and-services/hybrid-and-storage/thermal-energy-storage-with-etes

[4]   O. Dumont, G.F. Frate, A. Pillai, S. Lecompte, M. De paepe, V. Lemort, Carnot battery technology: A state-of-the-art review, J. Energy Storage. 32 (2020). doi:10.1016/j.est.2020.101756.

[5]   R.B. Laughlin, Pumped thermal grid storage with heat exchange, J. Renew. Sustain. Energy. 9 (2017). doi:10.1063/1.4994054.

[6]   https://www.maltainc.com/

[7]   https://highviewpower.com/

[8]   M. Mercangöz, J. Hemrle, L. Kaufmann, A. Z’Graggen, C. Ohler, Electrothermal energy storage with transcritical CO2 cycles, Energy. 45 (2012). doi:10.1016/j.energy.2012.03.013.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię tutaj

Najnowsze

wywiady

PARTNER STRATEGICZNY PORTALU

wydarzenia

Kategorie

BĄDŹMY W KONTAKCIE