Od początków energetyki, pod koniec XIX w., jednym z kluczowych problemów był sposób magazynowania wyprodukowanej elektryczności. Do naszych czasów naukowcy pracują nad tym zagadnieniem i opracowują na potrzeby przemysłu nowe rozwiązania.

"Magazynowanie energii jest szczególnie ważne w czasach, w których stawiamy na odnawialne źródła energii (OZE)" – powiedziała PAP wiceprezes PAN prof. Natalia Sobczak, która kieruje Pracownią Teorii Procesów Metalurgicznych w Instytucie Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN.

Siłownie korzystające z energii Słońca i wiatru czasem produkują nadwyżki energii, dlatego ważne jest jej przechowywanie, aby była dostępna na przykład wtedy, gdy nie wieje wiatr lub z powodu zachmurzenia mało jest promieni słonecznych.

Ekspertka przypomniała, że w ostatnich latach naukowcy postawili na rozwój magazynów energii, bazujących na bateriach litowo-jonowych, co potwierdza Nagroda Nobla w 2019 r. dla Johna B. Goodenougha, M. Stanleya Whittinghama i Akiry Yoshinoczy za opracowanie lekkich i pojemnych akumulatorów litowo-jonowych.

"Jest to doskonały przykład na to, jak ważną rolę odgrywa nauka w codziennym życiu i rozwoju cywilizacji" – zaznaczyła.

Zwróciła uwagę, że do produkcji baterii litowo-jonowych niezbędne są lit i kobalt. Analitycy szacują, że do 2050 r. 27 krajów UE będzie potrzebować około 60 razy więcej litu i 15 razy więcej kobaltu do akumulatorów samochodów elektrycznych i do magazynowania energii.

"Zasoby światowe tych surowców są ograniczone i trudno dostępne, a stosowane technologii ich wydobycia przyczyniają się do dewastacji środowiska. Dlatego poszukujemy alternatyw, a jednym z perspektywicznych rozwiązań jest magazynowanie energii ciepła z wykorzystaniem materiałów zmiennofazowych PCM (phase change materials)" – podkreśliła prof. Sobczak.

Ekspertka uczestniczyła w projekcie AMADEUS, który otrzymał finasowanie w programie ramowym Unii Europejskiej Horyzont 2020 – w konkursie FET Open. Celem było opracowanie koncepcji nowej generacji magazynów energii, wykorzystujących ciepło utajone materiałów PCM. Zatem zasada ich działania byłaby zupełnie inna niż baterii litowo-jonowych.

Jak taki magazyn energii działa? Instalacja fotowoltaiczna zmienia energię słoneczną na elektryczną. Ta z kolei jest konwertowana na energię cieplną PCM poprzez jego nagrzewanie i topienie. I w ten sposób energia ciepła utajonego PCM byłaby przechowywana w magazynach przydomowych lub na wielką skalę. W godzinach nocnych lub przy pochmurnej pogodzie, kiedy temperatura PCM spada i dochodzi do jego krzepnięcia, uwalnia się energia ciepła utajonego, która z kolei jest ponownie konwertowana na energię elektryczną do wykorzystania poza godzinami szczytu.

W projekcie AMADEUS prof. Sobczak kierowała zespołem kilku jednostek naukowych. Jego zadaniem było opracowanie nowej generacji materiałów PCM o wysokiej efektywności energetycznej. Badania wykazały, że dobrze sprawdzają się zawierające bor i żelazo stopy o osnowie krzemu.

Badaczka zwróciła uwagę na to, że najskuteczniejsze jest przechowywanie energii w bardzo wysokiej temperaturze, przy wykorzystaniu materiałó o temperaturze topnienia nawet powyżej 1000 st. C.

"Rodzi to jednak problemy, bo taki magazyn energii pracuje w warunkach cyklicznej zmiany temperatury (grzanie-chłodzenie w cyklu dzień-noc), a podczas przemian fazowych stopy zmieniają objętość. Krzem zachowuje się jak woda, która zwiększa objętość podczas przejścia w stan stały, a podczas topnienia jej objętość maleje. Ale także temu wyzwaniu udaje się nam sprostać dzięki wykorzystaniu osiągnięć inżynierii ciekłego metalu" – zapewniła.

Poza tym urządzenie musi być zrobione z takich materiałów, aby można je było bezpiecznie umieścić np. w domu. Prototypy takich urządzeń – dodała ekspertka– już powstają. Nie zajmują dużo miejsca, więc instalacja nie powinna być uciążliwa. Docelowo jednak planowane jest stworzenie dużych magazynów przemysłowych.

"Opracowanie materiałów i urządzeń do magazynowania i przetwarzania energii w bardzo wysokiej temperaturze to nowy kierunek, które jest intensywnie rozwijany w różnych krajach. Stwarza to szansę na zwiększenie efektywności energetycznej" – powiedziała.

Według Sobczak należy rozwijać różne rodzaje magazynów energii, bo nie każde z rozwiązań sprawdza się w każdych warunkach.

"Dlatego trudno jednoznacznie powiedzieć, która z technologii zdominuje rynek. Ale na pewno będą to rozwiązania i instalacje hybrydowe pozwalające na szerokie i efektywne zastosowanie OZE" – podkreśliła prof. Sobczak.(PAP)

Nauka w Polsce, Szymon Zdziebłowski

szz/ joz/