Sezónní akumulace – jak těžké je uložit terawatthodiny z léta na zimu?
V létě vyrobím, uložím a v zimě spotřebuji – tak vypadá idea sezónní akumulace. Je něco takového dosažitelné v řádu terawatthodin?
Díky přibývajícím obnovitelným zdrojům budou v Evropě stále častější letní přebytky energie, zatímco v zimě jí bude nedostatek. Nabízí se tak letní přebytky uložit na zimu. Technicky to možné je. Ale jak velký úkol představuje sezónní akumulace na úrovni státu?
Myslím, že pro takový účel dává smysl si stanovit si pro sezónní akumulaci laťku alespoň na jednu terawatthodinu.
1 terawatthodina (TWh) = 1 000 gigawatthodin (GWh) = 1 000 000 megawatthodin (MWh) = 1 000 000 000 kilowatthodin (kWh)
Je to hodně nebo málo? Záleží na úhlu pohledu.
Z pohledu spotřeby energie celé ČR není jedna terawatthodina velké číslo. Takto například vypadaly vybrané položky spotřeby energie v ČR v měsíci lednu 2021:
- Spotřeba elektřiny: 6 terawatthodin
- Spotřeba plynu: 13 terawatthodin
- Výroba tepla v teplárnách: 5,5 terawatthodiny
- Spotřeba nafty a benzínu: 1,7 terawatthodin
(Zdroje: ERÚ, ČSÚ)
Spotřebovat jednu terawatthodinu tedy není žádný problém.
Z pohledu výroby elektřiny je jedna terawatthodina poměrně vysoké číslo. Jaderná elektrárna Temelín vyrobí za rok okolo 15 terawatthodin elektřiny. Všechna fotovoltaika v ČR vyrobí lehce přes 2 terawatthodiny elektřiny, tuzemské větrníky jen 0,6 terawatthodiny, máme jich u nás málo.
Vyrobit jednu terawatthodinu je celkem slušný výkon, ale není to nic neobvyklého.
A konečně z pohledu akumulace energie je jedna terawatthodina obrovské číslo. Nebavíme se teď o zásobnících paliv, ale o ukládání vyrobené elektřiny nebo tepla. Nikde na světě není úložiště, které by zvládlo samo o sobě uložit takový objem energie.
Uložit jednu vyrobenou terawatthodinu je extrémně náročné bez ohledu na typ akumulace, který zvolíme. Hezky to vynikne při pohledu na kapacity, které nám nabízí stávající technologie.
Kolik energie umíme uložit?
Běžná domácí baterie pro ukládání elektřiny ze střešní fotovoltaiky pojme 10 kilowatthodin elektřiny, jednu stomiliontinu terawatthodiny. Baterie drahého elektromobilu má kapacitu 100 kilowatthodin elektřiny. Velká kontejnerová lithiová baterie Tesla Megapack uloží 3 000 kilowatthodin elektřiny neboli 3 megawatthodiny.
Baterie Tesla Megapack, Courtesy of Tesla, Inc.
Akumulační nádrž v brněnských teplárnách zvládne uložit 345 megawatthodin. To je více než stonásobně vyšší hodnota, než u průmyslové kontejnerové baterie, ale zde se neukládá elektřina, nýbrž tepelná energie. Teplo není tak univerzální druh energie jako elektřina, ale zase se ukládá mnohem snadněji a levněji.
Největší akumulátor v ČR, přečerpávací elektrárna Dlouhé stráně, se pohybuje v úplně jiných řádech. Pojme až 3,2 gigawatthodin elektřiny. To je 3,2 milionu kilowatthodin. Kdybychom místo ní chtěli použít bateriové kontejnery, museli bychom jich instalovat více než 1 000. V současnosti (březen 2023) těchto kontejnerů v republice máme zhruba 10. Dlouhé stráně tedy uloží opravdu hodně elektřiny, nicméně stále to jsou jen tři tisíciny terawatthodiny.
Největší vodíkové úložiště na světě momentálně budované v solných jeskyních v americkém Utahu by mělo pojmout až 300 gigawatthodin vodíku. To je obrovské množství energie, stonásobek kapacity Dlouhých Strání a téměř jedna třetina terawatthodiny.
Z toho vyplývá, že kdybychom chtěli uložit jednu terawatthodinu elektřiny, museli bychom postavit více než 300 přečerpávacích elektráren velikosti Dlouhých strání, téměř 3 000 brněnských akumulačních nádrží nebo přes 300 000 kontejnerů s bateriemi. Stejná kapacita odpovídá velikosti akumulátorů deseti milionů luxusních elektromobilů, nebo třem největším úložištím vodíku na světě. A to by byla jen jedna jediná terawatthodina.
Potřebná kapacita je navíc teprve první výzvou pro dlouhodobé úložiště, která řeší, kolik energie můžeme uložit. Další hlavní výzvou je účinnost. Ta určuje, kolik energie z úložiště můžeme získat.
Účinnost dlouhodobé akumulace
Při ukládání energie vznikají ztráty, nejde se tomu vyhnout. O nějaké množství energie vždy při uskladnění přijdeme. Tyto ztráty rostou přímo úměrně s množstvím uložené energie – čím více energie ukládáme, tím větší jsou energetické ztráty. A když se bavíme o ukládání terawatthodin, znamená to, že budeme ztrácet obrovské množství energie. Proto chceme akumulátor s vysokou účinností, aby ztráty byly co nejnižší.
Vezměme například úložiště s účinností 90 %. To je velmi slušná hodnota, které dosahují moderní baterie. Takto vysoká účinnost znamená, že při uložení 10 TWh o jednu terawatthodinu přijdeme. To není málo, jak jsme zmiňovali, veškerá česká fotovoltaika v roce 2022 vyrobila za rok přibližně 2 TWh elektřiny. A to by byla baterie s vysokou účinností. Sezónní akumulace ale nebude probíhat do baterií, protože baterie jsou drahé a náročné na materiál.
Dále můžeme přeměnit elektřinu na teplo a uložit do termálního úložiště, odkud ji budeme brát zpět přes parní cyklus (turbínu a generátor jako u tepelné elektrárny). Zde se účinnost ukládání elektřiny pohybuje okolo 50 % podle použité technologie. To znamená, že z uložených 10 terawatthodin jich 5, tedy polovinu ztratíme. Nebo vzato z druhé strany, musíme vyrobit 10 terawatthodin, abychom jich z úložiště získali 5.
To není moc, tuto účinnost ale můžeme výrazně zvýšit, nebudeme-li pracovat s elektřinou, nýbrž s teplem. Když se teplo ze zásobníku využije přímo, ať už na vytápění nebo na průmyslové procesy, dostáváme se s účinností na hodnoty přesahující 90 %, kdy při uložení 10 TWh ztratíme jen jednu terawatthodinu nebo méně.
Účinnost se naopak zhorší, pokud na ukládání elektřiny zvolíme vodík. Pak počítáme s cyklem elektřina – elektrolýza – stlačení do úložiště – výroba elektřiny. Účinnost moderních metod elektrolýzy je 80 %, účinnost stlačení na 300 barů je 90 %, účinnost plynových elektráren s kombinovaným cyklem je 60 %. Použijeme-li moderní technologie, vyjde celková účinnost procesu elektřina – vodík – elektřina zhruba na 45 %. To je optimistická hodnota při použití těch nejlepších technologií.
To znamená, že z 10 uložených terawatthodin jich při ukládání ztratíme více než polovinu. A to počítáme s nejlepšími technologiemi i s tím, že nám při ukládání takového množství skoro nic neunikne.
Výroba vodíku z jádra
Abychom si takovou hodnotu mohli lépe představit, pojďme si při této špičkové účinnosti uložit do vodíku veškerou roční výrobu Temelína:
- vezmeme jadernou elektrárnu, nejvýkonnější zdroj elektřiny v republice, a provozujeme ho rok
- veškerou vyrobenou elektřinu, tedy 15 TWh uložíme, což znamená…
- … žádnou vyrobenou elektřinu nespotřebujeme.
Bod 3 znovu: když jsme veškerou výrobu uložili, nezbylo nám nic na spotřebu. Žádnou elektřinu z nejvýkonnějšího zdroje jsme nevyužili na pokrývání okamžitého zatížení. Elektromobily, tepelná čerpadla, světla, internet, klimatizace, výroba zboží... to všechno bylo poháněno z jiných zdrojů. Obětovali jsme nejvýkonnější zdroj na akumulaci po celý rok, protože chceme být vodíková velmoc a potřebujeme uložit co nejvíc energie.
Abychom uložili roční produkci jedné jaderné elektrárny, musíme mít připravené úložiště na 11 terawatthodin vodíku (při 80% účinnosti elektrolýzy a stlačení na 300 barů víc neuložíme). To je 37krát větší kapacita, než má mít největší v současnosti připravované vodíkové úložiště na světě. 37krát! Úložiště si představme ideální, takže nám z něj nic neunikne.
S použitím vysoce účinného kombinovaného paroplynového cyklu dostaneme z úložiště 6,6 Terawatthodin elektřiny. Vyrobili jsme 15, získali necelých 7.
Nízká účinnost znamená, že sezónní akumulátor je obrovský žrout energie!
Vzali jsme nejvýkonnější dostupný zdroj, nechali jsme ho běžet celý rok, z vyrobené elektřiny jsme na spotřebu neposlali ani elektron, použili jsme ty nejlepší a nejdražší technologie, postavili úložiště s kapacitou a cenou z říše snů! A výsledkem je množství elektřiny, které, když se podíváte výše, pokryje spotřebu elektřiny v ČR na jeden zimní měsíc. A to ještě za situace, že vytápění a doprava nebudou elektrifikované a budou dál fungovat na na dřevo a fosilní paliva.
Zároveň to znamená, že jsme většinu roční výroby Temelína vyhodili. Na začátku jsme měli 15 terawatthodin čisté elektřiny, po uplatnění vodíkové akumulace nám při obrovských nákladech nezůstala ani polovina.
Teď si zkuste libovolný parametr z příkladu změnit na méně ideální hodnoty. Místo jádra použijete fotovoltaiku o stejném výkonu, která vyrobí výrazně méně elektřiny. Neuložíte všechno, část půjde na spotřebu. Úložiště bude mít menší kapacitu a použijete finančně dostupnější technologie. Kolik elektřiny vám zůstane?
Dostatek čisté elektřiny pro sezónní ukládání
Sluneční svit a vítr jsou přece zadarmo a množství energie, které nesou, mnohonásobně překračuje spotřebu lidstva. Proč řešit účinnost úložiště?
Ano, slunce a vítr jsou zadarmo, ale gigawatty větrných a solárních elektráren stojí poměrně dost materiálů a peněz. Abychom vyrobili z fotovoltaiky jednu terawatthodinu, musíme v podmínkách ČR instalovat 1 GWp fotovoltaiky a rok počkat.
Jedna věc je ale terawatthodinu vyrobit, ale úplně něco jiného je terawatthodinu uložit. Protože abychom mohli získat jednu terawatthodinu z úložiště s nízkou účinností, musíme vyrobit a uložit terawatthodin mnohem víc. Sezónní akumulace zvyšuje spotřebu energie.
To znamená jednak postavit více zdrojů, a především žádnou vyrobenou elektřinu z těchto zdrojů nespotřebovat, všechno uložit.
Jenže my potřebujeme zdroje na pokrytí okamžité spotřeby. A tyto zdroje musí být také bezemisní (OZE, jádro), jinak akumulace postrádá smysl z hlediska snižování emisí skleníkových plynů.
Nebude-li veškerá elektřina v síti včetně přebytků bezemisní, budeme v jednu chvíli mrhat čistou elektřinou v sezónních akumulátorech s nízkou účinností a zároveň vysoce účinné technologie na straně spotřeby (elektromobily, tepelná čerpadla) budeme napájet elektřinou z uhlí a plynu.
Jinak řečeno, dokud není veškerá elektřina v síti bezemisní, není vodík doopravdy zelený. Z hlediska oteplování planety je jedno, že jsme vodík vyrobili z fotovoltaiky, když tato elektřina ve stejnou chvíli chyběla jinde a musela se vyrobit z fosilních paliv.
Využití letních přebytků elektřiny
Kdybychom chtěli uložit 1 TWh elektřiny z fotovoltaiky do vodíku s účinností 30 %, museli bychom v podmínkách ČR postavit 3 GWp fotovoltaiky a veškerou výrobu ukládat po jeden rok.
Jenže má-li se jednat o bezemisní záležitost, počítají se jen takové přebytky, kdy je veškerá spotřeba pokrytá z čisté elektřiny – z OZE a jádra.
Taková situace nastává pár dní v roce. V budoucnu to bude třeba několik týdnů. I tak by k dosažení takových přebytků za tak krátkou dobu byly potřeba desítky gigawattů fotovoltaiky.
Abychom mohli mít přebytky, musíme mít nejprve pokrytou spotřebu. A spotřeba elektřiny roste. Nastupují ve velkém elektromobily, tepelná čerpadla, těžba kryptoměn, vysokorychlostní internet… Současně je největší zdroj elektřiny, fosilní paliva, odesílán na propadliště dějin. Bude ho potřeba něčím nahradit. Kolik zelené elektřiny zbyde na dlouhodobé ukládání?
Shrnuto, pro sezónní akumulaci tedy potřebujeme tolik bezemisních zdrojů, aby:
- pokryly rostoucí spotřebu elektřiny při odstavení fosilních paliv,
- generovaly velmi vysoké a časté přebytky energie pro dlouhodobou akumulaci s nízkou účinností.
Máte poznamenáno? Další požadavek je, že to vše musí být navíc levné.
Nízká cena úložiště i vstupní a výstupní energie
Každá technologie terawatthodinového úložiště bude mít obrovské investiční náklady a nikdo neví, jak budou vysoké. Ať už se bavíme o vodíku, přečerpávací elektrárně, nebo třeba o tepelném úložišti, terawatthodiny jsou tak velký objem energie, že cena za kilowatthodinu úložiště bude muset být velmi nízká, aby něco takového bylo investičně schůdné. Proto nepřichází v úvahu terawatthodinové sezónní úložiště postavené z baterií.
Další věc jsou provozní náklady. Úložiště s účinností 30 % spolkne tři kilowatthodiny a vrátí zpět jednu. Cenu této jedné kilowatthodiny z akumulátoru proto ovlivní především cena trojnásobku vstupní energie. Kdybychom měli vyrábět vodík elektrolýzou vody, jak se nyní předpokládá, bude touto vstupní komoditou elektřina. Potřebujeme mít tak levnou elektřinu, abychom si mohli dovolit dvě třetiny z ní ztratit a poslední třetinu prodat tak draho, aby nám pokryla nákup trojnásobku energie a zároveň tak levně, aby ještě byla pro zájemce cenově přijatelná.
U zeleného vodíku se do budoucna počítá s cenou okolo dvou dolarů na kilogram nebo ještě méně. Jeden kilogram vodíku obsahuje zhruba 33,3 kilowatthodin energie, jedna kilowatthodina elektřiny z vodíku by tak stála 6 centů, v přepočtu 1,4 Kč. Ovšem cena elektřiny, hlavní suroviny pro výrobu zeleného vodíku, dnes (březen 2023) běžně dosahuje dvojnásobných hodnot a zatím to nevypadá, že by se chystala zásadně klesnout.
A nakonec je tady otázka doby provozu – když máme takto drahé úložiště, chceme ho využívat co nejvíc a co nejdelší dobu. Nejde postavit megawatty elektrolyzérů na výrobu vodíku za miliardy a pak čekat, až bude svítit a foukat tolik, že to pokryje veškerou poptávku (včetně elektromobilů, stacionárních baterií, klimatizací, tepelných čerpadel…) a ještě budou přebytky. Dlouhodobé úložiště proto vyžaduje vlastní bezemisní zdroj. Tím se ale vracíme k předchozí kapitole – aby se dlouhodobé ukládání vyplatilo, nesmí se zdroj používat na okamžitou spotřebu. Spotřeba ale poroste...
Dovoz vodíku
Technicky nadějné jsou projekty rozsáhlých farem obnovitelných zdrojů ve vhodných přírodních podmínkách, typicky obří fotovoltaická pole na Sahaře nebo v zemích blízkého východu. Pro výrobu terawatthodin v těchto oblastech stačí instalovat několikrát méně obnovitelných zdrojů než v Evropě.
Budeme tedy dovážet vodík z Afriky, Austrálie nebo ze Saúdské Arábie? Technicky je to schůdné, ale na první pohled je jasné, že se takové projekty neprotínají s požadavkem vyšší soběstačnosti – vodík by se vyráběl kdesi na rovníku a Evropa by tak byla dále závislá na dovozu.
Závislost na dovozu energie z dalekých regionů, které nejsou pod kontrolou Evropy je při tom to, čeho se chceme v souvislosti s ruským útokem na Ukrajinu zbavit. Druhý aspekt dovozu vodíku je, že transport vodíku na dlouhou vzdálenost obnáší stlačení na vyšší tlak nebo dokonce zkapalnění – tedy vyšší energetické ztráty, nižší účinnost a vyšší náklady.
Jiné zdroje vodíku než obnovitelné zdroje
V první řadě je zde odpadní vodík, který je sice skvělý, ale nejspíš nebude nedostupný v objemech potřebných pro velkou energetiku. Dalším zdrojem bezemisního vodíku jsou fosilní paliva s ukládáním uhlíku nebo jádro. V těchto případech se ale jedná o výrobu paliva z paliv. A to nedává smysl.
Smysluplná technologie sezónní akumulace elektřiny musí mít obrovskou kapacitu, vysokou účinnost, přebytek bezemisní energie pro ukládání a to vše musí být levné a pokud možno lokální. Technologii, která by tyto požadavky splňovala, zatím nemáme a ustoupení z každého jednotlivého požadavku znamená, že koncept sezónního úložiště dává menší a menší smysl.
Jestli se některý z uvedených parametrů zásadně nezlepší, zůstane sezónní úložiště slepou uličkou, kterou budeme marně prošlapávat.
Jak tedy v zimě zajistit dostatek bezemisní energie? Na to se podíváme v dalším článku:
