Kaip užtikrinti nuolatinį atsinaujinančiosios elektros energijos tiekimą visus metus, esant nepastovioms oro sąlygoms ir keičiantis metų laikams – iššūkis, su kuriuo susiduria žalioji energetika. Vatajankoskio elektrinėje, esančioje netoli Suomijos sostinės Helsinkio, slypi be galo paprastas atsakymas: smėlis.
Privalumų gausa
Vatajankoskio elektrinėje įrengta pirmoji pasaulyje komercinio masto smėlio baterija. 7 metrų aukščio plieniniame konteineryje esančią bateriją sudaro 100 tonų žemos kokybės statybinio smėlio, du centralizuoto šildymo vamzdžiai ir ventiliatorius. Kai smėlis yra įkaitinamas iki 600 C, pasitelkiant vėjo turbinų ir saulės kolektorių gaminamą elektrą, jis tampa baterija.
Atsinaujinanti energija maitina varžinį šildytuvą, kuris kaitina smėlio viduje esantį orą. Baterijos viduje šis karštas oras ventiliatoriumi cirkuliuoja aplink smėlį šilumokaičio vamzdžiais.
Smėlį gaubia stora izoliacija, todėl akumuliatoriaus viduje palaikoma 600 C temperatūra, net kai lauke yra šalta.
Pilnai užpildytoje baterijoje kaupiama 8 MWh šiluminės energijos. Kai energijos poreikis padidėja, akumuliatorius šilumokaičių vamzdžiais iškrauna apie 200 kW energijos. To pakanka, kad būtų galima šildyti ir tiekti karštą vandenį maždaug šimtui namų, papildant iš tinklo gaunamą energiją. Baterija būna įkraunama per naktį, kai elektros energijos kainos mažesnės.
Tai mažai priežiūros reikalaujanti sistema, sako „Polar Night Energy“ vyriausiasis mokslininkas Ville Kivioja. Bendrovė naudoja pigų, žemos kokybės smėlį, kurio atsisako statybininkai, o ne aukštos kokybės upių smėlį. Pastarasis dideliais kiekiais naudojamas statybose, todėl jo trūksta visame pasaulyje.
„Šilumos mainų vamzdžiai ir smėlis nenusidėvi. Ventiliatorius yra vienintelė judanti dalis, o prireikus jį galima lengva pakeisti“, – BBC sako V Kivioja.
Smėlis yra labai veiksminga terpė, kurioje šiluma išlaikoma ilgą laiką – energija saugoma ištisus mėnesius. Gausu ir kitų privalumų.
„Smėlis turi labai ilgą tarnavimo laiką. Jis gali įkaisti ir atvėsti bet kiek kartų, – tvirtina V. Kivioja. – Po kurio laiko jis tampa tankesnis, todėl jam reikia mažiau vietos. Tada galime tiesiog pridėti daugiau smėlio.“
Eureka!
Keturi jauni suomių inžinieriai, išradę šią smėlio bateriją, susipažino dar vaikystėje. Tommi Eronenas, Markku Ylönenas, Liisa Naskali ir Ville Kivioja priklausė tam pačiam lengvosios atletikos klubui, vėliau jų interesai nuo sporto pasuko mokslo link. Trumpesnės ir šiltesnės žiemos Suomijos pietuose paskatino jaunuolius kovoti su klimato kaita.
2016 m., atlikdamas tyrimus inžinerijos magistro laipsniui įgyti, T. Eronenas nagrinėjo vandens pagrindu sukurtas atsinaujinančiosios energijos kaupimo sistemas. Tačiau skaitydamas straipsnį apie tradicinius suomių židinius, gaminamus iš akmens ir smėlio, jis patyrė „eurekos“ momentą.
„Tai paskatino mane susimąstyti: ar saulės ir vėjo energijai kaupti labiau tiktų ne vanduo, o kieta medžiaga?“, – pasakoja T. Eronenas.
Kartu su M. Ylönenu jis pradėjo kurti smėlio baterijos prototipą. Sėkmingai išbandę bateriją T. Eroneno senelio sode, jie įdarbino ir vaikystės draugus bei įkūrė „Polar Night Energy“. Liepos mėnesį jie įrengė pirmąją komercinę smėlio bateriją Vatajankoski elektrinėje.
Sukėlė ažiotažą
Inovacija sukėlė ažiotažą visame pasaulyje. „Mano telefonas nuolat skamba, turiu tūkstančius neperskaitytų elektroninių laiškų“, – sako T. Eronenas.
Perspektyvus saulės ir vėjo energijos kaupimas yra ypač svarbus Šiaurės šalims, kuriose žiemos tamsios, o vasaromis gausu saulės šviesos.
Rusijos sukelto karo Ukrainoje kontekste, Suomija ragina Europos Sąjungą didinti atsinaujinančiosios energijos gamybą.
„Vienintelis būdas įveikti energetikos krizę – daugiau investuoti į atsinaujinančiosios energijos gamybą“, – rugsėjo mėnesį sakė Suomijos ministrė pirmininkė Sanna Marin. Smėlio baterijos išradėjai tikisi, kad būtent čia ir bus jų sprendimas.
„Pirmoji mano mintis buvo: „Kodėl aš apie tai nepagalvojau?“, – juokiasi Oulu universiteto vandens, energetikos ir aplinkos inžinerijos tyrimų padalinio vadovo pavaduotoja Eva Pongrácz. – Tai tokia paprasta ir novatoriška idėja. Ar tai galėtų būti sprendimas, kaip nepertraukiamai tiekti žaliąją energiją? Nemanau, bet tai yra sprendimo dalis.“
Susiduria su iššūkiais
„Polar Night Energy“ komanda susiduria su dideliais iššūkiais: ar jie gali taip išplėsti savo technologiją, kad ji iš tikrųjų kažką pakeistų pasaulyje, ir ar gali ją naudoti ne tik šilumai, bet ir dideliam elektros energijos kiekiui gaminti? Ekspertai pažymi, kad galimybės – ribotos.
„Smėlio baterija sukaupia 5–10 kartų mažiau energijos nei tradicinės cheminės baterijos“, – sako Šefildo universiteto elektronikos ir elektros inžinerijos katedros mokslininkas Danas Gladvinas.
„Polar Night Energy“ komanda tai pripažįsta, tačiau teigia, kad smėlio baterija yra daug ekonomiškesnis sprendimas. Jie apskaičiavo, kad jų baterija yra 8–10 kartų pigesnė už tokį patį energijos kiekį kaupiantį ličio akumuliatorių. Pagaminti 8 MWh energijos naudojant Kankaanpää smėlio bateriją kainuoja apie 200 000 JAV dolerių, sako T. Eronenas. Pasak jo, ličio jonų akumuliatorius, talpinantis 8 MWh energijos, kainuotų mažiausiai 1 600 000 JAV dolerių.
Savo ruožtu D. Gladvinas teigia, kad smėlio baterija puikiai tinka namams šildyti vėsaus klimato šalyse, tačiau įspėja, kad jos efektyvumas sumažėja, kai ji naudojama elektros energijai grąžinti į elektros tinklą.
„Norint, kad ją būtų galima naudoti plačiau, reikėtų sukurti būdą, kaip 75–80 proc. efektyvumu baterijos šilumą paversti atgal į elektrą. Tai pakeistų žaidimo taisykles“, – sako jis.
T. Eroneno teigimu, naudojant šiuo metu turimas technologijas, šilumos pavertimo elektra proceso efektyvumas siekia tik 30 proc. Tačiau jis nemano, kad tai yra didelė problema.
„Tokioje šaltoje šalyje kaip Suomija, 70 proc. šilumos, likusios po konversijos, išleidžiame į centralizuoto šilumos tiekimo tinklus, kuriems šilumą tiekti reikia beveik visą laiką“, – sako jis.