Świat stoi dziś przed jednym z najważniejszych wyzwań współczesnej cywilizacji – skutecznym magazynowaniem energii. Wraz z rozwojem odnawialnych źródeł energii, takich jak elektrownie słoneczne i wiatrowe, problem ten staje się coraz bardziej istotny. Produkcja energii z tych źródeł zależy bowiem od pogody i pory dnia, natomiast zapotrzebowanie na energię jest zmienne i często nie pokrywa się z chwilą jej wytworzenia. Dlatego konieczne jest gromadzenie nadwyżek energii i oddawanie ich wtedy, gdy są potrzebne.
Obecnie energię można magazynować na wiele sposobów, jednak żaden z nich nie jest rozwiązaniem idealnym. Najbardziej rozpowszechnione są akumulatory chemiczne. Akumulatory litowo-jonowe zrewolucjonizowały elektronikę przenośną i samochody elektryczne, lecz ich pojemność, żywotność oraz koszt produkcji wciąż pozostawiają wiele do życzenia. Coraz większe zainteresowanie budzą akumulatory sodowo-jonowe, wykorzystujące łatwiej dostępne surowce, choć nadal ustępują one akumulatorom litowym pod względem gęstości energii. Bardzo obiecującą technologią są akumulatory przepływowe (flow batteries), które umożliwiają magazynowanie dużych ilości energii przez wiele godzin i mogą pracować przez dziesiątki tysięcy cykli. Z kolei akumulatory półprzewodnikowe (solid-state) zapowiadają nową generację magazynów energii – bezpieczniejszych, bardziej trwałych i o znacznie większej gęstości energii.
Energię można również magazynować poprzez zamianę jej na energię potencjalną. Najbardziej znanym przykładem są elektrownie szczytowo-pompowe, w których nadmiar energii wykorzystuje się do przepompowania wody do położonego wyżej zbiornika. W okresach zwiększonego zapotrzebowania woda spływa przez turbiny, ponownie wytwarzając energię elektryczną. Jest to rozwiązanie bardzo wydajne, osiągające sprawność rzędu 70–85%, a jego żywotność liczona jest w dziesiątkach lat. Wadą pozostaje konieczność budowy dużych obiektów hydrotechnicznych oraz odpowiednich warunków terenowych.
Podobną funkcję spełniają instalacje wykorzystujące sprężone powietrze lub inne gazy. Nadwyżka energii napędza sprężarki, które wtłaczają gaz do podziemnych kawern lub specjalnych zbiorników. Podczas rozprężania gaz napędza turbiny produkujące energię elektryczną. Metoda ta pozwala magazynować znaczne ilości energii przez długi czas, choć jej sprawność jest mniejsza niż w przypadku elektrowni szczytowo-pompowych.
Do krótkotrwałego magazynowania energii wykorzystuje się również koła zamachowe. Ciężkie wirniki obracające się z bardzo dużą prędkością gromadzą energię kinetyczną, którą można niemal natychmiast odzyskać. Znajdują one zastosowanie w stabilizacji sieci elektroenergetycznych, systemach zasilania awaryjnego oraz w niektórych środkach transportu.
Coraz większe znaczenie przypisuje się także wodorowi. Nadwyżki energii elektrycznej mogą zostać wykorzystane do rozkładu wody w procesie elektrolizy, a uzyskany wodór przechowywany w zbiornikach. W przyszłości może on zasilać ogniwa paliwowe, być spalany w elektrowniach lub wykorzystywany jako paliwo dla transportu i surowiec dla przemysłu chemicznego. Chociaż cały proces wiąże się ze znacznymi stratami energii, wodór jest jedną z najbardziej obiecujących metod magazynowania energii w skali sezonowej.
Energię można magazynować również w postaci ciepła. Wykorzystuje się do tego gorącą wodę, stopione sole, rozgrzane skały, beton czy materiały zmiennofazowe (PCM), które podczas topnienia i krzepnięcia pochłaniają oraz oddają znaczne ilości energii cieplnej. Takie magazyny znajdują zastosowanie zarówno w ciepłownictwie, jak i w elektrowniach słonecznych.
W elektronice coraz częściej stosuje się superkondensatory. Choć magazynują znacznie mniej energii niż akumulatory, potrafią naładować się w ciągu kilku sekund, oddać bardzo dużą moc i wytrzymać nawet miliony cykli ładowania i rozładowania. Dzięki tym właściwościom doskonale nadają się do zastosowań wymagających szybkiego dostarczenia dużej ilości energii.
Rozwijane są również mniej konwencjonalne technologie, takie jak magazynowanie energii w ciekłym powietrzu, grawitacyjne systemy wykorzystujące podnoszenie ciężkich bloków lub wagonów, a także nadprzewodnikowe magazyny energii (SMES), w których energia jest przechowywana w polu magnetycznym. Obecnie rozwiązania te mają ograniczone zastosowanie, jednak mogą odegrać ważną rolę w przyszłości.
Żadna z opisanych metod nie stanowi jeszcze rozwiązania doskonałego. Każda ma swoje zalety i ograniczenia, dlatego przyszły system energetyczny będzie prawdopodobnie wykorzystywał wiele różnych sposobów magazynowania energii jednocześnie. Poszukiwanie nowych materiałów, bardziej wydajnych akumulatorów, tańszych metod produkcji wodoru oraz nowych sposobów gromadzenia energii należy dziś do najważniejszych kierunków badań naukowych. Od powodzenia tych prac zależy rozwój odnawialnych źródeł energii oraz budowa nowoczesnej, bezpiecznej i niskoemisyjnej gospodarki energetycznej.
Być może nadejdzie dzień, w którym energię będzie można zamknąć w niewielkim pudełku. Wystarczy podłączyć je do odbiornika, aby przez wiele dni, miesięcy, a może nawet lat dostarczało energii do zasilania domów, pojazdów i urządzeń. Taki magazyn energii byłby jednym z największych osiągnięć techniki i mógłby zmienić oblicze współczesnej cywilizacji.
Warto w tym miejscu przypomnieć koncepcję Nikoli Tesli dotyczącą powszechnego dostępu do energii. Tesla wierzył, że w przyszłości możliwe będzie opracowanie technologii umożliwiających bezprzewodowe przesyłanie energii na duże odległości, co mogłoby znacząco obniżyć koszty jej dystrybucji i zwiększyć dostępność dla ludzi na całym świecie. Z biegiem lat wokół jego badań narosło jednak wiele mitów, w tym przekonanie o tzw. „darmowej energii dla każdego”. Warto podkreślić, że nie istnieją wiarygodne dowody na to, iż Tesla opracował urządzenie zdolne do pozyskiwania energii „z niczego” lub dostarczania jej bez ponoszenia kosztów. Jego rzeczywiste osiągnięcia dotyczyły przede wszystkim pionierskich metod wytwarzania, przesyłu i wykorzystania energii elektrycznej.
Osobiście uważam, że idea bezprzewodowego przesyłania energii stopniowo zbliża się do etapu praktycznych zastosowań. Już dziś istnieją technologie pozwalające na bezprzewodowe ładowanie urządzeń czy przesyłanie energii na niewielkie odległości, a intensywne badania prowadzone są nad zwiększeniem ich zasięgu i sprawności. Mam również wrażenie, że rozwój takich rozwiązań nie zawsze postępuje tak szybko, jak mogłyby na to pozwalać możliwości techniczne. Niektórzy wiążą to z interesami dużych przedsiębiorstw funkcjonujących w obecnym modelu rynku energii. Jest to jednak hipoteza, dla której nie przedstawiono jednoznacznych dowodów, a tempo wdrażania nowych technologii zależy także od kosztów, wymagań technicznych, regulacji prawnych oraz kwestii bezpieczeństwa.