Obnovljivi izvori: Kako bi peščana baterija mogla da transformiše čistu energiju

Na kraju krivudavog seoskog puta oivičenog drvoredom u zapadnoj Finskoj, četiri mlada inženjera veruju da imaju mogući odgovor na jedan od najvećih izazova zelene energije.

Izazov je kako obezbediti stabilno snabdevanje grejanjem čitave godine iz izvora obnovljive energije tokom smene godišnjih doba i promenljivih vremenskih uslova.

Odgovor koji se krije u elektrani Vatajankoski, 270 kilometara severoistočno od glavnog grada Finske Helsinkija, neverovatno je prost, obilan i jeftin: pesak.

• Hoće li se u Srbiji ipak kopati litijum
• Portugalski planovi za rudnik litijuma Barozo izazvali gnev meštana, ostavka premijera
• Vetar kao energetska revolucija koju treba pažljivo voditi
• Reverzibilne hidroelektrane na Balkanu: Čuvari energije i ključ prelaska na obnovljive izvore

Elektrana Vatajanskoski je dom prve komercijalne peščane baterije na svetu.

Potpuno zatvorena u sedam metara visokom čeličnom kontejneru, ova baterija se sastoji od 100 tona građevinskog peska nižeg kvaliteta, dve cevi centralnog grejanja i jednog ventilatora.

Pesak postaje baterija nakon što se zagreje na 600 stepeni Celzijusovih pomoću električne energije koju prave vetroturbine i solarni paneli u Finskoj, koje su obezbedili Vatajankoski, vlasnici elektrane.

Obnovljiva energija napaja otporni grejač koji zagreva vazduh unutar peska.

Unutar baterije, ovaj topli vazduh cirkuliše po pesku uz pomoć ventilatora preko cevi za centralno grejanje.

Pesak okružuje debela izolacija, zadržavajući temperaturu unutar baterije na 600 stepeni Celzijusovih, čak i kada je napolju ledeno vreme.

„Ne želimo da gubimo toplotu; prosečna zimska temperatura je ispod nule u Kankanpi“, kaže Vile Kivioja, glavni naučnik pri Energiji polarne noći, koja nadgleda performansu baterije onlajn.

Baterija može da uskladišti osam megavat sati termalne energije kad je puna.

Kad potražnja za energijom poraste, baterija ispušta oko 200 kilovata snage preko cevi za centralno grejanje: to je dovoljno za obezbeđivanje grejanja i tople vode za oko 100 domova i javni bazen u Kankanpi, dopunjujući energiju iz elektrane.

Baterija se napuni preko noći, kad je cena struja jeftinija.

To je sistem niskog nivoa održavanja, kaže Kivioja.

Kompanija koristi jeftin, niskokvalitetni pesak koji su odbacili građevinci umesto visokokvalitetnog rečnog peska, koji se u ogromnim količinama koristi za gradnju, što dovodi do njegove globalne nestašice.

„Ne postoji trošenje materijala ni u cevima ni u pesku. Ventilator je jedini pokretni deo i lako ga je zameniti ukoliko se za tim ukaže potreba“, kaže Kivioja.

Pesak je veoma efikasan medijum za zadržavanje toplote tokom dugog vremenskog perioda, skladišteći energiju na po više meseci.

A tu su i druge prednosti.

„Pesak ima veoma dug životni vek: može da se zagreje i ohladi bezbroj puta“, kaže Kivioja.

„Zgusnuće se posle nekog vremena tako da će mu biti potrebno manje mesta. U tom trenutku možemo dodati još peska.“

Četiri mlada inženjera iz Finske koji su izumeli ovu peščanu bateriju znaju se odavno.

Tomi Eronen, Marku Jlonen, Lisa Naskal i Vile Kivioja su se zbližili kao deca oko zajedničke strasti: atletike.

Sprinter, biciklista, troskokašica i bacač diska pripadali su istom sportskom klubu u Tampereu, u južnoj Finskoj, navijajući jedni za druge na atletskim takmičenjima tokom tinejdžerskih godina.

Kad su ušli u dvadesete, njihova interesovanja su se prebacila sa sporta na nauku.

Kraća i toplija leta na jugu Finske dala su im zajedničku motivaciju da se bore protiv klimatskih promena.

„Broj dana sa ledenim pokrivačem na Nasijarvi, jezeru gde smo se klizali kao deca, dramatično sa smanjio u poslednjih nekoliko godina. Klimatske promene se dešavaju pred našim očima“, kaže Eronen.

Dok je 2016. radio istraživanje za master iz inženjerstva, Eronen je proučavao sisteme skladištenja zasnovane na vodi radi obnovljive energije.

Ali dok je čitao članak o tradicionalnim finskim ognjištima, napravljenim od kamena i peska, Eronenu se „upalila sijalica“.

„To me je navelo na razmišljanje: da li bi čvrsti materijali, umesto vode, odgovarali za skladištenje solarne i energije vetra?“, kaže Eronen.

Zajedno sa Jlonenom, on je počeo da radi na prototipu za peščanu bateriju.

Uspešno isprobavši pilot bateriju u vrtu Erononovog dede blizu Tampere, njih dvojica su regrutovali prijatelje iz detinjstva iz atletičarskog kluba da bi osnovali Energiju polarne noći.

U julu 2022. godine, instalirali su prvu komercijalnu peščanu bateriju u elektrani Vatajankoski u Kankanpi.

Pogledajte video o solarnoj energiji:

Potraga za stalnim zalihama

Proizvodnja solarne i energije vetra zavisi od vremenskih uslova i godišnjih doba, i stoga je promenljivo.

Ovo znači da proizvodnja energije ne odgovara uvek potražnji.

To čini nedostatak jeftinih, ostvarivih i održivih tehnologija skladištenja jednom od najvećih prepreka da se svet prebaci sa fosilnih goriva na obnovljive izvore energije.

„Skladištenje obnovljive energije jedan je od najvažnijih izazova koje moramo da razrešimo da bismo postigli cilj od neto nula emisija ugljen dioksida do 2050. godine, za koji Međuvladin panel o klimatskim promenama Ujedinjenih nacija kaže da je ključan za ograničavanje globalnog zagrevanja na 1,5 stepeni Celzijusovih“, kaže Julong Ding, direktor Birmingemskog centra za skladištenje energije u Velikoj Britaniji.

BBC na srpskom je od sada i na Jutjubu, pratite nas OVDE.

Skladištenje zelene energije

Inovacija je pokrenula talas uzbuđenih reakcija širom sveta.

„Moj telefon konstantno zvoni i imam hiljade nepročitanih mejlova“, kaže Eronen.

Mala komercijalna primena novog sistema za skladištenje energije retko postane vruća tema, ali peščana baterija je privukla pažnju zbog njenog potencijala da namiri energetske zalihe iz obnovljivih izvora (vidi boks Potraga za stalnim zalihama).

Održivo skladištenje solarne i energije vetra posebno je kritično za nordijske zemlje koje imaju duge sate mraka i povećanu potrebu za grejanjem zimi, ali i duge sate sunčevog svetla leti.

Od izbijanja rata u Ukrajini, Finska poziva EU da poveća proizvodnju obnovljive energije.

„Jedini izlaz iz energetske krize su velika ulaganja u obnovljivu i proizvodnju energije lišenu emisija“, izjavila je bivša finska premijerka Sana Marin u septembru 2022.

Izumitelji peščane baterije se nadaju da bi tu moglo da uleti njihovo rešenje.

„Moja prva pomisao je bila: ‘Zašto se ja toga nisam setila?'“, smeje se Eva Pongrac, potpredsednica jedinice za inženjersko istraživanje vode, energije i životne sredine na Univerzitetu u Ouluu u severnoj Finskoj.

„To je tako prosta, sveža i inovativna ideja. Da li bi ovo moglo da bude rešenje za stalne zalihe zelene energije? Ne mislim da će postojati jedan jedini odgovor, ali je ovo svakako deo rešenja.“

Ali kako se tačno baterija ponaša što se tiče njenih performansi u poređenju sa drugim baterijama, posebno njenim elektrohemijskim ekvivalentom: litijum-jonskim baterijama?

Jedan veliki problem sa litijum-jonskim baterijama, koje koristimo za napajanje naših laptopova, telefona i električnih vozila, jeste da neprestano propadaju, čak i kad nisu u upotrebi, kaže Pongrac.

„U peščanim baterijama ne postoji hemijska reakcija tako da one ne prolaze kroz sličan proces starenja“, kaže Pongrac.

Litijumske baterije nisu odgovarajuće za primenu u masivnim skladištenjima, kaže Julong Ding, direktor Birmingemskog centra za skladištenje energije u Velikoj Britaniji, dodavši da su i izuzetno sklone zapaljivanju.

A tu je i briga za životnu sredinu.

„Litijum ima mnogo veći uticaj na životnu sredinu od peska“, kaže Pongrac.

Za svaku tonu proizvedenog rafiniranog litijuma, emituje se ekvivalent od između tri i devet tona ugljen dioksida, u zavisnosti od toga na koji način se izvlači.

Ali tim iz Energije polarne noći suočava se sa nekim velikim izazovima: mogu li da omasove svoju tehnologiju da zaista čini razliku i mogu li da je koriste za generisanje značajne količine električne energije pored grejanja?

Naravno, postoje ograničenja, ističu stručnjaci.

„Peščana baterija skladišti pet do 10 puta manje energije prema kapacitetu jedinice od tradicionalnih hemijskih baterija“, kaže Den Gledvin sa katedre za elektroniku i elektrotehniku na Univerzitetu u Šefildu, u Velikoj Britaniji.

Tim Energije polarne noći priznaje ovo, ali tvrdi da je peščana baterija mnogo isplativije rešenje.

Tim je izračunao da je njihova baterija osam do 10 puta jeftinija od litijumske baterije koja skladišti istu količinu energije.

Da bi se generisalo osam megavat sati energije uz pomoć peščane baterije iz Kankanpe to košta oko 200.000 dolara, kaže Eronen.

Litijum-jonska baterija koja skladišti 8 megavat sati energije koštala bi najmanje 1.600.000 dolara, kaže on.

Gledvin kaže da je peščana baterija sjajna za grejanje kuća u hladnoj klimi, ali upozorava da efikasnost opada kad se koristi za vraćanje energije u eletrodistributivnu mrežu.

„Da bi njena upotreba postala mnogo raširenija, morali bi da se pronađu načini da prebacuju grejanje iz baterije nazad u električnu energiju sa efikasnošću od 75-80 odsto. To bi preokrenulo igru“, kaže on.

Eronen kaže da sa trenutno dostupnom tehnologijom proces prebacivanja energije nazad u električnu ima stopu efikasnosti od samo 30 odsto.

Ali on to ne vidi kao veliki problem.

„U zemlji hladnoj kao što je Finska bacamo 70 odsto toplote koja ostaje posle konverzije na mreže centralnog grejanja kojima je potrebno snabdevanje grejanjem skoro sve vreme“, kaže on.

Sledeći korak u omasovljavanju baterije za generisanje električne energije je dodavanje turbine za konverziju toplote nazad u mrežu.

„Za nekoliko godina imaćemo funkcionalni sistem koji će raditi upravo to“, kaže Eronen.

Energija polarne noći je u procesu potpisivanja ugovora za izgradnju druge baterije za još jednu kompaniju za centralno grejanje u Finskoj.

„Ovo je za značajno veći sistem: dva megavat sata u snazi grejanja i 500 megavat sati u kapacitetu skladištenja. To je 10 puta više od onoga što imamo u Kankanpi“, kaže Eronen.

Za sada, peščana baterija ostaje izrazito nordijsko rešenje, kaže Pongrac.

„Ona je veoma korisna u Finskoj gde imamo veoma hladne zime i treba nam grejanje praktično od septembra do maja zbog godišnje prosečne temperature ispod 10 stepeni“, kaže ona, dodavši da je polovina 5,5 miliona stanovnika Finske povezana na mrežu centralnog grejanja.

Ali u teoriji bi rešenje za skladištenje energije moglo da se iskopira bilo gde na svetu gde postoji infrastruktura centralnog grejanja, u gradovima kao što su Njujork, San Francisko ili Kopenhagen.

„U svakom slučaju, ima mnogo veći potencijal od grejanja samo kuća“, kaže projektna menadžerka kompanije Lisa Naskali.

„Kad se omasovi, biće dostupna za upotrebu u svim vrstama industrijskih procesa koji zahtevaju veliku toplotu: pekare, praonice i čeličane.“

Eronen kaže da će se Energija polarne noći u kratkom roku potruditi da postane „istinski globalna kompanija“, koja pravi peščane baterije širom sveta.

Ogromni bum u obalskim vetroturbinama – do 2025. godine će energija vetra pokrivati 25 odsto potrošnje električne energije u Finskoj – pomoći će da se to ostvari, ali još „ima mnogo toga da se uradi“.

„Trebaće nam ogromni skladišni kapaciteti da izbalansiramo fluktuacije u proizvodnji“, kaže on.

Da bi pomogla planove za međunarodnu ekspanziju, Energija polarne noći želi da zameni pesak drugim zrnastim, nezapaljivim materijalima na mestima koja oskudevaju u pesku.

„Ideja je potražiti i naći odgovarajuće materijale lokalno: možemo na primer da testiramo nusproizvode industrijskih procesa i vidimo da li možemo da ih iskoristimo“, kaže Eronen.

Daleko najveći izazov širenju su nespremnost kompanija i opština da ulože u nove tehnologije.

„U Finskoj, kompanije za centralno grejanje imaju obavezu da isporuče grejanje i moraju da plaćaju penale ako ne ispune tu obavezu. Zbog toga više vole da budu oprezni pa makar pogrešili pre nego što naprave veliko ulaganje u neku novu tehnologiju“, kaže Naskali.

Finska energetska kompanija Vatajankoski je izuzetak.

„Želimo da pronađemo načine za borbu protiv klimatskih promena. Tražili smo tehnologije kako proizvesti grejanje bez spaljivanje fosilnih goriva i naišli na Energiju polarne noći…

„To je robusna tehnologija“, kaže Peka Pasi, upravni direktor Vatajankosija, koji, poput Naskali, veruje da je najveći potencijal baterije ako se koristi u industrijske svrhe.

„Nekim industrijama je potreban veoma topao vazduh, 300 stepeni Celzijusovih, za sušenje nečega, na primer.

„Mi sada želimo da sarađujemo sa industrijskim kompanijama u oblasti Kankanpe koje koriste električnu energiju za proizvodnju grejanja.

„Kad bi imali peščanu bateriju koju mogu da napune preko noći, to bi im davalo fleksibilnost i zaštitilo ih od fluktuacija cena“, kaže on.

Ukazujući na ekstremne temperature, suše i požare koji zahvataju svet, mladi finski inženjeri kažu da nemamo luksuz da čekamo na prebacivanje na nove tehnologije.

„Moramo da donosimo hrabre odluke sada da bismo izbegli klimatsku krizu“, kaže Kivioja.

„Vrši se veliki pritisak na nas naučnike i inženjere da rešimo problem klimatskih promena“, kaže on.

„Ja taj pritisak pretvaram u inspiraciju, baš kao što sam to radio kad sam se takmičio u bacanju diska.

„Kad ste na terenu, pripremajući se za sledeće bacanje, vi ne smete da se ukočite pod pritiskom. Isti pristup primenjujem na poslu.“

Eronen kaže da je „osnivanje kompanije pomalo kao takmičenje u sportu: želite da pobedite.“

Zajedno sa Jlonenom, on je odlučio da pređe biciklom 170 kilometara od njihovog rodnog mesta Tampere do energetske konferencije u Helsinkiju 2018. godine.

„Svi drugi učesnici su stigli automobilom ili avionom. To nas je navelo da pomislimo: ‘Moramo da ostavimo neki trag’.“

Pratite nas na Fejsbuku, Tviteru, Instagramu, Jutjubu i Vajberu. Ako imate predlog teme za nas, javite se na [email protected]