Energia w skałach: Czy podziemie może być baterią potrzebną do transformacji energetycznej?

Magazynowanie energii w podziemiu: brzmi jak science fiction, ale w badaniach geologicznych wcale nie jest nowością. Ten proces jest znany od lat 70. XX wieku, kiedy w Niemczech prowadzono pierwsze eksperymenty w kawernach solnych. Dziś otwiera szerokie możliwości w dziedzinie energii odnawialnej i jej magazynowania.

REKLAMA

REKLAMA

„Jednym z problemów związanych z transformacją energetyczną jest to, że mamy coraz więcej energii ze źródeł odnawialnych, której nie potrafimy zmagazynować” – mówi w rozmowie z Euronews Ricardo Pereira, badacz z ośrodka GeoBioTec na Wydziale Nauk i Technologii Uniwersytetu NOVA w Lizbonie. „Ten nadwyżkowy prąd można wykorzystać i tymczasowo magazynować w skałach w strefie podpowierzchniowej, na głębokości 500, 1000 czy 2000 metrów” – tłumaczy portugalski naukowiec.

„Jeśli potraktujemy ziemię, skały, jak rodzaj baterii, możemy magazynować ilości energii wystarczające do zasilenia małych miast, i to jest główna zaleta tej technologii”.

W przypadku skał porowatych proces polega na zasilaniu sprężarek powietrza nadwyżką energii elektrycznej z odnawialnych źródeł, takich jak turbiny wiatrowe czy panele słoneczne. Sprężarki wtłaczają następnie powietrze, bez wodoru i CO₂, a więc bez ryzyka wybuchu, przez szyb do głęboko położonej warstwy skał porowatych.

Powietrze wypełnia przestrzenie między ziarnami skały, które zwykle zawierały nieprzydatną do picia wodę słoną. Ta woda jest wypychana, nie zanieczyszczając żadnych zasobów wykorzystywanych do celów spożywczych. Powietrze pozostaje tam uwięzione pod ciśnieniem, niczym „naładowana” bateria, z której można korzystać w zależności od potrzeb.

Gdy zachodzi potrzeba, sprężone powietrze wznosi się szybem, rozpręża się i napędza turbiny na powierzchni, które produkują prąd jak w klasycznej elektrowni, tyle że bez spalania paliw.

Ricardo Pereira należy do grona portugalskich naukowców, którzy opracowali badanie mające oszacować, ile energii można zmagazynować w różnych warunkach geologicznych.

„To badanie pozwala ocenić, przy danych warunkach geologicznych i na różnych głębokościach**, ile energii faktycznie można zmagazynować przy różnych parametrach fizycznych lub termodynamicznych**” – wyjaśnia w rozmowie z Euronews, dodając, że na podstawie analiz „opracowano różne scenariusze”, które mają „dać wyobrażenie o maksymalnej ilości energii możliwej do zmagazynowania na różnych głębokościach”.

Energia zmagazynowana dla miasta

Jednym z priorytetów energetycznych Komisji Europejskiej jest zwiększenie zdolności magazynowania energii, uznawane za „niezbędne”. Europa dysponuje dziś około 55 gigawatami mocy magazynowych. Celem jest osiągnięcie 200 GW do 2030 roku, co ma złagodzić ograniczenia sieci, zmniejszyć ryzyko blackoutów i zależność od importowanych paliw kopalnych.

To właśnie w tym deficycie gigawatów może pomóc magazynowanie sprężonego powietrza w skałach porowatych. W odróżnieniu od baterii litowo-jonowych, które dominują obecnie na rynku, ta technologia jest przeznaczona do długotrwałego magazynowania i wykorzystuje zasób naturalny dostępny na dużą skalę.

Badanie, opracowane wspólnie przez naukowców z Uniwersytetu NOVA w Lizbonie i Instytutu Dom Luiz na Wydziale Nauk Uniwersytetu Lizbońskiego, opublikowano w czasopiśmie „Geoenergy” (źródło w Portugalski). Autorzy doszli do wniosku, że wśród analizowanych scenariuszy „pojedynczy system adiabatyczno-izobaryczny jest najbardziej korzystny, zdolny zapewnić gęstość energii do 156 kWh m−3 oraz osiągnąć pojemność magazynową sięgającą 1 TWh przy maksymalnej głębokości pracy 3000 m”.

„Oczywiście to scenariusz maksymalny, w którym spełnione są wszystkie warunki idealne” – zastrzega Ricardo Pereira, podkreślając, że wartości te „dają jednak wyobrażenie o maksymalnej skali i potencjale” takiego procesu.

„Między oszacowanym minimum a teoretycznym maksimum istnieje całe spektrum możliwości. To badanie pokazuje jednak, że pojedynczy zbiornik – a mówimy o symulacji jednego, najbardziej korzystnego przypadku – może dostarczyć około 1 TWh energii, czyli ilość bardzo zbliżoną do zużycia energii w niektórych średnich miastach Portugalii”.

„Black start”: czy skutki blackoutów można było złagodzić?

Oprócz dużej pojemności magazynowej ten proces działa w trybie tzw. „black start”, czyli zapewnia zdolność uruchomienia systemu elektroenergetycznego bez podłączenia do sieci.

„Sprężone powietrze działa praktycznie od razu, dzięki czemu można włączać i wyłączać system niemal natychmiast” – tłumaczy badacz. W ten sposób da się stabilizować sieć elektroenergetyczną, co jest szczególnie przydatne w sytuacjach takich jak iberyjski blackout. „Gdyby taki system działał już w 2025 roku, być może udałoby się uniknąć części tych problemów” – ocenia Ricardo Pereira.

„Oczywiście skala blackoutów była znacznie większa i to nie byłby cudowny środek na podobne kryzysy (...), ale pozwoliłby lepiej zarządzać mocą w sieci.”

Jak zaznacza naukowiec, trwają obecnie badania nad wyznaczeniem w Portugalii obszarów i warunków geologicznych, w których można byłoby wdrażać takie instalacje. Już teraz jednak to opracowanie dostarcza jasnych wniosków, które ułatwią takie mapowanie.

„To jeden z naprawdę innowacyjnych elementów tego badania: pokazujemy, że im głębiej umieścimy zbiornik w skałach porowatych, tym więcej energii można odzyskać” – mówi Ricardo Pereira, dodając, że dzięki temu można „porównać te wartości z zużyciem energii w niektórych miejscowościach na wybrzeżu, zwłaszcza bardziej uprzemysłowionych miastach, i ocenić, jaki wpływ mogłoby to mieć na dekarbonizację tych regionów oraz zwiększenie ich niezależności energetycznej od paliw kopalnych”.

Wśród obszarów o największym potencjale wymienia się m.in. Lizbonę i Almadę, obie o dużej gęstości zaludnienia i wysokiej koncentracji przemysłu.

Prawo główną przeszkodą

Na razie w Portugalii ta technologia istnieje tylko na papierze. Według badacza horyzont jej wdrożenia to pięć–dziesięć lat, biorąc pod uwagę wszystkie wymagane etapy: badania geologiczne, wiercenie szybów, projekt pilotażowy i uruchomienie instalacji.

„Trzeba przeprowadzić cały szereg analiz, zaczynając od rozpoznania geologii podpowierzchni w wybranym miejscu. Każdy projekt jest z technicznego punktu widzenia wyzwaniem, dlatego już same badania wstępne zajmują sporo czasu” – wyjaśnia.

Zdaniem Ricardo Pereiry pod względem opłacalności finansowej magazynowanie energii przy użyciu sprężonego powietrza jest rozwiązaniem „bardzo korzystnym”, zwłaszcza jeśli porównać koszty z technologiami takimi jak zielony wodór, „który wciąż jest bardzo drogi”.

Jak podkreśla naukowiec, Chiny są jednym z głównych krajów inwestujących w tego typu projekty, gdzie część instalacji już działa, a kolejne są w fazie przygotowań. W Europie podobne przedsięwzięcia prowadzą Niemcy, na razie jednak bez większych rezultatów, bo – jak przypomina – „takie technologie wymagają lat planowania, prac inżynieryjnych i testów, zanim zaczną działać”.

W Portugalii główną przeszkodą nie są jednak koszty, lecz regulacje.

„O ile mi wiadomo, jak dotąd nie ma w Portugalii przepisów pozwalających na realizację takich projektów. Wszystko, co znajduje się pod naszymi stopami, należy do państwa, czyli do nas wszystkich, dlatego musi powstać odrębne prawo regulujące tę technologię – podobnie jak istnieją już przepisy dotyczące podziemnego magazynowania dwutlenku węgla” – mówi badacz.

„Nawet gdyby znalazła się odważna firma gotowa zainwestować w badania, projekt pilotażowy i późniejszą eksploatację, bez odpowiedniego prawa nie da się tego zrobić. (...) Jest więc realna bariera, która uniemożliwia przedsiębiorstwom w Portugalii rozpoczęcie choćby w miarę solidnych studiów nad takimi instalacjami”.

W Portugalii – dodaje – wciąż brakuje pełnej wiedzy o tym, jaki wpływ ta technologia mogłaby mieć na zużycie energii w skali całego kraju. „Możemy sobie wyobrazić, że jeśli w danej miejscowości udałoby się zmniejszyć nocne zużycie gazu ziemnego o 5, 10 czy 15 proc., to jaki byłby efekt lokalnie, a jaki na poziomie krajowym?” – pyta, przypominając, że kraj dysponuje rozległym obszarem o dużym potencjale geologicznym.

„Jeśli spojrzymy na geologię – a na razie mówimy o wstępnej analizie pasa od Lizbony po Aveiro, czyli tzw. Basenu Luzytańskiego – widzimy tam całe zespoły skał, które mogą pełnić funkcję zbiorników. To ogromny obszar, jeden z najbardziej uprzemysłowionych w kraju, z silnie rozwiniętą energetyką wiatrową, słoneczną, a nawet wodną, a więc z dużą dostępnością energii potrzebnej do zasilania tego procesu”.

Na podstawie dotychczasowych analiz, także pod kątem zrównoważenia środowiskowego, Ricardo Pereira uważa, że ta „metodologia ma przed sobą przyszłość”. Jego zdaniem może stać się realnym wsparciem dla systemu energetycznego i – przy spełnieniu szeregu warunków – „za około dziesięć lat, jeśli wszystko pójdzie dobrze, projekty oparte na sprężonym powietrzu mogą już działać, pomagać w zarządzaniu siecią i ograniczać problemy z dostawami energii w sposób dostępny, przy rozsądnych kosztach” – dodaje.