Καθώς επιταχύνεται η παγκόσμια μετάβαση προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από διαλείπουσες πηγές, όπως η ηλιακή και η αιολική, καθίσταται όλο και πιο επείγουσα. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας συχνά πέφτει όταν δύει ο ήλιος ή πέφτει ο άνεμος. Ταυτόχρονα, η ζήτηση μπορεί να αυξηθεί απροσδόκητα, επιβαρύνοντας τα ηλεκτρικά δίκτυα που ήδη αντιμετωπίζουν τις πιέσεις ενός ηλεκτροδοτούμενου μέλλοντος.
Και εδώ έρχονται οι μπαταρίες βαρύτητας, μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί μια από τις απλούστερες δυνάμεις της φύσης – τη βαρύτητα – για την αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας. Η προσέγγιση αυτή, η οποία επί του παρόντος δοκιμάζεται σε διάφορες μορφές παγκοσμίως, υπόσχεται να προσφέρει μια καθαρότερη, ανθεκτικότερη και γεωπολιτικά ευέλικτη εναλλακτική λύση στις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Τι πρέπει να γνωρίζουμε για τη συγκεκριμένη τεχνολογία, τη βιωσιμότητά της και ορισμένα πρωτοποριακά έργα που επιδιώκουν να αποδείξουν ότι λειτουργεί σε μεγάλη κλίμακα.
Η επείγουσα ανάγκη για μαζική αποθήκευση ενέργειας
Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η ηλιακή και η αιολική ενέργεια, μπορούν να παρέχουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας, αλλά οι αποδόσεις τους είναι ασταθείς. Η παραγωγή μπορεί να πέσει σχεδόν στο μηδέν όταν ο ήλιος δεν λάμπει και ο άνεμος φυσάει. Επιπλέον, η έξαρση των ηλεκτρικών οχημάτων (EVs) δείχνει ένα μέλλον όπου η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας θα μπορούσε να εκτοξευθεί στα ύψη.
Η ταχεία εξάπλωση των εφαρμογών τεχνητής νοημοσύνης (AI), οι οποίες απαιτούν τεράστια υπολογιστική ισχύ, αυξάνει το διακύβευμα για σταθερή, αξιόπιστη ενέργεια. Τα παραδοσιακά δίκτυα μπορεί να δυσκολευτούν να συνδυάσουν τις κυμαινόμενες ανανεώσιμες εισροές με αυτές τις αυξανόμενες απαιτήσεις. Ως εκ τούτου, η αποθήκευση ενέργειας μεγάλης κλίμακας -που συχνά μετριέται σε μεγαβατώρες (MWh) ή γιγαβατώρες (GWh)- είναι απαραίτητη για τη διασφάλιση της διαθεσιμότητας ηλεκτρικής ενέργειας όποτε χρειάζεται.
Μέχρι σήμερα η πλέον δημοφιλής λύση ήταν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου. Αν και ευρέως διαδεδομένη, η τεχνολογία ιόντων λιθίου έχει τα προβλήματά της. Η εξόρυξη λιθίου και ορισμένων σπάνιων γαιών μπορεί να είναι περιβαλλοντικά και κοινωνικά επιβλαβής.
Οι μπαταρίες υποβαθμίζονται με την πάροδο του χρόνου, χάνοντας τη χωρητικότητά τους, και θέτουν προκλήσεις στην ανακύκλωση. Το κόστος τους αυξομειώνεται ανάλογα με τη γεωπολιτική και τις εξαρτήσεις της αλυσίδας εφοδιασμού – με την Κίνα να ελέγχει σήμερα περίπου το 72% της αγοράς ιόντων λιθίου, σύμφωνα με το Interesting Engineering. Αυτοί οι παράγοντες ωθούν πολλές κυβερνήσεις και εταιρείες να διερευνήσουν εναλλακτικές λύσεις που μπορούν να λειτουργήσουν χωρίς να βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε υλικά εξόρυξης.
Πώς λειτουργούν οι μπαταρίες βαρύτητας
Μια μπαταρία βαρύτητας, στον πυρήνα της, αξιοποιεί τη δυνητική ενέργεια. Κάθε φορά που ανυψώνετε μια μάζα, είτε πρόκειται για ένα μεγάλο μπλοκ είτε για έναν όγκο νερού, επενδύεται ενέργεια σε αυτή τη μάζα. Λόγω της βαρύτητας, η ενέργεια παραμένει αποθηκευμένη μέχρι να πέσει το αντικείμενο. Σε οποιοδήποτε φάση, μπορεί το αντικείμενο να κατέβει ελεγχόμενα και με τη χρήση μιας γεννήτριας ή μιας τουρμπίνας να μετατραπεί η κινητική ενέργεια προς τα κάτω ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια.
Σε αντίθεση με τη χημική ενέργεια στις μπαταρίες, η οποία υποβαθμίζεται με επαναλαμβανόμενους κύκλους, η βαρυτική δυναμική ενέργεια δεν εξασθενεί με το χρόνο. Εφόσον τα μηχανικά μέρη παραμένουν λειτουργικά, η αποθηκευμένη ενέργεια μπορεί να απελευθερωθεί όταν χρειαστεί.
Οι πρώτες μορφές αποθήκευσης με βάση τη βαρύτητα υπάρχουν εδώ και πάνω από έναν αιώνα, καθώς τα υδροηλεκτρικά συστήματα αντλούν νερό προς τα πάνω όταν η ενέργεια είναι φθηνή ή άφθονη και στη συνέχεια το απελευθερώνουν προς τα κάτω μέσω στροβίλων όταν η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας κορυφώνεται. Η διαδικασία μπορεί να είναι εξαιρετικά αποτελεσματική και αξιόπιστη, αλλά απαιτεί συγκεκριμένη γεωγραφία -υψηλούς ταμιευτήρες και μεγάλες λεκάνες απορροής- που πολλές περιοχές δεν διαθέτουν.
Από την άλλη πλευρά, οι μπαταρίες βαρύτητας που χρησιμοποιούν στερεά βάρη μπορούν να κατασκευαστούν με πιο ευέλικτους τρόπους, που περιορίζονται κυρίως από το διαθέσιμο ύψος για την ανύψωση και τη μείωση της μάζας.
Η τολμηρή πρωτοβουλία της Κίνας με το EVx
Το πιο εντυπωσιακό παράδειγμα αυτής της στροφής προς την αποθήκευση βαρύτητας είναι το Rudong της Κίνας, όπου μια σύμπραξη μεταξύ της Energy Vault (ελβετικής εταιρείας) και της κινεζικής κυβέρνησης δημιούργησε το σύστημα EVx.
Με ύψος πάνω από 120 μέτρα, το κτίριο EVx είναι ένας τεράστιος μηχανικός πύργος για την ανύψωση γιγάντιων μπλοκ βάρους 24 τόνων κατά τη διάρκεια της πλεονάζουσας ενέργειας. Όταν το δίκτυο απαιτεί περισσότερη ενέργεια, τα μπλοκ χαμηλώνουν και η δυνητική τους ενέργεια μετατρέπεται ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια.
Χωρητικότητα και αποδοτικότητα: Με μέγιστη ισχύ παραγωγής 25 MW και συνολική χωρητικότητα 100 MWh, το EVx έχει προβλεπόμενη απόδοση κυκλικής διαδρομής άνω του 80%. Η εκτιμώμενη 35ετής διάρκεια ζωής του υποδηλώνει μια αξιόπιστη, μακροπρόθεσμη λύση.
Υλικά και κατασκευή: Κάθε μπλοκ κατασκευάζεται από άμεσα διαθέσιμες ουσίες, όπως χώμα, άμμο ή ανακυκλωμένα απόβλητα. Η κατασκευή του πύργου βασίζεται σε τοπικό εργατικό δυναμικό και τοπικούς πόρους. Αυτό διατηρεί το κόστος χαμηλότερο από ό,τι αν στηριζόταν σε εισαγόμενο λίθιο ή άλλα σπάνια μέταλλα.
Καθώς η Κίνα ωθείται σε μεγάλο βαθμό προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, προγραμματίζονται πολλαπλά έργα EVx, που κυμαίνονται από συστήματα 100 MWh έως 660 MWh, ακόμη και μια προτεινόμενη εγκατάσταση 2 GWh στην Εσωτερική Μογγολία. Συνολικά, η κεφαλαιακή δαπάνη για τις εγκαταστάσεις αυτές υπερβαίνει το 1 δισεκατομμύριο δολάρια.
Τα διδάγματα από την υδροηλεκτρική ενέργεια
Οι μπαταρίες βαρύτητας δεν είναι μια εντελώς νέα ιδέα. Η αντλητική υδροηλεκτρική αποθήκευση, μια τεχνολογία εκατονταετίας, ανυψώνει νερό από έναν χαμηλότερο ταμιευτήρα σε έναν υψηλότερο, χρησιμοποιώντας πλεονάζουσα ενέργεια, και στη συνέχεια το απελευθερώνει για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όταν χρειάζεται. Ιστορικά παραδείγματα, όπως η εγκατάσταση αντλησιοταμίευσης του 1907 στο Schaffhausen της Ελβετίας, αναδεικνύουν τη μακροβιότητα αυτών των συστημάτων, τα οποία συχνά προσεγγίζουν ή υπερβαίνουν το 90% της απόδοσης.
Ωστόσο, η αντλησιοταμίευση απαιτεί συγκεκριμένα γεωγραφικά χαρακτηριστικά: μεγάλες λεκάνες νερού σε πολύ διαφορετικά υψόμετρα. Η κατασκευή νέων φραγμάτων μπορεί να είναι αμφιλεγόμενη λόγω περιβαλλοντικών και κοινωνικών ανησυχιών.
Οι μπαταρίες βαρύτητας χρησιμοποιούν στερεά μπλοκ και παρακάμπτουν αυτά τα ζητήματα εξαλείφοντας την ανάγκη για νερό ή ορεινό έδαφος. Εφόσον υπάρχει επαρκής κατακόρυφος χώρος σε ψηλά κτίρια ή υπόγεια φρεάτια, μπορούν να εγκατασταθούν σε περισσότερες τοποθεσίες από ό,τι τα αντλητικά υδροηλεκτρικά.
Η προσέγγιση Gravitricity
Στη Σκωτία, η νεοσύστατη εταιρεία Gravitricity δοκίμασε εξέδρα 250 kW στο λιμάνι του Leith, σηκώνοντας και κατεβάζοντας δύο βάρη 25 τόνων. Η επιτυχία της επίδειξης έδωσε την απόδειξη της έννοιας για την πτώση του ενός βάρους μετά το άλλο, εξομαλύνοντας την καμπύλη ισχύος.
Πλέον, η Gravitricity στοχεύει στην ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας σε εγκαταλελειμμένα φρεάτια ορυχείων. Αντί για την κατασκευή μιας υψηλής δομής στην επιφάνεια, σχεδιάζεται η ανάρτηση τεράστιων βαρών κάτω από το έδαφος. Ορισμένα ορυχεία εκτείνονται σε βάθος 3 χιλιομέτρων, ξεπερνώντας κατά πολύ το ύψος των περισσότερων ουρανοξυστών. Αυτή η διαφορά μεταφράζεται άμεσα σε μεγαλύτερη χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας.
Η επαναχρησιμοποίηση εγκαταλελειμμένων ορυχείων μειώνει το κόστος παροπλισμού και δίνει νέα πνοή στις τοπικές οικονομίες. Αξιοποιώντας τις υπάρχουσες υποδομές, η Gravitricity αποφεύγει τις μεγάλες επενδύσεις που απαιτούνται για την κατασκευή νέων πύργων ή δεξαμενών νερού. Η προσέγγιση αυτή ταιριάζει σε περιοχές με ιστορικές βιομηχανίες εξόρυξης, παρέχοντας ενδεχομένως μια νέα ροή εσόδων και καλύτερη ενεργειακή σταθερότητα για απομακρυσμένες περιοχές.
Προκλήσεις και πρακτικοί περιορισμοί
Παρά την όποια αισιοδοξία, οι μπαταρίες βαρύτητας δεν αποτελούν καθολική λύση. Για την αποθήκευση ενέργειας σε προσωπική ή οικιακή κλίμακα, η φυσική που εμπλέκεται καθιστά τα μικρότερα συστήματα βαρύτητας αναποτελεσματικά. Σε μια μελέτη, φοιτητές μηχανικοί δοκίμασαν να σηκώσουν μια τσιμεντένια μάζα 2.000 κιλών σε ένα σπίτι, μόνο και μόνο για να διαπιστώσουν ότι αποθήκευε την ενέργεια που ισοδυναμεί με μόλις 12 μπαταρίες ΑΑ.
Η κατασκευή οτιδήποτε αρκετά μεγάλου μεγέθους για ουσιαστική οικιακή αποθήκευση θα ήταν απαγορευτικά δαπανηρή και δομικά πολύπλοκη. Σε κλίμακα δικτύου, το κύριο μειονέκτημα της μπαταρίας βαρύτητας είναι το σημαντικό αρχικό κόστος. Παρόλο που τα λειτουργικά έξοδα καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής μπορεί να είναι χαμηλότερα από τα ιόντα λιθίου, δεν είναι πάντα εύκολο να πειστούν οι επενδυτές.
Επιπλέον, η φυσική φθορά των μηχανικών εξαρτημάτων, όπως τα βαρούλκα, τα καλώδια, οι τροχαλίες ή οι ανελκυστήρες, μπορεί να αποτελέσει πρόβλημα μετά από δεκαετίες λειτουργίας. Ωστόσο, οι υποστηρικτές της μπαταρίας βαρύτητας σημειώνουν ότι η τακτική συντήρηση είναι απλή σε σύγκριση με τις προκλήσεις της ανακύκλωσης των χημικών μπαταριών.
Ένα άλλο εμπόδιο είναι ο χώρος. Ενώ τα συστήματα αποθήκευσης βαρύτητας δεν χρειάζονται απαραίτητα γραφικές ορεινές λίμνες, απαιτούν ψηλές κατασκευές ή βαθιά φρεάτια. Οι αστικές περιοχές μπορεί να αντιδρούν στην κατασκευή τεράστιων πύργων εάν εμποδίζουν τη θέα ή αυξάνουν το κόστος των ακινήτων. Αγροτικές ή πρώην βιομηχανικές περιοχές θα μπορούσαν να είναι πιο προσιτές, αλλά η σκοπιμότητα κάθε έργου εξαρτάται από τους τοπικούς κανονισμούς και την αποδοχή του κοινού.
Τα όρια στις μπαταρίες λιθίου και ένα μεταβαλλόμενο ενεργειακό τοπίο
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου εξακολουθούν να έχουν πλεονεκτήματα σε ορισμένες εφαρμογές, ιδίως για βραχυπρόθεσμη εξισορρόπηση ενέργειας και φορητές συσκευές. Μπορούν να εγκατασταθούν γρήγορα σε πολλές διαμορφώσεις και δεν απαιτούν εξειδικευμένες κατασκευές. Ωστόσο, η πολυπλοκότητα της αλυσίδας εφοδιασμού τους, οι ανησυχίες για την ασφάλεια (όπως ο κίνδυνος πυρκαγιάς) και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις τις καθιστούν λιγότερο ιδανικές για αποθήκευση μεγάλης κλίμακας και μεγάλης διάρκειας.
Στις Ηνωμένες Πολιτείες, για παράδειγμα, οι αυξανόμενες εντάσεις με την Κίνα έχουν επηρεάσει τις εμπορικές πολιτικές, συμπεριλαμβανομένων των δασμών στα κινεζικά προϊόντα. Με προϋπολογισμό 500 δισεκατομμυρίων δολαρίων για την ΑΙ, η υποδομή είναι βέβαιο ότι θα αυξηθεί και η ανάγκη για σταθερή αποθήκευση μεγάλης κλίμακας που δεν θα βασίζεται σε εισαγόμενο λίθιο μπορεί να αποδειχθεί πιο ελκυστική.
Ένα ισορροπημένο ενεργειακό μέλλον
Καμία μεμονωμένη τεχνολογία αποθήκευσης δεν μπορεί να λύσει την πολυπλοκότητα των σύγχρονων δικτύων. Αντίθετα, οι ειδικοί προβλέπουν ένα μείγμα λύσεων, άλλες μεγάλες και σταθερές, άλλες μικρές και φορητές. Οι μπαταρίες βαρύτητας, η αντλησιοταμίευση, τα συστήματα ιόντων λιθίου, οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου και η θερμική αποθήκευση θα μπορούσαν να συνυπάρχουν, παίζοντας το καθένα τον ρόλο του.
Οι μπαταρίες βαρύτητας είναι εξαιρετικές για μεγάλες, μακροχρόνιες ανάγκες χωρητικότητας σε τοποθεσίες κατάλληλες για ψηλές κατασκευές ή βαθιά φρεάτια. Χάρη σε έργα όπως το EVx της Energy Vault στην Κίνα ή τα σχέδια ορυχείων-φρεατίων της Gravitricity, η ιδέα έχει ξεπεράσει το τραπέζι των σχεδίων, αποδεικνύοντας ότι υπάρχουν πραγματικές δυνατότητες.
Αν και η τεχνολογία είναι ακόμη σε στάδιο ωρίμανσης, οι μπαταρίες βαρύτητας μπορεί να ξεχωρίζουν για την ανθεκτικότητα, την επεκτασιμότητα και την ελάχιστη εξάρτηση από σπάνια ορυκτά. Με την πάροδο του χρόνου, εάν αποδειχθούν οικονομικά βιώσιμα και ισχυρά, τα συστήματα αυτά θα μπορούσαν να γίνουν βασικοί πυλώνες για τις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας που επιθυμούν να εξισορροπήσουν τις ροές ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Για τον πλανήτη, αυτό σημαίνει λιγότερες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, μειωμένη εξάρτηση από πεπερασμένους πόρους και ένα βήμα πιο κοντά σε ένα καθαρότερο, πιο ανθεκτικό ενεργειακό μέλλον.
[ΦΩΤΟ ΑΡΧΕΙΟΥ]
