Wiatr to kapryśne źródło energii. Nikt nie wie o tym lepiej niż Duńczycy, którzy na energetykę wiatrową postawili już ćwierć wieku temu. Szefowie jednej z duńskich farm wiatrowych zbudowanych na Morzu Północnym opowiadali niedawno, jak to ku ich turbinom zbliżał się od zachodu głęboki niż atmosferyczny. Wiatr dmuchał aż miło i urządzenia pracowały na pełnych obrotach. Do sieci trafiało mnóstwo prądu, który następnie był kierowany do sieci krajowej. Było go tyle, że nadwyżkę próbowano sprzedać za granicę.
Ale kilkanaście godzin później wiatr wzmógł się tak bardzo, że groził połamaniem łopat. Zatrzymano więc turbiny, uprzedzając dyspozytorów krajowej sieci energetycznej, że niebawem będą musieli wypełnić jakoś przerwę w dostawie prądu, musi być on przecież dostarczany niezależnie od pogody. "I jak sobie poradziliście?" - dopytywali się słuchający tej opowieści naukowcy z różnych krajów, którzy przyjechali do Kopenhagi, aby poznać duńskie doświadczenia z energetyką wiatrową. "Cóż, kupiliśmy prąd od Norwegów" - padła odpowiedź. Zaraz potem usłyszeli konkluzję opowieści: "Kto chce się opierać na energetyce wiatrowej, musi mieć bardzo dobrych sąsiadów albo magazynować pobraną od wiatru energię".
Jak przechować podmuchy na później?
Na całym świecie coraz szybciej powstają kolejne elektrownie wiatrowe. Ich łączna moc podwaja się co trzy lata. Na koniec 2010 roku sięgnęła prawie 200 gigawatów (sześć razy więcej niż moc polskich elektrowni). Światowe Stowarzyszenie Energii Wiatrowej (WWEA) optymistycznie szacuje, że za kolejnych 10 lat moc wszystkich turbin wiatrowych zbliży się do 2000 GW. Sektor daje już pół miliona miejsc pracy, a w ciągu dwóch-trzech lat zwiększy zatrudnienie do miliona osób. Potentatami w branży są Chiny, USA i Niemcy. Dwa pierwsze kraje zamieniły się w zeszłym roku miejscami pod względem pierwszeństwa.
PionoweFarma wiatrowa o pionowych turbinach w okolicach Los Angeles w Kalifornii turbiny elektrowni wiatrowej fot. John Dabiri/Caltech Przeczytaj także: Pora na pionowe turbiny
Oczywiście żaden kraj, nawet zakochana w wietrze Dania, nie zamierza opierać się głównie na tym źródle energii. Ale czyż nie byłoby wspaniale zachomikować trochę energii odebranej wiatrowi wtedy, gdy hula on na całego, a następnie wykorzystać ją przy flaucie? Pytanie tylko, gdzie tę nadwyżkę schować.
Seamus Garvey, profesor Uniwersytetu w Nottingham w Wielkiej Brytanii, jest jednym z badaczy, którzy znają odpowiedź na to pytanie. W pierwszej chwili może wydawać się szalony, ale znaleźli się bogaci inwestorzy, którzy weń uwierzyli. Dzięki temu brytyjski badacz instaluje teraz na dnie morskim w pobliżu wybrzeży Szkocji swój pierwszy balon na wiatr. Garvey jest zdania, że za kilkanaście lat, gdy znaczna część energii w Wielkiej Brytanii będzie pochodziła z farm wiatrowych ulokowanych na środku morza, magazynowanie energii odebranej żywiołowi stanie się powszechne, a nawet konieczne.
Zaczęło się od eksperymentów laboratoryjnych, które Garvey prowadzi już od pięciu lat na swojej uczelni. W ramach projektu nazwanego ICARES (od ang. Integrated Compressed Air Renewable Energy Systems) naukowiec testował podwodne balony o średnicy 2m, do których pompował sprężone powietrze. Idea była prosta: wykorzystać wielkie turbiny do sprężania powietrza i pompowania go do zakotwiczonych na dnie zbiorników wykonanych z elastycznego, lecz wytrzymałego na naprężenia materiału. W razie potrzeby można byłoby sięgnąć do tego magazynu energii. - Wypełniony sprężonym powietrzem balon o średnicy 20 metrów może zmagazynować około 70 MWh energii. To 14 godzin pracy największych obecnie turbin - mówi Garvey. Według jego wizji każdej morskiej farmie wiatrowej powinien towarzyszyć magazyn energii o pojemności równej jednej trzeciej mocy zainstalowanych turbin. - Wtedy żadne załamanie pogody nie zakłóci dostaw prądu - tłumaczy.
Od trzech lat badania Garveya finansuje niemiecki koncern energetyczny E.ON, który zakłada farmy na Morzu Północnym. Naukowiec opatentował swój wynalazek i nazwał go Energy Bag, a rok temu wspólnie z uczelnią założył firmę Nimrod, która poszukuje chętnych do sponsorowania kolejnych eksperymentów. Również w zeszłym roku zamówił wykonanie pierwszego testowego balonu, który właśnie trafił pod wodę.
Balony kosmiczne lądują pod ziemią
Wykonawcę znalazł w kanadyjskiej Kolumbii Brytyjskiej, gdzie siedzibę ma niewielka innowacyjna firma Thin Red Line Aerospace współpracująca z NASA przy projektach rozmaitych nadmuchiwanych komór i balonów orbitalnych. To w niej powstały również struktury testowane w satelitach Genesis I i II, które potentat branży hotelarskiej Robert Bigelow wysłał kilka lat temu w Kosmos, aby sprawdzić, czy w nadmuchiwanych pomieszczeniach można byłoby zaaranżować kosmiczny hotelik. Pojemnik, który Garvey zamówił u Kanadyjczyków, został wykonany ze wzmocnionego kauczuku butylowego oraz z vectranu - sztucznego włókna, z którego zrobiono m.in. poduszki amortyzujące lądowanie sondy Mars Pathfinder oraz marsjańskich pojazdów Spirit i Opportunity.
Dopiero teraz balonowa koncepcja zostanie poddana surowym testom. Do sprawdzenia jest mnóstwo szczegółów technicznych i technologicznych. Brytyjski badacz podkreśla, że balony najlepiej byłoby umieszczać na głębokości około 600 metrów, gdzie ciśnienie wody jest 60-70 razy większe niż na powierzchni. Takie same parametry miałoby powietrze znajdujące się w balonie, co oznacza, że można byłoby zmieścić go bardzo dużo. - Na lądzie trzeba by do tego celu zbudować potężny zbiornik ciśnieniowy. W głębinach zrobi to za nas sama natura - podkreśla naukowiec.
Balon Thin Red Line Aerospace fot. Keith Thomson/Thin Red Line Aerospace
Ile to będzie kosztowało? Najwięcej zależy od sprawnego odzyskiwania energii z podwodnego magazynu. Garvey twierdzi, że wyniesie ona 85-90 proc. Byłby to rewelacyjny wynik. Głównym wyzwaniem jest ciepło powstające podczas silnego sprężania powietrza. Powinno się je przechować, a potem oddać podczas rozprężania powietrza. Inaczej to drugie trzeba by ogrzewać przed skierowaniem do turbiny prądotwórczej, tracąc przy tym mnóstwo energii i pieniędzy.
Ale skonstruowanie takiej termicznej przechowalni nie jest jednak łatwe. Pomysł brytyjskiego badacza polega na zastosowaniu magazynów ciepła składających się naprzemiennie z trzech warstw wody morskiej, trzech warstw oleju mineralnego i trzech warstw solanki. Dopiero eksperymenty pokażą, jak będą się zachowywały te podwodne piece. - Jeśli testy wypadną pomyślnie, wówczas koszt magazynowania w energii w balonach, pod warunkiem ich masowego zastosowania, może być wielokrotnie niższy, niż w wykorzystywanych od dawna elektrowniach szczytowo-pompowych - ocenia Garvey. Być może opłacałoby się nawet "zatapiać" w morzu pewien zapas prądu dostarczonego z elektrowni pracujących na lądzie.
Eksperymenty z magazynowaniem energii wiatrowej w postaci sprężonego powietrza, tym razem pod ziemią, trwają również w Niemczech. Niedawno zapadła tam decyzja o wybudowaniu pierwszej prototypowej instalacji o mocy 200 MW. To efekt badań prowadzonych przez kilka niemieckich firm i uczelni w ramach programu o nazwie ADELE. Magazyn ma zastąpić przez pięć godzin pracę farmy składającej się z 40 dużych turbin. Zbudowany zostanie w 2013 roku w pobliżu miejscowości Staßfurt na południe od Magdeburga. Zamówienia na poszczególne komponenty już zostały złożone. Tym razem inwestorem jest koncern RWE, ale do projektu dołączy też rząd niemiecki. - Tego rodzaju technologie nabierają sensu ekonomicznego przy powszechnym wykorzystaniu energetyki wiatrowej. W Niemczech osiągnęliśmy już ten etap - tłumaczy Jürgen Großmann z RWE.
Odgrzebywanie "nieopłacalnych" pomysłów
Sama idea chowania energii elektrycznej pod ziemią nie jest nowa. Parę dekad temu dwa takie magazyny powstały przy zwykłych elektrowniach węglowych - jeden w Niemczech, drugi w amerykańskim stanie Alabama. I na tym się skończyło, bo okazało się, że rzecz jest nieopłacalna. Wielkie korzyści technologii - w skrócie zwanej obecnie CAES (od ang. Compressed Air Energy Storage) - dostrzeżono dopiero wraz z ekspansją energetyki wiatrowej oraz rozwojem metod przechowywania ciepła odebranego sprężanemu powietrzu. Niedawny raport amerykańskiego Departamentu Energii uznaje CAES za najtańszą metodę masowego magazynowania energii odnawialnej. Do podobnego wniosku doszli Niemcy.
W instalacji spod Staßfurt prąd z turbiny wiatrowej wprawi w ruch sprężarkę, a powstające ciepło będzie przekazywane do naziemnego magazynu. Natomiast samo sprężane powietrze trafi do kawerny, czyli komory powstałej po wybraniu soli. W razie potrzeby powietrze z kawerny zostanie wydobyte, rozprężone, ogrzane ciepłem przechowanym w naziemnym magazynie i skierowane do turbiny prądotwórczej. Niby proste, ale - tak jak w przypadku pomysłu Garveya - dopiero po wybudowaniu prototypu okaże się, co działa już w miarę dobrze, a nad czym trzeba jeszcze popracować.
Kilka prototypowych projektów ma ruszyć w tym lub przyszłym roku także w USA. Jedna z farm wiatrowych chce magazynować energię w dawnej głębinowej kopalni wapieni krystalicznych. Inna przymierza się do tłoczenia powietrza na głębokość kilometra do warstwy piaskowców. Najlepsze jako magazyny są kawerny solne, ale po pierwsze, w większości z nich już od dawna przechowuje się gaz ziemny, a po drugie, nie wszystkie znajdują się tam, gdzie wiatr wieje dostatecznie silnie i często. Trzeba więc szukać niestandardowych pomysłów. W zeszłym roku paru absolwentów prestiżowego Dartmouth College wpadło na pomysł, jak w zbiornikach naziemnych ściskać powietrze do ciśnień 200 razy większych od atmosferycznego, i to w taki sposób, by odzyskiwać ciepło sprężania. Dostali wiele nagród i kilkanaście milionów dolarów na inwestycje. Wyposażeni w gotówkę ruszają z budową testowej instalacji o mocy 200 MW.
Andrzej Hołdys jest dziennikarzem naukowym i popularyzatorem nauki. Publikuje m.in w "Wiedzy i Życiu", "Polityce", "Gazecie Wyborczej", "Wprost".
Wiatr to kapryśne źródło energii. Nikt nie wie o tym lepiej niż Duńczycy, którzy na energetykę wiatrową postawili już ćwierć wieku temu. Szefowie jednej z duńskich farm wiatrowych zbudowanych na Morzu Północnym opowiadali niedawno, jak to ku ich turbinom zbliżał się od zachodu głęboki niż atmosferyczny. Wiatr dmuchał aż miło i urządzenia pracowały na pełnych obrotach. Do sieci trafiało mnóstwo prądu, który następnie był kierowany do sieci krajowej. Było go tyle, że nadwyżkę próbowano sprzedać za granicę.
Ale kilkanaście godzin później wiatr wzmógł się tak bardzo, że groził połamaniem łopat. Zatrzymano więc turbiny, uprzedzając dyspozytorów krajowej sieci energetycznej, że niebawem będą musieli wypełnić jakoś przerwę w dostawie prądu, musi być on przecież dostarczany niezależnie od pogody. "I jak sobie poradziliście?" - dopytywali się słuchający tej opowieści naukowcy z różnych krajów, którzy przyjechali do Kopenhagi, aby poznać duńskie doświadczenia z energetyką wiatrową. "Cóż, kupiliśmy prąd od Norwegów" - padła odpowiedź. Zaraz potem usłyszeli konkluzję opowieści: "Kto chce się opierać na energetyce wiatrowej, musi mieć bardzo dobrych sąsiadów albo magazynować pobraną od wiatru energię".
Na całym świecie coraz szybciej powstają kolejne elektrownie wiatrowe. Ich łączna moc podwaja się co trzy lata. Na koniec 2010 roku sięgnęła prawie 200 gigawatów (sześć razy więcej niż moc polskich elektrowni). Światowe Stowarzyszenie Energii Wiatrowej (WWEA) optymistycznie szacuje, że za kolejnych 10 lat moc wszystkich turbin wiatrowych zbliży się do 2000 GW. Sektor daje już pół miliona miejsc pracy, a w ciągu dwóch-trzech lat zwiększy zatrudnienie do miliona osób. Potentatami w branży są Chiny, USA i Niemcy. Dwa pierwsze kraje zamieniły się w zeszłym roku miejscami pod względem pierwszeństwa.
Oczywiście żaden kraj, nawet zakochana w wietrze Dania, nie zamierza opierać się głównie na tym źródle energii. Ale czyż nie byłoby wspaniale zachomikować trochę energii odebranej wiatrowi wtedy, gdy hula on na całego, a następnie wykorzystać ją przy flaucie? Pytanie tylko, gdzie tę nadwyżkę schować?
Seamus Garvey, profesor Uniwersytetu w Nottingham w Wielkiej Brytanii, jest jednym z badaczy, którzy znają odpowiedź na to pytanie. W pierwszej chwili może wydawać się szalony, ale znaleźli się bogaci inwestorzy, którzy weń uwierzyli. Dzięki temu brytyjski badacz instaluje teraz na dnie morskim w pobliżu wybrzeży Szkocji swój pierwszy balon na wiatr. Garvey jest zdania, że za kilkanaście lat, gdy znaczna część energii w Wielkiej Brytanii będzie pochodziła z farm wiatrowych ulokowanych na środku morza, magazynowanie energii odebranej żywiołowi stanie się powszechne, a nawet konieczne.
Zaczęło się od eksperymentów laboratoryjnych, które Garvey prowadzi już od pięciu lat na swojej uczelni. W ramach projektu nazwanego ICARES (od ang. Integrated Compressed Air Renewable Energy Systems) naukowiec testował podwodne balony o średnicy 2m, do których pompował sprężone powietrze. Idea była prosta: wykorzystać wielkie turbiny do sprężania powietrza i pompowania go do zakotwiczonych na dnie zbiorników wykonanych z elastycznego, lecz wytrzymałego na naprężenia materiału. W razie potrzeby można byłoby sięgnąć do tego magazynu energii. - Wypełniony sprężonym powietrzem balon o średnicy 20 metrów może zmagazynować około 70 MWh energii. To 14 godzin pracy największych obecnie turbin - mówi Garvey. Według jego wizji każdej morskiej farmie wiatrowej powinien towarzyszyć magazyn energii o pojemności równej jednej trzeciej mocy zainstalowanych turbin. - Wtedy żadne załamanie pogody nie zakłóci dostaw prądu - tłumaczy.
Od trzech lat badania Garveya finansuje niemiecki koncern energetyczny E.ON, który zakłada farmy na Morzu Północnym. Naukowiec opatentował swój wynalazek i nazwał go Energy Bag, a rok temu wspólnie z uczelnią założył firmę Nimrod, która poszukuje chętnych do sponsorowania kolejnych eksperymentów. Również w zeszłym roku zamówił wykonanie pierwszego testowego balonu, który właśnie trafił pod wodę.
Wykonawcę znalazł w kanadyjskiej Kolumbii Brytyjskiej, gdzie siedzibę ma niewielka innowacyjna firma Thin Red Line Aerospace współpracująca z NASA przy projektach rozmaitych nadmuchiwanych komór i balonów orbitalnych. To w niej powstały również struktury testowane w satelitach Genesis I i II, które potentat branży hotelarskiej Robert Bigelow wysłał kilka lat temu w Kosmos, aby sprawdzić, czy w nadmuchiwanych pomieszczeniach można byłoby zaaranżować kosmiczny hotelik. Pojemnik, który Garvey zamówił u Kanadyjczyków, został wykonany ze wzmocnionego kauczuku butylowego oraz z vectranu - sztucznego włókna, z którego zrobiono m.in. poduszki amortyzujące lądowanie sondy Mars Pathfinder oraz marsjańskich pojazdów Spirit i Opportunity.
Dopiero teraz balonowa koncepcja zostanie poddana surowym testom. Do sprawdzenia jest mnóstwo szczegółów technicznych i technologicznych. Brytyjski badacz podkreśla, że balony najlepiej byłoby umieszczać na głębokości około 600 metrów, gdzie ciśnienie wody jest 60-70 razy większe niż na powierzchni. Takie same parametry miałoby powietrze znajdujące się w balonie, co oznacza, że można byłoby zmieścić go bardzo dużo. - Na lądzie trzeba by do tego celu zbudować potężny zbiornik ciśnieniowy. W głębinach zrobi to za nas sama natura - podkreśla naukowiec.
Ile to będzie kosztowało? Najwięcej zależy od sprawnego odzyskiwania energii z podwodnego magazynu. Garvey twierdzi, że wyniesie ona 85-90 proc. Byłby to rewelacyjny wynik. Głównym wyzwaniem jest ciepło powstające podczas silnego sprężania powietrza. Powinno się je przechować, a potem oddać podczas rozprężania powietrza. Inaczej to drugie trzeba by ogrzewać przed skierowaniem do turbiny prądotwórczej, tracąc przy tym mnóstwo energii i pieniędzy.
Ale skonstruowanie takiej termicznej przechowalni nie jest jednak łatwe. Pomysł brytyjskiego badacza polega na zastosowaniu magazynów ciepła składających się naprzemiennie z trzech warstw wody morskiej, trzech warstw oleju mineralnego i trzech warstw solanki. Dopiero eksperymenty pokażą, jak będą się zachowywały te podwodne piece. - Jeśli testy wypadną pomyślnie, wówczas koszt magazynowania w energii w balonach, pod warunkiem ich masowego zastosowania, może być wielokrotnie niższy, niż w wykorzystywanych od dawna elektrowniach szczytowo-pompowych - ocenia Garvey. Być może opłacałoby się nawet "zatapiać" w morzu pewien zapas prądu dostarczonego z elektrowni pracujących na lądzie.
Eksperymenty z magazynowaniem energii wiatrowej w postaci sprężonego powietrza, tym razem pod ziemią, trwają również w Niemczech. Niedawno zapadła tam decyzja o wybudowaniu pierwszej prototypowej instalacji o mocy 200 MW. To efekt badań prowadzonych przez kilka niemieckich firm i uczelni w ramach programu o nazwie ADELE. Magazyn ma zastąpić przez pięć godzin pracę farmy składającej się z 40 dużych turbin. Zbudowany zostanie w 2013 roku w pobliżu miejscowości Staßfurt na południe od Magdeburga. Zamówienia na poszczególne komponenty już zostały złożone. Tym razem inwestorem jest koncern RWE, ale do projektu dołączy też rząd niemiecki. - Tego rodzaju technologie nabierają sensu ekonomicznego przy powszechnym wykorzystaniu energetyki wiatrowej. W Niemczech osiągnęliśmy już ten etap - tłumaczy Jürgen Großmann z RWE.
Sama idea chowania energii elektrycznej pod ziemią nie jest nowa. Parę dekad temu dwa takie magazyny powstały przy zwykłych elektrowniach węglowych - jeden w Niemczech, drugi w amerykańskim stanie Alabama. I na tym się skończyło, bo okazało się, że rzecz jest nieopłacalna. Wielkie korzyści technologii - w skrócie zwanej obecnie CAES (od ang. Compressed Air Energy Storage) - dostrzeżono dopiero wraz z ekspansją energetyki wiatrowej oraz rozwojem metod przechowywania ciepła odebranego sprężanemu powietrzu. Niedawny raport amerykańskiego Departamentu Energii uznaje CAES za najtańszą metodę masowego magazynowania energii odnawialnej. Do podobnego wniosku doszli Niemcy.
W instalacji spod Staßfurt prąd z turbiny wiatrowej wprawi w ruch sprężarkę, a powstające ciepło będzie przekazywane do naziemnego magazynu. Natomiast samo sprężane powietrze trafi do kawerny, czyli komory powstałej po wybraniu soli. W razie potrzeby powietrze z kawerny zostanie wydobyte, rozprężone, ogrzane ciepłem przechowanym w naziemnym magazynie i skierowane do turbiny prądotwórczej. Niby proste, ale - tak jak w przypadku pomysłu Garveya - dopiero po wybudowaniu prototypu okaże się, co działa już w miarę dobrze, a nad czym trzeba jeszcze popracować.
Kilka prototypowych projektów ma ruszyć w tym lub przyszłym roku także w USA. Jedna z farm wiatrowych chce magazynować energię w dawnej głębinowej kopalni wapieni krystalicznych. Inna przymierza się do tłoczenia powietrza na głębokość kilometra do warstwy piaskowców. Najlepsze jako magazyny są kawerny solne, ale po pierwsze, w większości z nich już od dawna przechowuje się gaz ziemny, a po drugie, nie wszystkie znajdują się tam, gdzie wiatr wieje dostatecznie silnie i często. Trzeba więc szukać niestandardowych pomysłów. W zeszłym roku paru absolwentów prestiżowego Dartmouth College wpadło na pomysł, jak w zbiornikach naziemnych ściskać powietrze do ciśnień 200 razy większych od atmosferycznego, i to w taki sposób, by odzyskiwać ciepło sprężania. Dostali wiele nagród i kilkanaście milionów dolarów na inwestycje. Wyposażeni w gotówkę ruszają z budową testowej instalacji o mocy 200 MW.
Andrzej Hołdys
