Akumulace energie
Decentralizovaná energetika je na straně výroby složena ze základních systémových elektráren a z velkého množství malých lokálních zdrojů s poměrně proměnlivou výrobou elektrické energie. Na druhé straně je do elektrizační sítě připojeno několik milionů odběrných míst a každý odběratel má jinou spotřebu v jiném časovém intervalu. Tato nerovnováha výroby a poptávky po energii nutí energetické zdroje, pokud je to možné, regulovat svou výrobu tak, aby výroba v čase kopírovala spotřebu. Úkol to není jednoduchý, protože klasické elektrárny jsou omezeny v rychlosti najíždění a změny výkonu. Situaci ještě komplikuje narůstající počet větrných a fotovoltaických elektráren zapojovaných do soustavy, jejichž nerovnoměrná výroba závisí od povětrnostních podmínek a intenzity slunečního svitu. Výsledkem mohou být období, kdy je elektřiny v síti přebytek, anebo časové intervaly, kdy i přes zapojení všech dostupných zdrojů je elektřiny nedostatek.
Racionálním řešením vyrovnání energetické bilance je akumulace energie – uložení vyrobené energie v čase přebytku a její opětovné použití v síti v čase energetických špiček. Uskladnění přímo elektrické energie je i dnes ještě poměrně složité a proto se historicky vyvinuly různé jiné způsoby její transformace na formy, které se dají po určitou dobu skladovat a následně opět přeměnit na elektřinu s přijatelnými ztrátami.
Skladovací systémy
Podle principu akumulace a formy sekundární energie lze skladovací systémy rozdělit na 5 skupin. Jsou to mechanické, chemické, elektrochemické a elektrické systémy a systémy využívající ukládání tepelné energie.
K mechanickým systémům patří především dobře známé přečerpávací vodní elektrárny. Princip akumulace je známý a léty prověřený. V režimu výroby elektrické energie se ve vodní turbíně mění potenciální energie vody z horní nádrže na energii kinetickou a roztočená turbína pohání elektrický generátor. Při přebytku energie v síti, kdy je proud levnější, je vodní turbína nahrazena čerpadlem a z generátoru se stává elektromotor. Elektrárna přečerpává vodu z dolní nádrže do horní, čímž zvyšuje její potenciální energii. Dá se říct, že se nabíjí. Tato zásoba vody je v následujícím období nedostatku energie v síti opět použita k výrobě elektřiny. Velkou výhodou přečerpávacích vodních elektráren je poměrně rychlý přechod z generátorového režimu do režimu čerpání (řádově minuty) a velká možnost opakování cyklu akumulace a výroby elektrické energie (desítky tisíc cyklů). Efektivita akumulace elektřiny pomocí přečerpávacích vodních elektráren dosahuje asi 75 % a elektrárny jsou schopné vyrábět elektřinu v řádu hodin.
V České republice již delší čas fungují tři přečerpávací elektrárny – Dlouhé Stráně, Dalešice a Štěchovice. První z nich PVE Dlouhé Stráně se může pyšnit třemi „nej“. Elektrárna má nainstalovanou největší reverzní vodní turbínu v Evropě s výkonem 325 MW, v rámci ČR má tato vodní elektrárna nejvyšší spád (510 m) a největší celkový instalovaný výkon vodního zdroje (650 MW). Zajímavostí Dlouhých Strání je umístění elektrárny, transformátorů a rozvodny v podzemních objektech. Ve fázích plánování nebo projektové přípravy je také přestavba části kapacity stávajících vodních zdrojů na reversní provoz (Orlík-Kamýk, Orlík-Slapy, resp. Lipno I-Lipno III).
Inspirace přečerpávacími elektrárnami, využívajícími gravitaci a kinetickou energii vody, je zřejmá i u dalšího řešení mechanické akumulace energie – projektu Energy Vault. Namísto vody používá masivní 35 tunové betonové bloky, které jsou v čase přebytku energie v síti pomocí centrálního jeřábu zvedány do výšky a je z nich postupně vytvořena válcovitá věž. Při vybíjení akumulátoru (dodávce elektřiny do sítě) se bloky spouští zpět na zem, přičemž se jejich kinetická energie mění na elektrickou. Úložná kapacita akumulátoru Energy Vault je dobře škálovatelná až do 80 MWh a akumulátor dokáže trvale dodávat do sítě výkon až 8 MW po dobu několika hodin. S účinností 80–90 % je Energy Vault ideálním řešením pro spojení s obnovitelnými zdroji i pro dlouhodobé skladování s rychlou odezvou.
Princip fungování akumulačního systému Energy Vault
Další možností mechanického skladování elektřiny je využití masivního setrvačníku spojeného s motorgenerátorem a uloženého v ložiskách s minimálním třením. Akumulace probíhá tak, že v čase přebytku energie v síti se setrvačník motoricky roztáčí až na 80 000 otáček za sekundu. Když dojde k výpadku jiného zdroje nebo je nedostatek energie v síti, akumulovaná kinetická (pohybová) energie rotujícího tělesa se opět mění v generátoru na energii elektrickou. Moderní setrvačníkové systémy dosahují účinnost akumulace kolem 90 %, mají velmi rychlou odezvu a vydrží až 180 000 nabíjecích cyklů. Na druhou stranu dokáží dodávat elektřinu do sítě jen několik desítek sekund.
Poslední možností mechanického skladování elektrické energie je skladování stlačeným vzduchem (CAES – Compressed Air Energy Storage). Při ukládání je vzduch stlačen kompresorem na tlak přibližně 6 MPa a uložen do podzemních prostor nebo do nadzemních tlakových nádrží. Alternativně lze vzduch skladovat ve vacích ukotvených na dně pod hladinou moře nebo v nádržích v kapalném stavu. V čase nedostatku elektrické energie se stlačený vzduch míchá se zemním plynem a spaluje v paroplynové turbíně s odpojeným kompresorovým stupněm, co minimálně zdvojnásobuje její výkon. Určitým nedostatkem je nutnost odebírání tepla ze vzduchu při jeho stlačování a předehřev expandovaného vzduchu před jeho opětovným použitím. Účinnost skladování energie stlačeným vzduchem se pohybuje kolem 50 %, při využití kompresního tepla se může ještě o 20 % zvýšit. Výhodou tohoto systému ukládání je dlouhá doba skladování stlačeného vzduchu a vybíjecí doba v řádu několika hodin.
Čistě chemické systémy ukládání elektrické energie využívají metodu elektrolytického získávání vodíku, jeho skladování v podobě stlačeného plynu, kapalného vodíku nebo metal hydrogenu a opětovné použití vodíku pro výrobu elektřiny v palivových článcích. Efektivita palivových článků je jen kolem 40 %, ale při dostatečné zásobě vodíku mohou dodávat stabilní elektrický výkon i několik dní. Elektrolytické výrobny vodíku dokáží operativně využívat přebytky elektrické energie, spojené například s nadprodukcí elektřiny z obnovitelných zdrojů, odebíráním stabilního výkonu v řádu jednotek až desítek MW.
Druhou, podobnou chemickou metodou skladování energie je syntéza vyrobeného vodíku s oxidem uhličitým na metan, který je dobře skladovatelný a v případě potřeby jednoduše použitelný jako palivo v plynových elektrárnách.
Elektrochemické systémy akumulace jsou zastoupeny různými typy akumulátorů – baterií umožňujících střídání nabíjecích a vybíjecích fází. Tyto procesy probíhají mezi dvěma elektrodami uloženými v elektrolytu. A právě složení materiálů elektrod a látka elektrolytu charakterizuje různé typy elektrochemických akumulátorů. Bateriové články většinou dávají poměrně malý výstupní výkon, a aby byly použitelné v akumulačních systémech elektrizační soustavy, musí se jich poskládat větší množství do bloků s potřebnou kapacitou. Akumulátory, dodávající stejnosměrný proud, se do distribuční sítě samozřejmě připojují přes moduly výkonových usměrňovačů a střídačů.
Z množství typů akumulátorů jsou vybráni 4 zástupci, kteří mají potenciál využití v akumulačních stanicích elektrických sítí:
Olověné akumulátory – patří k nejstarším typům akumulátorů. Elektrody tvoří olověné desky, elektrolytem je kyselina sírová. Nízká objemová hustota energie akumulátoru je vyvážena vysokými odebíranými proudy. Akumulátory jsou levné, bezpečné a odolné vůči nízkým teplotám. Nevýhodou je ekologická zátěž.
Nikl-kadmiové a Nikl-metal hybrid akumulátory – Ni-Cd jsou prověřené a stabilní akumulátory s alkalickým elektrolytem. Katodu tvoří nikl hydroxid, anodu kadmium hydroxid. Teplotní stálost a nízké samovybíjení akumulátoru je na druhou stranu vyváženo toxicitou kadmia. Ni-MH jsou bezkadmiovou variantou Ni-Cd článků. I když mají řádově nižší kapacitu než Ni-Cd, jejich výkonová hustota vzhledem k váze článků je velmi dobrá. Pro své vlastnosti a bezpečnost nacházejí uplatnění i v elektromobilitě.
Nikl-metal hybridové akumulátory se často používají k napájení malých domácích spotřebičů, ale i k pohonu elektromobilů
Li-ion akumulátory – jsou nejpoužívanějším typem akumulátorů. Katodou je oxid kovu (Li-kobalt, Li-mangan), anodu tvoří porézní uhlík. V elektrolytu se nachází ionty Lithia, které putují mezi elektrodami. Velkým nedostatkem Li-ion akumulátorů je, kromě vyšší ceny, jejich teplotní nestálost a degradace, v ojedinělých případech končící až explozí. Proto jsou běžnou součástí baterie bezpečnostní monitorovací funkce. Hodí se pro krátkodobé zálohování energie.
Sodíkovo-sírové akumulátory – používají elektrody z roztaveného sodíku a síry oddělené pevným keramickým elektrolytem. Velkým nedostatkem těchto baterií je provozní teplota nad 300 °C, která musí být udržována kvůli kapalné formě elektrod. Za to jsou Na-S akumulátory schopny dlouhodobě dodávat elektrickou energii do sítě.
Zajímavým typem akumulátoru pro elektrochemické ukládání elektrické energie je průtoková baterie, využívající oddělené zásobní nádrže anodového a katodového elektrolytu (anolytu a katolytu). Kapalné elektrolyty jsou při výrobě elektřiny čerpány do příslušných anodových a katodových prostorů elektrochemického článku, oddělených membránou, která při chemické reakci propouští ionty, ale zabraňuje promíchání elektrolytů. Z anody a katody je odebírán generovaný stejnosměrný proud. Při reverzním nabíjení průtokového akumulátoru se přivedeným napětím na elektrody roztoky elektrolytů regenerují. Výkon průtokového akumulátoru je závislý na ploše elektrod a energetická kapacita závisí jen od objemu nádrží s elektrolyty. Existuje velké množství potenciálních průtokových systémů, ale asi k nejperspektivnějším patří elektrolyty založené na redoxních dvojicích železo-chrom, zinek-brom, zinek-železo, vanad-vanad a železo-železo.
Konstrukce průtokové baterie
V souvislosti se změnami ve fungování celého energetického trhu vznikají i v České republice velkokapacitní bateriové systémy pro ukládání elektrické energie. Jedním z nich je instalace 4 MW baterie umístěné v areálu tušimické elektrárny. Jde o realizaci výzkumného projektu BAART společnosti ČEZ a provozovatele přenosové soustavy ČEPS, zaměřeného na testování různých režimů bateriových systémů akumulace energie v podmínkách reálného provozu elektrizační soustavy ČR. Dále je projekt zaměřen na ověření možnosti poskytování podpůrných služeb, především regulace frekvence (automatická funkce spočívající v přesně definované změně výkonu elektrárenského bloku v závislosti na odchylce frekvence od zadané hodnoty) a praktické odzkoušení různých nabíjecích strategií. Tušimický bateriový systém bude zapojený v bloku se stávajícím turbogenerátorem certifikovaným pro poskytování regulace frekvence. Realizace projektu BAART poskytne do budoucna mnoho poznatků o integraci bateriových systémů do energetické soustavy v podmínkách elektrizační soustavy ČR.
Ukládání vyrobené elektrické energie bez konverze na jiné druhy se zdá být potenciálně nejvýhodnější. Ale zatím neexistuje způsob, který by dokázal dlouhodobě skladovat velké výkony s minimálními ztrátami. Přesto čistě elektrické systémy akumulace existují. Jeden využívá super-kondenzátory a druhý je založen na supravodivé magnetické akumulaci.
Super-kondenzátory používají místo dielektrika roztok elektrolytu umístěný mezi dvě uhlíkové elektrody se speciální pórovitou strukturou. Kondenzátory mezi každou elektrodou a elektrolytem tak efektivně využívají velkou plochu pórů, na které se uchovávají elektrické náboje. Super-kondenzátory lze více než milionkrát rychle nabít a vybít, jsou prakticky bezúdržbové a tím v sobě nesou velký potenciál pro vykrývání odběrů proudů v energetických špičkách.
Supravodivý magnetický akumulační systém využívá ukládání vyrobené elektrické energie do supravodivých cívek udržovaných pod supravodivými teplotami. Po nabití ze sítě může systém prakticky neomezeně dlouho energii skladovat, jedinou podmínkou je napájení a udržování výkonného kryogenního systému. Při dodávce energie zpět do sítě zajišťuje supravodivý magnetický systém velmi rychlou odezvu na požadavek a během okamžiku dokáže dodávat poměrně vysoký výstupní výkon, který například dokáže překlenout výpadek dodávky elektřiny až do spuštění jiného záložního zdroje. Zatím se tyto akumulační systémy s výkonem v řádu jednotek MW používají především v laboratořích a výzkumných centrech. Účinnost supravodivých indukčních akumulátorů se přibližuje k hranici 90 %.
Elektřinu nebo obecně energii je možné ukládat pro její budoucí použití i ve formě tepelné energie do hmoty určitých materiálů. Míra jejich schopnosti akumulace tepla je charakterizována tepelnou kapacitou daného materiálu. Typickým příkladem je ukládání tepla do roztavených solí a eutektických slitin (slitin s nižší teplotou tání, než jsou teploty tání samostatných kovů).
Kromě klasického ohřívání se často využívá fázový přechod těchto speciálních materiálů, při kterém je zachována konstantní teplota a látka absorpcí tepla jen změní své skupenství. Během opačného procesu ochlazování a tuhnutí látky je akumulované latentní teplo využito například k výrobě páry, která roztáčí turbínu s generátorem. Akumulace tepelné energie má z hlediska elektroenergetiky relativně malý význam, i když výzkumy v této oblasti probíhají.
