Wierzą w wieże. Kilometrowe drapacze chmur jako gigantyczne baterie lub generatory?
Firma Skidmore, Owings & Merrill (SOM), która projektowała wciąż najwyższy budynek na świecie, Burdż Chalifa w Dubaju, połączyła niedawno siły z Energy Vault Holdings w projekcie budowy kilometrowej wysokości wież, które miałyby służyć do grawitacyjnego magazynowania energii.
Pomysł magazynowania nadwyżek energii ze źródeł odnawialnych, farm słonecznych, turbin wiatrowych, ale również z sieci energetycznej w obciążnikach podnoszonych i następnie opuszczanych w celu uwolnienia energii, nie jest nowy. Znane są takie projekty wykorzystujące nieużywane szyby kopalniane. W projekcie, o którym tutaj mowa, jednak chodzi o budowanie bardzo wysokich wież. Nie wszędzie bowiem są zamknięte kopalnie.
Konstrukcje te nazywane są przez projektantów „EVu”. To nic innego jak wieża zintegrowana z GESS (grawitacyjnymi systemami magazynowania energii). Według komunikatu prasowego SOM i Energy Vault Holdings, „struktury te będą miały zdolność do magazynowania wielu GWh energii w oparciu o grawitację, aby zasilać nie tylko sam budynek, ale także potrzeby energetyczne sąsiednich budynków”.
Oprócz powyższego systemu grawitacyjnego EVu, zespół proponuje również tak zwany system EVc. Działałby on podobnie, ale zamiast dużego balastu, pompować miałby wodę na szczyt wieżowca, a następnie upuszczać ją, aby napędzać turbiny i wytwarzać energię. Koncept ten nie różni się co do zasady od dobrze znanych elektrowni wodnych szczytowo-pompowych, w których woda jest pompowana z użyciem nadwyżki energii i uwalniana, generując energię elektryczną przez obracanie turbin, gdy spływa w dół z góry. Jednym z największych projektów tego typu jest elektrownia Dinorwig (1), w parku narodowym Snowdonia w Gwynedd w północnej Walii. Elektrownia może dostarczać maksymalną moc 1728 MW, a jej pojemność magazynowa wynosi około 9,1 GWh. Woda jest przechowywana na wysokości 636 metrów nad poziomem morza w zbiorniku Marchlyn Mawr. Kiedy trzeba wygenerować energię, woda ze zbiornika jest przesyłana przez turbiny do Llyn Peris, który znajduje się na wysokości około 100 metrów. Woda jest pompowana z powrotem z Llyn Peris do Marchlyn Mawr poza godzinami szczytu. Chociaż pompowanie wody w górę zużywa więcej energii niż jest generowane w drodze w dół, pompowanie odbywa się zazwyczaj, gdy energia elektryczna jest tańsza, a wytwarzanie, gdy jest droższa. Sprawność systemu wynosi ok. 75 proc.
Fot. https://commons.wikimedia.org
Chociaż pomysł konsorcjum SOM i Energy Vault Holdings nie jest nowy, a sama zasada sprawdzona, choćby we wspomnianych elektrowniach szczytowo-pompowych, nie brakuje sporych wyzwań. Należy do nich np. możliwość utrzymania dodatkowej masy, a także wydajność i ogólna konserwacja.
Generowanie z dołu do góry i z góry w dół
Znana jest i to od dość dawna inna koncepcja wykorzystania wysokich wież w energetyce. To „downdraft energy towers”, (z ang. „wieże energetyczne”), czyli urządzenie służące nie tyle do magazynowania, ile do wytwarzania energii elektrycznej. Pomysłodawcą tego rodzaju konstrukcji był Phillip Carlson, a rozwinął go badawczo Dan Zaslavsky z Instytutu Technion. Wieże energetyczne działają na takiej zasadzie, że rozpylają pompowaną do góry wodę w gorących górnych partiach wieży, dzięki czemu schłodzone tak powietrze opada przez wieżę i napędza turbinę w dolnej partii wieży, która produkuje energię elektryczną. W projektach tego typu również zakłada się wysokości sięgające kilometra.
Im większa różnica temperatur między powietrzem a wodą, tym większa wydajność energetyczna. Dlatego wieże energetyczne typu downdraft powinny działać najlepiej w gorącym i suchym klimacie. Wieże energetyczne wymagają dużych ilości wody, jednak dopuszczalna jest woda słona, choć należy zachować ostrożność, aby zapobiec korozji. Odsalanie może pomóc rozwiązać ten problem, jednak to kolejny nakład energetyczny.
Produkcja energii jest kontynuowana w nocy, ponieważ po zmroku powietrze zatrzymuje część dziennego ciepła. Jednak na wytwarzanie energii przez wieżę energetyczną ma wpływ pogoda. Wydajność produkcji spada za każdym razem, gdy wilgotność otoczenia wzrasta (np. podczas burzy) lub spada temperatura.
Pokrewnym podejściem jest wieża słoneczna typu updraft, która ogrzewa powietrze w szklanych obudowach na poziomie gruntu i wysyła ogrzane powietrze w górę wieży, napędzając turbiny u podstawy. Wieże typu Updraft nie pompują wody, co zwiększa ich wydajność, ale wymagają sporo miejsca na kolektory. Pomiary w pilotażowej wieży w Manzanares w Hiszpanii, której moc wynosi 50 kW, wykazały sprawność konwersji na poziomie 0,53 proc.
Firma Solar Wind Energy, Inc. z siedzibą w Marylandzie opracowywała niedawno projekt wieży o wysokości 685 metrów. Zgodnie z najnowszymi specyfikacjami projektowymi, wieża zaprojektowana dla lokalizacji w pobliżu San Luis w Arizonie ma mieć zdolność produkcyjną brutto do 1250 megawatów na godzinę. Ze względu na niższą wydajność w zimowe dni, średnia dzienna produkcja godzinowa na sprzedaż do sieci przez cały rok wynosi średnio około 435 megawatogodzin.
Sprawność i inne parametry tych projektów, mówiąc najdelikatniej, na razie nie robią piorunującego wrażenia. Wieże te wydają się projektami o równie mglistej przyszłości jak śmiałe wizje drapaczy chmur, które miały przebić wysokość Burdż Chalifa, a jednak nikomu się to nie udało.
Mirosław Usidus
