Baterie, które magazynują ciepło. Nowa technologia szansą dla przemysłu i centrów danych

Jak informuje „The New York Times” w artykule Brada Plumera, na rynku energetycznym coraz większe znaczenie zyskuje nowa technologia magazynowania energii. W odróżnieniu od tradycyjnych baterii, które przechowują energię elektryczną, tzw. baterie termiczne gromadzą ją w postaci ciepła. Zdaniem ekspertów rozwiązanie to może w przyszłości stać się ważnym elementem transformacji energetycznej.

Nadwyżki energii zamieniane w ciepło

Jednym z przykładów jest instalacja firmy Antora Energy, uruchomiona w Big Stone City w Dakocie Południowej. System wykorzystuje nadwyżki energii pochodzącej z pobliskich farm wiatrowych do podgrzewania bloków węglowych do temperatury około 2400 stopni Celsjusza. Zgromadzone w ten sposób ciepło może być utrzymywane przez kilka dni, a następnie wykorzystywane do produkcji pary technologicznej dla zakładu przemysłowego.

Dzięki temu przedsiębiorstwo może ograniczyć spalanie gazu ziemnego i węgla potrzebnych wcześniej do wytwarzania ciepła.

Energia odnawialna zyskuje drugie życie

Rozwój baterii termicznych jest związany z coraz większym udziałem odnawialnych źródeł energii w produkcji prądu. Elektrownie wiatrowe i słoneczne nie pracują ze stałą wydajnością, dlatego zdarzają się okresy, w których wytwarzają więcej energii, niż aktualnie potrzebuje sieć. W takich sytuacjach ceny energii mogą znacząco spadać, a część instalacji OZE bywa czasowo wyłączana.

Magazynowanie nadwyżek w postaci ciepła pozwala wykorzystać energię, która w innych okolicznościach mogłaby zostać zmarnowana.

Ma to szczególne znaczenie dla przemysłu. Wiele zakładów produkcyjnych potrzebuje dużych ilości ciepła i pary wodnej, wykorzystywanych między innymi w przetwórstwie spożywczym, produkcji cementu, papieru czy obróbce metali. Obecnie to zapotrzebowanie jest w dużej mierze pokrywane poprzez spalanie paliw kopalnych.

Baterie termiczne mogą stanowić alternatywę dla tradycyjnych kotłów przemysłowych, jednocześnie ograniczając emisję gazów cieplarnianych.

Według ekspertów cytowanych przez „The New York Times” technologia ta może stać się jednym z ważnych elementów przyszłego, niskoemisyjnego systemu energetycznego.

Antora Energy testuje rozwiązanie w przemyśle

Instalacja w Dakocie Południowej powstała w sąsiedztwie rafinerii etanolu należącej do firmy POET, jednego z największych producentów biopaliw na świecie.

Zakład potrzebuje nieprzerwanego dostępu do pary wodnej o temperaturze około 177 stopni Celsjusza. Wcześniej wytwarzał ją przede wszystkim za pomocą kotłów zasilanych gazem ziemnym, a także wykorzystywał parę pochodzącą z pobliskiej elektrowni węglowej.

System Antora Energy pozwala zastąpić część dotychczasowego zapotrzebowania na paliwa kopalne energią elektryczną pochodzącą z odnawialnych źródeł.

Jak działają baterie termiczne?

Mechanizm działania instalacji jest stosunkowo prosty. Energia elektryczna zasila grzałki oporowe, które podnoszą temperaturę specjalnych bloków węglowych umieszczonych w dużych modułach. Następnie zgromadzone ciepło jest przekazywane do obiegu wykorzystywanego do produkcji pary.

Zaletą rozwiązania jest możliwość elastycznego zarządzania procesem ładowania w zależności od bieżących warunków rynkowych. Instalacja pobiera energię elektryczną w okresach jej nadpodaży i niskich cen, natomiast w czasie wzrostu cen rynkowych ogranicza lub całkowicie wstrzymuje pobór mocy.

Według informacji przedstawionych przez Antora Energy w pełni naładowana instalacja może dostarczać parę przez około 100 godzin, nawet gdy w tym czasie produkcja energii wiatrowej znacząco spadnie.

Firma POET analizuje możliwość wdrożenia analogicznych instalacji w kolejnych zakładach produkcyjnych. O atrakcyjności tej technologii decydują przede wszystkim oszczędności wynikające z ograniczenia zużycia gazu ziemnego i możliwość uzyskania dodatkowych korzyści finansowych związanych z redukcją emisji gazów cieplarnianych.

Coraz więcej firm rozwija baterie cieplne

Antora Energy nie jest jedynym przedsiębiorstwem inwestującym w tę technologię. Jak podaje „The New York Times”, na rynku działa już kilkanaście startupów rozwijających własne koncepcje magazynowania energii w postaci ciepła.

Jednym z nich jest kalifornijska firma Rondo Energy. W jej rozwiązaniu wykorzystywane są cegły ogniotrwałe, które mogą być podgrzewane do temperatury około 1500 stopni Celsjusza. Zmagazynowana energia służy później do dostarczania ciepła i pary przemysłowej.

Technologia Rondo jest już wykorzystywana m.in. w zakładzie biopaliw w Kalifornii oraz cementowni w Tajlandii. Kolejny projekt, realizowany w Portugalii, ma wykorzystywać energię słoneczną do dostarczania ciepła do browaru należącego do koncernu Heineken.

Inne przedsiębiorstwa eksperymentują z wykorzystaniem materiałów ceramicznych, kruszyw skalnych czy ziemi. Różnią się one konstrukcją i sposobem magazynowania energii, ale ich cel jest podobny: przekształcenie energii elektrycznej w zasób cieplny, który można wykorzystać w późniejszym czasie.

Koszty i regulacje pozostają wyzwaniem

Mimo obiecujących perspektyw technologia nie jest pozbawiona ograniczeń. Jednym z najważniejszych wyzwań jest zwiększenie skali produkcji oraz potwierdzenie, że wykorzystywane materiały zachowują swoje właściwości przez dłuższy czas.

Istotną barierą są też regulacje dotyczące rynku energii. W niektórych regionach systemy taryfowe nie pozwalają przedsiębiorstwom w pełni korzystać z godzinowych wahań cen energii elektrycznej. Tymczasem opłacalność baterii termicznych zależy w dużym stopniu od możliwości ich ładowania wtedy, gdy prąd jest najtańszy.

Przykład instalacji w Dakocie Południowej pokazuje, że wdrożenie takiego rozwiązania może wymagać negocjacji z lokalnym dostawcą energii i dostosowania zasad rozliczeń.

Potencjał technologii jest jednak znaczący. Badanie przywołane przez „The New York Times”, przeprowadzone przez National Laboratory of the Rockies, wskazuje, że przy dalszym spadku kosztów magazynowania ciepło z baterii termicznych mogłoby w przyszłości pokrywać nawet jedną trzecią przemysłowego zapotrzebowania na ciepło w Stanach Zjednoczonych.

Baterie termiczne mogą zasilać centra danych

Nowym obszarem zainteresowania inwestorów są również centra danych, których zapotrzebowanie na energię szybko rośnie wraz z rozwojem sztucznej inteligencji. Operatorzy takich obiektów potrzebują stabilnych dostaw prądu przez całą dobę. Tymczasem dostępność nowych źródeł energii, w tym elektrowni gazowych, bywa ograniczona.

Firmy Antora Energy i Rondo Energy analizują możliwość wykorzystania zgromadzonego ciepła do napędzania turbin parowych, które mogłyby następnie produkować energię elektryczną na potrzeby centrów danych.

Takie rozwiązanie wiąże się jednak ze stratami energetycznymi, ponieważ prąd najpierw zostaje zamieniony w ciepło, a następnie ponownie w energię elektryczną. Mimo to może okazać się ekonomicznie uzasadnione, szczególnie tam, gdzie liczy się szybkie uruchomienie dodatkowych mocy.

Zainteresowanie inwestorów potwierdza skala finansowania branży. W lipcu Antora Energy pozyskała 550 mln dolarów na dalszy rozwój działalności. Część inwestorów wskazywała właśnie na możliwość wykorzystania baterii termicznych w sektorze centrów danych jako jeden z najbardziej perspektywicznych kierunków rozwoju.

Nowy element przyszłego systemu energetycznego

Baterie termiczne znajdują się dopiero na wczesnym etapie komercjalizacji, jednak pierwsze wdrożenia pokazują, że mogą znaleźć zastosowanie szersze niż tylko w pojedynczych zakładach przemysłowych.

Ich największą zaletą jest możliwość połączenia dwóch potrzeb: zagospodarowania nadwyżek energii z odnawialnych źródeł oraz zapewnienia przemysłowi stabilnego dostępu do wysokotemperaturowego ciepła.

Ostateczny sukces tej technologii będzie zależał od kosztów inwestycji, trwałości urządzeń, rozwoju infrastruktury oraz zmian w regulacjach rynku energii. Jeżeli przedsiębiorstwom uda się rozwiązać te problemy, magazynowanie ciepła może stać się ważnym uzupełnieniem tradycyjnych baterii elektrycznych i jednym z narzędzi ograniczania zużycia paliw kopalnych w przemyśle.