Ukládání elektřiny vyrobené v solárních nebo větrných elektrárnách je velkou výzvou. Podívejte se na přehled možností, jak elektřinu akumulovat. Jaké jsou jejich výhody a nevýhody? Jaké možnosti nachází využití v praxi?
Nedávno se objevil na stránkách tohoto magazínu článek „Levný způsob skladování energie: Řešení pro fotovoltaiku“. Lze k němu mít různé výhrady (některé se objevily v diskuzi pod článkem) například proto, že zjednodušuje celý problém na elektrolýzu vody, nebo proto, že poněkud nejasně píše o fotosyntéze. V jedné věci je však velmi přínosný; upozorňuje totiž, na klíčový význam ukládání elektřiny pro další rozvoj fotovoltaiky a také větrné energie.
V minulém roce bylo o fotovotaice napsáno neuvěřitelné množství textu (myslím, že každý den byl v některých novinách alespoň jeden článek), nicméně veškerá pozornost se soustředila na cenu fotovoltaických panelů a na to jak z velkých fotovoltaických a větrných elektráren vyvést výkon tak, aby to neohrozilo stabilitu sítě.
Reklama Energetika a technologie na Nazeleno |
– Odsolování vody: Možnosti |
Cena fotovoltaiky bude klesat
Troufnu si tvrdit, že cena fotovoltaických panelů během následujících let bude znatelně klesat a při současném růstu cen silové elektřiny z klasických zdrojů dojde k tomu, že (pokud by šlo jen o cenu vyrobené kWh), bude fotovoltaika plně konkurenceschopná; v odborné literatuře se používá termín Grid parity.
Také problém vyvedení výkonu se výrazně zmenší tím, že se nebudou stavět ohromné elektrárny na volné ploše, ale spíše větší množství menších zdrojů na střechách. Určitě také pomůže zavedení takzvaných inteligentních sítí (smart grids). Podobný rozvoj čeká také větrné elektrárny.
Cena fotovoltaických panelů během následujících let bude znatelně klesat
Problém solárních elektráren
Jeden kardinální problém tady ale zůstává. Pokud bychom chtěli pokrývat větší množství naší potřeby elektřiny z fotovoltaických a větrných elektráren, pak musíme najít metodu pro ukládání vyrobené elektřiny. Zde je dobré si uvědomit, že energie ze slunce, jako jediná z obnovitelných zdrojů, má sice teoretický potenciál pokrýt 100 % našich potřeb elektřiny a tepla, jenže fotovoltaické elektrárny vyrábí nejvíce elektřiny právě v době, kdy je nejmenší spotřeba tj. přes den v létě. Naopak jejich příspěvek za mrazivých zimních večerů je nulový.
Je to v příkrém nesouladu s časovým průběhem spotřeby elektřiny. Udává se, že průměrné roční využití instalovaného výkonu je u fotovoltaických elektráren necelých 12 % . Význam tohoto čísla možná lépe vynikne, když se na něj podíváme takříkajíc z druhé strany. Na serveru Aktualne.cz je článek z 5. 3. 2011, kde pan Spáčil z České fotovoltaické asociace říká: „Čistě hypoteticky: pokud pokryjeme všechny střechy solárními panely, pokryjeme více než 50 % okamžité celkové energetické spotřeby republiky.“ To zní dobře, ale problém je ve slovíčku „okamžité“. Předpokládejme (opět čistě hypoteticky), že nainstalujeme dvojnásobek uvedeného množství, tolik fotovoltaických panelů, že za jasného letního dne pokryjí veškerou okamžitou potřebu elektřiny. Když ale sečteme jejich produkci za celý rok, pak zjistíme, že nám zajistily jen necelých 12 % roční potřeby elektrické energie. To je, mírně řečeno, zatraceně málo.
Vyrábět v Africe, spotřebovávat v Evropě
Pro srovnání, větrné elektrárny jsou na tom přibližně dvakrát lépe a u jaderné elektrárny Temelín je využití zhruba 82 %. Vyrobenou solární elektřinu ovšem nestačí skladovat jen ze dne na následující noc, ale v našem klimatu je zapotřebí i sezóní ukládání, protože největší část výroby je v letním období, zatímco v zimě je výroba minimální.
Také z tohoto důvodu se v poslední době zvažují možnosti umístit velké fotovoltaické elektrárny například v severní Africe, kde je velmi pravidelný sluneční svit (a v pouštních oblastech i levná půda) a vyrobenou elektřinu transportovat do Evropy podmořským kabelem (viz projekt DESERTEC).
Zde by stačilo ukládat vyrobenou energii jen ze dne na noc a k tomu se zatím docela dobře hodí solární termální elektrárny (nepoužívají fotovoltaické panely ale vysokoteplotní kolektory, které vyrábí páru pro klasické parní turbíny a teplo se akumuluje v roztavené směsi solí). Z ekonomického i politického hlediska je to ale zatím asi poněkud nepraktické řešení. Navíc, jak by se vlastně takové ohromné tepelné elektrárny chladily (do chlazení je třeba odvést dvojnásobný výkon než ten, který odvádíme ve formě elektřiny). V poušti není k dispozici voda pro chladicí věže.
Další rozvoj výroby elektřiny ze Slunce tedy asi půjde cestou využívání stále účinnějších a levnějších fotovoltaických panelů a větší uplatnění tohoto zdroje bude tedy možná podmíněno právě tím, nakolik se podaří problém akumulace vyřešit.
Možnosti akumulace vyrobené elektřiny
Možností ukládání elektřiny je celá řada. Mnohé jsou velmi dobře vyzkoušené a rozsáhle používané, ale většina z nich není pro výše zmíněné použití moc vhodná a všechny bez vyjímky také něco stojí. Pěkný přehled možností ukládání elektřiny lze nalézt na stránkách Electricity Storage Association.
Na systémy akumulace elektřiny je řada často protichůdných požadavků, důležité jsou následující vlastnosti:
- Velikost a kapacita, respektive hustota energie tj. kolik kWh může uchovat na kilogram hmotnosti
- Maximální výkon jaký může poskytnout, jak rychle dokáže energii uvolnit
- Doba po jakou může energii uchovat a kolik energie se při tom ztratí
- Účinnost a její případný pokles s časem
- Investiční náklady a cena za akumulovanou kWh
- Počet cyklů, životnost
- Bezpečnost provozu, vliv na životní prostředí
Životnost – počet cyklů – je důležitou vlastností každého zařízení pro akumulaci elektřiny
1. Kondenzátory
Jde asi o nejstarší a nejznámější metodu krádkodobého ukládání elektrické energie. Výhodou kondenzátoru je velmi vysoká rychlost vybíjení a velmi vysoký počet cyklů nabití/vybití. Dosažitelné kapacity a hustoty energie běžných kondenzátorů jsou ale příliš malé pro účely skladování elektřiny (zatím je to řádově jen 0,2Wh/kg). V posledních letech se objevily takzvané superkondenzátory nebo lépe elektrochemické kondenzátory (více o nich je zde), jejichž hustota energie je v řádu 10Wh/kg . Uvažuje se o jejich použití v elektromobilech jako malý, ale výkonný zásobník energie (cache) před baterií. Pro dlouhodobé ukládání většího množství energie se zatím rozhodně použít nedají.
2. Akumulátory – elektrochemické články
Akumulátory respektive elektrochemické články – na rozdíl od kondenzátorů je zde energie uchována v chemické sloučenině a ne jako kladné a záporné náboje oddělené izolační vrstvou. Vybíjení a nabíjení je proto výrazně pomalejší, ale hustoty energie mohou být až o tři řády vyšší.
-
Olověný akumulátor
Zatím stále jde o nejběžnější akumulátor; jeho nevýhodou je relativně malá hustota energie (je těžký). Olovo je navíc poměrně drahé a značně jedovaté, s výrazně nepříznivými vlivy na životní prostředí.
-
Li-ion akumulátor
Na rozdíl od olova je lithium velmi lehký kov a díky jeho velké reaktivitě mají lithiové články relativně vysoké napětí (3,7V). Lithium je na rozdíl od olova poměrně hojně zastoupený prvek a nepředstavuje nějaké významné ohrožení pro životní prostředí.
Katodu v lithiových článcích tvoří sloučeniny lithia (LiCoO2, LiFePO4 a řada dalších) a anoda je vyrobena z uhlíku (speciální forma grafitu). Elektrolyt tvoří lithiové soli (např. LiPF6) rozpuštěné v organickém rozpouštědle. Články mají poměrně velkou energetickou hustotu (některé i více než 500Wh/kg). Jejich nevýhodou je vysoká cena, nižší životnost (ztráta kapacity s časem) a jsou citlivé na podmínky nabíjení a vybíjení. Ve velkých kapacitách představují i značné riziko požáru a výbuchu. V poslední době se začínají používat pro elektromobily.
-
NaS akumulátor
Výhodnější vlastnosti pro energetiku mají akumulátory NaS (sodík – síra). Jejich výhodou je relativně slušná energetická hustota, celkem dobrá účinnost (80 %) a údajně prakticky nepodléhají samovybíjení. Jejich životnost je zhruba 15 let a snesou velký počet cyklů. Sodík a síra jsou dostupné a levné prvky, kterých je na Zemi opravdu hodně a nejsou při správném zacházení toxické pro životní prostředí.
Zásadní nevýhodou těchto akumulátorů je ovšem to, že musí pracovat za vysoké teploty (přibližně 300°C) kdy sodík a síra jsou v kapalném stavu. Kapalný sodík je dost nebezpečná látka; při styku se vzduchem okamžitě hoří a při styku s vodou dojde k výbuchu vzniklého vodíku. Pro použití ve velkých stacionárních jednotkách (elektrárnách) to ale nepředstavuje tak zásadní omezení.
NaS akumulátorovou baterii o výkonu 1MW s kapacitou 7,2MWh instalovala např. japonská společnost TEPCO (zásobuje elektřinou Tokio a vlastní jadernou elektrárnu Fukušima) pro vyrovnávání zatížení sítě v oblasti Tokia a pro zlepšení stability sítě při využití obnovitelných zdrojů. Velká instalace se plánuje v Mexiku (Silicon Border’s Science Park) v blízkosti hranic s USA .
-
Zn-Br akumulátor
Další zajímavou možností jak ukládat elektrickou energii jsou ZnBr (zinko-bromidové) baterie s oddělenými elektrolyty. Na rozdíl od klasických akumulátorů, kde jsou chemické sloučeniny, v nichž je energie akumulována, přítomny přímo na elektrodách, zde je oddělený systém elektrod a elektrolytu.
Lze to přirovnat k zařízení na galvanické pokovování. Během nabíjení se čerpá roztok bromidu zinečnatého do prostoru mezi elektrody a na záporné elektrodě se vylučuje kovový zinek a na kladné elektrodě kapalný bróm, který je společně s vodou a přísadami pro zlepšení jeho rozpustnosti odváděn do druhé nádrže.
Při vybíjení se proces obrátí a roztok bromu pumpovaného z druhé nádrže do první reaguje na elektrodách s kovovým zinkem za vzniku bromidu zinečnatého a elektrického proudu (s napětím asi 1,7V na jeden článek). Tento druh akumulátoru velký počet cyklů a lze jej bez poškození vybít ze 100 %. Energetická hustota je kolem 50Wh/kg a velké jednotky by údajně měly mít relativně nízkou pořizovací cenu 30kWh baterie za 7500USD.
-
Baterie vzduch-kov
Patrně největší energetickou hustotu a nejnižší cenu za kWh mají, trochu paradoxně, velmi jednoduché baterie typu vzduch-kov. Nejsou to sekundární, tj. elektricky dobíjitelné akumulátory ale vlastně primární články. Nejstarším a stále ještě občas používaným typem je článek zinek-vzduch. Tento článek má teoreticky 1370Wh/kg (v praxi to bývá pod 500). Je to dáno tím, že na katodu se zde přivádí vzdušný kyslík, který je všude k dispozici a nemusí se tedy skladovat v článku. Použitím hliníku namísto zinku (lehčí kov a větší náboj jeho iontů) lze dosáhnout ještě vyšší energetickou hustotu.
Namísto elektrického nabíjení je zde ale nutno vyměnit spotřebovanou kovovou elektrodu a vyčerpaný elektrolyt (v podstatě větší část baterie) a recyklovat je zvlášť. Bohužel celková energetická účinnost takového procesu je poměrně nízká (pod 20 %). Lze tedy o nich uvažovat pro použití v automobilech ale ne pro ukládání přebytků elektrické energie ze sítě.
3. Ukládání elektřiny v supravodivé cívce
Energie je ukládána ve formě energie magnetického pole vytvořeného proudem protékajícím v elektrické cívce. Pokud ovšem chceme, aby se při průtoku proudu energie neztrácela, je třeba zajistit, aby vodič navinutý na cívku měl nulový elektrický odpor; musí tedy jít o takzvaný supravodič.
Je to vlastně podobný supravodivý elektromagnet, který se používá například pro zobrazování pomocí magnetické rezonance v medicíně. Při ukládání se střídavý proud z rozvodné sítě měničem přemění na stejnosměrný a pomocí vhodného spínacího zařízení je přiváděn do supravodivé cívky. Při čerpání je proces opačný. Jednou z velkých výhod tohoto způsobu je velká rychlost, s níž lze přecházet od ukládání k čerpání a velký výkon, který lze čerpat. Oproti akumulátorům má zařízení větší účinnost, udává se, že asi 3 % energie se ztratí v měniči napětí a nějakou energii spotřebuje chladicí systém, který udržuje teplotu.
4. Setrvačníky
Elektřinu je také možné ukládat ve formě kinetické energie; tu totiž umíme s dobrou účinností a velmi rychle měnit zpět v elektřinu. K tomuto účelu se hodí speciální setrvačník spojený s motorem a generátorem. Pokud se má dosáhnout rozumné energetické hustoty, musí být otáčky setrvačníku velmi vysoké, což klade velké nároky na materiál rotoru (nejčastěji se dnes používají uhlíkové kompozity) a rotor musí být umístěn ve vakuu, aby jej nebrzdilo tření o vzduch. Také ložiska musí snést vysoké otáčky a mít minimální tření (používají se magnetická ložiska).
Velkou výhodou je vysoký výkon a dlouhá životnost těchto zařízení. Setrvačníky se dají dobře využít především pro krádkodobé ukládání energie (například jako náhrada olověných akumulátorů v zálohovacích zdrojích tj. UPS. Uvažuje se i o jejich využití pro krádkodobou akumulaci v solárních elektrárnách, kde odstraní prudké kolísání výkonu při krátkodobém zastínění přecházejícími mraky.
V současné době se staví zařízení s větším množstvím setrvačníkových jednotek o celkovém výkonu 20MW ve Stephentownu (New York, USA), které by mělo sloužit ke stabilizaci frekvence sítě v oblasti New Yorku.
5. Přečerpávací elektrárna – akumulace ve formě potenciální energie vody
Jde o nejběžnější metodu akumulace velkého množství elektrické energie na delší dobu. Jde v podstatě o hydroelektrárnu, která má dvě přehradní nádrže (horní a dolní) a jejíž turbíny a k nim připojené generátory mohou pracovat jak v režimu turbína/generátor, tak v režimu motor/čerpadlo.
V době mimo špičky přebytečná energie ze sítě roztáčí turbíny (ve funkci čerpadel) a voda se přečerpává z dolní nádrže do horní. Ve chvíli, kdy je v síti třeba více energie, je voda přepouštěna z horní nádrže do dolní nádrže přes turbínu a akumulovaná energie se vrací zpět do sítě.
Přečerpávací elektrárny se používají již dlouho; první byly vybudovány v 90. letech 19. století ve Švýcarsku a jde asi o nejvýznamnější způsob ukládání elektřiny ve velkém měřítku. Udává se, že výkon všech na světě instalovaných přečerpávacích elektráren je kolem 90GW, což jsou skoro 3 % instalovaného výkonu elektráren.
Výhodou je dobře zvládnutá technologie, vysoké výkony a možnost akumulovat energii po dlouhou dobu. Čerpání uložené energie je pomalejší než u výše zmíněných akumulátorů nebo setrvačníků a používají se proto spíše k vyrovnávání potřeby elektřiny během dne. Celková energetická účinnost bývá 70–85 %. Hlavní nevýhodou je, že vyžadují velký rezervoár vody a pokud možno velký rozdíl hladin. Budování takovýchto nádrží má značný vliv na krajinný ráz a míst, kde se dají stavět není mnoho.
Zajímavý nápad je využít vodu a turbínu, ale energii skladovat ve formě potenciální energie velmi velkého a těžkého závaží-pístu pohybujícího se v jakési velmi hluboké studni (šachtě) naplněné vodou. V době přebytků elektřiny je voda čerpána z prostoru nad pístem do prostoru pod ním a píst stoupá vzhůru. V době potřeby elektřiny je voda tlačena přes turbínu vahou pístu, který pomalu klesá. Výhodou tohoto systému by měla být možnost umístit jej pod zem, nevýhodou je zřejmě mnohem menší kapacita než klasické přečerpávání.
6. Stlačený vzduch
V tomto případě je elektrická energie přeměněna kompresorem na tlakovou energii vzduchu, který je uložen do vhodného rezervoáru (nejčastěji podzemní dutina, například solný důl). Podobně jako u přečerpávacích elektráren se při čerpání energie proces obrátí, tj. z kompresoru je turbína a motor pracuje v režimu generátoru (viz obrázek níže). Nepříjemnou komplikací jsou teplotní změny (zahřívání vzduchu při kompresi a ochlazování při expanzi).
Pokud se má dosáhnout vysoké účinnosti, je třeba teplo z komprese nějak uchovat a při expanzi je plynu vrátit. Firma Isentropic vyvíjí systém v němž kompresor/turbína pracuje vlastně jako tepelné čerpadlo mezi dvěma izolovanými zásobníky tepla (viz obrázek níže). Při ukládání energie (nabíjení) se zásobník, do něhož pumpujeme plyn, zahřívá a ten, z něhož plyn odebíráme, se ochlazuje. Jako médium pro akumulaci tepla je v zásobnících použit štěrk. Z fyzikálního hlediska jde vlastně o Ericssonův cyklus, který teoreticky může mít 100 % účinnost, v praxi se údajně dá dosáhnout účinnost mezi 70 až 80 %.
Výhodné může být ukládání energie ve formě tlakové energie vzduchu pro elektrárny s plynovými turbínami, které se často používají jako špičkové zdroje elektřiny. Plynová turbína totiž pro svůj provoz potřebuje přívod stlačeného vzduchu do spalovací komory; běžně je to zajištěno lopatkovým kompresorem na hřídeli turbíny. Tento kompresor spotřebuje skoro 2/3výkonu turbíny.
Přebytečnou mimošpičkovou elektřinu můžeme využít pomocí kompresoru poháněného elektrickým motorem k vytvoření zásoby stlačeného vzduchu. Ten pak použijeme v době špičky pro plynovou turbínu a ta nám to vrátí ve formě vyššího výkonu (nemusí pohánět kompresor). Tento způsob ukládání energie byl poprvé použit roku 1974 v německém Huntorfu. Plynová turbína ve špičce dodává do sítě výkon 290 MW. Tlak vzduchu skladovaného v solných jeskyních s objemem 150 000 m3 se pohybuje v rozmezí 5 až 7,5Mpa.
7. Akumulace ve formě tepla v solné tavenině
V praxi je možné se setkat s ukládáním energie ve formě tepla u solárních termálních elektráren. Nejde zde vlastně o ukládání již vyrobené elektřiny; ukládáme jen „meziprodukt“ při její výrobě. Termální solární elektrárny se většinou budují v oblastech, kde je vysoký počet slunečních dnů, takže pro dosažení téměř nepřetržité a rovnoměrné výroby elektřiny stačí ukládat energii v rámci dne a noci. Jako akumulační médium se používá zpravidla roztavená směs vhodných solí (např. eutektická směs dusičnanu sodného a draselného) v izolovanám zásobníku.
8. Ukládání energie ve formě vodíku
Jde o určitou obdobu baterie s oddělenými elektrolyty (viz výše). Přebytky elektrické energie použijeme na elektrolýzu vody a vzniklý vodík uložíme do vhodného zásobníku. V době potřeby z něj vyrábíme elektřinu v palivovém článku. Je to galvanický článek, k jehož anodě je přiváděno palivo (v tomto případě vodík) a ke katodě proudí okysličovadlo (vzdušný kyslík). Schéma palivového článku na vodík je na následujícím obrázku.
Velkou výhodou je možnost ukládat energii po dlouhou dobu a také to, že elektrolýzu lze provádět za tlaku, takže rovnou získáme stlačený vodík, celý systém tak nemusí mít žádné pohyblivé díly a na stlačení jdou jen asi 3 % energie. Uvádí se, že účinnost elektrolýzy je pod 70 % a palivové články mají účinnost kolem 60 %. Hlavní nevýhodou je tedy poměrně malá výsledná účinnost celého procesu (pod 50 %). Problém je ale se skladováním vodíku a s tím, že velmi snadno proniká i malými netěsnostmi a tvoří se vzduchem výbušnou směs.
Už dlouho se o vodíku uvažuje jako o univerzálně použitelném „nosiči energie“, tj. používal by se nejen pro ukládání přebytků elektřiny ze sítě, ale i pro pohon dopravních prostředků, namísto baterií či akumulátorů v přenosné elektronice apod. Existuje celý široký obor „Vodíkové hospodářství“, který se tím zbývá. O využití vodíku jako nosiče energie a prostředku pro její uchovávání se mluví už velmi dlouho (např. od roku 1977 vychází specializovaný časopis International Journal of Hydrogen Energy). Před nedávnem se zdálo, že prvním státem, který začne využívat ve větším množství vodík a palivové články bude Island; v současné době se ale zdá, že se tento projekt zastavil.
Zatím spíše krátkodobé ukládání energie
Z předchozího (zdaleka ne úplného) přehledu je vidět, že rozhodně je o možnosti ukládání elektrické energie dlouhodobý zájem a existuje celá řada zajímavých a inovativních možností jak problém řešit.
Současně je ale vidět, že žádná z těchto možností zatím není vhodná pro dlouhodobou a hlavně levnou akumulaci velkého množství energie. Vypadá to, že zatím se uplatňují spíše systémy pro krátkodobou akumulaci s cílem zlepšit stabilitu sítě. Ty sice mohou znatelně zlepšit schopnost sítě přijímat proud z fotovoltaických a větrných elektráren, neumožní ale nějaké výrazné zvýšení instalovaného výkonu těchto zdrojů. Určité zlepšení situace se očekává od rozvoje elektromobilů (především asi zlevnění lithiových akumulátorů).
Bude zajímavé sledovat, jak se situace změní, až se vyrovnají ceny elektřiny z fotovoltaických panelů s cenou elektřiny z klasických elektráren. To by mohlo vytvořit potřebný tlak na rychlejší rozvoj nových technologií pro ukládání elektřiny. Vzhledem k nedávné havárii japonské jaderné elektrárny a rozhodnutí německé vlády odstavit osm jaderných reaktorů to možná ani nebude trvat tak dlouho jak se původně předpokládalo.
