Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Akumulace elektřiny

Skladování elektřiny prostřednictvím tepla aneb Carnotovy baterie 2. díl – projekty a technologie ve světě a v ČR

Vít Bašta, Jan Špale, Miroslav Rathan, Martin Hofman, Michal Kasan, Václav Novotný, prof. Ing. František Hrdlička, CSc.

Odborný TZB-info doporučuje

Druhý díl přibližuje první aplikace ukládání elektřiny prostřednictvím tepla a jednotlivé systémy v současném výzkumu a vývoji. U každé varianty je popsán princip, detaily konkrétní technologie, dosahovaná účinnost a stav vývoje. Popsány jsou jak komerční projekty, tak výzkumné aktivity univerzit jak v zahraničí, tak v ČR.

Skladování elektřiny prostřednictvím tepla aneb Carnotovy baterie 1. díl – principy a přehled

Stav Carnotových baterií ve světě

V prvním díle byly představeny základní principy fungování a ekonomická perspektiva pro tzv. Carnotovy baterie (CB), neboli technologie pro ukládání elektřiny pomocí přeměny na teplo, jeho skladování a zpětné přeměny na elektřinu. Tyto systémy se rovněž vyskytují pod označením jako PTES (Pumped Thermal Energy Storage), ETES (Eletric Thermal Energy Storage) či P2H2P (Power to Heat to Power). Vzhledem k perspektivě těchto systémů pro skladování velkého množství elektřiny, se Carnotovými bateriemi začala zabývat řada společností i univerzitních a výzkumných pracovišť. Vznikají i první demonstrační a pilotní jednotky s cílem následné komercializace. V prvním díle byl uveden přehled technologických koncepcí, které jsou nejzajímavější z pohledu blízké budoucnosti spolu s nejvýraznějšími projekty, jež je rozvíjí. Tyto koncepce a projekty jsou zde detailněji popsány v jednotlivých kapitolách a uvedeny jsou i některé nekonvenční technologie.

Elektro ohřev, lože pevných materiálů a parní oběh

Princip skladování je založen na využití elektřiny k odporovému ohřevu vzduchu (případně jiné teplosměnné látky). Ohřátý vzduch je následně proháněn zásobníkem naplněným štěrkem, který je zahříván na teplotu typicky kolem 500–600 °C. Ohřívání může být realizováno přímo spirálovým odporovým ohřívačem před ložem nebo tepelným výměníkem, jímž prochází teplosměnné médium. Potřebné parametry použité horniny jsou teplotní stabilita za zmíněných teplot, odolnost vůči cyklickému tepelnému namáhání, vysoká tepelná kapacita, vysoká tepelná vodivost a nízká pórovitost. Uvažovány jsou magmatické horniny nebo horniny z nich metamorfované, jako na příklad čedič, křemenec (kvarcit), gabro, rohovec, granodiorit, ale i sedimentární pískovec aj. [1] Díky izolaci zásobníku může teplo vydržet na dané teplotě s minimálními ztrátami po dobu dnů až týdnů. Tento koncept skladování je schematicky znázorněn na Obrázku 1. [2] Zpětná přeměna na elektřinu je realizována pomocí parního Rankinova oběhu, konvenčního tepelného oběhu aplikovaného např. v uhelných elektrárnách.

Obrázek: 1 Schéma skladování tepla ve vysokoteplotních štěrkových ložích (upraveno z [2])

Tento koncept rozvíjí společnost Siemens Gamesa, která je jednou z divizí nadnárodní korporace Siemens zaměřující se na obnovitelné zdroje. Tímto projektem se společnost zabývá od roku 2012 s ambicí postavit jednu z prvních komerčních aplikací této relativně mladé technologie. [3]

Efektivita zpětné přeměny z uschovaného tepla je závislá na konkrétním typu produktu. Siemens nabízí tři výstupní produkty, prvním je elektřina s roundtrip efficiency až 50 %, dále užitkové teplo s energetickou účinností kolem 98 % nebo technická pára s energetickou účinností 90 % (rozdíl mezi roundtrip efficiency a energetickou účinností je vysvětlen v 1. díle článku). Siemens Gamesa plánuje tři možné systémové integrace: ETES Base určený pro akumulaci přebytečné elektřiny z obnovitelných zdrojů, ETES Add napojený jako rozšíření na stávající fosilní elektrárny nebo energeticky náročné průmyslové objekty a ETES Switch, jež má umožnit využití fosilních elektráren po zastavení dodávek paliva namísto jejich odstavení. [4]

První fází vývoje bylo v roce 2014 experimentální zařízení o 40 tunách akumulačního materiálu, kapacitě 5 MWh, nabíjecím výkonu 0,7 MWe. Roku 2019 byl v Hamburku dokončen demonstrační projekt využívající 1000 tun horniny dosahující teploty 750 °C, o skladovací kapacitě 130 MWh, výstupním elektrickém výkonu 1,2 MWe a roundtrip efficiency přibližně 35 %. V tomto desetiletí Gamesa plánuje komerční velkokapacitní zařízení, které by mohlo dosahovat kapacit v řádu gigawatthodin a celkové účinnosti až 50 %, při skladovací teplotě přesahující 800 °C. [4]

Elektro ohřev, tekuté materiály a parní oběh

Koncept je spjatý s přebudováním uhelných elektráren, jež se ponese ve znamení aplikace technologií z konceptu koncentračních solárně-termálních elektráren (CSP). V elektrárnách bude nahrazen stávající kotel dvěma zásobníky skladujícími roztavenou sůl, nabitý teplý o teplotě 560 °C a vybitý studený na 270 °C. Roztavená sůl ze studeného zásobníku se čerpá do teplého, přičemž je ohřáta elektrickým odporovým ohřívačem využívající v danou chvíli levnou elektřinu ze sítě. V případě vybíjení je z teplého zásobníku sůl čerpána přes výměníky tepla produkující páru potřebnou pro pohon turbíny. Obrázek 2 schematicky popisuje princip fungování systému. Roundtrip efficiency této technologie by měla být až kolem 40 %, přičemž hlavním limitem je účinnost parního oběhu 42 % a účinnost odporového ohřevu s pomocnými systémy a jejich ztrátami. [5]

Obrázek: 2 Schéma přebudování uhelné elektrárny na Carnotovu baterii (upraveno z [5])

Uvedení podobného systému do provozu reflektuje názorový trend posledního desetiletí žádající postupné odstavování uhelných elektráren, které jsou výrazným znečišťovatelem životního prostředí. Pařížská dohoda v rámci Rámcové úmluvy OSN o změně klimatu byla značným impulzem pro vyspělé státy západní Evropy jako Německo a Velká Británie k intenzivnímu hledání náhrad za uhelné elektrárny, které hodlají uzavřít svůj provoz. Mnoho z těchto uzavřených elektráren bude mít velkou část životnosti technologie parního cyklu stále před sebou, navíc by jejich zavřením přišla velká část zaměstnanců o práci a v ohrožení by byla i infrastruktura spojena s elektrárnami. Bude tedy za potřebí najít elektrárnám nové využití. Tímto palčivým problémem se zabývá například konsorcium německých universit, Německého střediska pro letectví a kosmonautiku DLR a společnosti RWE Power AG.

V budoucnosti je plánovaná odlišná koncepce, která na rozdíl od elektro ohřevu počítá s použitím vysokoteplotních tepelných čerpadel k akumulaci tepla v zásobnících s roztavenou solí. Nicméně zbytek koncepce včetně parního generátoru a Rankinova oběhu by měl zůstat stejný. Díky nasazení vysokoteplotních tepelných čerpadel na bázi plynového levotočivého tepelného oběhu by se měla roundtrip efficiency zvýšit na 50 %. [6]

Reverzní a přímý oběh plynové turbíny, tekuté materiály v nádržích

Principem funkce systému, jehož otcem je laureát Nobelovy ceny profesor Robert Laughlin, je reverzní oběh plynové turbíny (Braytonův oběh) s rekuperací, využívající vzduch jako pracovní médium. V průběhu nabíjení systém pracuje v režimu tepelného čerpadla, kdy vynakládaná práce, resp. elektřina je převedena na teplo a chlad. Teplo je pro skladování předáváno do dalších dvou okruhů. Ve „studeném okruhu“ je použita nemrznoucí kapalina, která proudí mezi zásobníky o teplotách 20 °C a −65 °C. „Teplý okruh“ skladuje roztavenou sůl ve dvou nádržích o teplotách 290 °C a 565 °C.

V průběhu vybíjení baterií je teplotního spádu mezi dvojicemi zásobníků využito zpět pro produkci práce, resp. výrobu elektřiny. Ze schématu na Obrázku 3 vyplývá, že při vybíjení je využit v průběhu tepelného cyklu i odvod tepla do okolí za pomoci dvojice tepelných výměníků, aby byla vyrovnána bilance mezi spotřebou tepla a chladu, které jsou dostupné z nabíjení. [7]

Obrázek: 3a Schéma oběhu Malta Inc. – nabíjení (upraveno z [7])

Obrázek: 3b Schéma oběhu Malta Inc. – vybíjení (upraveno z [7])

Obrázek: 3 Schéma oběhu Malta Inc., vlevo – nabíjení, vpravo – vybíjení (upraveno z [7])

Tímto konceptem se zabývá společnost Malta Inc., která vzešla ze společnosti Google X přicházející s ambiciózními projekty a získala již investice od jmen jako Jeff Bazos, Bill Gates, Mark Zuckerberg či Michael Bloomberg. [8] Sami hlavní vývojáři a konstruktéři tvrdí, že náročnost systému, který vyvíjejí, spočívá zejména v systémové integraci již existujících komponent a jejich úprav, nikoliv ve vývoji zcela nových součástí a strojů. Tepelné výměníky dodá společnost Alfa Laval a o turbíny a kompresory se stará Siemens. Technologie skladovacích nádrží jsou přejaté z CSP technologie, čili jde o dostupné komerční řešení.

Výhodou projektu Malta v porovnání s projektem Gamesa je jeho plánovaná účinnost v komerční fázi, která by měla dosahovat přibližně 60 %, což je o alespoň deset procentních bodů více. Malta Inc. si ale veškeré informace o probíhajícím výzkumu bedlivě střeží a informace vyplouvající na povrch jsou spíše mediálního charakteru. Společnost uvádí, že již zkonstruovala a úspěšně vyzkoušela svůj laboratorní model, nicméně data z jeho provozu nejsou veřejnosti přístupná. Dále byl představen pilotní projekt o výkonu 100 MW a jeho očekávané dokončení je plánované na rok 2023. První komerční zařízení by měla mít výkon mezi 10 až 100 MW, v budoucnu by ale neměl být problém vytvořit i baterie o vyšších výkonech i kapacitách. [7]

Reverzní a přímý oběh s nadkritickým CO₂

Podobně, jako u předchozí koncepce, je v módu nabíjení elektřina ze sítě využita k pohonu kompresoru. Ten stlačuje CO₂ v oběhu tepelného čerpadla s teplotou na výtlaku kolem 120 °C. Vysokotlaké CO₂ proudí do tepelných výměníků, ve kterých ohřívá vodu mezi třemi atmosférickými nádržemi naplněnými vodou o teplotách 38, 50, 76 °C a jedním tlakovým zásobníkem o teplotě 120 °C. Takováto sestava výměníků má za cíl kopírovat teplotní profil chladnoucího CO₂ teplotním profilem proudící vody, čímž je zajištěna vysoká účinnost systému. Vysokotlaké ochlazené CO₂ následně proudí přes specifický expandér (kombinace vodní turbíny v nadkritické/kapalné fázi a škrcení do mokré páry). Zde CO₂ sníží svou teplotu a tlak, v důsledku čehož je většina zkapalněna. Oxid uhličitý se následně v tepelném výměníku vypařuje, předává chlad studenému zásobníku s nemrznoucí směsí (solankou), přičemž se experimentuje i s částečným zmrznutím skladovacího média. Teplotní spád mezi uložištěm tepla a chladu je poté využit při vybíjení. Kapalné CO₂ je v čerpadle stlačeno na nadkritický tlak. Průchodem přes tepelné výměníky získá vyšší teplotu od skladované teplé vody. Ohřátý CO₂ expanduje v turbíně, která vyrábí elektřinu. Následně je uložený chlad využit ke kondenzaci CO₂. Schémata těchto tepelných oběhů jsou na Obrázku 4. [9]

Obrázek: 4 Schéma oběhu MAN+ABB, vlevo – nabíjení, vpravo – vybíjení

Na vývoji konceptu se spojily švýcarské pobočky společností MAN Energy Solutions a ABB, aby společně uvedly na trh vlastní technologii Carnotovy baterie. Jejich koncepce chce nabídnout potenciálním zákazníkům na výstupu jak elektřinu, tak teplo či chlad. V případě distribuce tepla či chladu koncovým uživatelům, bez zpětné transformace na elektřinu, je energetická účinnost predikována přibližně na 70 %. Naproti tomu zařízení typu grid to grid by měla dosahovat roundtrip efficiency v rozmezí 50–55 %. Jedním z typických zákazníků pro odběr chladu by se mohla stát například datová centra, zimní sportovní areály nebo klimatizace v mrakodrapech. Naopak teplo by odebíraly například potravinářské závody a průmyslové prádelny. [10]

Duo společností zatím neuveřejnilo žádné informace o představení svého pilotního zařízení, nicméně se dá očekávat, že tak v průběhu několika let učiní. Více informací o projektu a ilustrační video naleznete také v [10].

Systémy s tepelným čerpadlem, organickým Rankinovým oběhem a využitím odpadního tepla

Existuje více projektů, které se zaměřují na využití odpadního tepla. Toto teplo je v režimu nabíjení tepelným čerpadlem „upgradováno“ na vyšší teplotu (řádově 80–160 °C) a uloženo v různých formách. Vybíjecí režim poté využívá organický Rankinův cyklus (ORC) pro přeměnu uloženého tepla na elektřinu. Tím nejrozsáhlejším i nejkomplexnějším je projekt Chester, který bude popsán dále. Souběžně s ním však probíhají i menší, nejčastěji univerzitní, projekty.

Chester je mezinárodní projekt na celoevropské úrovni sdružující výzkumné, komerční i univerzitní subjekty ve společném úsilí o vytvoření vlastní P2H2P technologie, která je taktéž označována zkratkou CHEST (Compressed Heat Energy STorage). Aktuálně na něm spolupracují španělská společnost Technicalia, belgická Ghent University a již zmiňovaná DLR na prvním prototypu o výkonu 10 kWe.

Schéma systému znázorňuje Obrázek 5. Během nabíjení je ve výparníku tepelného čerpadla (TČ) odebráno teplo ze vstupního tepelného zdroje (odpadní teplo), kompresí je dosaženo vyššího tlaku a teploty. Teplo je uskladněno nejprve v zásobníku latentního tepla LH-TES a následně zásobníku citelného tepla SH-TES. LH-TES využívá eutektickou směs dusičnanů KNO₃ a NiNO₃ ke skladování latentního tepla tání, která poskytuje relativně velké skupenské teplo fázové přeměny. Systém skladování citelného tepla je složen ze dvou zásobníků, studeného a teplého, jejichž skladovacím médiem je voda. Během nabíjení je ze studeného čerpána voda, která je ohřívána v tepelném výměníku za LH-TES. Pracovní médium je dále seškrceno na nižší tlak a teplotu, poté jde opět do výparníku. Vybíjení má na starosti ORC, pracovní médium je stlačeno čerpadlem, předehřeje se v SH-TES a následně prochází přes výparník zakomponovaný do LH-TES. Poté organické páry expandují na turbíně a zkondenzují při odvodu tepla. [11]

Obrázek: 5 Schéma oběhu CHESTER (upraveno z [11])

Celý systém je v době vydání kompletován v laboratořích DLR. Experimentální zařízení vzniká spoluprací několika institucí, přičemž Technicalia má v gesci tepelné čerpadlo, Ghent University má na starosti ORC a vysokoteplotní zásobníky HT-TES dodává DLR. Podrobnější informace jsou transparentně uveřejňovány na [12].

Carnotovými bateriemi založenými na ORC se věnují i University of Liege a Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg. Universita v Liege vytvořila prototyp TI-PTES, na kterém bylo mimo jiné snahou zjistit optimální podmínky pro vhodnost reverzních systémů TČ/ORC, o které se prototyp snaží. Plánují vytvořit reverzní expanzní a kompresní stroj typu scroll kvůli snížení pořizovacích nákladů. [13] Na Erlangensko-norimberské univerzitě je v procesu výstavby další jednotka založena na ORC, jež má být dokončena na jaře roku 2021. Byly provedeny výpočty s řadou pracovních médií a zhodnocen vliv zvýšení teploty ukládaného média pomocí TČ v závislosti na celkové roundtrip efficiency. [14]

Systémy se zkapalňováním vzduchu

Tato technologie, označovaná Liquid Air Energy Storage (LAES), definičně nespadá přímo do kategorie Carnotových baterií. Nicméně tyto dvě metody akumulace elektřiny jsou si v určitých aspektech do velké míry příbuzné. Výzkum a vývoj LAES je oproti ETES značně napřed, jelikož započal přibližně o dekádu dříve a technologie zkapalňování plynů jsou rozšířeny napříč mnoha obory.

Nabíjení funguje na principu levotočivého tepelného oběhu, kde je vzduch pracovní i skladovaná látka. Proces začíná kompresí vzduchu z okolí, který je následně vyčištěn a zbaven vody, aby nedocházelo k jejímu zamrzání při nízkých teplotách. Poté je vzduch opět stlačen a přiveden do soustavy výměníků, kde je mu odebráno teplo. Dále plyn putuje do mezizásobníku, odtud do expandéru. Za ním už separátor oddělí část plynu, která je již zkapalněná a odvádí ji do hlavního zásobníku se zkapalněným vzduchem o teplotě −192 °C a relativně nízkém tlaku kolem 10 barů. Nezkapalněný zbytek vzduchu se vrací přes výměník na začátek oběhu. Vybíjení probíhá za pomoci pravotočivého Rankinova cyklu. Tekutý vzduch je čerpán do výparníku, kde je přivedeno teplo z mezizásobníku (−170 °C), následně je teplota vzduchu ještě zvýšena v přehřívači, který bere teplo z okolí nebo odpadního tepla. Plyn expanduje na vícestupňové turbíně s mezipřihříváním, aby byl proces maximálně efektivní. Obrázek 6 naznačuje principiální fungování celého systému. [15]

Obrázek: 6 Schéma systému LAES (upraveno z [15])

Tento koncept vyvíjí britská společnost Highview Power, která nyní plánuje a připravuje první komerční projekty o výkonech 10–40 MW. Společnost má již za sebou pilotní projekt v areálu teplárny na biomasu Slough Heat and Power poblíž Londýna. Jednalo se o zařízení o výkonu 350 kW a kapacitě 2,5 MWh využívající odpadního tepla ze zmíněné teplárny. Testování projektu mezi roky 2011–2014 proběhlo úspěšně. Na pilotní projekt navázalo v roce 2018 demonstrační zařízení o výkonu 5 MW Pilsworth poblíž Manchesteru. [16] Na podzim roku 2020 byla zahájena výstavba první komerční jednotky nedaleko Manchesteru o parametrech 50 MW/250 MWh, zahájení jejího provozu je plánováno na rok 2023. [17] Více informací je přístupných na oficiálním webu. [18]

Další řešení systémů pro skladování elektřiny formou tepla

Skladování elektřiny je aktuální problém, proto na něj nahlíží vědecká komunita z mnoha úhlů a světlo světa spatřují nápady, které částečně vybočují od standardně uvažovaných technologií CB. Některé jsou v pokročilých fázích vývoje, ale značná část se nachází v počátečním stádiu. Kromě nich jsou vyvíjeny zajímavé samostatné koncepty skladování tepla, které lze využít v procesech obdobných těm popsaným výše.

Skladování citelného tepla v betonových ložích

Norská společnost EnergyNest se zaměřuje na vývoj svého produktu HEATCRETE^®. Jedná se o modulární, škálovatelné uložiště tepla. Modulová jednotka je tvořena konstrukcí velikosti lodního kontejneru, která nese 63 betonových válců. Každým válcem prochází 4 trubičky, jimiž proudí teplosměnné médium, jež předává teplo okolnímu betonu. Modulové jednotky je možné dále vzájemně propojovat a vyvářet z nich větší celky. Ty jsou poté důkladně izolovány od okolí. Modularita ve spojení s relativně nízkou náročností na použité materiály (ocel a beton) a variabilitou používaných teplosměnných médií zajištuje HEATCRETE^® potenciálně široké uplatnění na světovém trhu.

Společnost se v současnosti nachází v komerční fázi, a má za sebou např. úspěšný pilotní projekt Masdar. Jedná se o simulaci parametrů CSP elektrárny ve spojení s termální baterií o celkové kapacitě 1 MWh_th. Zařízení bylo nainstalováno v roce 2015 a měření prokázala možnosti cyklického provozu mezi 250–380 °C. Následně EnergyNest začala spolupracovat např. s firmou Siemens. [19] Bližší informace, vizualizace a fotografie technologie můžete naleznout na [20].

Využití termochemických a sorpčních reakcí

Myšlenka využívání termochemických reakcí se objevila již v druhé polovině 19. století. Vznikly dva patenty pro pohon kolejových vozidel, kdy Moritz Honigmann vyvinul pohon založený na chemické reakci mezi hydroxidem sodným (NaOH) a vodou (H₂O). Druhý patent Emila Lammy využíval dvojici amoniak a voda. Systém byl složen ze dvou nádob, v horní byla voda a v dolní NaOH (nebo amoniak), voda soustavou trubiček proudila do hydroxidu, což způsobovalo exotermickou reakci. Uvolněné teplo jímala voda v horním zásobníku, jež se vypařovala, pára pak expandovala na pístovém expandéru, který poháněl vůz. Zkondenzovaná pára následně proudila do hydroxidu a podporovala tím další exotermickou reakci. Po překročení maximální koncentrace vody v roztoku s NaOH již systém neprodukoval potřebné množství práce pro pohon. Pro opětovné využití bylo nutné hydroxid regenerovat. Tyto systémy se však v reálném provozu neosvědčily a upadly v zapomnění.

V současnosti jsou rozvíjeny podobné systémy založeny mj. na dvojici bromidu lithného (LiBr) a vody, jež mohou pracovat na základě adsorpce nebo chemické reakce. Bromid lithný je extrémně hygroskopický, čili je schopen snadno pohlcovat vlhkost. Uvažovaný systém tedy bude založen na zmíněném Honigmann-Lamově principu. [21] Z hlediska reálných aplikací se v nedávné době objevil projekt SaltX.

SaltX je švédská společnost, jejíž koncepce na rozdíl od předešlých koncepcí CB není založena skladování latentního nebo citelného tepla, ale využívá vratné adsorpční reakce mezi solí a vodou. Akumulace tepla na teplotě 500 °C probíhá vypařováním vody z vyvinuté nano-povlakované soli, zjednodušeně řečeno sůl je vysušována. Takto separovaná sůl může být uskladněna při běžné pokojové teplotě až v řádu měsíců. Vybíjení probíhá opětovným smísením s vodou doprovázeným exotermickou reakcí dosahující teplot 450 °C. Toto teplo může být použito pro pohon tepelného oběhu např. parního Rankinova nebo může být přímo výstupním produktem. Sůl je potažená speciálním nano povlakem, aby byly eliminovány její silné korozivní vlastnosti a netvořila větší krystaly, které by snižovaly efektivitu a životnost systému zapříčiněnou degradací soli. Tento druh skladovacího materiálu má velice vysokou objemovou tepelnou kapacitu, téměř dvojnásobnou oproti roztaveným solím v CSP, což je výhodné z hlediska rozměrnosti zásobníků. [22]

Firma úspěšně spustila pilotní projekt v Berlíně v březnu 2018 roku o velikosti 0,5 MW a 5 MWh. Toto zařízení dodává ve špičkách teplo do Berlínské teplárenské soustavy. Dalším krokem bude vytvoření systému stejného výkonu a kapacity, ale s vyšší teplotou výstupní páry. Společnost má v úmyslu nabízet standalone-grid scale systémy dodávající do sítě elektřinu nebo zařízení vyrábějící technickou páru pro průmyslové subjekty. Na vytvoření grid scale sytému SaltX spolupracuje se španělskou společností Inerco. [23] Detailnější podklady o technologii jsou na webu [24].

Vysokoteplotní systémy s přímou přeměnou tepla na elektřinu

Koncepce uvažující skladování tepla o velmi vysokých teplotách, řádově až nízké jednotky tisíc °C, na rozdíl od předchozích nejsou založeny na sdílení tepla přestupem a vedením (resp. prostup), ale využívají sdílení tepla zářením. To díky tomu, že skladované materiály jsou rozžhavené a intenzivně září. Toto záření lze přímo přeměnit na elektřinu za pomoci termo-fotovoltaických článků a termionických (termoemisních) článků.

Příkladem takovýchto projektů skladování elektřiny v podobě roztaveného křemíku je například Sun in the box, oficiálním názvem Thermal Energy Grid Storage using Multi-Junction Photovoltaics (TEGS-MPV), který vyvíjí americká MIT nebo projekt EU Horizon 2020 zvaný Amadeus koordinovaný TU Madrid. Tekutý roztok na bázi křemíku skladuje citelné teplo, u evropského Amadea o teplotě 1250 °C [25], americký projekt MIT je ještě ambicióznější a uvádí teplotu 2400 °C. [26] Není však přesně známo, jak těchto extrémních teplot chtějí američtí i evropští vědci při nabíjení dosáhnout, jelikož současný trh žádná zařízení k tomu vhodná nenabízí. Oba projekty se vyznačují přímou konverzí tepla v elektřinu, což by mělo zvýšit roundtrip efficiency (teoreticky 50–55 %) a kompaktnost celé technologie, v porovnání s CB, které k tomu potřebují zpravidla rozměrné tepelné oběhy. Konverze je realizována termo-fotovoltaickými články a v případě Amadea navíc i termionickými články. Tato zařízení fungující při extrémních teplotách, proto vyžadují rozsáhlý výzkum a vývoj po všech stránkách, především pak z pohledu materiálového inženýrství pro vlastní skladování tepla i systémy zpětné konverze. Nicméně obě organizace postupně vytvářejí a testují jednotlivé komponenty, ve snaze uvést první pilotní projekty. Více o projektu Amadeus je k nalezení ve zdrojích [27].

Carnotovy baterie pro ČR

Tématu Carnotových baterií se věnuje i skupina výzkumníků na ČVUT v Praze působící na Fakultě strojní a Univerzitním centru energeticky efektivních budov. Aplikační potenciál je v České republice spatřován pro velké „elektrárenské“ systémy i pro malé systémy v průmyslových provozech. První z aktivit je modelování systémů pro výkony od 10 MWe výše, jejichž provozování by spadalo pod elektrárenské koncerny. V první fázi byly posouzeny možnosti systémů s přímou přeměnou elektřiny na teplo, jeho ukládáním do tekutých solí či štěrkových loží a zpětné využití parním oběhem (případně v budoucnu oběhem s nadkritickým CO₂). Pro dané systémy je účinnost přeměny reálně do 35–38 %, s možným zvýšením k hodnotám kolem 40 % pouze za cenu vyšších teplot a dražších materiálů. Při nízkém ročním využití systému a nedostatečné izolaci nádrží může sumární účinnost ale klesnout v důsledku tepelných ztrát až o 10 procentních bodů. V rámci úsilí o vyšší účinnost výzkum a analýzy přešly na systémy s „tepelným čerpadlem“, neboli reverzními tepelnými oběhy pro nabíjení a vybíjení. Několik konceptů, ať již CO₂ systém inspirovaný MAN+ABB, tak založených na plynových rekuperovaných Braytonových obězích (primárně se vzduchem kvůli dostupnosti a jednodušší technologii), je ve fázi detailních výpočtů, předběžných návrhů a odhadů cen.

Perspektiva řady aplikací je ovšem v různě (nejen tepelně) integrovaných systémech. Systémy navržené pro integraci do uhelných elektráren mají značný potenciál, z důvodu jejich následného přechodu na čisté skladovací provozy, a to především s postupnými plány odstavování uhelných elektráren, využitím vzniklých brownfieldů a fluktuací cen elektřiny. Kromě elektráren je ale ještě zajímavější aplikace v teplárenství. Tam je také snaha o zefektivnění provozů, postupné omezení uhlí, a hlavně díky dodávce tepla je možné postavit výrazně efektivnější systém lépe využívající potenciál obnovitelné elektřiny.

V řadě průmyslových podniků a provozů jsou zdroje odpadního tepla, pro které není dalšího využití. Zároveň díky špičkám v odběru elektřiny je zde v případě optimalizace odběru ze sítě díky skladování elektřiny prostor pro značné úspory. Na to cílí tepelně integrované systémy CB. Pro vyhodnocení potenciálu pro nasazení těchto systémů byl sestaven univerzální model umožňující rychle posoudit možnosti, dosažitelné výkony a účinnost v závislosti na teplotě a dalších parametrech zdroje odpadního tepla. Ilustrativní ukázka dosažitelných parametrů Carnotových baterií s využitím reálných parametrů tepelného čerpadla a ORC a nového chladiva R1336mzz(z), v závislosti na teplotě zdroje a teplého zásobníku je na Obrázku 7.

Obrázek: 7a Schéma systému Carnotovy baterie pro využití odpadního tepla

Obrázek: 7b Dosažitelné parametry roundtrip účinnosti

Obrázek: 7 Schéma systému Carnotovy baterie pro využití odpadního tepla a dosažitelné parametry roundtrip účinnosti

Z obrázku je patrné, že díky využití odpadního tepla pro velmi malé zvýšení teploty může být nominální roundtrip účinnost vyšší než 100 %. Zaměření výzkumu se oproti jiným pracovištím ve světě soustřeďuje na možnost využití tepla z tepelného čerpadla nejen pro ORC, ale také jako procesního tepla v samotném průmyslu čili s nižší účinností, ale vyšším celkovým využitím a možnými ekonomickými benefity. V dalších fázích výzkumu bude probíhat experimentální návrh a optimalizace vysokoteplotního tepelného čerpadla a zásobníků tepla např. na bázi kamenného prachu jako první komponenty z celého systému. Následovat bude pilotní aplikace Carnotovy baterie pro využití odpadního tepla, na které budou ověřeny reálné možnosti integrace do podnikové energetiky.

Závěr

Ve druhém díle článku o Carnotových bateriích (CB) byly představeny konkrétní příklady těchto technologií, jež se jeví jako velmi perspektivní ať už pro podpůrné síťové služby, agregaci flexibility, peak-shaving hodinových maxim na straně odběratele nebo zkrátka pro velkoobjemové střednědobé ukládání „obnovitelné“ elektřiny v budoucnosti.

Na konkrétních příkladech a projektech byly naznačeny cesty, jakými se tato relativně mladá technologie bude pravděpodobně ubírat v budoucnu směrem ke komercializaci. S velkou pravděpodobností nejednou uslyšíme například o projektu, jenž se snaží přebudovat odstavované uhelné elektrárny v Německu právě na CB. To je z pohledu současnosti velice aktuální téma, jelikož nejenom Německo se svým programe Energiewende, ale prakticky většina Evropských zemí začíná plánovat a provádět odstávky uhelných bloků (s úvahami o ponechání technologie pouze pro zálohy). Současně s tím však vyvstává logická otázka, zda by se tyto bloky s funkční a jinak finančně náročnou technologií, nedaly lépe využít, namísto jejich nákladné likvidace a zániku na nich závislé infrastruktury a pracovních pozic. Z pozice ČR a výzkumných aktivit na ČVUT ještě zajímavěji vypadají teplárny, které kromě možnosti zpětně ze systému dodávat a ukládat elektřinu, přidávají i flexibilitu na straně lokální dodávky tepla.

Kromě přestaveb lze předpokládat, že i zcela nové technologie jako reverzní tepelné oběhy, skladující často teplo i chlad a nabízející účinnosti v rozsahu 40–70 % přinesou alespoň částečný průlom na poli skladování elektřiny velkých výkonů a kapacit. Řada demonstračních, pilotních i komerčních systémů je postavena, či je v pokročilé úrovni plánování a další na sebe pravděpodobně nenechají dlouho čekat.

Zdroje

R. Tiskatine, A. Aharoune, L. Bouirden, and A. Ihlal, Identification of suitable storage materials for solar thermal power plant using selection methodology, Appl. Therm. Eng., vol. 117, pp. 591-608, May 2017, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2017.01.107.
C. Odenthal, W. D. Steinmann, and S. Zunft, Analysis of a horizontal flow closed loop thermal energy storage system in pilot scale for high temperature applications – Part I: Experimental investigation of the plant, Appl. Energy, vol. 263, p. 114573, Apr. 2020, doi: 10.1016/j.apenergy.2020.114573.
D. Barmeier, Electric Thermal Energy Storage (ETES).
https://windenergietage.de/wp-content/uploads/sites/2/2017/11/26WT0811_F11_1120_Dr_Barmeier.pdf.
Thermal energy storage with ETES I Siemens Gamesa.
https://www.siemensgamesa.com/products-and-services/hybrid-and-storage/thermal-energy-storage-with-etes.
M. Geyer, Webinar on Carnot Batteries- From CoalAge to StorAge. [Online]. Available: https://atainsights.com/wp-content/uploads/2019/04/190404-_Michael-Geyer-Sebastian-Freund-Webinar-Carnot-Batteries-distr.pdf.
M. Geyer, F. Trieb, S. Giuliano, and R. Schröer, Repurposing of existing coal-fired power plants into Thermal Storage Plants for renewable power in Chile.
B. R. Bollinger, Malta Pumped Heat Electricity Storage (PHES) for Coal Exit and Energy Transition from Fossil to Renewable Energies 2^nd International Workshop on Carnot Batteries 2020, 2020. Accessed: Oct. 17, 2020. [Online]. Available: https://iwcb2020.welcome-manager.de/archiv/web/userfiles/iwcb2020/Downloads/Presentations/IWCB20_VI_3_MaltaPHESCoal_BOLLINGER.pdf.
Google X spin-off Malta could change world, but lags behind rivals | Recharge.
https://www.rechargenews.com/transition/google-x-spin-off-malta-could-change-world-but-lags-behind-rivals/2-1-651240.
Sector Coupling the Essential Key to Decarbonisation Electro-Thermal-Energy-Storage. Accessed: Oct. 17, 2020. [Online]. Available: https://iwcb2020.welcome-manager.de/archiv/web/userfiles/iwcb2020/Downloads/Presentations/IWCB20_I_1_SectorCouplDecarboniz_DECORVET.pdf.
MAN ETES - A tale of fire and ice. https://www.man-es.com/discover/a-tale-of-fire-and-ice.
S. Ochoa and H. Jockenhöfer, Detailed design of the high temperature TES laboratory prototype ORDP Open Research Data Pilot, 2019. Accessed: Aug. 25, 2020. [Online]. Available: www.chester-project.eu.
CHESTER Project. https://www.chester-project.eu/.
O. Dumont, R. Dickes, M. Ishmael, and V. Lemort, Mapping of performance of pumped thermal energy storage (Carnot battery) using waste heat recovery.
D. Steger, C. Regensburger, B. Eppinger, S. Will, J. Karl, and E. Schlücker, Design aspects of a reversible heat pump - Organic rankine cycle pilot plant for energy storage, Energy, vol. 208, p. 118216, Oct. 2020, doi: 10.1016/j.energy.2020.118216.
M. Akhurst, A. Atkins, and I. Arbon, Liquid Air in the energy and transport systems - Opportunities for industry and innovation in the UK. [Online]. Available: https://www.academia.edu/3503412/Liquid_Air_in_the_energy_and_transport_systems_Opportunities_for_industry_and_innovation_in_the_UK.
Plants | Highview Power. https://highviewpower.com/plants/.
Work begins on 250-MWh CRYOBattery that stores energy as liquid air. https://newatlas.com/energy/250-mwh-cryobattery-energy-cooled-liquid-air/?fbclid=IwAR2cFTcPqtthjgb-xCXS0JSX5pINkouKudzp1FAv7fohOSubaxhIfBaGFCM.
Highview Power. https://highviewpower.com/.
N. Hoivik et al., Demonstration of EnergyNest thermal energy storage (TES) technology, 2017. doi: 10.1063/1.4984432.
EnergyNest | Thermal Battery Company | Energy Storage Technology. https://energy-nest.com/.
E. Thiele, A. Jahnke, and F. Ziegler, Efficiency of the Lamm–Honigmann thermochemical energy storage, Therm. Sci. Eng. Prog., Oct. 2020, doi: 10.1016/j.tsep.2020.100606.
Technology - SaltX Technology - World patented nano-technology. https://saltxtechnology.com/technology/.
Large-scale pilot plant - SaltX Technology. https://saltxtechnology.com/references/.
SaltX Technology - Energy storage with nano coated salt. https://saltxtechnology.com/.
A. Datas, Ultra-High Temperature Energy Storage and Conversion: A Review of the AMADEUS Project Results, Oct. 2019, doi: 10.5281/ZENODO.3483774.
C. Amy, H. R. Seyf, M. A. Steiner, D. J. Friedman, and A. Henry, Thermal energy grid storage using multi-junction photovoltaics, Energy Environ. Sci, vol. 12, p. 334, 2019, doi: 10.1039/c8ee02341g.
AMADEUS Project - Electric Thermal Energy Storage. https://www.amadeus-project.eu/.

Aktualizováno 21.1.2021 - doplněny odkazy do zdrojů a upraveny některé formulace.

English Synopsis

The article focuses on Carnot batteries i.e. the electricity accumulation systems using heat storage. This second part brings a global overview of specific technologies, projects and in the end opportunities for applications in the Czech Republic.