ΤΟ ΥΔΡΑΥΛΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ, ΤΟ ΟΠΟΙΟ ΘΑ ΣΥΜΒΑΛΕΙ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ Α.Π.Ε.

Η δε πυρηνική ενέργεια είναι πολιτικά αμφιλεγόμενη. Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με μεγάλες δυνατότητες είναι κυρίως η ηλιακή και η αιολική. Και οι δύο αυτές μορφές ενέργειας χαρακτηρίζονται από σημαντικές διακυμάνσεις. Ως εκ τούτου καθίσταται αναγκαία η δυνατότητα αποθήκευσης της ενέργειας, ώστε η ενέργεια από τις  ανανεώσιμες πηγές ενέργειας να χρησιμοποιείται σε μεγάλο ποσοστό, ακόμα και σε ώρες αιχμής ή και μετά την παράγωγή τους.
Η αποθήκευση ενέργειας θα πρέπει συνεπώς  να εξισώνει τις διακυμάνσεις για αρκετές ημέρες και σε λογικό κόστος.




Σχήμα 1: Η βασική αρχή της Hubspeicherkraftwerks (ικανότητα αποθήκευσης  ηλεκτροπαραγωγής σε αντλιοστάσια)
Σε εκτεταμένη εμπορική χρήση είναι μέχρι τώρα διαδιδόμενες μόνο μονάδες αποθήκευσης ενέργειας με χωρητικότητα μερικών (GWh) γιγαβάτ ωρών.
Το κόστος της αποθήκευσης μιας κιλοβατώρας (kWh) ανέρχεται στα περίπου 50€. Η τιμή αυτή είναι, σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες, όπως με  μπαταρίες, όπου η τιμή είναι της τάξεως των 1.000 € / kWh, πολύ ευνοϊκές. Στη Γερμανία υπάρχουν λίγα μέρη όπου αντλιοστάσια αποθήκευσης της ηλεκτροπαραγωγής θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα. Αυτά πρέπει να βρίσκονται κυρίως σε περιοχές με υψόμετρο για να μην μπορούν να πλημμυρίσουν.
Η υδραυλική αποθήκευση ενέργειας ως μια εναλλακτική?
Μια εναλλακτική λύση θα μπορούσε να είναι η υδραυλική αποθήκευσης της ενέργειας, την  οποία παρουσιάζουμε περιληπτικώς παρακάτω. Η βασική ιδέα της είναι να ανεβάσουμε μια μεγάλη μάζα βράχου σε ένα υψόμετρο και να αξιοποιήσουμε το ενεργειακό της  δυναμικό. Σε ώρες αιχμής κατεβάζουμε την βραχώδη μάζα σιγά-σιγά μετατρέποντας έτσι την δυναμική ενέργεια σε ηλεκτρική. Όλες οι άλλες προσεγγίσεις που προσπαθούν να σηκώσουν μεγάλες μάζες με μηχανικά μέσα, όπως με σχοινιά ή με σιδερένιες ράγες είναι καταδικαστέες, επειδή το κόστος ανά κιλοβατώρα που αποθηκεύεται είναι πολύ υψηλό. Ωστόσο υπάρχει η δυνατότητα να αρθεί μια μεγάλη μάζα με την χρήση υδραυλικών συστημάτων και ως εκ τούτου ενδείκνυται αυτή η μορφή. Πως μπορεί να γίνει αυτό? Κόβεται για παράδειγμα ένας βράχος (κατά προτίμηση γρανίτης) σε ένα κύλινδρο και διαχωρίζεται έτσι από το φυσικό του περιβάλλον. Αυτό γίνεται με ειδικά πριόνια που χρησιμοποιούνται σε λατομεία. Δημιουργούμε δηλαδή ένα σύστημα υδραυλικού κυλίνδρου με ενεργειακό δυναμικό, που λειτουργεί σαν αντλία και μετατρέπει έτσι την δυναμική ενέργεια για την ηλεκτροπαραγωγή. Έχουμε δηλαδή ένα ενεργειακό σύστημα, όπου για παράδειγμα νερό υπό πίεση βάζει σε κίνηση το κινητήρα μιας τουρμπίνας. Έτσι μπορεί να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια με μια συνδεδεμένη γεννήτρια, εξαιτίας της αρχής της άντλησης / πίεσης φυσικών πόρων, στην περίπτωσή μας τον βράχο. Με την βοήθεια τού ηλιακού ρεύματος ανασηκώνουμε ένα βράχο σε μεγάλο ύψος και αυτός με τη σειρά του πιέζοντας θέτει σε κίνηση μία ηλεκτρική τουρμπίνα. Έτσι κλείνει ο κύκλος παραγωγής, ο οποίος είναι καθαρά από ανανεώσιμες πηγές!  
 
Το βασικό πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης έγκειται στην εξαιρετικά μεγάλη ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί με σχετικά μικρές εγκαταστάσεις. Αυτό αποδεικνύεται με έναν απλό υπολογισμό. Ο τύπος είναι:

E =     g * ρ2 * 2 * Pi * r4  
E =     αποθηκευμένη ενέργεια
r4 =     ακτίνα κυλίνδρου
g   =    ως σταθερά  πτώσης
ρ2 =    πυκνότητα των βράχων


Αριστερά: Σύστημα αποθήκευσης αδειανό, σημείο μηδέν
Δεξιά: Σύστημα αποθήκευσης σε υψόμετρο 500 μέτρων, το οποίο στο παράδειγμα μας απεικονίζεται και συγκρίνεται με το μεγαλύτερο φράγμα στη Γερμανία (Schluchsee)    
Παράδειγμα υπολογισμού
Αν δούμε ένα παράδειγμα υπολογισμού δύο μονάδων αποθήκευσης ενέργειας για να καταλάβουμε τις σχέσεις και τις διαστάσεις, τα οποία υπολογίζουμε βάση της αρχής των παλινδρομικών (μεγάλων εμβόλων).

Η πρώτη μονάδα παραγωγής ενέργειας έχει μια ακτίνα 150 μέτρων και η δεύτερη μία ακτίνα 500 μέτρων.
H αποθηκευμένη ενέργεια που επιτυγχάνεται με ένα βράχο με πυκνότητα 2.500kg/m³ και με μία μειωμένη πυκνότητα 1.500 kg / m³ (λαμβάνεται υπόψη το νερό που αντικαθιστά το βράχο), όπου  r = 150 μέτρα, είναι:

E150m = 13GWh χωρητικότητα αποθήκευσης. Αυτή ακριβώς είναι η ικανότητα του σταθμού αποθήκευσης στην Atdorf Schluchseewerk AG.
Εάν αυξηθεί η ακτίνα Ε στα 500μ, τότε η χωρητικότητα αποθήκευσης αυξάνει στα: E500m = 1.614GWh, χωρητικότητα αποθήκευσης, το οποίο είναι περίπου το ποσό της ενέργειας της τρέχουσας ημερήσιας συνολικής παραγωγής στη Γερμανία.

Το παράδειγμα δείχνει πως με τον βέλτιστο συνδυασμό της αιολικής και ηλιακής μπορεί να αποθηκευτεί ενέργεια με χωρητικότητα πάνω από δύο ημέρες. Συνεπώς θα ήταν επαρκές για την Γερμανία αν είχαμε δύο εργοστάσια αποθήκευσης, τύπου παλινδρομικού και το καθένα είχε με μία ακτίνα 500 μέτρων. Οι απαιτήσεις σε χώρο θα ήταν μικρότερες από δύο τετραγωνικά χιλιόμετρα και συνεπώς ασύγκριτα μικρότερη από αντίστοιχα τεχνικά φράγματα. Επιπλέον με τη μέθοδος αυτή δεν χρειάζονται κατασκευές τεχνικών φραγμάτων, δηλαδή παρέμβαση στη φύσης, η οποία θα μπορούσε να παραμείνει στη φυσική της κατάσταση.

Το κόστος των παραπάνω μοντέλων
Η ιδέα για την αποθήκευση της ενέργειας με την αρχή των παλινδρομικών, με μεγάλα έμβολα, είναι νέα και ως εκ τούτου μπορεί να είναι μόνο μια κατά προσέγγιση εκτίμηση του κόστους. Ωστόσο υπάρχουν ήδη αξιόπιστα στοιχεία για τα απαιτούμενα συστατικά, δεδομένου ότι τα επιμέρους στάδια της παρασκευής είναι συμβατικής μορφής. Για τον διαχωρισμό μιας πέτρας γρανίτη χρειάζεται πρώτα – πρώτα μία κατάλληλη θέση, όπου ο γρανίτης είναι σχεδόν στην επιφάνεια του υπεδάφους. Αυτό το συναντάμε στη περιοχή του Schwarzwald, κοντά στη Στουτγάρδη.

Στο επιθυμητό σημείο θα πρέπει να γίνει μία διάτρηση ενός χιλιομέτρου για να επιτύχουμε μια μεγάλη ακτίνα των 500 μέτρων. Στη συνέχεια θα γίνουν δύο κυκλικές σήραγγες η κάθε μία με ακτίνα 500 μέτρων. Συγκριτικά η σήραγγα για το πείραμα αναζήτησης των στοιχειωδών σωματιδίων στο CERN κοντά στη Γενεύη, έχει διάμετρο 28 χιλιόμετρα. Από την επιφάνεια θα ανοιχτούν οπές στις κυκλικές σήραγγες και σε αυτές τις τρύπες θα εισαχθούν πριόνια από σύρμα για τον διαχωρισμό του γρανίτη. Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή από την εξόρυξη γρανίτη. Επειδή ο γρανίτης είναι πολύ δύσκολος στην κατεργασία και πολύ σκληρός, θα υπάρχει σίγουρα σημαντική φθορά του σύρματος και αναμένεται να κοστίσει 10 € ανά τετραγωνικό μέτρο της επιφάνειας της τομής.
Για την κοπή της εν λόγω εγκατάστασης τα έξοδα ανέρχονται κατά συνέπεια στο ύψους περίπου των 32 εκατομμυρίων ευρώ.
Η κατασκευή της σήραγγας είναι επίσης πολύ ακριβή και θα υπολογίζεται με την τιμή των 50.000 € ανά μέτρο, αυτό σημαίνει έξοδα της τάξης των
360 εκατομμυρίων. Το κόστος άλλων συστατικών, όπως οι αντλίες, οι γεννήτριες και οι γραμμές σύνδεσης εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τον ακριβή σχεδιασμό των εγκαταστάσεων και δεν περιλαμβάνονται στην προκαταρκτική εκτίμηση, δεδομένου ότι είναι ανεξάρτητα από την τεχνολογία. Η τιμή του συστήματος χωρίς μετατροπέα είναι της τάξεως των 400 εκατομμυρίων ευρώ περίπου.
Το κόστος αυτό αρχικά φαίνεται μεγάλο, αλλά χρειάζεται να το δούμε σε σχέση με την αποθηκευμένη ενέργεια. Το κόστος ανά κιλοβατώρα είναι 0,24€ πολύ κάτω από τα 50€ που κοστίζουν αντλιοστάσια από φράγματα στους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

Προβλήματα
Όπως με όλες τις νέες τεχνολογίες δεν μπορούμε προς το παρόν να προβλέψουμε τι ακριβώς μπορεί να προκαλέσει προβλήματα. Τα τεχνικά προβλήματα εντοπίζονται κυρίως στην αβεβαιότητα κάθε έργου σήραγγας. Μπορεί να υπάρχουν για παράδειγμα άγνωστες τεκτονικές διαταραχές που θα οδηγήσουν σε διείσδυση νερού. Ωστόσο όμως μπορεί κανείς να τα συγκρίνει με άλλα έργα σήραγγας και να επιλέξει εκ των προτέρων την επιθυμητή περιοχή, όπου υπάρχει πολύ μικρός κίνδυνος απροσδόκητων διακοπών.
 
Η στεγανότητα μεταξύ του εμβόλου και ο όγκος παλμού θα πρέπει να είναι άριστη, ωστόσο θεωρούνται μικρές απώλειες για μεγάλη αποθήκευση δικαιολογημένες. Στεγανότητα προϋποθέτει ότι η εξωτερική επιφάνεια δεν πρέπει να έχει ρωγμές και πως υπάρχουσες ρωγμές πρέπει να σφραγίζονται πράγμα που είναι τεχνικά εφικτό με σκυρόδεμα.

Μια άλλη πτυχή είναι η μεγάλη ποσότητα του νερού που χρειάζεται για να γεμίσει τον κυβισμό. Αυτό το νερό θα πρέπει να λαμβάνεται από μεγάλες υδάτινες μάζες. Για παράδειγμα θα μπορούσε κανείς να χρησιμοποιήσει ως δεξαμενή νερού στη Γερμανία τη λίμνη της Κωνσταντίας (Bodensee). Αυτό θα οδηγούσε σε ένα ανώτατο όριο διακύμανσης του ενός μέτρου για μια εξαιρετικά μεγάλη μονάδα με ακτίνα 500 μέτρα.
Μια εναλλακτική λύση για τις περιοχές κοντά στις ακτές είναι η χρήση του θαλασσινού νερού. Τοποθεσίες κοντά στη θάλασσα έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν να εκμεταλλευθούν άριστα την αιολική ενέργεια.

Επικοινωνία:
Eduard Heindl, Καθ. Δρ
Hochschule Furtwangen University

Επιμέλεια και μετάφραση:
Γρηγόριος Τσόγιας