Baterie piaskowe: Wyzwanie dla dominacji litu

Czy piasek może sprawić, że baterie staną się przeżytkiem? Nie wszędzie — ale w większej liczbie miejsc, niż mogłoby się wydawać.

Od dziesięcioleci ogniwa litowo-jonowe dominują w dyskusjach na temat magazynowania energii. Zasilają telefony, samochody i coraz większą część sieci energetycznej. Obecnie rodzina technologii przechowujących energię w postaci ciepła w tanich, obojętnych cząstkach stałych — często określanych jako „baterie piaskowe” — przechodzi z fazy demonstracji laboratoryjnych do projektów komercyjnych. Zwolennicy twierdzą, że systemy te mogą zastąpić baterie chemiczne w magazynowaniu długoterminowym i ciepłownictwie przemysłowym, a szereg ostatnich pokazów zmienił tę możliwość w konkretne uzasadnienie biznesowe.

Jak działa bateria piaskowa

W najprostszym ujęciu bateria piaskowa to izolowany zbiornik wypełniony sypkim materiałem stałym — piaskiem kwarcowym, kruszonym steatytem lub podobnymi materiałami ziarnistymi — który jest podgrzewany przy użyciu energii elektrycznej pochodzącej z wiatru lub słońca. Naładowane cząstki są przechowywane w silosach w wysokiej temperaturze (modele i prototypy badały temperatury do około 1100–1200°C). Gdy potrzebna jest energia, gorące powietrze lub inny czynnik roboczy przepływa przez cząstki w celu odebrania ciepła i dostarczenia go bezpośrednio do sieci ciepłowniczych i procesów przemysłowych lub napędzenia cyklu energetycznego w celu wytworzenia energii elektrycznej.

System opiera się na kilku innowacjach mechanicznych: wydajnych grzałkach elektrycznych do ładowania, sposobie przemieszczania i przechowywania gorących cząstek przy niskich stratach oraz wymienniku ciepła typu cząstka-gaz, który może szybko przekazywać ciepło bez niszczenia ziaren. Zespoły badawcze opracowały prototypy komponentów w skali laboratoryjnej i stworzyły modele obliczeniowe, aby pokazać, jak te elementy można zaprojektować do współpracy w skali komercyjnej.

Gdzie baterie piaskowe przewyższają ogniwa chemiczne

• Koszt materiałów: Piasek lub kruszony kamień kosztują kilkadziesiąt dolarów za tonę — to o rzędy wielkości taniej niż surowce mineralne stosowane w ogniwach litowo-jonowych.
• Czas i skala: Magazyny termiczne sprawdzają się najlepiej, gdy trzeba przechowywać energię przez wiele godzin lub dni. Systemy litowo-jonowe są zazwyczaj optymalizowane pod kątem krótkotrwałej stabilizacji (od dwóch do czterech godzin), podczas gdy systemy oparte na piasku są projektowane pod kątem długoterminowego magazynowania energii (LDES) — zazwyczaj od 10 do 100 godzin. Odpowiada to potrzebom sezonowych wahań popytu i przemysłowego ciepła procesowego.
• Materiały i łańcuchy dostaw: Systemy te unikają skoncentrowanych nacisków geopolitycznych i środowiskowych związanych z kobaltem, niklem i innymi minerałami akumulatorowymi.
• Ciepło przemysłowe: Ponieważ baterie piaskowe przechowują ciepło bezpośrednio w wysokich temperaturach, mogą zastąpić palniki na paliwa kopalne w fabrykach lub sieciach ciepłowniczych bez pośredniego etapu konwersji na energię elektryczną, co zwiększa ich ogólną użyteczność w strategiach dekarbonizacji.

Zalety te sprawiają, że niektórzy badacze opisują cząsteczkowe magazynowanie energii termicznej jako nową generację magazynowania, wykraczającą poza ograniczenia systemów opartych na stopionych solach i baterii krótkoterminowych. Modele i wczesne prototypy wskazują na atrakcyjną ekonomikę dla zastosowań wymagających dużej pojemności w długich okresach.

Ruchy w świecie rzeczywistym: demonstracje i pierwsze zakłady w skali komercyjnej

Flagowe laboratorium energii odnawialnej Departamentu Energii USA było widocznym silnikiem tych prac. Tamtejszy zespół opracował prototypy systemów cząsteczkowych, opublikował recenzowane analizy i zaplanował instalację demonstracyjną w kampusie Flatirons, mającą na celu pokazanie pracy w zakresie od 10 do 100 godzin oraz walidację komponentów w skali przemysłowej. Publiczne raporty laboratorium podkreślają potencjał technologii i planowany termin przełomowej demonstracji w 2025 roku.

W międzyczasie wdrożenia komercyjne skoncentrowane na cieple, a nie na elektryczności, osiągnęły już skalę miejską. W Finlandii pewna firma zbudowała przemysłowy magazyn termiczny oparty na piasku, który obecnie zasila sieć ciepłowniczą dla jednej z gmin; instalacja ma zgłoszoną pojemność magazynową rzędu 100 MWh energii termicznej i została oddana do użytku w połowie 2025 roku. Zakład ten pokazuje, jak koncepcja ta może być wykorzystywana już dziś do ograniczenia zużycia paliw kopalnych w sieciach grzewczych.

To nie jest panaceum — realistyczne ograniczenia

Ważne jest precyzyjne określenie, gdzie takie systemy mają sens. Jeśli celem jest urządzenie mobilne, smartfon lub samochód elektryczny, baterie chemiczne nadal dominują, ponieważ dostarczają energię elektryczną bezpośrednio, charakteryzują się wysoką gęstością energii i kompaktowymi wymiarami. Magazyny piaskowe i cząsteczkowe są nieporęczne i stacjonarne; ich siłą jest opłacalna, długotrwała wydajność i wysokotemperaturowe ciepło, a nie wolumetryczna gęstość energii.

W przypadku cyklu „energia elektryczna na wejściu – energia elektryczna na wyjściu”, systemy cząsteczkowe borykają się ze stratami konwersji. Prace laboratoryjne i modelowanie prowadzone przez zespoły badawcze szacują, że o ile energia cieplna zatrzymana w silosie magazynowym może utrzymywać się na poziomie powyżej 95% przez kilka dni, o tyle całkowita sprawność elektryczna (round-trip) — po podgrzaniu cząstek, a następnie ponownym przetworzeniu ciepła na energię elektryczną za pomocą turbiny lub cyklu Braytona — jest powszechnie modelowana w zakresie 50–55% dla pełnych systemów, po uwzględnieniu strat pasożytniczych. Jest to wynik niższy niż sprawność elektryczna pakietu litowo-jonowego, ale kompromisem jest niższy koszt kapitałowy za megawatogodzinę magazynowanej pojemności oraz możliwość ekonomicznego przechowywania energii przez znacznie dłuższy czas.

Pozostają inne wyzwania inżynieryjne. Ścieranie cząstek, utrzymanie fluidyzacji i trwałość wymienników ciepła w wysokich temperaturach to aktywne obszary badań. Technologia ta wymaga nowej infrastruktury przemysłowej, praktyk operacyjnych i ścieżek certyfikacji, co oznacza, że jej skalowanie na wielu rynkach zajmie czas i będzie wymagało inwestycji.

Co to oznacza dla sieci i przemysłu

Patrząc przez pryzmat dekarbonizacji, magazynowanie termiczne w piasku i cząstkach zmienia dyskusję o tym, gdzie i jak społeczeństwo powinno wdrażać magazyny. W przypadku bilansowania zmienności sezonowej lub wielodniowej oraz zastępowania ciepła kopalnego w przemyśle, systemy te stanowią tańszą drogę niż prosta budowa ogromnych flot baterii chemicznych. W przypadku zadań krótkotrwałych o dużej mocy — regulacji częstotliwości, szczytów szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych czy zastosowań mobilnych — baterie pozostaną rozsądnym wyborem.

W praktyce zdekarbonizowany system będzie opierał się na portfolio technologii magazynowania: szybkich bateriach elektrochemicznych do reakcji w skali sekund i godzin, elektrowniach szczytowo-pompowych lub magazynach sprężonego powietrza tam, gdzie pozwala na to geografia, oraz długoterminowych systemach termicznych lub przepływowych tam, gdzie liczy się czas trwania i koszt. Niedawne badania NREL i fińskie projekty komercyjne nie sprawiają, że baterie stają się przeżytkiem, ale poszerzają zestaw ekonomicznie opłacalnych narzędzi, z których mogą korzystać operatorzy sieci i planiści przemysłowi.

Następne kroki i na co zwrócić uwagę

Należy spodziewać się aktywności w trzech obszarach w najbliższym czasie: po pierwsze, demonstracji inżynieryjnych potwierdzających sprawność całkowitą cyklu elektrycznego przy długim czasie trwania w skali megawatów; po drugie, wdrożeń przemysłowych zastępujących spalanie w ciepłownictwie procesowym i sieciach miejskich; po trzecie, pilotaży rynkowych i politycznych testujących udział tych zasobów w rynkach energii elektrycznej i usługach systemowych. Finansowane ze środków publicznych demonstracje zaplanowane na 2025 rok oraz oddanie do użytku komercyjnych baterii piaskowych w 2025 roku już dostarczają bazy dowodowej, której inżynierowie i inwestorzy potrzebują, aby przejść od eksperymentów do szerszego wdrażania.

Dla planistów sieci i strategów energetycznych jest to zaproszenie do myślenia wykraczającego poza pojedyncze ogniwo. Baterie chemiczne pozostaną niezbędne w wielu zastosowaniach, ale termiczne magazynowanie cząsteczkowe dodaje tanią, długoterminową opcję, która mogłaby realnie zmniejszyć ilość rzadkich metali akumulatorowych wymaganych do osiągnięcia głębokiej dekarbonizacji.

James Lawson jest reporterem naukowym i technologicznym w Dark Matter, specjalizującym się w energetyce, kosmosie i nowych technologiach obliczeniowych. Artykuł ten syntetyzuje publikacje laboratoryjne, raporty krajowych laboratoriów i wczesne wdrożenia komercyjne, aby wyjaśnić, w jaki sposób cząsteczkowe magazynowanie termiczne uzupełnia — a w niektórych przypadkach zastępuje — konwencjonalne baterie.