Prąd z piasku? Fiński magazyn ciepła pozwoli na produkcję energii elektrycznej!

• Spółka Polar Night Energy ma już na koncie kilka udanych projektów magazynów cieplnych – w jaki sposób zamierza je rozwijać?
• Odzyskiwanie energii elektrycznej z piasku wymaga osiągania bardzo wysokich temperatur, co rodzi kilka problemów.
• Przełożenie dużej skali na małą nie zawsze jest takie proste – polscy studenci obrali inny kierunek od Finów.  

Sieci ciepłownicze wspierane, a nawet oparte na cieple z piasku

W roku 2022 Polar Night Energy wkroczyło na rynek odnawialnych źródeł energii, prezentując światu pierwszy na świecie piaskowy magazyn energii. Urządzenie to, o mocy 100 kW oraz pojemności 8 MWh, powstało w mieście Kankaanpää, gdzie zostało podłączone do miejskiej sieci ciepłowniczej, aby wspierać zasilanie budynków mieszkalnych oraz komercyjnych w ciepło. Jego zasada działania jest prosta, ale jednocześnie bardzo pomysłowa. 

Magazyn stanowi wysoki na około 7 metrów i szeroki na 4 metry cylinder, wewnątrz którego mieści się 100 ton piasku. W piasku znajdują się grzałki elektryczne, które są zasilane przy pomocy nadwyżek energii z sieci elektroenergetycznej, przy czym urządzenie to zostało zaprojektowane w taki sposób, aby czerpać tę energię w znacznej mierze ze źródeł odnawialnych. Grzałki nagrzewają piasek do temperatury 600°C lub czasem nawet wyższej – może ona sięgać nawet 1000°C. To właśnie to ciepło jest następnie wtłaczane do sieci ciepłowniczej przy pomocy instalacji odbierającej ciepło z magazynu. 

Należy przy tym zaznaczyć, że piasek będący rdzeniem magazynu jest w stanie zachowywać wysoką temperaturę przez tygodnie. Jest to możliwe przede wszystkim dzięki zastosowaniu wysokiej klasy izolacji, którą wyłożone są ściany zbiornika. Dodatkowo dużą rolę odgrywają też wysoka pojemność cieplna i słaba przewodność piasku, które sprawiają, że ten może być znacznie cieplejszy w środku magazynu niż po bokach przy jego ścianach. Połączenie wszystkich tych cech sprawia, że piaskowy magazyn ciepła stał się cennym wsparciem sieci ciepłowniczej w Kankaanpää. Jego sukces sprawił, że Polar Night Energy otrzymało zamówienie na kolejny, tym razem większy, magazyn energii w mieście Pornainen.

Główne źródło zasilania sieci ciepłowniczej i druga instalacja w Finlandii

Druga instalacja została uruchomiona w ubiegłym roku i osiągnęła moc 1 MW oraz pojemność 100 MWh, dzięki czemu stała się głównym źródłem zasilania miejskiej sieci ciepłowniczej, do której podłączonych jest około 5000 mieszkańców. Duża pojemność instalacji pozwala na spełnienie zapotrzebowania miasta przez tydzień w sezonie zimowym, kiedy oczywiście magazyn jest stale zasilany przez nadwyżki energii rekompensujące oddawane ciepło. Zasada działania magazynu jest przy tym tożsama z instalacją funkcjonującą w Kankaanpää, a różnicą jest tylko rozmiar i ilość piasku, ponieważ w tym wypadku mówimy już o silosie z piaskiem wysokim na 13 metrów i szerokim na 15 metrów. Szczęśliwie dla branży spółka Polar Night Energy nie zamierza przestawać eksperymentować i postawiła sobie kolejny cel, jakim jest stworzenie magazynu piaskowego zdolnego nie tylko wspierać sieć ciepłowniczą, ale także sieć elektroenergetyczną. 

Prąd z piasku – czy to możliwe?

Już przy budowie swojego pierwszego magazynu inżynierowie odpowiedzialni za piaskowe giganty zapewniali, że z piasku można wyciągnąć więcej niż 600°C czy nawet 1000°C. Ten przedział temperatur jest bardzo skuteczny w przypadku magazynowania ciepła, które ciepłem ma pozostać, ale jest zbyt niski, aby to ciepło przekonwertować na energię elektryczną. Podniesienie temperatury pracy tego typu magazynu nie jest jednak tak proste, ponieważ w miarę jej zwiększania wzrastają także straty cieplne instalacji, co obniża jej sprawność. Problemem są w tym wypadku możliwości materiałów stosowanych do zaizolowania zbiornika na piasek, które muszą posiadać najlepsze możliwe parametry. Dodatkowo problematyczna jest sama konwersja energii najpierw z prądu na ciepło, a następnie ponownie z ciepła na energię elektryczną, ponieważ obarcza to proces wysokimi stratami energii, które również wpłyną na sprawność urządzenia. Spore wymagania materiałowe i inne przeszkody nie powstrzymują jednak fińskich specjalistów, którzy ogłosili, że w mieście Valkeakoski powstanie pierwszy na świecie piaskowy magazyn energii elektrycznej. 

Choć nie są jeszcze znane szczegóły dotyczące rozwiązań technicznych, jakie zostaną zastosowane w pilotażowej instalacji P2H2P (Power-to-Heat-to-Power), to wiadomym jest, że jednym z jej najważniejszych zadań będzie testowanie możliwości osiągania i utrzymywania bardzo wysokich temperatur piaskowego rdzenia magazynu. Na chwilę obecną specjaliści ze spółki oczekują, że instalacja osiągnie sprawność rzędu 30-35%, co jest wynikiem bardzo dobrym, ponieważ pozwoli ona na zrównanie się instalacji z poziomem większości elektrowni węglowych. Szacunki te budzą wobec tego ogromne zainteresowanie branży, jednak na faktyczne wyniki programu pilotażowego instalacji będzie trzeba poczekać jeszcze około roku, ponieważ ma się zakończyć na początku roku 2027.

Polska nie pozostaje bierna wobec innowacji

Projekty Finów budzą duże zainteresowanie również wśród młodych ludzi – także wśród nas, członków Koła Naukowego Odnawialnych Źródeł Energii Grzała. Zainspirowani rozwiązaniami fińskich inżynierów, stworzyliśmy własny piaskowy magazyn cieplny. Podczas gdy Polar Night Energy rozwija technologie w skali komercyjnej i wielkoskalowej, my – jako studenci Akademii Górniczo-Hutniczej – postanowiliśmy sprawdzić potencjał piaskowych technologii w mniejszej skali, z myślą o zastosowaniach w gospodarstwach domowych.

Chcemy odpowiedzieć na pytanie, czy w każdym domu mógłby powstać niewielki piaskowy magazyn energii, który mógłby zastąpić kocioł do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Obecnie pracujemy nad znalezieniem rzetelnej odpowiedzi, prowadząc kolejne testy i analizy. Skupiamy się m.in. na doborze najbardziej optymalnego rodzaju izolacji dla małego zbiornika, którego charakterystyka pracy różni się od znacznie większych jednostek.

Równolegle porównujemy skuteczność dwóch systemów odbioru ciepła z piasku – hydraulicznego oraz pneumatycznego. W systemie hydraulicznym medium odbierającym ciepło jest woda, która może szybciej przejmować energię cieplną, potencjalnie zwiększając moc magazynu, ale jednocześnie przyspieszając jego wychładzanie. Dodatkowym wyzwaniem jest możliwość odparowania wody przy temperaturach rzędu 400°C, w jakich obecnie pracuje nasze urządzenie.

W systemie pneumatycznym ciepło odbiera powietrze. Rozwiązanie to może zapewnić bardziej równomierny w czasie odbiór energii, jednak wiąże się z ryzykiem większych strat ciepła do otoczenia. Wymuszony ruch powietrza oznacza bowiem konieczność pracy w systemie otwartym, w którym powietrze może nie oddać całej energii do zbiornika ciepłej wody użytkowej.

Mamy nadzieję, że prowadzone przez nas testy i badania pozwolą wskazać najskuteczniejsze rozwiązania – zarówno w tych, jak i w innych analizowanych przez nas obszarach. Wierzymy, że czas poświęcony na rozwój tej technologii przełoży się na realne efekty i przyczyni się do rozwoju zarówno małych instalacji domowych, jak i większych systemów energetycznych.

Źródła: Polar Night Energy, GLOBENERGIA, AGH, własne.
Zdjęcie główne:

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Szymon Chlipała