Ar pažangiausia technologija, panaudojanti vieną iš pagrindinių visatos jėgų, galėtų padėti išspręsti mūsų energijos kaupimo iššūkį?

Kaip sukaupti nepastovią atsinaujinančių energijos šaltinių energiją?

Atsinaujinančios energetikos revoliucijoje yra esminė mįslė. Kai pučia vėjas, šviečia saulė ir ritasi bangos, susidaro daug žalios energijos. Bet kai dangus aptemsta ir vėjo sąlygos ramios, ką daryti?

šiandien dažniausiai atsakymas yra padidinti įprastos energijos gamybos apimtis, tiekiant energiją į tinklą, jos gamybai deginant iškastinį kurą. Tai 20-ojo ir 21-ojo amžiaus problemos sprendimas – toks, kuris smarkiai prieštarauja anglies neutralumo planams.

Kai kurie energetikos ekspertai teigia, kad švaresnė ateitis reikš, kad reikia sutelkti dėmesį į vis didesnes ličio jonų baterijas. Kiti teigia, kad žalias vandenilis yra geriausia pasaulio viltis. Ir tada yra tie, kurie savo statymus daro ne ant chemijos, o mus visus supančios beribės jėgos: gravitacijos.

ši nauja energijos kaupimo technologijos sritis, paremta nekintama Niutono logika – kas pakyla, tas turi nusileisti – iš esmės yra nepaprastai paprasta. Kai žalios energijos yra daug, naudokite ją didžiuliam svoriui pakelti į iš anksto nustatytą aukštį. Kai atsinaujinantys energijos šaltiniai yra riboti, atleiskite apkrovą, maitindami generatorių su žemyn nukreipta gravitacine trauka.

Panašus metodas taikomas „akumuliacinėse hidroelektrinėse“ – kaip Kruonio HAE. Būtent tokio tipo jėgainės dabar sudaro daugiau nei 90％ dabartinės didelės talpos energijos kaupimo visame pasaulyje. Tai mūsų pagrindinės baterijos.

Principas? Supilkite vandenį į kalną naudodami perteklinę energiją, o tada, kai reikia, nukreipkite jį žemyn per hidroelektrinės įrenginius ir atgaukite energiją. Tai išbandyta ir patikrinta sistema. Tačiau yra didelių problemų, susijusių su mastelio keitimu.

Hidroprojektai yra dideli ir brangūs, su didelėmis kapitalo sąnaudomis, be to, jiems keliami griežti geografiniai ir aplinkosauginiai reikalavimai. Jei pasaulis nori pasiekti grynąjį nulinį poveikį aplinkai, jam reikia energijos kaupimo sistemos, kurią būtų galima įrengti beveik bet kur ir dideliu mastu.

Genialus „Gravitricity“ metodas

„Gravitricity“, Edinburge įsikūrusi ekologiškos inžinerijos kompanija stengiasi, kad tai taptų realybe. 2021-aisiais balandį sėkmingai išbandė savo pirmąjį gravitacinės baterijos prototipą: 15 m plieno bokštą, su pakabintu 50 tonų geležiniu svarmeniu. Centimetras po centimetro elektros varikliai pakėlė masyvią metalinę dėžę į viršų, o po to pamažu paleido ją atgal ant žemės, taip atgaudami energiją.

Demonstracinis įrenginys buvo „mažo masto“, – sako Jill Macpherson, „Gravitricity“ vyresnioji bandymų ir modeliavimo inžinierė. Tačiau jis vis tiek pagamino 250 kW momentinės galios, kurios pakaktų trumpam aprūpinti maždaug 750 namų. Taip pat padrąsino tai, ką komanda sužinojo apie galimą jų sistemos ilgaamžiškumą.

„Mes įrodėme, kad galime valdyti sistemą, kad pailgintume tam tikrų mechaninių komponentų, pavyzdžiui, kėlimo troso, tarnavimo laiką“, – sako Macpherson. „Sistema taip pat sukurta taip, kad per visą jos eksploatavimo laiką būtų galima lengvai pakeisti atskirus komponentus, o ne reiktų pakeisti visą sistemą. Taigi yra reali galimybė turėti dešimtmečius trunkantį eksploatavimo laiką.“

Nors „Gravitricity“ prototipu dėmesys buvo nukreiptas į tai, kas yra virš žemės paviršiaus, dabar bendrovės dėmesys yra nukreiptas į tai, kas yra po žeme. Praėjusiais metais inžinieriai ieškojo uždarytų anglių kasyklų Didžiojoje Britanijoje, Rytų Europoje, Pietų Afrikoje ir Čilėje. Loginis pagrindas, aiškina generalinis direktorius Charlie Blairas, yra gana paprastas: „Kam statyti bokštus, kai galime panaudoti žemės geologiją, kad išlaikytume savo svorį?“

Atrodo logiškas sprendimas. Žemės rutulys yra nusėtas nenaudojamų kasyklų šachtomis, kurios yra pakankamai gilios, kad tilptų viso dydžio „Gravitricity“ įrenginys, kuris nusidrieks mažiausiai 300 metrų ir galbūt dar giliau.

Taip pat yra politinės valios, kad tai įvyktų, sako Blairas, o politikos formuotojai nori pasinaudoti visuomenės entuziazmu dėl vadinamojo „teisingo perėjimo“ – naujos, mažai anglies dioksido į aplinką išskiriančių technologijų ekonomikos, užtikrinančios iškastinio kuro darbuotojų bendruomenių interesus ir jų pragyvenimo šaltinius.

Taigi, surinkus pakankamai lėšų, požeminis prototipas – šių metų pradžioje jau pasirašyta sutartis ir Čekijoje atsiras „pirmoji viso masto gravitacinės energijos saugykla Europoje“ – turėtų pradėti veikti iki 2024 m.

ši naujiena buvo paskelbta po to, kai prieš pat 2023-iuosius Škotijos įmonė paskelbė, kad per ateinančius penkerius metus planuoja surinkti 40 mln. svarų sterlingų žaliosios energijos saugyklų statybai finansuoti.

Su reikalingomis lėšomis ir visų pusių demonstruojamu entuziazmu, tai leis sukurti įrenginį, kuriame būtų pakankamai energijos, kad būtų galima maitinti daugiau nei 16 000 namų.

Darkovo kasykloje, esančioje Čekijos Respublikoje Moravijos-Silezijos regione, netoli Karvinos miesto, 1972 m. buvo bandoma pasiekti daugiau nei 700 metrų gylyje glūdinčias storas anglies gyslas, o intensyviausiu veiklos metu joje dirbo apie 4000 žmonių.

Savo procese „Gravitricity“ naudoja didelius iki 12 000 tonų svorius, pakabintus gilioje šachtoje prie gervių pritvirtintais trosais.

Įmonės skaičiavimais, visame pasaulyje yra apie 14 000 kasyklų, kurios galėtų būti tinkamos energijos kaupimui. Tad potencialas didžiulis. Žinoma, pirmiausia reikia įveikti daugybę iššūkių.

„Turime atidžiai apžiūrėti esamas civilines struktūras – šachtos įtvirtinimus, šachtos aplinką – ir įsitikinti, kad jos yra visiškai sveikos ir gali atlaikyti kelis tūkstančius tonų“, – aiškina Blairas. „Taip pat yra galimų saugos problemų dėl metano dujų ir kasyklų, kurios yra užtvindytos.“

Atsižvelgdama į tai, „Gravitricity“ taip pat svarsto galimybę tiesiog naudoti šachtos vandenyje panardintus savo specialiai sukonstruotus velenus: iš pradžių toks sprendimas kainuotų daugiau, bet ateityje atsipirktų.

Visai kitoks „Energy Vault“ sprendimas

Tačiau ne visi novatoriai mato požeminio sprendimo privalumus. Slėnyje pietų Šveicarijoje buvo pastatytas stulbinantis daugiau nei 20 aukštų plieno ir betono prototipas iš „Energy Vault“, kito gravitacijos baterijų lyderiaujančio plėtotojo. Kai atsinaujinančios energijos gamyba viršija poreikį, vienas iš kelių dirbtinio intelekto valdomų kranų pakelia porą 30 tonų sveriančių blokų aukštyn. Kai paklausa viršija pasiūlą, jie grįžta atgal ir pagamina pakankamai energijos tūkstančiams namų.

Ištestavus ir praktiškai išbandžius technologiją – bei surinkus apie 402 mln. USD investicijų – „Energy Vault“ yra pasiruošusi pradėti komercinę plėtrą. Tam bendrovė sukūrė šiek tiek estetiškesnį, nei kampuotas šveicariškas prototipas, modulinį pastatą, pavadintą „EVx“, kuriame vežimėlių sistemoje laikomi tūkstančiai svorių.

„Pagalvokite apie tai kaip apie energijos liftų sandėlį“, – sako Robertas Piconi, „Energy Vault“ generalinis direktorius. „Kai tiekiama švari elektra, blokai, pagaminti iš perdirbtų medžiagų, pakyla, o kai reikia tiekti energiją į tinklą, jie vėl nusileidžia. EVx, kurio talpa yra 100 MWh, gali maitinti apie 25 000 namų per dieną.“

Kiekvieno įrenginio dydis ir išdėstymas lems bendrą talpą, tačiau net ir apatinėje dalyje pastatai užims dešimt ir daugiau hektarų. Ar tai gali būti problemiška? Ne, sako Piconi, nes sistemos greičiausiai bus šalia vėjo ir saulės jėgainių, toli nuo miestų centrų.

„Mums taip pat nereikės kasti gilių duobių ar turėti kitų didelių ribojančių veiksnių. Iš esmės tiks visur, kur galite pastatyti 20 aukštų pastatą“, - sako jis.

Tai žinutė, kuri, regis, sulaukia atgarsio: „Energy Vault“ užsakymų sąrašas sparčiai pildosi, sulaukiama susidomėjimo iš visos Europos, Amerikos, Artimųjų Rytų, Australijos ir Kinijos. Pastarosios susidomėjimas yra ypač įdomus, sako Piconi, kuris tikisi, kad tai gali reikšti didžiausio pasaulyje šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetėjo krypties pasikeitimą.

O kaip su elektros tinklo balansavimu?

Tai gali būti svajonė, tačiau anksčiau ar vėliau visos šalys turės priimti tam tikrą žaliosios energijos kaupimo formą. Tai apima ilgalaikį saugojimą, šviesos palaikymą ilgą laiką, kai energijos iš atsinaujinančių šaltinių yra mažai, ir trumpus elektros energijos srautus, kai tinklui reikia papildomo tiekimo.

Pastarasis punktas susijęs su rimta problema, su kuria susiduria žaliosios energijos gamintojai ir tinklų prižiūrėtojai: elektros tinklai buvo sukurti taip, kad veiktų su įprastomis elektrinėmis, o ne su atsinaujinančiais energijos šaltiniais.

„Visą laiką tinklas turi būti subalansuotas“, – aiškina Edinburgo universiteto elektrotechnikos ekspertas Thomas Morstynas. „Operatoriai nuolat turi suderinti pasiūlą ir paklausą, tačiau tai sudėtinga, kai turite kažką tokio kaip vėjo ar saulės energijos, dėl ko gali atsirasti staigūs energijos svyravimai.“

Didelė gravitacinės baterijos masė kartu su neįtikėtinai lėtu nusileidimu sukuria didžiulį sukimo momentą, leidžiantį sistemai beveik akimirksniu tiekti maksimalią galią. Dėl to technologija ypač tinka palaikyti tinklo balansą, sumažinti rimtos infrastruktūros žalos ir elektros energijos tiekimo nutraukimo riziką.

O kaip su ličio baterijomis?

Tačiau ličio jonų baterijos, kurios maitina mūsų telefonus, nešiojamus kompiuterius ir elektrines transporto priemones, gali į tinklo pokyčius reaguoti taip pat greitai ir turi panašius efektyvumo rodiklius, kaip ir gravitacijos sprendimai. Ličio elementų kaina pastaraisiais metais taip pat sumažėjo. Taigi kodėl gi nesukūrus vis didesnių cheminių baterijų?

Atsakant į šį klausimą svarbu atsižvelgti ne tik į išankstines išlaidas, bet ir į visas sistemos eksploatavimo išlaidas. Gravitacijos baterijos yra mechaniniai daiktai, todėl jie gali sulūžti. Galbūt nutrūksta trosas, užstringa greičių dėžė, ar atsiranda rūdžių lopinėlis. Šios problemos yra problemiškos, tačiau jos nėra mirtinos – atskirus komponentus galima gana lengvai pakeisti. Šis „pataisomumas“ reiškia, kad gravitacinės baterijos gali tarnauti net 50 metų, – sako Asmae Berrada, mokslininkė, energijos kaupimo specialistė iš Tarptautinio Rabato universiteto Maroke.

Tuo tarpu su jų elektrocheminiais kolegomis istorija yra kitokia. „Ličio jonų elementai suyra, o tai reiškia, kad laikui bėgant jų talpa nepataisomai mažėja“, – aiškina Berrada, kurios tyrimais nustatyta, kad ličio baterijų eksploatavimo kaštai yra dvigubai didesni nei mechaninių alternatyvų. „Taip pat yra apribojimų, kiek cheminės baterijos gali kasdien atlaikyti įkrovimo-iškrovimo ciklų, jei bandote išsaugoti jų ilgaamžiškumą, o gravitacinės sistemos tikrai neturi dėl to jaudintis, nes jų dalis galima lengviau pakeisti.“

Įtraukus susirūpinimą dėl žmogaus teisių pažeidimų, kai kobalto kasyba siejama su vaikų darbu, ir žalą aplinkai, Berrada įsitikinusi, kad žaliajai energijai kaupti būtina naudoti ne ličio junginius. Atitinkamai, ji ir jos komanda kuria savo vandens pagrindo gravitacijos baterijos prototipą, finansuojamą Ispanijos ir Maroko vyriausybių.

Berrada paaiškina, kad užuot pakėlus didelį kietą svorį, perteklinė žalioji energija bus naudojama panardintam stūmokliui pakelti aukštyn, o grįžtant aukšto slėgio vanduo eis per generatorių ir bus atgaunama energija. Panašios sistemos kuriamos Kalifornijoje ir Vokietijoje, o Nevados mokslininkai tiria unikalų, geležinkelių įkvėptą sprendimą.

Kiek iš jų išsipildys, pasakyti neįmanoma. Neabejotina, kad pasauliui reikia drąsių ir kūrybiškų energijos ir klimato sprendimų. Šiame fronte nėra viską akimirksniu išsprendžiančių tobulų sprendimų, tačiau gravitacinės baterijos, išnaudojančios tikrai begalinę, visur esančią jėgą, beveik neabejotinai turi atlikti savo vaidmenį.