Udio obnovljivih izvora energije brzo raste, što vodi do nestabilne opskrbe električnom energijom. Proizvodnja električne energije sve se više decentralizira. Istodobno se potražnja za energijom povećava, što zahtijeva redovitu i neprekidnu opskrbu energijom. Kako bismo svladali te izazove, moramo stvoriti nove energetske sustave koji nam mogu pomoći uspostaviti globalno, ugljično neutralno gospodarstvo do sredine stoljeća.

Kako bismo postigli taj cilj, trebamo fleksibilne energetske sustave s nultom stopom emisija koji omogućuju povezivanje sektora na temelju novih načina proizvodnje, skladištenja i iskorištavanja energije.

Vjerojatno najvažniji element te vizije biti će skladištenje energije, što će omogućavati stabilan protok energije, stabilnost mreže i cjelodnevnu dostupnost obnovljive energije svih sedam dana u tjednu. Sustavi skladištenja doprinijeti će stvaranju novog energetskog svijeta.

Sutrašnjica: ubrzava se povezivanje sektora

Ako pogledamo od pet do deset godina u budućnost, vidjet ćemo prednosti povezivanja sektora na lokalnoj i regionalnoj razini. Na primjer, pretvorbom električne energije u toplinsku pomoću toplinskih pumpi otvorit ćemo vrata novom zelenom konceptu za grijanje zgrada ili ćemo čak osigurati toplinu za korištenje u procesnoj industriji. U isto će vrijeme sve više rješenja za skladištenje, poput skladištenja energije u obliku stlačenog zraka ili skladištenje toplinske energije, dospjeti na tržište. Sva će ta rješenja činiti sastavni dio novog energetskog sustava.

Foto: Skladištenjem toplinske energije može se iskoristiti toplina proizvedena iz obnovljivih izvora energije u rasponu trajanja pražnjenja od srednjoročnog do dugoročnog skladištenja./Siemens Energy

Skladištenje toplinske energije

Skladištenjem toplinske energije doprinosi se dekarbonizaciji na način da se time upravlja važnim sastavnim dijelom energetskog sustava budućnosti: toplinom. Naime, iskorištava se toplina proizvedena iz obnovljivih izvora energije, dobivena iz otpadne topline ili ispušnih plinova. Time se povećava učinkovitost pogona smanjenjem troškova te poboljšanjem prinosa energije. Za skladištenje se mogu upotrebljavati razni mediji, kao što su tekuća stol, kamen, pijesak, para, plinovi, keramika ili vruća voda pod pritiskom. Ništa od navedenog gotovo uopće nije štetno za okoliš. Skladištenjem toplinske energije omogućuje se vraćanje toplinske energije kroz sektore u razne procese čineći ih fleksibilnijima, uključujući grijanje i hlađenje za zgrade i industrijske procese.

Obnovljiva električna energija može se pohraniti u toplinsko skladište otpornim zagrijavanjem, što pomaže dekarbonizirati proizvodnju topline te uravnotežiti dostupnost toplinske energije i potražnju za njom. Dakle, potencijal je nedvojbeno velik jer je grijanje najveći europski potrošač energije koji troši više energije od sektora mobilnosti ili energetskog sektora.

Skladištenje toplinsko-mehaničke energije

Toplinsko-mehaničko skladištenje kombiniranjem tehnologije skladištenja topline i skladištenja mehaničke energije omogućuje oslobađanje električne energije (primarna uporaba) i topline (sekundarna uporaba) ovisno o potrebama, bez obzira na to je li riječ o proizvodnji električne energije, centralnom grijanju ili primjeni u industriji. Tri su istaknuta primjera: skladištenje energije u obliku ukapljenog zraka (‘ liquid air energy storage ‘- LAES), skladištenje energije pomoću toplinske pumpe (‘pumped heat energy storage ‘ – PHES) i skladištenje energije u obliku adijabatski stlačenog zraka (‘ adiabatic compressed air energy storage ‘ – A-CAES). Sva tri skladištenja prikladna su za masovno skladištenje energije jer nisu zemljopisno ograničena. Također se odlikuju dugim životnim vijekom jer su sve komponente dobro ispitane i poznate po iznimnoj izdržljivosti. Budući da kombiniraju prednosti tehnologije skladištenja toplinske i mehaničke energije, to omogućuje razne primjene, kao što su ponovna elektrifikacija ili opskrba procesnom toplinom.

Skladištenje energije u obliku ukapljenog zraka obavlja se komprimiranjem i hlađenjem zraka u više navrata tako da se pri ponovnom širenju zraka u izoliranom spremniku zrak dodatno hladi i prelazi u tekuće stanje. Odlikuje se relativno visokom gustoćom energije: oko 10 – 20 puta višom od skladištenja energije u obliku stlačenog zraka. Obrnutim provođenjem navedenih koraka pohranjena energija i hladni zrak mogu se upotrebljavati u kontekstu industrijskih primjena kao i kod proizvodnje energije. Pri skladištenju energije pomoću toplinske pumpe toplinska energija se pohranjuje u spremnike s toplim i hladnim materijalima. Pohranjena se energija može po potrebi upotrebljavati za proizvodnju električne energije ili kao grijanje/hlađenje za industrijske primjene. Pri skladištenju adijabatski stlačenog zraka pohranjuje se toplina nastala tijekom komprimiranja i omogućava se njezina ponovna uporaba nakon što se zrak oslobodi. Prednost je što prirodni plin nije potreban za zagrijavanje oslobođenog zraka, čime se smanjuju emisije CO₂.

Sva tri navedena načina mogu pomoći pri sprječavanju ograničavanja opskrbe što doprinosi dekarbonizaciji. Osim toga, svi materijali koji se upotrebljavaju za spomenuta rješenja nisu otrovni niti su štetni za okoliš.

Navedene tehnologije danas nisu na visokom stupnju razvoja. Međutim, poboljšanje radne učinkovitosti i smanjenje troškova čini se obećavajućim obzirom na aktualni razvoju raznih komponenti.

Naposljetku treba spomenuti još jednu vrstu toplinsko-mehaničkog skladištenja energije: sustave skladištenja koji pohranjuju i otpuštaju toplinu u svrhu pogona mehaničkih sustava, odnosno parnih turbina za proizvodnju električne energije. Na primjer, u slučaju koncentriranih solarnih elektrana višak toplinske energije može se skladištiti, recimo, u spremnicima za sol. Isto tako, višak električne energije, npr. iz vjetra, može se pretvoriti u zelenu toplinsku energiju primjenom otpornog zagrijavanja. Pohranjena toplinska energija može se ponovno pretvoriti u električnu energiju pomoću parnih turbina.

Takva konfiguracija pomaže spriječiti ograničavanje opskrbe, poboljšati stabilnost mreže i odvojiti toplinu od proizvodnje električne energije.

Ta se tehnologija već upotrebljava, primjerice, u dvije koncentrirane solarne elektrane na području Granade u Španjolskoj, od kojih svaka ima izlaznu snagu od otprilike 50 MW.

Iako je skladištenje topline dokazana tehnologija, morat će se natjecati s drugim tehnologijama, kao što su baterije, reverzibilne hidroelektrane ili skladištenje u obliku stlačenog zraka. Ipak, jedno je sigurno, svijet je krenuo na put dekarbonizacije, a kombinacija komplementarnih sustava za pohranu energije biti bitan dio toga.

Foto: Pri ciklusu skladištenja energije u obliku adijabatski stlačenog zraka energija se pohranjuje u obliku zraka pod tlakom u špilji, dok se kompresijska toplina pohranjuje toplinskim skladištenjem. Oba se oblika energije upotrebljavaju za ponovnu elektrifikaciju./Siemens Energy