Grawitacyjne magazyny energii

Wstęp

 

Magazyny grawitacyjne wykorzystują zamianę energii elektrycznej na potencjalną, zmagazynowaną w dużej masie podniesionej za pomocą dźwigów, wyciągarek, itp. na określoną wysokość. Energia taka może być potem wykorzystana podczas grawitacyjnego, pod własnym ciężarem zjazdu z napędem lokalnego generatora . Pod względem zasady działania magazyn grawitacyjny przypomina elektrownię szczytowo-pompową. Zamiast wody wykorzystuje się tutaj tylko masywne betonowe bloki, piasek, żwir, etc. Poniżej omówię znalezione w sieci technologie

 

GPM – Gravity Power Modul to rozwiązanie opatentowane przez firmę Gravity Power. Technologia ta wykorzystuje bardzo duży tłok zawieszony w wypełnionym wodą cylindrze (szybie) z uszczelkami ślizgowymi, co pomaga zapobiegać wyciekom wokół tłoka. System działa w obiegu zamkniętym, co oznacza, że szyb jest napełniany wodą tylko raz, na początku pracy. W trybie ładowania energia elektryczna, poza szczytem  wykorzystywana jest do napędzania silnika/generatora, który zasila pompę, aby wtłoczyć wodę w rurę powrotną i do szybu.

 

Rys. Po prawej system GPM.

 

 Wtłaczana woda podnosi tłok utrzymując go w górnej pozycji do momentu, aż pojawi się zapotrzebowanie na energię. W trybie rozładowania tłok opada pod własnym ciężarem, wtłaczając wodę w dół szybu magazynującego, a następnie w górę rury powrotnej i przez turbinę, która zasila silnik/generator w celu wytworzenia energii elektrycznej. Sprawność takiej instalacji sięga ponad 80%

 

ECGES – Energy Cache Gravity Energy Storage

Wykorzystuje do magazynowania energii ciąg wagoników ze żwirem poruszających się w górę zbocza. W okresie szczytu energii wagoniki są uwalniane i zjeżdżają w dół napędzając generator. Technologia ta wymaga dość dużych różnic wysokości, stąd znajduje zastosowanie w górach i na klifach. Inna jest nazwa to Mountain gravity energy storage (MGES).

 

 

Fot. Magazyn energii demonstracyjny typu ECGES w Kalifornii o mocy 50kW.

Rys. Schemat działania  MGES, przedstawiający górne i dolne miejsca magazynowania oraz zbiorniki magazynujące poruszające się w górę (magazynowanie energii) i w dół (generowanie energii elektrycznej).

 

Wielkość energii możliwą do zakumulowania w tym rozwiązaniu można wyznaczyć ze wzoru:

 

gdzie:

E – wartość energii w J

m_s – masa piasku lub żwiru

h – różnica wysokości pomiędzy górnym i dolnym magazynem

g – przyspieszenie ziemskie 9,81 m/s²

e_h – wartość tracona wyznaczana ze wzoru eh=(h- h_u-h_l)/h

h_l i h_u – są stratami wysokości na wymianę materiału w górnym i dolnym magazynie

e_s – sprawność systemu wyznaczana na max. 85%, bezpiecznie przyjmować tutaj wartość od 60-80%

 

Na straty mocy systemu mają też wpływ masa kabla elektrycznego mc i wagoników mv, dlatego należy dążyć, aby były jak najmniejsze. 

 

ARES

 

Advances Rail Energy Storage to podobne rozwiązanie do powyższego, ale wykorzystujące zamiast wagoników zawieszonych na linie, wagony kolejowe o specjalnej konstrukcji,. Wagony poruszają się po nachylonym torze.  Każdy wagon obciążony jest blokiem betonowym.  

Fot. Projekt pilotowy Ares.

 

Dotychczas firmie udało się wykonać projekt pilotowy w Tehachapi w kaliforni (zdjęcie powyżej) z jednym torem, po któym porusza się 6-cio tonowy pociag. Udowodniono wysoką sprawność systemu dochodząca do 90%. Optymalne nachylenie toru wyniosło około 7,2%. Firma planuje obecnie pełnowymiarową instalację w Nevadzie  w miejscowości Pahrump, o mocy 50MW i pojemności energii 12,5MWh. Tory kolejowe mają mieć długość 9,2km i różnicę wysokości ponad 2100stóp (640m). Całkowita masa wagonów ma wynieść 9600 ton. Inwestycja jest w trakcie realizacji. (zobacz wideo)

 

 

Energy Vault

 Fot. Firma Energy Vault uważa, że jej system blokowy może zapewnić czystą energię przez całą dobę.

 

Magazyn grawitacyjny energii firmy Energy Vault przypomina dźwig budowlany, a jego ładowanie- budowę wieży z klocków. Klockami są jednak potężne bloki betonowe o masie 35 ton każdy. W czasie ładowania podnoszone są one za pomocą wyciągarek na wysokość dochodząca do kilkudziesięciu metrów, zyskując energię potencjalną. Przy wzroście zapotrzebowania na energię, magazyn jest rozładowywany poprzez grawitacyjne upuszczanie bloków na linach napędzających generatory. Pilotażowa, pełnoskalowa instalacja została wykonana w Szwajcarii. Dźwig ma wysokość kilkudziesięciu metrów. Bloki podnoszone są na różne wysokości, tworząc ostatecznie wieżę w kształcie smukłego cylindra.

W czasie badań nad efektywnością uzyskano sprawność na poziomie 75,3%.

Ilość energii zgromadzoną w wieży można wyznaczyć ze wzoru:

 

                       E = m_t x g x h

 

gdzie:

 

m_t – jest masą wieży

g – stałą grawitacyjną

h – różnicą wysokości pomiędzy środkiem wieży naładowanej i rozładowanej.

 

Im więcej bloków betonu i im wyższa wieża, tym więcej można zgromadzić w niej energii. Ilość odzyskanej energii, a także chwilowa moc zależy z kolei od masy opadającego bloku i jego prędkości opadania. Wartości te są ograniczone konstrukcją wieży i żurawia. Wieża wybudowana w Szwajcarii ma pojemność energii równą około 35MWh. Wykorzystuje do tego celu sześć ramion żurawi, które jednocześnie mogą podnosić i opuszczać 4 bloki betonu. Technologie jest całkowicie czysta ekologicznie. Bloki betonu są trwałe i łatwe w produkcji.

 

Rys. Cykl ładowania i rozładowywania wieży.

obejrzyj film  

 

Powyższy magazyn zyskał symbol EV1. Obecnie firma pracuje nad kolejnym rozwiązaniem magazynu grawitacyjnego o nazwie EVx, który będzie miał budowę modułową i możliwość rozbudowy do pojemności rzędu GWh. W rozwiązaniu EVx kompozytowe bloki poruszają sie po prowadnicach zamocowanych w szkielecie stalowym. Obecnie firma Energy Vault zawarła umowę dotyczącą systemu magazynowania energii z DG Fuels, twórcą odnawialnego wodoru i biogenicznego, syntetycznego zrównoważonego paliwa lotniczego (SAF) i oleju napędowego.

Zgodnie z warunkami umowy, Energy Vault zgodziło się zapewnić 1,6 gigawatogodziny (GWh) grawitacyjnego magazynowania energii w celu wsparcia DG Fuels w wielu projektach, przy czym pierwszy projekt ma wynieść 500 megawatogodzin (MWh) w Luizjanie. DG Fuels spodziewa się zakończyć swój projekt SAF w Luizjanie do połowy 2022 roku. Po tym początkowym projekcie przyjdą kolejne projekty w Kolumbii Brytyjskiej i Ohio.

 

Rys. Magazyn w systemie EVx, po prawej pojedynczy blok

 

Warto zwrócić uwagę, że w technologii grawitacyjnej, w odróżnieniu do akumulatorów litowo-jonowych, bloki kompozytowe mogą być wykonane z tanich i lokalnie pozyskiwanych materiałów, w tym z wykopanej ziemi na placu budowy, ale mogą również wykorzystywać materiały odpadowe, takie jak odpady kopalniane, pozostałości po spalaniu węgla (popioły węglowe) i włókno szklane z wycofanych z eksploatacji łopat turbin wiatrowych. Ogólnie to ciekawa technologia, której warto się przyjrzeć.