Mi a gravitációs energiatárolás? Ez lehet a jövő?

A gravitációs energiatárolás igazán kézenfekvő megoldás arra a problémára, hogy mit is kezdjünk a túltermelésből származó energiával. A „hagyjuk elveszni” és a „ne termeljünk annyit” jelen esetben nem opciók, a település léptékű akkumulátoros energiatárolásnak pedig komoly környezetvédelmi aggályai vannak.

Márpedig a megújuló energiára való, akár település szintű áttérés egyik kritikus kihívása a hálózati méretű tárolás. A fosszilis és nukleáris tüzelőanyagokkal ellentétben ugyanis a nap- és szélenergia nem tárolható egykönnyen.

Értékes tiszta energiát veszítünk, ha nem tudjuk megragadni akkor, amikor épp bőségesen áll rendelkezésre – de miért ne tudnánk? A gravitációs energiatárolás végül is nem mai találmány és pontosan megfelelhet erre a célra. Ahogy a világ tiszta alternatívákra és megbízható megújuló energiaforrásokra vágyik, úgy tűnik, hogy a gravitáció lehet az a megoldás, amit már oly régóta kerestünk.

Vagyis az egyre nagyobb kihívást jelentő energiatárolás megoldásában talán nem is a lítium-ion technológia továbbfejlesztése a legjobb irány, hanem a gravitáción alapú rendszerek bevetése.

Mi az a gravitációs energiatárolás?

A megújuló energiaforrások széles körű elterjedése izgalmas kihívásokat és újabbnál-újabb lehetőségeket kínál, ugyanakkor a napenergia és a szélenergia időszakos természete jelentős kihívások elé állítja a mérnököket.

Hatékony energia tárolási megoldások hiányában a csúcsidőszakokban termelt többletenergia ugyanis elpazarolódik, ami így akadályozza a szélesebb körű integrációt.

A gravitációs energiatárolók erre kínálnak igen ígéretesnek tűnő megoldást. Ahogy a fenntartható megoldások iránti fogyasztói igény növekszik, nyomást gyakorol a vállalatokra, a kormányzatokra és az egész iparágakra annak érdekében, hogy azok előtérbe helyezzék a környezeti felelősségvállalást.

A megújuló energiaforrások segítenek a zöld átállásban

Ugyanakkor az energiaigény is folyamatosan nő, hiszen a világ népességének körülbelül 13%-a (közel egymilliárd ember) még mindig nem fér hozzá elektromos áramhoz.

Bár a szén-dioxid (CO2) kibocsátása ideiglenesen 5,8%-kal csökkent 2020-ban, a jelenlegi koncentráció még mindig közel 50%-kal magasabb az ipari forradalom előtti szinthez képest. Így még azoknak a szektoroknak is amelyek organikus tanúsítványt szereznek, aktívan tovább kell csökkenteniük a szén-dioxid-lábnyomukat.

Ez folyamatos monitorozást igényel a megújuló és nem megújuló energiafogyasztás arányára vonatkozóan, a termelési egységenkénti nettó energiafelhasználás minimalizálására összpontosítva.

A gravitációs energiatárolás megoldás lehet a globális energiaválság leküzdésére. A gravitációs energiatárolás innovatív technológiája ugyanis lehetővé teszi, hogy a nap folyamán a megújuló forrásokból előállított felesleges energiát tároljuk, majd ezt az energiát éjszaka, a lakossági igények csúcsidőszakában visszatápláljuk a hálózatba.

Hogyan működik a gravitációs energiatárolás?

A gravitációs akkumulátorok képességeinek teljes mértékű elfogadásához és elterjedéséhez elengedhetetlen a működési elveik megismerése. Ezek az újító energiatároló eszközök a gravitáció természetes erejét használják fel, kihasználva a gravitációs potenciális energiát az energia tárolására. Hogyan?

A koncepció elegáns: a megújulóenergia-termelés csúcsidőszakaiban a felesleges villamos energiát egy nehéz tömeg, például egy óriási betontömb vagy víz felemelésére használják.

A tömeg magasságából adódóan tárolt potenciális energiát később újra elektromossággá lehet alakítani. Amikor a kereslet megugrik, a csörlők lassan leeresztik a tömeget, és a turbinákon keresztül mozgó kábelek áramot termelnek.

Képzeljük csak el: egy napelem farm napközben hasznosítja a napsugarak energiáját, és ezzel egy hatalmas súlyt emel fel. Aztán, amikor eljön az este, és a háztartások energiafelhasználása megnő, a gravitációs akkumulátor zökkenőmentesen visszaadja a tárolt energiát a hálózatnak, és akkor látja el energiával az otthonokat, amikor a legnagyobb szükség van rá. Ez a technológia hatalmas lehetőségeket rejt magában a megbízható, tiszta energia jövője szempontjából.

A gravitációs energia tárolási rendszerek működési mechanizmusa

A gravitációalapú energia tárolási rendszerek működése két fő szakaszra bontható: az energia tárolására és annak kibocsátására.

1. Az energia tárolásának szakaszában az energia potenciális energiává alakul át nehezék tárgyak vagy anyagok megemelésével, ezzel hatástalanítva a gravitáció ellenében. Az emelés több módszerrel is megvalósítható, beleértve a mechanikus darukat, hidraulikus emelőket, vagy akár az olyan égitestek gravitációs hatásának kihasználását, mint a Hold vagy a Föld. Az energia így biztonságosan tárolódik, amíg szükség nem lesz a felhasználására.
2. Amikor az elektromos energia iránti igény megugrik, a tárolt potenciális energia az energia kibocsátási szakaszában visszaalakul elektromos energiává. Általában ez a konverzió (visszaalakulás) az emelt tárgyak vagy anyagok leeresztésével történik, amelyeknek a mozgását generátorok vagy turbinák hasznosítják elektromosság előállítására. Ez az elektromosság aztán az elektromos hálózatba irányul, hogy kielégítse a fogyasztók igényeit.

Fedezzük fel a nem mindennapi megoldásokat!

A gravitációs energiatárolási módszer, mint már említettük, nem újdonság. Például a szivattyús-tározós vízerőművek is hasonló módszert alkalmaznak ott, ahol a vizet alacsony energiaigényű időszakokban magasabb szintekre emelik, majd később, amikor megnő az energiaigény, azt elektromosság előállítására használják fel.

Azonban a gravitációs akkumulátorok több szempontból is különböznek a szivattyús tározós rendszerektől. Gyorsan telepíthetők, minimális környezeti változtatást igényelnek, és nem szükségesek hozzájuk nagy víztömegek.

Ez a rugalmasság lehetővé teszi telepítésüket szélesebb körben is, beleértve a sűrűn lakott városi környezetet vagy épp az elszigetelt területeket, ezzel növelve alkalmazhatóságukat és potenciális hatásukat az energia rendszerekre.

Mik az előnyei a gravitációs energiatárolásnak?

A gravitációs akkumulátoroknak hatalmas előnye, hogy nem használnak ritkaföldfémeket, amik amellett, hogy a beszerzésük igen nagy környezeti károkat okoz, még „ritkák” is, vagyis korlátozott mértékben hozzáférhetők.

Bár folyamatosan arról beszélnek, hogy a lítium-ion akkumulátorokat kellene fejleszteni, rá kell jönnünk, hogy léteznek működőképes alternatívák, amik teljesen eltérnek a lítiumtól. A gravitációs energia tárolási rendszerek négy fő előnye:

1. Skálázhatóság. A gravitációs energiatárolási rendszerek rugalmas skálázhatóságot kínálnak, amely lehetővé teszi, hogy különféle projektek energiatárolási igényeihez igazodjanak, helyi közösségi kezdeményezésektől kezdve a nagy, hálózati szintű tárolási műveletekig.
2. Hatékonyság. Bizonyos más energiatárolási technológiákkal összehasonlítva a gravitációs energia rendszerek igen magas hatékonysági mutatókkal rendelkeznek. Ez a hatékonyság a tárolt energia elektromos energiává való, minimális veszteséggel történő visszaalakításának képességét jelenti.
3. Hosszú élettartam. Gondos karbantartással a gravitációs energiatárolási rendszerek hosszú üzemidőre képesek. A tartósság egyben megbízható megoldást is jelent a tartós energia tárolási igények számára, ráadásul a gravitációs tárolók tartósságban és élettartamban is felülmúlják a lítium-ionos társaikat; tárolókapacitásuk nem csökken az idő múlásával, potenciálisan hosszabb élettartamot kínálnak, mindezt pedig minimális karbantartási igény mellett.
4. Környezeti hatás. Mivel üzemeltetésük során nem bocsátanak ki üvegházhatást okozó gázokat vagy szennyező anyagokat, a gravitációs energiatárolási rendszerek tiszta és fenntartható technológiának számítanak. Bevezetésük és alkalmazásuk kulcsfontosságú szerepet játszhat a globális klímaváltozás káros hatásainak mérséklésére irányuló törekvésekben.

A gravitációs tárolók népszerűsítésének lehetőségei és kihívásai

Mindezen előnyök ellenére a jövőbeli energiatárolási megoldásokról szóló tágabb vitában meglepően kevés szó esik a gravitációs tárolókról. Pedig az alacsony anyagköltségek és a megújuló forrásokkal való kompatibilitás miatt a gravitációs tárolók egy olyan fenntartható alternatívát kínálnak, amelyek forradalmasíthatják az energiatárolási rendszereket.

Ahogy nő a tudatosság és fejlődik a technológia, elképzelhető, hogy a gravitációs tároló-rendszerek idővel a fenntartható energia-infrastruktúra alapkövei lesznek, az elektromos járművek és a teljesen megújuló energián alapuló hálózati rendszerek felé tartó globális trendek mellett.

Az energiatárolás nem mindennapi módszereinek története gazdag és változatos

Még az 1940-es években, svájci mérnökök fejlesztettek ki egy giroszkópos buszt, amely egy hatalmas lendkerékkel haladt, ami mozgás közben tárolta az energiát, majd ezt a potenciális energiát kinetikus energiává alakítva hajtotta a buszt. 65 km/h sebességre volt képes, és egyetlen feltöltéssel 6 km-t tudott megtenni.

A busz meghajtása teljesen más irányt képviselt, mint a hagyományos belsőégésű motorok és bonyolult elektronikus rendszerek. Ehelyett a viszonylag egyszerű lendkerék- és sebességváltó-technológiát használta. Az ilyen típusú, sokszor figyelmen kívül hagyott energiatárolási megoldások ígéretesek a fenntartható energia ügyének szempontjából, és segíthetnek a klímaváltozás hatásainak enyhítésében.

A legfőbb kihívást a beruházási költségek és a hasznosulás jelentik

Egyelőre ellenérv lehet az, hogy a gravitáción alapuló energiatárolás nem hatékony módszer a jelentősebb mennyiségű energia eltárolására. Például egy kilogramm súly, amely egy métert mozog lefelé, 10 másodperc alatt csak 1 wattot tud szolgáltatni.

Vagyis, ha egy átlagos európai háztartást veszünk, amely évente 3600 kWh villamos energiát fogyaszt, akkor évi 13 gigajoulet jelent. Tegyük fel, hogy egy háztartás egy napi áramát szeretnénk tárolni – ez visszaosztva 35,5 megajoule.

Ahhoz, hogy ezt a tárolt energiamennyiséget elérjük (tökéletes átviteli hatékonyságot feltételezve), 1 tonna vizet kell felszivattyúznunk 3620 méter magasra. Ez a Burj Kahlifa (a világ legmagasabb épülete) magasságának majdnem négyszerese, tehát nyilvánvalóan nem igazán az, amit keresünk!

Ahhoz, hogy a magasságot 30 m-re csökkentsük (ami még mindig nagyon magas), több mint 120 tonna vizet kellene tárolni. Ezt leginkább egy olyan kockaként képzelhetjük el a legkönnyebben, amelynek mindegyik oldala 5 méter hosszú – tehát alapvetően egy szögletes víztoronyról beszélhetünk, ingatlanonként.

Vagyis nem valószínű, hogy bármilyen gyakorlatias, méretarányos rendszer elegendő energiát tudna tárolni ahhoz, hogy észrevehető hatást gyakoroljon.

A megoldás ezért az extrém nagy mennyiségű víz felhasználásában rejlik. A pénzügyileg megtérülő gravitációs tárolórendszerre példa a tározógátas vízerőmű – hiszen itt csak részben használja ki az erőmű a folyóvíz mozgási energiáját, mert mellette a gravitáció is rásegít.

Vannak-e hátrányai a gravitációs energiatárolásnak?

A gravitációs akkumulátorok jelentős lehetőségeket hordoznak, de egyben bizonyos kihívásokat is felvetnek, amelyeket szükséges gondosan kezelni.

A fent említett mennyiségi és pénzügyi problémát orvosolni lehet azzal, hogy korábbi bányákat alakítanak át gravitációs energiatárolóvá. Az egykori bányákból kialakított rendszereknek a stabilitása kulcsfontosságú, és biztonsági aggályokat, mint például a metángáz jelenléte és a lehetséges áradások az alagútaknákban, szigorúan kezelni kell.

Annak ellenére, hogy mindez a gravitációs rendszerek széleskörű felhasználása előtt egyelőre akadályt jelent, a kitartó kutatásoknak és a további technológiai fejlődésnek köszönhetően valószínű, hogy ezek az akadályok sikeresen leküzdhetőekké válnak a közeljövőben.

A másik hátrány az infrastruktúra (jelenlegi) méret-igényéből fakad. Ha a svájci toronyhoz hasonló rendszerben gondolkodunk, ott egyfelől a tájkép sérül súlyosan, másfelől a talaj se mindenütt alkalmas arra, hogy sok száz tonna nehezedjen néhány négyzetméterre, harmadrészt az időjárás sem mindenhol kedvez az infrastruktúrának.

Ha az átalakított bányákat vesszük, ott megint jó kérdés, hogy hosszú távon nem tudja senki garantálni azt, hogy a sok száz vagy ezer tonna víz folyamatos mozgatása nem teszi tönkre a rendszert a föld mélyén amellett, hogy a nyomásváltozás egyszersmind statikai változásokat is okozhat.

Miért lehet a jövő megoldása a gravitációs energiatárolás?

A jövőre nézve nagyon ígéretesnek tűnik a gravitációs tárolók integrálása a meglévő infrastruktúrába. Különösen jól kiegészíthetik a napelem-parkokat és naperőműveket, amelyek a napenergia időszakos jellege miatt megbízható energiatárolási megoldást igényelnek.

Ahogy a napenergia-technológia terjed, úgy válik egyre hangsúlyosabbá a gravitációs tárolók környezetvédelmi és logisztikai előnye, valamint az, hogy a lítium-ion akkumulátorokkal ellentétben a gravitációs tárolók elemei többnyire olcsó és könnyen beszerezhető anyagok (beton, alapvető fémek), amely csökkenti mind a költségeket, mind az ökológiai lábnyomot.

Hol van gravitációs energiatároló?

A daruk sziluettjei mondhatni már megszokott elemei a városi panorámának, azonban a svájci Ticino kantonban, egy Olaszországhoz közel eső kisvárosban, egy szokatlan látvánnyal találkozhat, aki arra jár: egy hatkarú szerkezettel.

Azonban ez a 110 méter magas építmény, ami egy hatalmas tengeri csillagra emlékeztet nem építkezési célokra készült, hanem a megújuló energia tárolásának lehetőségét demonstrálja – nehéz súlyok felemelésével és leeresztésével történő energia továbbítás útján.

Az Energy Vault, egy svájci székhelyű vállalat, ami 2020-ban jelentős előrelépéseket tett az energiatárolás rögös útján egy sikeres prototípus kifejlesztésével. A cég innovatív szerkezete egy 110 méter magas, hatkarú daruból áll, és nehéz súlyokat emel és ereszt le. A vállalat 2021-re tervezte az első kereskedelmi üzemeltetés megkezdését.

Párhuzamosan más vállalatok is alternatív módszereket kutatnak a gravitációs energia tárolás terén, mint a skóciai Gravitricity, mély bányakürtők használatával.

A Gravitricity különösen nagy tömegek, 50 és 5000 tonna közötti súlyok fel-le mozgatásával kísérletezik, mély, használaton kívüli bányakürtőkben. A cég egy 250 kilowatt teljesítményű prototípust épített, amely egy 50 tonnás súlyt tartalmaz, és 2021 elején kezdte meg a teszteléseket.

Továbbá a New Energy Let’s Go és a Gravity Power is víz-hidraulikát bevonó egyedi megközelítéseket fejleszt gravitációs alapú energiatároló rendszereihez, miközben aktívan keresi a projektjeik előrehaladásához szükséges tőkét.

A gravitációs alapú energiatárolás beruházásaival olyan megoldásokat alkalmazhatunk, amelyek nemcsak megbízható tartalékot biztosíthatnak a megújuló energiaforrások számára, hanem méretezhetőek és környezetbarát alternatívát kínálhatnak a hagyományos energiatárolási technológiákkal szemben.

A domináns technológia továbbra is a víztározós erőmű, amelyek a víz magasabb tengerszint feletti magasságba történő emelését, majd turbinákon keresztüli leereszkedését használja az áramtermeléshez.

Azonban az újabb helyszínek felkutatása és a tároló megépítése a szükséges speciális földrajzi feltételek miatt igencsak kihívásokkal járó feladat.

A gravitációs energiatárolásában rejlő hatalmas potenciál mégis arra ösztönzi az iparágat, hogy meghaladja a jelenlegi akkumulátoros megoldások kereteit, és hosszú távon költséghatékonyabb, kevesebb környezeti kihívást jelentő megoldásokat kínáljon.

Jelenleg talán azt mondhatjuk, hogy a gravitációs energiatárolás ott jöhet érdemben szóba, ahol már rendelkezésre áll infrastruktúra, amit hasznosítani kéne – ahelyett, hogy toronydarukkal rakjuk tele a tájat, amiknél esélyes, hogy pár évente nagygenerálozni kell a mozgó alkatrészeket, meg az anyagfáradás miatt a strukturális elemeket is.

Ráadásul egy kimerült bánya újrahasznosítása nem rondítja el a tájképet, míg a hatalmas betontömböket emelgető daruk kevés helyen mutatnak jól.

Dr. Rónay P. Tamás | Korábbi egyetemi oktató, tartalom specialista. Főként humán, illetve természettudományos cikkeket ír. Otthonosan mozog az okostechnológiák és megújuló erőforrások, zöld technológiák világában.