Magazyny energii StEnSea – Stored Energy in the Sea

Wstęp

Kolejny magazyn energii jaki chciałbym opisać można w skrócie nazwać morską elektrownią szczytowo-pompową. Klasyczna elektrownia szczytowo-pompowa lądowa wymaga dwóch zbiorników, górnego i dolnego, pomiędzy którymi na zmianę jest przepompowywana, lub zrzucana grawitacyjnie woda. Rozwiązanie takie jest bardzo drogie, pracochłonne i wymaga specyficznych warunków geologicznych w miejscu montażu (duża różnica wysokości między zbiornikami). Z tego powodu jest dostępne tylko dla wybranych lokalizacji, wywiera duży wpływ na okoliczne środowisko i wymaga akceptacji społecznej (konieczne wyburzenia, zmiany mikroklimatu). Koncepcja magazynu szczytowo-pompowego podwodnego opiera się na wykorzystaniu do ładowania i rozładowania magazynu ciśnienia wywieranego w naturalny sposób przez słup wody. Magazyny Stensea wykonywane są bowiem w postaci betonowych kul zlokalizowanych na dnie zbiornika wodnego (jeziora, morza), w których zamocowane są pompy i turbiny. Ładowanie magazynu polega na wypompowywaniu z kuli zgromadzonej w niej wody, co wymaga pokonania statycznego ciśnienia słupa wody otaczającego kulę. W czasie rozładowania (poboru energii) otwierany jest zawór odcinający dopływ i woda pod własnym ciśnieniem ponownie wpływa do kuli napędzając turbinę i generując w ten sposób energię. Ilość magazynowanej energii zależy od głębokości wody, ilości kul i ich objętości. Kule wymagają jedynie połączenia kablowego z brzegiem lub pobliską pływającą stacją transformatorową (np. morską elektrownią wiatrową). Nie są natomiast potrzebne żadne inne połączenia, jak rury, czy skomplikowana armatura.

Projekt Stensea

Magazynowanie energii w podwodnych zbiornikach ma swoje początki już od 1944 roku. Pierwsze patenty wykorzystujące puste struktury w jeziorach i rzekach zgłoszono w Niemczech i Japonii. Bazowały one na małych głębokościach i stąd nie znalazły praktycznego zastosowania. Dopiero gwałtowny wzrost wielu instalacji energii odnawialnej na morzu i nowe podejście do tego zagadnienia w postaci wykorzystania bardzo głębokich wód, ponownie skierował zainteresowanie tym tematem. Dostępność głębokich wód na morzach jest praktycznie nieograniczona. Dostrzeżono też możliwość wykorzystania powyższej technologii w zamykanych kopalniach węgla kamiennego, które potencjalnie miałyby być zalane wodą.

Pierwszy realny prototyp magazynu wykorzystujący kule wodne o nazwie Stensea został przetestowany na Jeziorze Bodeńskim w 2016 roku. Testy wykorzystały kule wykonane w skali 1:10 i średnicy 3m.

Fot. testowane w Niemczech kule projektu Stensea.

Projekt zakończył się sukcesem. Potwierdzono skuteczność tej metody magazynowania energii. Ilość energii jaką można dzięki tej technologii zgromadzić można wyznaczyć ze wzoru:

gdzie:

• ρ_w – gęstość wody w kg/m3
• η – sprawność pompy
• g – przyspieszenie ziemskie 9,81 m/s2
• H – głębokość wody w miejscu montażu liczona od powierzchni do środka kuli
• V – objętość wody w kuli

Przy kuli o średnicy 3m i sprawności na poziomie 80% pojemność takiego magazynu na głębokości 100m wyniosła około:

 Emax = 1000 kg/m³ x 0,8 x 9,81 m/s² x 100m x 14m³/3.600.000 = 3 kWh

Rys. Schemat kuli w projekcie Stensea. W wewnętrznym cylindrze zamocowana jest turbina (u góry) generująca energię w czasie wpływania wody do kuli. U dołu pompa wypompowująca wodę (ładowanie magazynu)

Badania nad praktycznym zastosowaniem projektu przyniosły szereg wniosków. Magazyn im jest głębiej położony, tym ma coraz większa moc, ale jednocześnie im większa  głębokość, tym większe ciśnienie wody. To z kolei zmusza do coraz bardziej skomplikowanej i drogiej konstrukcji i zbrojenia ścian. Pusta kula jest z kolei narażona na siłę wyporu, dlatego masa pustego magazynu musi ją przewyższać. Stwierdzono, że nie opłaca się powiększać w nieskończoność objętości kuli, a korzystniej jest zastosować ich większą ilość. Optymalna okazała się średnica wewnętrzna 28,6m i grubość ścianek 2,72m. Przy założeniu średniej sprawności pompy 82% i turbiny 89%, sprawność całego układu (nie wliczając w to sprawności transformatora) wynosi 73%. Moc pojedynczej kuli liczona na głębokości 750m i przy gęstości wody morskiej 1025kg/m3, wyniosła średnio 5MW przy około 4h wspomagania systemu energetycznego, a całkowita pojemność 18,3MWh. Pełne dane w angielskiej wersji dla tego magazynu w tabeli 1.

Tabela 1. Parametry techniczne jednostki Stensea. (źr.Henning Hahn, Daniel Hau, Christian Dick, Matthias Puchta, 2016.“Techno-economic assessment of a subsea energy storage technology for power balancing services”, Energy, in press)

Parametry morza które decydują o przydatności do montażu ww. technologii, to przede wszystkim:

• głębokość wody
• nachylenie dna morskiego
• geomorfologia
• odległość od sieci elektroenergetycznej
• odległość od serwisu
• zapotrzebowanie na magazynowanie energii w pobliżu
• istnienie morskich obszarów chronionych, które mogłyby utrudniać instalację lub eksploatację systemów StEnSEA,

Rys. Przykładowy wielkoskalowy magazyn energii wykorzystujący technologie Stensea (źr. Fraunhofer)

Na ich podstawie wytyczono najbardziej opłacalne obszary. Tzw. twarde parametry gwarantujące zwrot kosztów inwestycji to:

• głębokość morza 600-800m
• nachylenie dna ≤ 1°
• maksymalna odległość od sieci  elektroenergetycznej  <100km
• odległość od baz instalacyjnych <500km

Za nieodpowiednią geomorfologię dna morskiego przyjęto: rowy, stożki, doliny ryftowe, itp. Na tej podstawie zidentyfikowano dostępne obszary dla 10 krajów w Europie i na świecie. 

Tabela 2. Powierzchnia i dostępna pojemność magazynów w technologii Stensea dla 10 najlepiej usytuowanych krajów świata. (źr. Fraunhofer Institut)

Trwałość powyższego systemu jest trudna do oszacowania. O ile betonowy zbiornik powinien wytrzymać bezawaryjnie wiele lat, o tyle wewnętrzne elementy, w tym turbina i zawór powinny być serwisowane co 20-25 lat. Koszt takiego serwisu może być bardzo wysoki, lub wręcz nieopłacalny, przy bardzo dużych głębokościach morza, dlatego koszt wytworzenia energii w magazynie szacuje się w oparciu o jego 20 letnie działanie. W porównaniu do 15 letniego magazynu bateryjnego w technologii Li-jon koszt ten wynosi:

Dane wyjściowe: 30 MW mocy, 120 MWh pojemności energii, 520 cykli ładowania w ciągu roku

1. Magazyn Li-jon

• koszty inwestycyjne 175 Euro/kW
• koszty inwestycyjne 550 Euro/kWh
• 15 lat pracy
• 87,5% sprawności
• średni koszt magazynowania energii 0,073 Euro/kWh

2. Magazyn Stensea

• koszty inwestycyjne 1354 Euro/kW
• koszty inwestycyjne 158 Euro/kWh
• 20 lat pracy
• 75-85% sprawności
• średni koszt magazynowania energii 0,046 Euro/kWh