Magazyny energii w szybach? Naukowcy są przekonani, że takie rozwiązania są realne, i mają już nawet nowatorskie pomysły

Naukowcy z Politechniki Śląskiej w Gliwicach realizują projekt, którego celem jest magazynowanie energii w sprężonych gazach, zwłaszcza w powietrzu lub dwutlenku węgla w pogórniczych szybach. Ich obiektem zainteresowania jest także wykorzystanie wyrobisk podziemnych.

Nad przyszłościowymi rozwiązaniami pracuje interdyscyplinarny zespół GEST (Group for Energy Storage Technologies), w skład którego wchodzą naukowcy z Wydziału Górnictwa, Inżynierii Bezpieczeństwa i Automatyki Przemysłowej, Wydziału Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Śląskiej oraz Energoprojektu Katowice.

Czy w szybach nieczynnych albo likwidowanych kopalń mogłyby powstać magazyny energii? Naukowcy są przekonani, że tak, i mają już nawet nowatorskie rozwiązania.

– Pomysłem, który staramy się rozwijać od kilku lat, jest magazynowanie energii w sprężonym powietrzu w szybie górniczym. Idea jest bardzo prosta i bazuje na koncepcji adiabatycznego magazynu energii w sprężonym powietrzu. Powietrze, które podgrzewa się w kompresorze, jest wprowadzane do szybu, gdzie nagrzewamy zasobnik ciepła, a schłodzone powietrze trafia w przestrzeń w szybie pomiędzy obudową szybu a zasobnikiem. Nawet jeśli pojawią się straty ciepła, będą wtedy niewielkie. Gdy chcemy sprężone powietrze z szybu wydobyć, to przepuszczamy je ponownie przez zasobnik ciepła, ono się nagrzewa i trafia do ekspandera. Taki jest nasz bazowy pomysł, mamy zatwierdzony dla niego europejski patent – tłumaczy prof. dr hab. inż. Marcin Lutyński, zastępca kierownika ds. nauki, promocji i współpracy z otoczeniem społeczno-gospodarczym w Katedrze Geoinżynierii i Eksploatacji Surowców Wydziału Górnictwa, Inżynierii Bezpieczeństwa i Automatyki Przemysłowej Politechniki Śląskiej. – Miejsc na tworzenie nowych kawern solnych, gdzie można by stworzyć magazyny na sprężone powietrze, nie jest dużo, a tam, gdzie są, zostały w większości zagospodarowane na magazyny gazu ziemnego. Alternatywą mogą być szyby pokopalniane albo wyrobiska górnicze podziemnych kopalń. Są już kopalnie, gdzie takie technologie były testowane, wykorzystano tam izolowane wyrobiska skalne – dodaje.

Trzeba pamiętać, że wyrobisk podziemnych na Śląsku mamy setki kilometrów. – One były projektowane niestety w kopalniach tylko po to, by wyeksploatować ścianę lub dany rejon, w dłuższej perspektywie czasowej ulegają zniszczeniu. Ale szyby znajdują się w filarach ochronnych, nie wpływa więc na nie eksploatacja górnicza, zazwyczaj były też wykonane bardzo starannie. Gdy weźmiemy duży szyb, najlepiej o średnicy 7,5 m, to możemy uzyskać całkiem spore objętości pod magazyn energii. Przykładowo, w szybie o głębokości 1000 m i średnicy 9 metrów, możemy uzyskać 63 tys. m sześc., co stanowi już połowę objętości pojedynczej kawerny w obiekcie Huntorf w Niemczech, gdzie jest jedno z dwóch miejsc na świecie magazynujących energię. Szyb powinien być szczelny, bo do niego będzie wtłaczane sprężone powietrze. Obudowa szybu musi być zaizolowana, a wcześniej usunięte z niego wszystkie elementy infrastruktury górniczej. Pojemność magazynowa takiej instalacji może wynosić od około 100 MWh do nawet ponad 200 MWh – wylicza prof. Marcin Lutyński.

Na Śląsku mamy zinwentaryzowanych dobrze około 150 szybów. W ramach projektu naukowcy z Politechniki Śląskiej dysponują także narzędziem, które pozwala dosyć szybko i w prosty sposób ocenić, czy szyb w ogóle nadaje się do dalszej pracy i rozwoju, jeśli chodzi o możliwość zastosowania nowoczesnej technologii. – Zakładając, że nawet tylko kilka procent tych szybów moglibyśmy wykorzystać, to stanowiłyby one całkiem ciekawą alternatywę dla kawern solnych, gdzie moglibyśmy magazynować energię w sprężonym powietrzu – wyjaśnia prof. Lutyński. – Rozwijamy te pomysły. Mamy na przykład plany, w jaki sposób trzeba wykonać zasobnik ciepła. Powinien to być zasobnik modułowy, w szybie natomiast należałoby wykonać dodatkowe stopy szybowe.

Warto wiedzieć, że na świecie istnieją jedynie dwa magazyny wykorzystujące magazynowanie energii w sprężonym powietrzu – Huntorf w Niemczech i McIntosh w USA. Ten niemiecki zbudowano jako magazyn energii do awaryjnego uruchomienia, tzw. black startu elektrowni atomowej, która obecnie jest nieczynna. Sam magazyn funkcjonuje bezproblemowo od 1978 r. Zarówno w Stanach Zjednoczonych, jak i w Niemczech te zbiorniki sprężonego powietrza to nic innego jak kawerny solne. Ich objętość wynosi od 300 tys. metrów sześciennych w przypadku magazynu Huntorf do 540 tys. metrów sześciennych w przypadku magazynu McIntosh.

– Główna różnica pomiędzy naszym pomysłem a istniejącymi magazynami polega na tym, że dotychczasowe rozwiązania magazynują sprężone powietrze w kawernach solnych, natomiast nasz pomysł wykorzystuje szyby pogórnicze – mówi prof. Marcin Lutyński.

Kolejną koncepcją na magazynowanie energii jest wykorzystanie obudowanych i izolowanych wyrobisk podziemnych (tzw. Lined Rock Caverns), ale tu warto podkreślić, że tego typu koncepcje – choć wydają się bardzo dobre i były też testowane do bardzo wysokich ciśnień – w wykonaniu wyrobisk są niestety bardzo kosztowne. W Szwecji była przeprowadzona próba w połowie lat 90. Wykonano tam trzy odrębne kawerny, których szczelność testowano do bardzo wysokiego ciśnienia 52 MPa, testy były pozytywne, ale koszt niezwykle wysoki.

Można też tworzyć magazyny w strukturach porowatych, przepuszczalnych, gdzie łatwo można zatłaczać gaz i go pobierać. Niebezpieczeństwo jest jednak takie, że można łatwo zanieczyścić wtłaczaną substancję, jak wodór. Tymczasem wodór jako gaz jest bardzo reaktywny w porównaniu z gazem ziemnym, mocno reaguje z niektórymi minerałami.

Nie da się ukryć, że magazyny energii to przyszłość. Na razie, patrząc na koszty magazynowania energii w przeliczeniu na kWh, widać, że elektrownie szczytowo-pompowe są najtańsze. Magazynowanie w podziemnych kawernach jest drogie i wiąże się z wieloma przeszkodami. Jak na razie brak doświadczeń w wykorzystaniu szybów kopalnianych jako magazynów energii.

Jeżeli chodzi o moce magazynów energii, to w Unii Europejskiej obecnie jest to około 90 gigawatów. Według prognoz, w 2030 r. ta liczba powinna wynosić 200 GW, a w 2050 r. – 600 GW.