Τι θα γινόταν αν το κλειδί για την αποθήκευση ηλιακής ενέργειας δεν βρίσκεται στις στέγες ή στις μπαταρίες—αλλά κρυμμένο βαθιά κάτω από τα κύματα;
Αυτό ακριβώς διερευνούν οι ερευνητές του Γερμανικού Ινστιτούτου Fraunhofer, οι οποίοι μελετούν σχέδια, προκειμένου να βυθίσουν τεράστιες τσιμεντένιες σφαίρες στον ωκεανό, προσφέροντας μια εναλλακτική λύση στη θάλασσα στις λύσεις αποθήκευσης ενέργειας που απαιτούν μεγάλη ποσότητα ενέργειας από την ξηρά.
Στο πλαίσιο του έργου StEnSea (Αποθηκευμένη Ενέργεια στη Θάλασσα), το διάσημο ινστιτούτο διερευνά πώς μπορεί να αξιοποιηθεί η πίεση των βαθέων υδάτων για την αποθήκευση ενέργειας βραχυπρόθεσμα έως μεσοπρόθεσμα.
Όπως επισημαίνει το Interesting Engineering, επικαλούμενο δημοσίευμα του New Atlas, από το 2011, η ομάδα έχει επικεντρωθεί στην ανάπτυξη γιγάντιων κοίλων σφαιρών από σκυρόδεμα βυθισμένων εκατοντάδες πόδια κάτω από την επιφάνεια του ωκεανού για να δοκιμάσει τα νερά σε αυτό το νέο όριο.
Οι σφαίρες αποθηκεύουν την ηλιακή υπερπαραγωγή
Μια άδεια σφαίρα λειτουργεί ως μια πλήρως φορτισμένη μονάδα αποθήκευσης. Όταν ανοίγει η βαλβίδα της, το θαλασσινό νερό ρέει στο εσωτερικό, θέτοντας σε κίνηση έναν στρόβιλο συνδεδεμένο με μια γεννήτρια που τροφοδοτεί με ηλεκτρική ενέργεια το δίκτυο. Για την επαναφόρτιση, το νερό αντλείται πίσω προς τα έξω αντίθετα με την περιβάλλουσα πίεση χρησιμοποιώντας ενέργεια από το δίκτυο
Κάθε σφαίρα έχει διάμετρο περίπου 9 μέτρα, ζυγίζει 400 τόνους και είναι αγκυροβολημένη σε βάθη μεταξύ 600-800 μέτρων και 1.970 και 2.625 ποδιών για βέλτιστη απόδοση.
Από τις Άλπεις στη Φλόριντα
Μία επιτυχημένη δοκιμή ενός μικρότερου μοντέλου έγινε στη λίμνη Κωνσταντίας ή Μπόντενζεε, που βρίσκεται κοντά στον Ρήνο, στις βόρειες παρυφές των Άλπεων μεταξύ Γερμανίας, Ελβετίας και Αυστρίας σε υψόμετρο 395,23 μέτρα.
Μετά από αυτή, η Fraunhofer σχεδιάζει να αναπτύξει ένα πρωτότυπο πλήρους κλίμακας, κατασκευασμένο με τρισδιάστατη εκτύπωση, στα ανοικτά των ακτών του Λονγκ Μπιτς της Καλιφόρνια, μέχρι το τέλος του 2026, στο πλαίσιο ενός έργου του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, ύψους 4 εκατομμυρίων δολαρίων.
Αυτή η μονάδα αναμένεται να παράγει 0,5 μεγαβάτ και να αποθηκεύει 0,4 μεγαβατώρες – αρκετή για να τροφοδοτήσει ένα μέσο νοικοκυριό στις ΗΠΑ για περίπου δύο εβδομάδες.
Το ινστιτούτο έχει θέσει έναν φιλόδοξο στόχο να κλιμακώσει περαιτέρω αυτήν την τεχνολογία ώστε να χειρίζεται πολύ μεγαλύτερες σφαίρες, που πλησιάζουν τα 100 πόδια (30 μέτρα) σε διάμετρο.
Το «τέρας» της αποθήκης ενέργειας
Οι ερευνητές του Fraunhofer εκτιμούν ότι το σύστημα StEnSea θα μπορούσε να προσφέρει μια κολοσσιαία παγκόσμια χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας περίπου 817.000 γιγαβατωρών, αρκετή για να τροφοδοτήσει σχεδόν 75 εκατομμύρια σπίτια σε όλη τη Γερμανία, τη Γαλλία και το Ηνωμένο Βασίλειο για ένα ολόκληρο έτος.
Το κόστος
Το ινστιτούτο προβλέπει κόστος αποθήκευσης περίπου 5,1 σεντς (4,6 λεπτά του ευρώ) ανά κιλοβατώρα, με αρχικό κόστος επένδυσης κοντά στα 177 δολάρια (158 ευρώ) ανά κιλοβατώρα χωρητικότητας. Αυτές οι εκτιμήσεις βασίζονται σε ένα πρότυπο πάρκο αποθήκευσης που περιλαμβάνει έξι σφαίρες, οι οποίες παρέχουν συνδυασμένη ισχύ εξόδου 30 μεγαβάτ και συνολική χωρητικότητα αποθήκευσης 120 μεγαβατωρών.
Το arbitrage
Σύμφωνα με το Fraunhofer, η σφαιρική αποθήκευση της StEnSea είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για τη σταθεροποίηση των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας, παρέχοντας ρύθμιση συχνότητας και λειτουργικά αποθέματα. Υποστηρίζει επίσης το arbitrage — τη διαδικασία αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας όταν οι τιμές είναι χαμηλές και πώλησής της όταν οι τιμές κορυφώνονται, μια στρατηγική που χρησιμοποιείται συνήθως από τους διαχειριστές δικτύων, τις εταιρείες κοινής ωφέλειας και τους εμπόρους ενέργειας.
Οι δύο παράγοντες
Όπως εξηγεί το γερμανικό ινστιτούτο η χωρητικότητα και η απόδοση της σφαιρικής αποθήκευσης εξαρτώνται κυρίως από δύο παράγοντες: τον όγκο των σφαιρών και τη στήλη νερού που πιέζει πάνω τους. Οι ειδικοί του Fraunhofer IEE έχουν υπολογίσει ότι βάθη νερού από 600 έως 800 μέτρα είναι ιδανικές τοποθεσίες από οικονομική άποψη. Εκεί, παράμετροι όπως η πίεση, το απαιτούμενο βάρος της σφαίρας και το απαραίτητο πάχος τοιχώματος βρίσκονται σε βέλτιστη αναλογία μεταξύ τους. Επιπλέον, οι συμβατικές υποβρύχιες αντλίες με κινητήρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αυτό το βάθος. Το ειδικό σκυρόδεμα υψηλής αντοχής επίσης δεν είναι απαραίτητο εδώ. Υπάρχουν περισσότερες από αρκετές πιθανές τοποθεσίες για σφαιρική αποθήκευση StEnSea σε αυτό το βάθος, όπως δείχνει μια ανάλυση GIS των παράκτιων θαλάσσιων περιοχών.
Οι ειδικοί του Fraunhofer IEE έχουν λάβει υπόψη παραμέτρους όπως η κλίση του πυθμένα, τα ρεύματα, η μετατόπιση ιζημάτων ή η απόσταση από την ξηρά. Για παράδειγμα, στα ανοικτά των ακτών της Νορβηγίας, της Πορτογαλίας, των ανατολικών και δυτικών ακτών των ΗΠΑ, της Βραζιλίας ή της Ιαπωνίας, η σφαιρική αποθήκευση θα μπορούσε να εγκατασταθεί σε μεγάλους αριθμούς. Η τεχνολογία είναι επίσης κατάλληλη για βαθιές φυσικές ή τεχνητές λίμνες, όπως πλημμυρισμένα ορυχεία ανοιχτού φρέατος.
Τεράστιο παγκόσμιο δυναμικό
Σύμφωνα με τους ερευνητές της Fraunhofer, το παγκόσμιο δυναμικό αποθήκευσης αυτής της τεχνολογίας είναι συνολικά 817.000 γιγαβατώρες. Στις δέκα καλύτερες ευρωπαϊκές τοποθεσίες, εξακολουθεί να είναι 166.000 γιγαβατώρες. Συγκριτικά, η χωρητικότητα των υφιστάμενων μονάδων ηλεκτροπαραγωγής με αντλιοστάσια αποθήκευσης στη Γερμανία είναι λίγο κάτω από 40 γιγαβατώρες. Οι ερευνητές της Fraunhofer IEE εκτιμούν το κόστος αποθήκευσης σε περίπου 4,6 σεντς ανά κιλοβατώρα, το κόστος επένδυσης σε 1.354 ευρώ ανά κιλοβατώρα ισχύος και 158 ευρώ ανά κιλοβατώρα χωρητικότητας. Η διάρκεια ζωής της σφαίρας από σκυρόδεμα είναι 50 έως 60 χρόνια.
Η απόδοση σε ολόκληρο τον κύκλο αποθήκευσης είναι ελαφρώς χαμηλότερη από αυτή ενός συμβατικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής με αντλιοστάσια αποθήκευσης, στο 75 έως 80 τοις εκατό. Αυτός ο υπολογισμός βασίζεται σε ένα πάρκο αποθήκευσης με έξι σφαίρες, συνολικής ισχύος 30 μεγαβάτ και χωρητικότητας 120 μεγαβατωρών, με 520 κύκλους αποθήκευσης ανά έτος. Η σφαιρική αποθήκευση StEnSea είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για δύο επιχειρηματικά μοντέλα: για arbitrage, δηλαδή αγορά ηλεκτρικής ενέργειας σε χαμηλές και πώληση σε υψηλές τιμές αγοράς, και για την παροχή βοηθητικών υπηρεσιών για τη σταθεροποίηση των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας.
Τα νέα σχέδια
Μακροπρόθεσμα, η StEnSea θα μπορούσε να ανταγωνιστεί τα παραδοσιακή αντλιοστάσια υδροηλεκτρικής αποθήκευσης ως μέσο αποθήκευσης πλεονάζουσας ηλεκτρικής ενέργειας από το δίκτυο, χωρίς να αξιοποιεί πολύτιμη χερσαία έκταση προς όφελός της.
Σε αντίθεση αντλούμενη υδροηλεκτρική αποθήκευση (PSH), η οποία εξαρτάται από την ύπαρξη δύο δεξαμενών σε διαφορετικά υψόμετρα για τη μετακίνηση νερού μέσω στροβίλων, οι υποβρύχιες σφαίρες της StEnSea μπορούν να αναπτυχθούν σε πολλαπλές τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο, επιτρέποντας τεράστιες δυνατότητες αποθήκευσης.
Ενώ η αντλούμενη υδροηλεκτρική αποθήκευση (PSH) παραμένει φθηνότερη στη λειτουργία και ελαφρώς πιο αποτελεσματική σε έναν πλήρη κύκλο, η ευελιξία και η κλίμακα της StEnSea θα μπορούσαν να την καταστήσουν ζωτικό στοιχείο των μελλοντικών ενεργειακών δικτύων.
