Czy świat mógłby całkiem przejść na energię odnawialną? 

Konwencjonalne elektrownie mają jedną zaletę. Pozwalają dostosować produkcję energii do zapotrzebowania. Gdy robi się ciemno i zimno można dosłownie – dorzucić do pieca i uruchomić dodatkowe turbiny.

Gorzej jest ze źródłami odnawialnymi. Elektrownie słoneczne wytwarzają więcej energii, gdy dni są słoneczne i długie, czyli latem. Wiatr z kolei jest kapryśny – czasem wieje silniej, czasem słabiej, a czasem w ogóle. Tymczasem więcej energii elektrycznej potrzebujemy wieczorami i zimą.

Czy w takim razie moglibyśmy całkiem przejść na odnawialne źródła energii?

Cykl „SOBOTA PRAWDĘ CI POWIE” to propozycja OKO.press na pierwszy dzień weekendu. Znajdziecie tu fact-checkingi (z OKO-wym fałszometrem) zarówno z polityki polskiej, jak ze świata, bo nie tylko u nas politycy i polityczki kłamią, kręcą, konfabulują. Cofamy się też w przeszłość, bo kłamstwo towarzyszyło całym dziejom. Rozbrajamy mity i popularne złudzenia krążące po sieci i ludzkich umysłach.

Akumulatory w natarciu

Moglibyśmy – trzeba by jednak jakoś nadmiar energii przechowywać. Najczęściej służą dziś do tego akumulatory, często (choć błędnie) zwane bateriami. Akumulatory można ładować, baterii nie.

Wraz z rozwojem fotowoltaiki w Stanach Zjednoczonych pojawiło się zapotrzebowanie na przechowywanie nadwyżek energii. Tę niszę szybko zagospodarował Elon Musk, otwierając w 2015 roku fabrykę przydomowych akumulatorów Powerwall.

Opierają się na tej samej zasadzie, co baterie w naszych telefonach komórkowych i laptopach. To akumulatory litowo-jonowe tyle, że dużo większe. Taki przydomowy akumulator ma pojemność 13,5 kilowatogodziny.

W 2021 roku takie akumulatory (wyprodukowane przez koreański LG Chem), stanęły w Otay Mesa, na obrzeżach kalifornijskiego San Diego. Mają pojemność 250 megawatogodzin.

[Jedna megawatogodzina to tysiąc kilowatogodzin, do których jesteśmy przyzwyczajeni. Kilowat to z kolei tysiąc watów. Jedną kilowatogodzinę zużyje urządzenie pracujące z mocą tysiąca watów przez godzinę albo stara (żarowa) żarówka „setka” przez dziesięć godzin.]

Akumulatory produkowane przez firmę Muska stanęły za to w tym samym roku w Australii. Od grudnia 2021 roku elektrownia słoneczna w Wiktorii może zmagazynować około 450 megawatogodzin. To mniej więcej tyle, by starczyło dla miliona domów na pół godziny. Tak, na pół godziny. To kropla w morzu ludzkiego zapotrzebowania na elektryczność.

Akumulatory to nie jest rozwiązanie na skalę planety

Czy da się zmagazynować więcej energii? Cóż, można budować coraz większe i większe instalacje liczące coraz więcej i więcej akumulatorów. To stosunkowo mało praktyczne – a przede wszystkim drogie. Australijska gigantyczna bateria kosztowała 160 milionów dolarów.

Lit jest dopiero 33. pierwiastkiem pod względem częstości występowania w skorupie ziemskiej. Ponad połowa jego wydobycia przypada zresztą właśnie na Australię, gdzie występują złoża bogatego w lit minerału, spodumenu. W 2021 roku wydobyto tam ponad 54 tysiące ton litu, kolejne 26 tysięcy ton w Chile, 14 tysięcy zaś w Chinach. Te trzy kraje odpowiadają za 90 procent światowego wydobycia litu, gdzie indziej występuje w ilościach śladowych.

Do produkcji akumulatorów litowo-jonowych niezbędne są też mangan, nikiel oraz kobalt (odpowiednio 12., 23., i 31. pod względem występowania w ziemi). Ten ostatni jest wydobywany głównie w nieludzkich warunkach w Afryce, często wydobywają go dzieci. Przetwarzanie rud tych metali jest do tego degradujące dla środowiska.

Co za tym idzie, koszt przechowywania energii wynosi w nich nawet ponad sto dolarów za kilowatogodzinę (kWh), optymistyczne wyliczenia podają 80, ostrożniejsze około 120.

To obecnym kursie to ponad 500 złotych, żeby przechować energię potrzebną do mniej więcej na jeden cykl prania w pralce. Kogo na to stać?

Tańsze od litu. Ale nadal drogie

Zaradzić temu mogłyby akumulatory, w których lit zastąpiony zostanie sodem. To szósty co do obfitości w skorupie ziemskiej pierwiastek jest więc tani. Pomysł nie jest nowy, również pochodzi z lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku.

Lit wygrał, bo pozwala zmagazynować więcej chemicznej energii w tej samej objętości (około 150 do 200 kWh na kilogram). Akumulatory sodowe są mniej pojemne (100 do 120 kWh na kilogram). Na razie nie są też dużo tańsze od litowych, są też od nich mniej trwałe. Jednak eksperci szacują, że przy masowej produkcji koszt przechowywania energii może być w nich nawet niższy o połowę.

Obiecującą technologią, choć na razie w powijakach, są akumulatory innego typu: żelazo-powietrze. Żelazo jest czwartym najpowszechniejszym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej (zaraz po tlenie, krzemie i glinie), jest więc jeszcze tańsze od sodu.

Takie eksperymentalne magazyny energii już powstały w Stanach Zjednoczonych. Jak twierdzi ich producent, docelowo pozwolą zbić koszt przechowywania energii do jednej dziesiątej (czyli kilku dolarów za kilowatogodzinę).

Dziś akumulator żelazo-powietrze jest dziś wielkości sporej pralki, a magazyn energii zajmuje kilka hektarów. Na rozwój tej technologii trzeba będzie zapewne poczekać dekady. Przypomnijmy, że pierwszy akumulator litowo-jonowy opatentowano prawie pół wieku temu, w 1976 roku…

Co począć? Pompować i podnosić

Są jednak metody, które nie magazynują energii w chemicznych reakcjach. Zamiast nich wykorzystują prawa fizyki.

Gdy w słoneczny i wietrzny dzień jest sporo energii, można ją wykorzystać, by pompować wodę do wyżej położonego zbiornika. Gdy potrzebna będzie w sieci – można spuszczać wodę, która napędzi turbiny wytwarzające prąd. Na tej zasadzie działają elektrownie szczytowo-pompowe. Największą taką elektrownią w Polsce jest ta w Żarnowcu (miała magazynować energię na potrzeby przyszłej elektrowni jądrowej).

Jednak i ten sposób nie jest praktyczny (ani darmowy), bo wymaga budowy zbiornika, rurociągów i pomp. Koszt przechowywania energii w takich zbiornikach to około 150-200 dolarów za kilowatogodzinę, czyli przewyższa koszt przechowywania jej w akumulatorach.

[Tu ważna uwaga. Rzeczywisty koszt przechowywania energii jest dość trudno wyliczyć. W przypadku akumulatorów jest to nieco łatwiej: mniej więcej wiemy, ile kosztuje wyprodukowanie jednego o pojemności jednej kilowatogodziny, ale musimy uwzględnić ich krótki, bo dwu-trzyletni żywot. W przypadku konstrukcji koszt budowy zależy od lokalizacji, wielkości i zastosowanych technologii. Niektóre źródła podają, że elektrownie szczytowo-pompowe są jednak średnio tańsze od akumulatorów. Przegląd wyliczeń można obejrzeć na przykład tutaj.]

Można też pompować do zbiorników powietrze, w razie potrzeby napędzać sprężonym powietrzem turbiny. Można też rozpędzać koła zamachowe, które hamując, mogą oddawać energię.

Przechowywać energię można też w formie ciepła. Za pomocą prądu (lub skupionych promieni słońca) można podgrzać piasek lub roztopić sól. Ich ciepło może wtedy zamieniać wodę w parę, która napędza turbiny. Ten sposób również wymaga budowy instalacji o sporych rozmiarach.

Czy naprawdę nie ma jakiegoś sprytnego sposobu, żeby przechować energię słoneczną w nocy (albo w pochmurne dni zimą)?

Dźwigi jako magazyny energii

Jest. Zamiast pompować wodę pod górę, można wciągać w górę dowolny ciężar. Zamiast spuszczać wodę – opuszczać wielotonowy blok, którego ruch w dół pociąga linę, a ta napędza prądnicę.

Szwajcarska firma Vault Energy zbudowała już dwa lata temu taką “grawitacyjną baterię” w Szwajcarii. Wygląda po prostu jak dość przysadzisty dźwig budowlany.

Teraz ta sama firma buduje dwie kolejne instalacje, w Stanach Zjednoczonych i w Chinach. W szwajcarskim Arbedo-Castione docelowo będzie magazynować 80 MWh, w chińskiej instalacji budowanej w okolicy Szanghaju zapewni 100 megawatogodzin, w Teksasie skromniejsze 36 MWh.

W skali kraju (nie mówiąc o planecie) to nadal dość niewielkie magazyny energii – starczają do zasilania kilku tysięcy domów przez jeden dzień.

Takie dźwigi nie są też tanie, bo powstają ze stali i muszą być dość wysokie (teksański ma około 140 metrów wysokości). Stal trzeba wyprodukować, a konstrukcję zmontować. Sam koszt przechowywania energii jest w nich znikomy, ale jeśli doliczyć koszt budowy, okazuje się jednak droższy od akumulatorów.

Drugie życie kopalni

Ale czy trzeba do tego budować specjalne liczące setki metrów wysokości konstrukcje ze stali? Otóż nie. Jest prostszy i znacznie tańszy sposób.

Na świecie nie brakuje kopalnianych szybów –​ są ich miliony. Wraz z odchodzeniem od spalania węgla nieczynnych kopalni będzie tylko przybywać. Zamiast podnosić wielotonowe ciężary w górę stalowej wieży, można podnosić je z dna kopalnianego szybu. Na tym właśnie zasadza się pomysł nazwany “Underground Gravity Energy Storage” (czyli po prostu “grawitacyjne przechowywanie energii pod ziemią”), w skrócie UGES.

No dobrze, powiedzą sceptycy, ale ile energii można zmagazynować w ten sposób? Okazuje się, że zaskakująco dużo. Średnia odległość z dna kopalni na powierzchnię ziemi w Polsce to około 700 metrów. To dużo więcej niż z powierzchni ziemi do szczytu stumetrowej wieży. A im większa różnica wysokości, tym więcej energii można zmagazynować.

Opublikowana w styczniu tego roku analiza International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA) wykazała, że nieczynne kopalnie mogłyby w ten sposób zmagazynować 70 terawatów mocy. To wystarczająco dużo, by zapewnić elektryczność całej ludzkości przez jeden dzień. Wystarczy podnosić i opuszczać w nich ciężary.

Nawet przyjmując tę wyższą wartość, byłby kilkanaście do dwudziestu razy niższy niż przechowywania energii w akumulatorach litowych (i porównywalny z szacunkami dotyczącymi akumulatorów żelazo-powietrze, o ile technologia ta się rozwinie).

Niewątpliwym plusem tego pomysłu jest to, że kopalnie mają gotowe szyby i działające wieże wyciągowe. Są też podłączone do sieci energetycznej. Nic tylko podnosić i opuszczać w nich worki (choćby z gruzem), żeby magazynować energię słońca i wiatru.

To rozwiązanie ma jeszcze jedną zaletę. Gdy zamyka się kopalnia, pracę tracą tysiące ludzi. Wykorzystanie kopalni jako magazynu energii pozwoliłoby na zachowanie części miejsc pracy. Ktoś musi ten magazyn energii obsługiwać.

Na co więc jeszcze czekamy?