Akumulace – to je A udržitelné energetiky

Datum: 17.6.2017  |  Autor: Petr Jechort  |  Organizace: Siemens, s.r.o.  |  Firemní článek

Slunci ani větru nelze poručit, nezbývá tedy než se smířit s faktem, že výkon solárních a větrných elektráren zcela závisí na momentálních klimatických podmínkách. Avšak s tím, jak se zvyšuje podíl těchto obnovitelných zdrojů, vzrůstá i naléhavost problému, jak řešit výkyvy jejich výkonu. Jednou může být elektrické energie málo, jindy zase příliš, je proto třeba hledat způsoby, jak ji ukládat do zásoby. Jedním z klíčových témat současné energetiky je proto akumulace.

kumulátory samozřejmě hrály důležitou roli již v minulosti, tehdy však bylo jejich hlavním účelem eliminovat kolísání spotřeby. Provázanost dnešních přenosových sítí již umožňuje vzájemnou výpomoc regionů při překonávání odběrových špiček nebo při výpadku některých velkých zdrojů energie. Přetrvávající technické odlišnosti jednotlivých zemí a jejich různé politické orientace však nedovolují řešit tento problém v kontinentálním měřítku. Význam akumulace tedy trvá.

V úvahu je třeba vzít rovněž ekonomické hledisko, protože elektrická energie je mimořádně žádaná komodita a její „dovoz“ ze zahraničí je zvláště v dobách odběrových špiček velmi nákladný. Proto je lépe se jejímu nákupu vyhnout a usilovat o co největší energetickou soběstačnost, tedy akumulovat vlastními silami vyrobenou elektrickou energii do zásoby.

V dnešní době význam přečerpávacích vodních elektráren stoupá především kvůli stále masivnějšímu začleňování obnovitelných zdrojů energie. PVE totiž dokážou díky velmi rychlému „najetí“ (kolem jedné minuty) jejich výkyvy spolehlivě vyrovnávat.

Hlavní typy akumulátorů

Nejběžnější typy akumulátorů fungují na elektrochemickém principu. Využívají přeměnu elektrické energie na energii chemickou, kterou lze následně transformovat zpět na elektřinu.

Tepelné akumulátory ukládají energii ve formě tepla. Většinou se jedná o speciální zařízení nebo o součásti větších technologických celků (například teplovody), které umožňují využít akumulovanou tepelnou energii k přeměně na jiný druh energie (obvykle na elektrickou).

Mechanické akumulátory pracují s potenciální nebo kinetickou energií. Do této kategorie patří například vodní přečerpávací elektrárny.

Elektromagnetické akumulátory jsou založeny na akumulování energie formou elektromagnetického pole kolem supravodivých vodičů. Tento způsob akumulace se intenzivně zkoumá, v běžné praxi se zatím neuplatňuje.

K nejdůležitějším parametrům akumulačních zařízení bez ohledu na to, na jakém principu fungují, patří jejich celková účinnost, objemová energetická kapacita, doba přepnutí a doba akumulace.

Základním kamenem jsou přečerpávací elektrárny

Neodmyslitelným prvkem elektrizačních soustav jsou přečerpávací vodní elektrárny (PVE). V minulosti se využívaly hlavně z ekonomických důvodů, protože umožňují přeměňovat levnou energii na dražší (akumulovaná elektřina se pouští do sítě v době odběrových špiček, kdy je její cena vyšší). Využívaly se rovněž k vyrovnávání poptávky, tak aby se nemusel nehospodárně regulovat provoz jaderných elektráren. V dnešní době význam PVE stoupá především kvůli stále masivnějšímu začleňování obnovitelných zdrojů energie. PVE totiž dokážou díky velmi rychlému „najetí“ (kolem jedné minuty) jejich výkyvy spolehlivě vyrovnávat.

PVE je soustavou dvou výškově různě položených vodních nádrží spojených tlakovým potrubím, na kterém je v dolní části umístěna reverzní turbína (nebo turbína a čerpadlo) a motorgenerátor. V době přebytku elektrické energie v síti je možné ji využít pro čerpání vody z dolní do výše položené horní nádrže a naopak v době nedostatku se prouděním vody z horní nádrže přes turbínu elektřina vyrábí.

V ČR jsou největší PVE Dlouhé Stráně v Jeseníkách, které jsou i velkou turistickou atrakcí – ročně je navštíví tisíce turistů. Elektrárna má dvě Francisovy turbíny, každou o výkonu 325 MW, které využívají spádu přes 500 m a průtoku až 75 m3.s-1. Horní nádrž je umístěna na vrcholku hory Dlouhé Stráně v nadmořské výšce 1 350 m, zabírá plochu 15,4 ha a má objem 2,7 milionu m3. Dolní nádrž na říčce Divoká Desná ve výšce 825 m nad mořem má plochu 16,3 ha a objem 3,4 milionu m3. Načerpat jejich horní nádrž úplně celou trvá 7 hodin. Poté může elektrárna dodávat do sítě plný výkon po dobu 6 hodin.

V roce 2006 prošla elektrárna Dlouhé Stráně rekonstrukcí, na níž se významným způsobem podílela i společnost Siemens. Elektrárna získala nový řídicí systém, rozvaděče a jejich ovládací obvody, čidla a snímače.

Nové možnosti pro bateriové systémy

Bateriová úložiště jsou významným prvkem v oblasti transformace energetického sektoru, protože umožňují bezproblémové začlenění větrných a solárních zdrojů do elektrizační soustavy. Uplatnění nacházejí i v menších instalacích – v domácnostech nebo v automobilovém průmyslu.

Větší prostor se pro ně otevírá i tím, že například lithium-iontové baterie jsou cenově stále dostupnější. Společnost Tesla se dokonce domnívá, že oblast ukládání energie tímto způsobem by pro ni mohl být větší byznys, než jakým je dnes automobilový průmysl.

Kromě Tesly staví dnes v Kalifornii akumulační bateriový systém také společnost AES Energy Storage. Ta do roku 2020 plánuje postavit dokonce úložiště o výkonu 100 MW. Rozvoj a rychlou výstavbu bateriových systémů v Kalifornii podnítila především havárie v podzemním zásobníku plynu v Aliso Canyon, po které začaly mít problémy s dodávkou plynové zdroje, jež vypomáhají při odběrových špičkách.

...například lithium-iontové baterie jsou cenově stále dostupnější. Společnost Tesla se dokonce domnívá, že oblast ukládání energie tímto způsobem by pro ni mohl být větší byznys, než jakým je dnes automobilový průmysl.

Modulární akumulační systém SIESTORAGE

Lepší integraci větrných a solárních elektráren do elektrické sítě a vyšší kvalitu dodávané elektrické energie zajišťuje i modulární akumulační systém Siestorage (Siemens Energy Storage). Ten obsahuje nejnovější elektroniku k omezení výkonových špiček v síti a nejnovější model výkonových lithium-iontových baterií, které mohou poskytovat výkon až 8 MVA při kapacitě až 2 MWh. Připojení k lokální síti je možné provést pro nízké napětí na hladině 400/230 V, případně přes transformátor do sítě vysokého napětí.

Siestorage se již osvědčil jako záložní zdroj elektrické energie v ocelárně Arcelor-Mittal v německém Eisenhüttenstadtu. Vedle zařízení na výrobu tepla a elektřiny z vysokopecního plynu tam slouží i jako záložní zdroj energie a spalovací turbína pracující v tzv. kombinovaném cyklu. V případě výpadku hlavní napájecí sítě lze přepnout na vlastní lokální distribuční síť, ve které potřebnou energii pro rozběhový motor turbíny zajistí právě tento akumulační systém.

Největší přečerpávací vodní elektrárnou v ČR jsou Dlouhé Stráně.
Největší přečerpávací vodní elektrárnou v ČR jsou Dlouhé Stráně.

Konkurence pro přečerpávací elektrárny?

O technologii GPM (Gravity Power Module), kterou vyvinula americká společnost Gravity Power, se někteří domnívají, že by postupně mohla nahradit PVE. Celý akumulační systém je zabudován pod zem. Jeho potenciální energie je uložena v pístu, který se nalézá v horní části šachty zaplněné vodou. Tato šachta je spojena s reverzní Francisovou turbínou a motorgenerátorem. Při výrobě elektřiny klesá píst šachtou dolů a tlačí vodu potrubím přes turbínu pohánějící generátor. V druhé fázi cyklu turbína pracuje jako čerpadlo a tlakem vody vytlačí píst zpět na vrchol šachty.

Díky tomu, že se celý systém nachází pod zemí, jsou jeho dopady na životní prostředí jen minimální. Lze jej také bez větších obtíží vybudovat i v zastavěných lokalitách. Očekává se, že v porovnání s PVE budou výrazně nižší i náklady na výstavbu. Podle společnosti Gravity Power by její systém měl být rovněž o několik procent účinnější než klasická PVE, protože tlak vody protékající turbínou by u GPM měl být zcela konstantní. V současné době již v Bavorsku probíhá výstavba testovací elektrárny.

Největší vodíkové úložiště energie na světě

Zajímavým projektem je rovněž Energiepark v německé Mohuči, kde byla v nedávné době uvedena do provozu největší elektrolytická výrobna vodíku na světě. Zařízení Silyzer, k teré je jejím srdcem, je unikátní nejen svojí výrobní kapacitou, ale také schopností efektivně zužitkovávat nadbytečnou energii z obnovitelných zdrojů při produkčních špičkách. Výrobna dokáže během pouhých několika sekund od zaznamenání zvýšené produkce elektřiny pojmout výkon až 6 MW, což z ní činí největší zařízení svého druhu na světě.

Základem zařízení je vysokotlaký elektrolyzér se speciální membránou propustnou výhradně pro protony, tedy ionty vodíku. Tato tzv. protonově výměnná membrána (Proton Exchange Membrane – PEM) vytváří přepážku mezi dvěma elektrodami, na nichž dochází k elektrickému rozkladu vody. Po rozpadu vody u kladné elektrody je kladně nabitý vodíkový iont odveden přes membránu k záporné elektrodě, kde vznikají dvouatomové molekuly plynného vodíku. Takto vzniklý plyn je pak dále odváděn do zásobníků, přičemž tlak plynu vystupujícího z elektrolyzéru dosahuje až 35 barů a pro další zpracování už tedy nepotřebuje více stlačovat. Mezi hlavní výhody membrány typu PEM patří zejména její schopnost vést relativně velké množství elektrického proudu na jednotku plochy.

Vodík vyrobený v Energieparku Mainz se využívá v průmyslu, dopravuje se do vodíkových čerpacích stanic nebo se přidává do stávající infrastruktury zemního plynu. Pod elektrotechnickým řešením projektu je podepsána společnost Siemens, za čištění, kondenzaci a uskladnění vodíku zodpovídá firma Linde. Vědeckou záštitu poskytla RheinMainská univerzita.

Elektrolytická výrobna vodíku dokáže zužitkovávat nárazové produkční špičky a efektivně eliminovat neduhy spojené s nadprodukcí elektřiny z obnovitelných zdrojů.
Elektrolytická výrobna vodíku dokáže zužitkovávat nárazové produkční špičky a efektivně eliminovat neduhy spojené s nadprodukcí elektřiny z obnovitelných zdrojů.
Inženýři společnosti Siemens vyvinuli elektrolyzér založený na výměně protonů s reakční dobou v řádech milisekund. Je tedy vhodný pro nestabilní toky elektrické
energie.
Inženýři společnosti Siemens vyvinuli elektrolyzér založený na výměně protonů s reakční dobou v řádech milisekund. Je tedy vhodný pro nestabilní toky elektrické energie.

Sůl a kamení

Technologie CSP (Concentrated Solar Power), k terá k ukládání energie využívá roztavenou sůl, patří podle některých názorů k momentálně nejvyspělejším akumulačním postupům. Oproti klasickým fotovoltaikám totiž zajistí přísun elektřiny i v noci a v porovnání s nimi je údajně schopna vyprodukovat až dvakrát více čistého ročního výkonu. K jejím přednostem patří rovněž nulové emise a odpad a také jen velmi malá spotřeba vody.

Centrální část elektrárny, vybudované v nevadské poušti, obsahuje rezervoár tvořený draslíkem a dusičnanem sodným, který je rozehříván na 288 °C. Při této teplotě je sloučenina v tekutém skupenství a cirkuluje v trubicích, které vedou do centrální věže. Tam při kontaktu s odraženou sluneční energií vzrůstá teplota sloučeniny až na 560 °C a poté je zachycována v dalším rezervoáru. Roztavená sůl toto teplo udržuje, díky čemuž lze elektřinu v parní turbíně vyrábět v jakoukoli denní dobu.

Areál, v němž se testují vlastnosti
skladovacího zařízení na bázi horkých kamenů.
Areál, v němž se testují vlastnosti skladovacího zařízení na bázi horkých kamenů.
Nový systém skladování energie v horkých kamenech využívá jednoduché, spolehlivé
a dobře známé principy.
Nový systém skladování energie v horkých kamenech využívá jednoduché, spolehlivé a dobře známé principy.

Další zajímavou a relativně velmi levnou akumulační technologií je ukládání energie v „obyčejných“ kamenech. Přebytečná elektřina se přemění na tepelnou energii a horký vzduch následně zahřívá kamenné úložiště na teplotu přes 600 °C. Takto akumulovaná energie se přemění zpátky na elektřinu tak, že se do skladovací jednotky začne vhánět studený vzduch, který se zahřeje a získané teplo v další fázi odevzdá vodě v bojleru. Ta se změní na páru, která se pak pod tlakem vhání do turbíny, jež vyrábí elektřinu.

Akumulační zařízení pracující na výše uvedeném principu nese název Future Energy Solution (FES) a vyvíjí je Siemens ve spolupráci s technickou univerzitou v Hamburku a s polečností Hamburg Energie. V současné době se testují tepelné vlastnosti skladovacího zařízení. Jeho kapacita by měla dosahovat 36 MWh, přičemž objem kamenného úložiště bude činit 2 000 m3. Zpočátku vědci očekávají účinnost 25 %, celý koncept má ale potenciál až 50 % účinnosti.

Schéma termálního úložného systému
Schéma termálního úložného systému
 

Datum: 17.6.2017
Autor: Petr Jechort
Organizace: Siemens, s.r.o.



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcích 


Projekty 2017

Partneři - Obnovitelná energie

logo HOTJET
logo NELUMBO
logo VIESSMANN

Spolupracujeme

logo Česká peleta

 
 

Aktuální články na ESTAV.czNa kotlíkové dotace půjde v Praze dalších 23,7 milionu korunPříprava oken na zimuPřevod zemědělské půdy na stavební pozemek: Jak zažádat a jaké jsou poplatkyAirbnb chce začít stavět vlastní domy na pronájem