Germania va construi prima baterie subterană pe bază de aer şi apă, care va putea stoca energie printr-o tehnologie genial de simplă

În ultimii ani, vorbim tot mai des despre nevoia de soluţii de stocare a electricităţii, iar această nevoie devine tot mai stridentă, pe măsură ce sistemele energetice înglobează cote tot mai mari de electricitate produsă din surse regenerabile. Aceste surse sunt adeseori intermitente, iar când sunt integrate într-o cotă mare în sistem, pot exista perioade atât de supraproducţie, cât şi de lipsă de producţie a lor. Germania e îngrijorată în mod special de perioadele lungi înnorate pe care le are uneori, care sunt cooptate cu vânturi slabe, iar în acele perioade sursele eoliene şi solare pot livra o producţie foarte mică zile la rând şi ţara e nevoie să se bazeze pe un cuantum mult mai mare de importuri, de obicei la costuri mai mari dacă şi alte ţări din regiune au aceleaşi probleme. Soluţii de stocare a electricităţii există mai multe, începând de la cea mai cunoscută şi demult folosită — hidrocentralele prin pompare, care pompează apa dintr-un rezervor inferior într-unul superior şi apoi invers, pentru a stoca electricitate şi a o livra înapoi în sistem. E nevoie de relief cu sute de metri diferenţă în altitudine, şi această soluţie costă mult, fiind îndelungată în construcţie. Centralele de baterii sunt soluţii mai ieftine şi mai rapide, dar de obicei pot stoca electricitatea pe 2-4 ore, iar capacitatea lor de stocare e de zeci sau sute de ori mai mică decât la hidrocentrale, deşi puterea momentană poate fi comparabilă. Ei bine, acum Germania va construi prima baterie subterană pe bază de aer şi apă, care va putea stoca electricitatea printr-o tehnologie genială de simplă şi ieftină, dar ceva mai ineficientă.

Tehnologia folosită are numele comercial de AirBattery şi aparţine start-up-ului israelian Augwind Energy, care a fost contractat pentru a construi acum în Germania prima asemenea baterie la scară mare, după ce a construit în ţara sa un proiect pilot mai mic.

Cum va funcţiona nouă baterie? Ei bine, simplu vorbind ea va combina principiile folosite în centrale cu aer comprimat şi în hidrocentralele prin pompare. Noua centrală din Germania, cu rol de baterie de stocare, va folosi caverna unei foste mine de sare drept mediu de stocare a aerului comprimat în ea.

Cavernele sunt medii perfecte pentru a putea stoca substanţe gazoase, întrucât sunt izolate etanş, aflându-se la mare adâncime, fiind nevoie doar de etanşarea fostelor căi de acces şi de forarea canalelor necesare noului sistem. Pereţii acestor caverne pot reţine cu succes până şi cei mai uşor atomi, precum hidrogenul, ceea ce va permite ca noua baterie să poată stoca energia pe timp îndelungat, de săptămâni sau luni, dacă va fi nevoie, centrala putând servi ca o acoperire de sistem pentru acele zile cu producţie slabă de regenerabile.

Cum funcţionează această tehnologie, deci, şi prin ce e atât e simplă şi ieftină? Ei bine, asemenea centrală a construită la suprafaţă, în locul unde există caverna în adâncime şi se forează canalele necesare către cavernă. La suprafaţă poate exista unul sau mai multe module funcţionale, la fel cum o hidrocentrală poate avea una, două sau 6 turbine.

Fiecare modul conţine două rezervoare mari, cu valve de rigoare şi cu circuite între ele şi între ele şi aerul de afară. Aceste rezervoare sunt de obicei poziţionate în pământ, foarte aproape de suprafaţă, pentru a asigura stabilitatea lor termică.

La începutul unui ciclu de funcţionare, unul din rezervoare e plin cu apă, iar altul e plin cu aer atmosferic. Presiunea în acest rezervor cu aer e cea atmosferică sau apropiată de ea, la fel ca şi presiunea aerului din întreaga cavernă, când e descărcată. Rezervorul de aer e conectat prin conducte atât cu exteriorul de unde poate trage sau evacua aer când e nevoie, cât şi cu mediul subteran al cavernei, iar fiecare din aceste circuite poate fi închis sau deschis prin valve.

Când apare nevoia de a stoca electricitate în sistem, o pompă eficientă şi puternică începe a muta apa din rezervorul plin în cel gol. Apa care ajunge în rezervorul gol, care avea până acum doar aer, începe a înlocui volumul ocupat anterior de aer şi întrucât apa nu se poate comprima, se comprimă aerul. Acest aer comprimat începe a fi pompat spre adâncuri, spre cavernă, iar centrala consumă electricitatea din sistem pe acele pompe ce pompează apa, iar prin pomparea apei pompează şi comprimă de fapt şi aerul spre adâncuri.

Între timp, rezervorul care era plin cu apă devine tot mai gol şi în aer s-ar forma un vid dacă n-ar venit alt aer. Însă valva din exterior e deschisă unidirecţional şi aerul atmosferic pătrunde în rezervorul care se goleşte de apă. Când se termină apa din acest rezervor, avem situaţia că acest rezervor e deja plin cu aer, iar celălalt plin cu apă.

Genialitatea e că şi ambele rezervoare au exact aceleaşi conexiuni cu caverna şi cu exteriorul. Şi acum, când celălalt rezervor a devenit plin cu apă, iar rezervorul iniţial a devenit plin cu aer, pompa începe a funcţiona în regim invers şi pompează apa înapoi din rezervorul plin spre cel golit de curând. În acest moment, încărcarea bateriei continuă, pentru că apa ajunsă în rezervor împinge din nou aerul în subteran, comprimându-l mai departe. Astfel volumul de aer care poate fi pompat în adâncuri nu e limitat la volumul unui singur rezervor şi poate fi suma unui număr imens de rezervoare, aceeaşi apă fiind purtată în ambele părţi repetitiv pentru a servi drept mediu de presurizare a aerului. E un principiu numit în fizică piston lichid, când apa e folosită pentru a presuriza aerul.

Deci, pe durata a zeci de ore, încărcarea bateriei continuă cu repetare a ciclurilor în care apa e mutată dintr-un rezervor în altul, iar aerul e tras din atmosferă în rezervorul care se goleşte, apoi e comprimat şi trimis în adâncuri în cavernă, presurizându-se tot mai mult, până când atinge o presiune limită calculată drept vârf sigur al centralei. În acel moment, bateria e considerată încărcată şi poate sta aşa în aşteptare săptămâni sau luni de zile, dacă e nevoie.

Când e nevoie de descărcarea bateriei şi furnizarea electricităţii în sistem, aerul din cavernă începe a fi lăsat să ajungă la suprafaţă, ajungând în rezervorul plin cu apă. Presiunea aerului împinge apa şi aceasta se îndreaptă spre celălalt rezervor, doar că nu o mai face prin acelaşi canal anterior cu pompa eficientă, ci printr-o galerie mai mare, care conţine o turbină de hidrocentrală în toată legea. Apa împinge acea turbină, care produce electricitate exact ca la o hidrocentrală.

Când apa se goleşte dintr-un rezervor, aerul ajunge în celălalt rezervor şi împinge apa în regim revers, cu turbina care continuă să producă electricitate în regim invers. Ciclul se repetă până toată presiunea din cavernă se epuizează şi se echivalează cu cea un pic peste presiunea atmosferică, ce nu mai poate împinge apa şi turbinele. Atunci bateria se consideră descărcată.

Astfel, capacitatea de stocare a acestei tehnologii e dată de volumul şi specificul cavernei, iar putere e dată de mărimea aleasă a turbinelor şi numărul acestora. În mod obişnuit, o cavernă poate asigura între 3 şi 8 GWh de electricitate stocată, spun inginerii start-up-ului. Caverna din Germania, unde va fi construită noua baterie, ar urma să fie analizată în procesul de construcţie, pentru a stabili capacitatea exactă, dar se estimează că va fi în între 5-8 GWh. Centrala din Germania va avea 3 sau 4 turbine şi module — se decide acum exact câte. Fiecare turbină va putea genera între 3 şi 10 MW putere.

Iar aici trebuie să menţionăm şi câteva neajunsuri ale acestei tehnologii. În primul rând la încărcare, la început pompa care dirijează apa dintr-o rezervor în altul are nevoie de mai puţină forţă şi energie, după care rezistenţa aerului presurizat creşte şi e nevoie de mai multă energie. Deci consumul, sau energia absorbită din sistem, nu e linear ci creşte pe măsură ce bateria e încărcată şi se apropie de final. Acest efect poate fi parţial ocolit prin ajustarea turaţiilor, care pot creşte consumul momentan datorită vitezei de pompare mai mari a apei la început. Acelaşi efect, în direcţia inversă descrescătoare va fi manifestat şi de turbine, care vor fi propulsare mai tare la început şi mai puţin pe urmă. Şi aici există metode de nivelare, cum ar fi ajustarea fluxului de aer, însă, această parte fiind mai simplu de adaptat.

La fiecare schimb de direcţie a mişcării apei la încărcare, apoi la descărcare, va exista un moment de pauză în absorbţia energiei din sistem şi, respectiv, furnizarea ei înapoi. Centrala va folosi baterii litiu-ion pentru a acoperi aceste şocuri. De asemenea, sistemul nu porneşte la fel de rapid ca o centrală de baterii.

Poate cel mai important dezavantaj e ineficienţa, sau randamentul redus al sistemului. Centralele cu baterii litiu-ion dau înapoi în sistem 90-92% din energia absorbită, pierzând 8-10%. Hidrocentrale prin pompare au un randament de 78-81%, deci pierd un pic mai mult, dar pe termen lung sunt mai rentabile şi mai eficiente în costuri. Iar această baterie subterană cu aer şi apă a indicat în proiectul pilot din Israel un randament de doar 47%, deci a pierdut 53% din energie. Însă pentru prima centrală la scară mare e promis un randament de peste 60%, care rămâne a fi confirmat în viaţa reală în acest proiect.

Dar există şi avantaje majore. Bateria are zero degradare în timp şi durează puţin să fie construită, dacă există caverna — doar 9-12 luni. Costul de construcţie e foarte mic în raport cu alte soluţii fiind de 10-15 dolari per kWh de capacitate de stocare a centrale construite. Asta ar însemna că o centrală care poate stoca 8 GWh, adică 8.000.000 kWh, a trebui să coste între 80 şi 120 milioane dolari. Pentru comparaţie 3,2 GWh de baterii Tesla Megapack costă acum 877 milioane dolari fără instalare şi utilaje adiţionale, deci 8 GWh ar costa cam 2,2 miliarde de dolari. E o mare diferenţă între 80-120 milioane şi 2,2 miliarde, deci, iar asta poate motiva multe părţi să accepte randamentul mai mic, mai ales dacă vorbim de centrale care au rol de asigurare a sistemului energetic în zilele cu producţie critic de mică.

Germania are o mulţime de asemenea caverne, pe care ar putea să le folosească, în locul construcţiei hidrocentralelor prin pompare. Iar noul proiect a fost aprobat după ce compania germană de analiză inginerească Fichtner Group a validat fezabilitatea şi viabilitatea acestei tehnologii. Noua centrală ar urma să fie gata în 2027-2028.