Ing. Lukáš Radil, Ph. D., Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT v Brně, Prof. Ing. Jiří Tůma, DrSc., ČVUT v Praze
Změny v organizaci elektrizační soustavy a přechod na využívání obnovitelných zdrojů energie vedou k potřebě intenzivně se věnovat způsobům akumulace elektrické energie, bez jejíž součinnosti by tento způsob zásobování elektřinou nemohl úspěšně pracovat. V článku jsou popsány důvody realizace těchto systémů, jejich nezbytnost a současný stav. Je uveden přehled aktuálních metod akumulace elektrické energie podle způsobů užití (akumulace pro domácnost, akumulace pro energetiku). Důležité je posouzení nejen z hlediska technického řešení, ale i nákladů, které ovlivňují celkovou cenu akumulované energie.
Elektroenergetický systém (ES) zahrnuje výrobní zdroje elektrické energie, přenosovou a distribuční soustavu a zařízení pro její konečnou spotřebu. Je součástí systému energetického hospodářství a jeho úkolem je dodávat požadované množství elektrické energie odběratelům v požadované době, v dohodnutém množství a kvalitě a s minimálními negativními dopady na životní prostředí. Nákladové hledisko a optimalizace investičních a provozních nákladů jsou podmínkou úspěšnosti v tržním prostředí konkurenčních společností.
Základní cíle ES je možné definovat takto:
– zajištění dostatečného množství elektrické energie v požadovaném čase,
– zajištění kvality elektrické energie,
– zajištění spolehlivosti dodávky elektrickéenergie,
– minimalizaci nákladů a negativního vlivu na životní prostředí.
Krátkodobé (týdenní, měsíční, roční) bilanční výpočty, založené na predikcích spotřeby elektrické energie v elektrizační soustavě České republiky, provádí provozovatel přenosové soustavy ČEPS, a. s., za účelem bezpečného a spolehlivého provozu ES.
Organizace a uspořádání ES jsou v převážné míře závislé na zdrojové části, a proto přechod na distribuované obnovitelné zdroje energie (OZE) spolu s možnostmi řídicí a informační techniky vytváří předpoklady pro novou formu elektrizační soustavy. Materiály uvádějící představy EU k roku 2050 reprezentují podíl OZE 38 % z celkové výroby. Aktualizovaná státní energetická koncepce (ASEK) z května 2015 v podmínkách České republiky pro rok 2040 počítá s nárůstem od roku 2010 ze 119,1 PJ na 299,8 PJ v roce 2040.
Podrobněji je možné se seznámit s opatřeními zaměřenými na zvýšení energetické účinnosti a očekávané úspory energie v Národním akčním plánu energetické účinnosti ČR. Byl schválen vládou ČR v březnu 2016. Cílový rok je 2020. Modely současné i budoucí elektrizační soustavy uvádějí obr. 1 a obr. 2
Akumulační jednotky pro domácnosti
Domácnosti jsou specifické ve využívání a potřebě akumulačních médií. V současné době jsou na trhu etablovaní výrobci akumulátorů. Pro rodinné domy (bytové domy nejsou vhodné pro myšlenku samozásobení, protože jejich energetická potřeba je mnohonásobně větší než rodinného domu) je určující velikost jednotky. Obecně lze konstatovat, že v krajních případech zde nerozhoduje cena za cyklus (vybíjení vs. nabíjení), ale pouze zmiňovaná objemnost Je možné zmínit Teslu a její populární (zejména v USA) PowerWall nebo FitCraft Energy se SaveBOX-HOME, popř. firmu Simplphi s výrobky Phi a nebo nebo české firmy Olifesource s jejím variabilním systémem a OIG Power s jejich CES BatteryBox. Jedno mají uvedení výrobci společné. Jejich akumulátory musejí splňovat tyto podmínky: – nabízejí řádově nižší výkony, než vyžadují energetické aplikace, – mají menší kapacitu (maximálně v řádech jednotek kW·h), – jejich reakční doba (z plného nabíjení do plného vybíjení) je podobná velkým energetickým akumulátorům.
Ovšem nejdůležitější kritéria, která musejí splňovat, jsou: – velikost, – cena, – životnost, – design akumulátoru. Proto se většina výrobců zaměřila na nyní již tradiční řešení, tedy lithiové akumulátory (povětšinou lithium-železofosfát), které splňují představu o maximální možné prostorové náročnosti. S tím se pojí i pojem specifická energie, který představuje množství uskladněné energie na 1 l objemu nebo na 1 kg hmotnosti. V současné době jsou předmětem výzkumu i akumulátory na bázi sodíku, tzv. Na-ion akumulátory. Vykazují nižší energetickou hustotu, ale jsou levnější, současně dostupnost sodíku je lepší než u lithia.
Akumulátory jsou většinou zapojeny na střídavé napětí přes měniče. Nyní je ale patrná změna, kdy majitelé rodinných domů požadují vyšší standardy domovních elektroinstalací, tzv. systémových elektroinstalací, ve kterých je možné uvažovat i o stejnosměrných rozvodech nebo minimálně o silových sběrnicích. V těchto případech se se začleněním akumulačních prvků již počítá.
Naopak pro energetiku se předchozí požadavky mění na: – důraz na výkon, – kapacita, – reakční doba, – životnost.
Původně důležitá vlastnost akumulátorů pro rezidenční umístění – velikost (energetický objem) – je pro velkou energetiku méně důležitá, až téměř nepodstatná. Naopak je zde velmi velký prostor pro cenovou optimalizaci nabíjecího cyklu a z něho vycházející perspektivní metody uskladnění energie, které si konkurují cenou uskladnění 1 MW·h energie. V tomto vnímání lze pro energetiku počítat s následujícími technologiemi.
Metoda Marquerre
Historická metoda, která je založena na termální akumulaci elektrické energie prostřednictvím teplé vody (obr. 3). Ta je posléze přes regenerační oběh kondenzované vody z turbíny zpět využita. Uvedený systém se vyznačuje vysokou mírou efektivity a akumulační kapacity. V současné době se opět uvažuje o zavedení jednotky zejména v teplárenských objektech při optimalizaci nabídky podpůrných služeb. V tom případě se efekt akumulace jeví jako poměrně dobrý, ovšem s morální otázkou. Měla by se ukládat elektrická energie ve formě tepla např. z hnědouhelných elektráren s jejich nízkou účinností?
Metoda Ruths
V roce 1913 byl patentován systém, který pracoval s rozdílným tlakem. Jeho vynálezce Dr. Ruths postavil první takový systém v Malmö. Měl výkon 50 MW a kapacitu 67 MW·h. Principem této soustavy je, že nepoužívá přebytek elektřiny pro meziohřev jako v případě metody Marquerre. Mezi dvě nádrže s různým tlakem se střídavě zapojuje tepelné čerpadlo, které je poháněno přebytečnou energií, a elektrický agregát, který v době špičky vyrábí přídavnou elektrickou energii. Využití v praxi je silně ovlivněno technickými problémy při velkých výkonech.
Metody CAES a AA-CAES
První pokusy akumulovat elektřinu pomocí stlačeného vzduchu vznikly již poměrně dávno.
Pneumatický systém Djórdjević pracoval pouze s tlakovými lahvemi. Až později se metoda začala prosazovat pod zkratkou CAES (Compressed Air Energy Storage), není však příliš známá (obr. 4). Ani její vylepšená varianta AA-CAES (Adiabatic Advanced – Compressed Air Energy Storage) není rozšířená, protože největšími problémy jsou adiabatická komprese a úspěšné začlenění systému do místních podmínek. Oba tyto systémy jsou příležitostí pro expanzi OZE. Účinnost systému je mezi 60 a 75 %. Uvedená metoda je svým technologickým rozsahem podobná přečerpávacím vodním elektrárnám.
Ve světě již běží úspěšné projekty využívající tento typ akumulace energie (McIntosh, USA; Huntorf, Německo). Obě instalace pracují se systémem, ve kterém je stlačený vzduch přiváděn do spalovací komory, v níž je spalován zemní plyn.
Zvýšená entalpie spalin pohání plynovou turbínu (podle Ericssonova-Braytonova cyklu), jež vytváří následný točivý moment na hřídeli. Tlakovým vzduchem se dosahuje úspory energie k pohonu kompresoru. Dalšího zvýšení entalpie je možné docílit využitím geotermální energie. V ČR nejsou příhodné podmínky k efektivní kooperaci geotermálních vrtů s CAES.
AA-CAES vychází z myšlenky adiabatického stlačování vzduchu. Toho nelze regulérně docílit, proto se uvažuje o akumulaci tepla při stlačování vzduchu. Teplo se využívá při zpětném odběru tlakového vzduchu. Zvýšená účinnost uvedené koncepce je podmíněna většími investičními náklady a také potížemi s objemným tepelným akumulátorem.
Nejnovější elektrárnou tohoto typu je Norton Plant v USA. Bude mít celkový instalovaný výkon 2 700 MW, který bude tvořen sedmi bloky po 300 MW. Zařízení je na povrchu vápencového dolu, který pracuje s rozdílem tlaků přibližně 5,5 až 11 MPa. Kaverna je umístěna 670 m pod povrchem. Další plánovanou elektrárnou bude Matagordo Plant s instalovaným výkon 540 MW.
Akumulátory sodium-sulfur (NaS)
Novým trendem je zavádění sodium-sulfur (NaS) baterií. Jde o kombinaci sodíku a síry. Sodík je velmi reaktivní a s alkalickými kovy, jako je lithium a draslík, tvoří skupinu, která může teoreticky dosahovat velké hustoty energie na jednotku hmotnosti. Tento typ baterie má hustotu energie řádově stovky W·h·kg-1 (400 W·h·kg-1). Například v porovnání s olověnou baterií s hustotou energie přibližně 30 W·h·kg-1 je tento poměr více než jedenáctinásobný.
Účinnost akumulace je také vysoká a pohybuje se v závislosti na velikosti jednotky v rozmezí 86 až 95 % (obr. 5).
Princip vyjadřuje tato rovnice: 2Na + 4S › Na2S4 Napětí článku je přibližně Ecell ? 2 V.
Setrvačníky (flywheel)
Setrvačník je historicky známé zařízení. Jeho přednosti spočívají zejména v jednoduchosti a mnohostranném použití (obr. 6). Moderní setrvačníky běžně dosahují rychlosti otáčení 20 000 min-1 (i přes 50 000 min-1). Samozřejmostí je i použití magnetických ložisek. Rotor se točí ve sníženém tlaku okolního média (blížícího se vakuu). Speciální konstrukční prvky snižují mechanické ztráty na minimum a zaručují vysokou účinnost.
Akumulační systémy se setrvačníky by mohly v budoucnu nahradit některé ze starších typů baterií, většinou založených na principu Ni-Cd. Oproti bateriím mají tyto systémy poměrně značné výhody, protože množství cyklů není omezeno chemickými pochody. Proto se životnost setrvačníků může pohybovat řádově v desetitisících cyklů, čili může být několik let. Záleží pouze na předepsané údržbě (většinou se problém týká ložisek, má-li je stroj, a dále může docházet k únikům chladiva, popř. ztrátě vakua). Těleso setrvačníku je tvořeno uhlíkovými vlákny, která mají velkou pevnost a při poruše se mohou snadno rozštěpit na malé úlomky s malou kinetickou energií. Účinnost setrvačníku je vysoká, dosahuje hodnoty přes 90 %.
Lithiové akumulátory
Lithium je světlý a velmi reaktivní kov. Tím se stává velmi atraktivním pro akumulaci energie (stejně jako předchozí druh baterií založených na sodíku). Anoda konvenčních článků je vyrobena z uhlíku, katoda z oxidu kovů a elektrolytem je lithiová sůl v organických rozpouštědlech. Dále uvedená rovnice vyjadřuje elektrochemickou reakci jednoho z typů lithných článků: LiCoO2 › Li1-xCoO2 + xLi+ + xeDalší vývoj je zaměřen na technologie LiFePO4, coby nejznámější katodový materiál, Li-air a další technologie, které budou mít lepší ekonomické parametry, ač za cenu menší kapacity. O zavedení lithiových baterií se uvažuje pouze v bezvýpadkových záložních zařízeních – Uninterruptible Power Supply (UPS). Velmi perspektivní je také technologie akumulátorů založených na lithium-titanátu (Li4Ti5O2). Průkopníkem vývoje je společnost Toshiba, která tuto řadu akumulátorů uvedla na trh v roce 2010 pod názvem SCiB (Super Charge ion Battery). Jejich výhodou je velmi rychlé nabíjení, které je založeno na materiálu elektrod.
Superkapacitory
Superkondenzátory představují nový velkoobjemový systém akumulace energie. Kondenzátory mají hustotu energie asi 10 W·h·kg-1, životnost delší než konvenční akumulátory a také větší účinnost – až 95 %. Další jejich předností je schopnost dodat potřebný výkon v krátkém čase (řádově v milisekundách). V anglické terminologii mají zkratku SCESS – Super Capacitor Energy Storage System (17). Energie v kondenzátoru je dána: E = 1CU2 kde U je napětí (V), C kapacita (F).
Základní myšlenkou superakapacitoru byl a je vývoj optimálních zásobníků s velkou akumulační kapacitou ale s operativními vlastnostmi kondenzátorů. Kondenzátory, a to jak super, tak ultra, mohou být aplikovány na zařízení, kde se předpokládá mnohem více nabíjecích a vybíjecích cyklů, než by umožňovaly chemické akumulátory (více než 100 000 cyklů).
Mezi jejich nejdůležitější vlastnosti patří: – nízký vnitřní odpor a tím vysoká účinnost
(95 % a více) a velmi malé ztráty, – velká efektivita při nabíjení, – možnost velmi častého nabíjení a vybíjení
(mnoho cyklů), – množství energie uložené na jednotku hmotnosti menší než u elektrochemických článků (3 až 5 W·h·kg-1 pro superkondenzátory v porovnání se 30 až 40 W·h·kg-1 pro klasické baterie), – napětí měnící se v závislosti na množství
uložené energie podobně jako u kondenzátorů, – nejvyšší dielektrická absorpce ze všech typů.
Akumulátor Na-ion
Tento typ baterií představuje jakousi alternativu k lithiovým bateriím. Předpokládá se, že bude levnější a bezpečnější než zmiňované lithiové články. Baterie založené na konverzi sodíkových iontů dosahují větší kapacity než baterie lithné. V současné době je problém s katodami těchto baterií a jsou stále ve vývoji. Jmenovité napětí článku je 3,6 V a jeho měrná kapacita přibližně 400 W·h·kg-1.
Superconducting magnetic energy storage (SMES)
Superconducting magnetic energy storage je systém, který ukládá energii do magnetického pole. Jde o relativně nový systém, který je stále ve výzkumu a vývoji. Malé demonstrační jednotky existují, ale problematická se jeví akumulace většího množství energie (nad 1 MW·h).
NaNiCl akumulátor
Tato baterie má skutečné chemické složení NaNiCl2, tedy sodík-nikl-chlorid. Její výhodou je větší energetická hustota než např. u NiCd baterie. Její konstrukce je podobná jako u baterie NaS, taktéž pracuje při vysokých teplotách. Modul baterie je schopný zvládnout až 4 500 cyklů při 80 % DOD (Depth of discharge, hloubka vybití akumulátoru).
Tento typ akumulátoru vyvinul a prodává výrobce FIAMM Energy Technology S. p. A. pod názvem ST5. Průtokové akumulátory
Průtokové baterie jsou velmi perspektivní zdroje záložní energie. Jsou založeny na principu redoxního článku. Prvním skutečným redoxním palivovým článkem byl typ, který je schematicky znázorněn na obr. 7 a byl představen A. M. Posterem v roce 1955. Dále je uveden přehled v současnosti možných typů průtokových baterií, ať již na komerční bázi, nebo stále ve stadiu vývoje.
V současné době existují tyto druhy průtokových redoxových akumulátorů: – polysulfidová bromová baterie, – železo-chromité baterie, – železo-chlorité baterie, – zinko-ceriové baterie, – halogenové baterie Br – ZnBr – typ, který se začíná nabízet komerčně, – vanadové baterie – nejrozšířenější typ.
VRB – vanadový redukčně-oxidační akumulátor
Princip jeho funkce je zřejmý z obr. 8; je zjevné, že je blízký funkci palivových článků, u kterých nastává elektrochemická oxidace paliva přiváděného do jedné z komor článku, do druhé komory se kontinuálně přivádí oxidant. Hlavní výhodou článku VRB je jeho reverzibilita, tj. v tomtéž elektrochemickém měniči může probíhat jak nabíjení, tak vybíjení – podobně jako v klasických typech akumulátorů (6).
Přechod z režimu nabíjení na vybíjení je téměř okamžitý (v časech řádu ms) v závislosti na polaritě rozdílu okamžitého rovnovážného napětí a napětí připojeného vnějšího elektrického obvodu. Akumulační kapacita je dána množstvím elektrolytu v zásobnících, přičemž v praxi dosažitelná objemová energetická hustota elektrolytu úplného nabíjecího (vybíjecího) cyklu je uváděna v rozsahu 15 až 25 kW·h·m-3 (ideálně dosažitelná hodnota je 28 až 43 kW·h·m-3). Měrná hmotnost VRB článku dosahuje 6,5 až 10 kg·kW-1 u větších zařízení, u malých výkonů výrobce uvádí max. 12,5 kg·kW-1. Měrná hustota elektrolytu je přibližně 1,4, hmotnost elektrolytu představuje přibližně 90 % hmotnosti celého zařízení. V porovnání s klasickými akumulátory má elektrolyt v nabitém stavu při cirkulaci ve VRB článku jen nepatrné samovybíjení. Jestliže je nabitý elektrolyt uskladněn mimo článek, zůstává nabitý po téměř neomezenou dobu. Prostorová náročnost instalace souvisí především s akumulační kapacitou, přitom oddělené skladování elektrolytu od vlastní VRB usnadňuje přizpůsobení instalace prostorovým podmínkám. Pro nejčastější akumulační kapacitu (doba asi 8 h) se uvádí, že 85 až 90 % zastavěné plochy zabírají zásobníky elektrolytu, na vlastní články VRB a řídicí a kontrolní elektroniku připadá zbývajících 15 až 10 %. Zařízení nevykazuje pokles účinnosti ani kapacity po více než 12 tisících nabíjecích cyklech, předpokládaná životnost membrán je asi patnáct let, po jejich výměně lze zařízení provozovat i nadále, elektrolyt si přitom udržuje původní parametry, a je tak znovu použitelný. Provozní a pořizovací náklady jsou uvedeny v měrné jednotce €/kW·h. U zařízení řádu megawatthodin se pořizovací náklady pohybují mezi 500 až 700 €/kW·h, rozšíření akumulační kapacity (elektrolytu) velkých zařízení přijde na asi 250 €/kW·h.
Syntetická paliva – syntetický metan
Syntetická paliva lze také považovat za technologii s akumulační kapacitou. Akumulační schopnost plynovodů v Německu je na úrovni 250 TW·h energie. Při využívání syntetických paliv se předpokládá zapojení elektrické energie z obnovitelných zdrojů a tím snížení podílu CO2 v atmosféře. Na obr. 9 je znázorněn základní princip, kterým je vytvoření syntetického metanu.
Metoda kapalného vzduchu
Metoda kapalného vzduchu je jednou z mechanických forem ukládání energie. Velkou výhodou této metody je možnost využít odpadní teplo produkované při ostatních průmyslových činnostech. Výrobce udává velkou míru spolehlivosti i přizpůsobivosti systému na zatížení.
Metoda je rozdělena do tří kroků: – zkapalnění, – uchování média v tekutém stavu, – zpětná konverze energie na elektrickou energii.
Systém pracuje tak, že pomocí elektrické energie je poháněn kompresor, který stlačuje nasávaný plyn. Teplo je odváděno do zásobníku. Následně je přes expandér médium zkapalněno a uskladněno ve velmi dobře izolované nádrži při atmosférickém tlaku.
Energie je uchovávána v dobře izolovaných nádržích, odkud je také možné převážet tekutý vzduch pro potřeby dalšího využití.
Kapalný vzduch je uložen v nádrži při nízkém tlaku. Tato nádrž současně funguje jako zásobník média. Obecně zde platí, že materiály, které jsou použity, splňují limity i pro zásobníky tekutého zemního plynu (LNG), dusíku, kyslíku a jiných technických plynů. Výrobce uvádí, že jedna nádrž o objemu 2 000 t odpovídá přibližně energii 200 MW·h.
Je-li třeba dodávat elektrickou energii do sítě, je kapalný vzduch hnán za pomoci kryogenního čerpadla do výparníku. Odtud přebírá teplo z procesu nebo z okolí. Následný plyn je hnán na expanzní turbínu. Výfukem je odváděn pouze chladný vzduch. Celý systém vlastně připomíná klasický Rankinův-Clausiův cyklus. Odcházející plyn lze částečně využít k tzv. recyklaci (uspoří se exergie), která umožní zvýšit účinnost celého systému zkapalnění. Podle (8) lze získat až 50 % nákladů na zkapalňovací proces. To má za následek zvýšení účinnosti zpátečního cyklu přibližně o 50 %. Náklady zařízení jsou přibližně 1 100 $/kW neboli 110 $/kW·h. Životnost zařízení při 80 % DOD je více než 13 000 cyklů. Účinnost zařízení se pohybuje v mezích 50 až 70 % v závislosti na využívání odpadního tepla.
Alternativní metody
Alternativní metody zosobňuje myšlenka využití tzv. podmořských balonů . Vzduch by se čerpal dovnitř balonů a v případě potřeby by byly balony vypuštěny přes plynové turbíny do okolního vzduchu. Myšlenka to není nová, ale realizace stále chybí. První pokusy se uskutečnily při pobřeží Kanady. V současné době se tímto zabývají i výzkumné organizace v Německu. Balony by byly umístěny v Severním moři, přímo u větrných parků.
Další pokusy jsou s využitím betonových bloků, ve kterých je stlačen vzduch a jež jsou umístěny opět pod hladinou moře.
Variant je mnoho, ve většině případů jsou založeny na známých faktech a principech, ale jejich použití je buď velmi masivní (balony), nebo velmi neotřelé (např. vyzvednutí válcovitého kusu země působícího jako píst a využívajícího přirozenou gravitaci – typický příklad Pascalova zákona a hydromechaniky).
Nesmíme též zapomínat na vodík a jeho hospodářství. Japonští vědci uvažují o jeho přeměně na NH3, který je pro dopravu, skladování a manipulaci vhodnější médium, než samotný vodík. Nicméně náročnost výroby čpavku snižuje energetický potenciál skladované látky.
V oblasti lithiových akumulátorů vhodných pro velkou energetiku je v poslední době prezentována česká společnost HE3DA, jež vyrábí tlustovrstvé lithiové akumulátory. Společnost je stále spíše ve fázi vývoje, než finální sériové produkce.
Závěr
Závěrem lze říci, že v současné době se poměrně výrazně vyprofiloval akumulátor typu LiFePO4 jak pro domácí použití, tak pro "velkou energetiku". Je to zejména z důvodu snížení prodejních cen vzhledem k velkovýrobě. A pro opravdu velké projekty (Energiewende) se uvažuje zejména o syntetizaci vodíku (německé plynovody mají schopnost akumulovat až 300 TW·h energie prostřednictvím metanu) a pro domácnosti o malých akumulátorech na bázi lithia nebo v blízké budoucnosti sodíku, popř. sodnoniklového článku.
Článek si nekladl za cíl doporučit konkrétní typy akumulátorů, ale přinést obecné schéma, kam se nyní vyvíjejí směry výzkumu a tržního potenciálu jednotlivých akumulátorů