Ukládání energie: Zásobníky z obnovitelných zdrojů0

Obnovitelným zdrojům energie je vytýkáno, že nevyrábí energii vždy, když potřebujeme, nebo naopak energii vyrábí, když ji nepotřebujeme. Řešením kolísavé výroby energie jsou zásobníky energie. Jak můžeme uchovávat energii vyrobenou ve větrných nebo solárních elektrárnách? Na co ji můžeme využít?

Zdroje energie různých typů jsou instalovány u mnoha odběratelů energie a přispívají ke snížení znečisťování vzduchu a na podporu výroby „zelené“ energie – například při využití sluneční a větrné energie nebo energie z biomasy. Nicméně jedním z hlavních problémů zdrojů obnovitelné energie je, že nejsou vždy použitelné, když je potřebujeme a naopak jsou dostupné, když je nepotřebujeme. To je důvodem pro nalezení odpovídající formy zásobníků energie pro úspěšnou realizaci solárních nebo větrných zařízení. Jedním ze zajímavých způsobů, jak uchovat energii z větrných elektráren, je využít vyrobenou elektrickou energii pomocí elektrolýzy vody na produkci vodíku (Šingliar, M., Rečka J.: Využitie veternej energie na výrobu vodíka, Energetika 2008, č. 7, s. 233-235).

„Jedním ze zajímavých způsobů, jak uchovat energii z větrných elektráren, je využít vyrobenou elektrickou energii pomocí elektrolýzy vody na produkci vodíku.“

Vodík je následně stlačován a ukládán a může být použit jako nosič energie v palivových článcích hybridních automobilů, autobusů a skútrů a rovněž pro pohon říčních lodí. V současné době jsou prováděny zkoušky těchto pohonných jednotek (Kučera, Z.: Vodík palivem XXI. století, Alternativní energie 2008, č. 4, s. 14-15). Další možností, jak uchovat energii ze solárních kolektorů slunečních elektráren, je využití akumulátorů tepla pro večerní a noční dobu, kdy slunce nesvítí. (Stručný popis těchto akumulátorů, který byl použit při projektování 50 MWe sluneční elektrárny Andasol ve Španělsku, najdete například v Hanák, D.: Sluneční elektrárny a možnosti jejich uplatnění, Energetika 2008, č. 7, s. 236-237 nebo v The parabolic trough power plants Andasol 1 to 3, materiál firmy Solar Millenium AG).

Tento typ akumulátorů tepla se však z ekonomických důvodů hodí spíše pro jednotky většího výkonu. Jedním z komerčně slibných použitelných řešení pro jednotky menšího výkonu jsou zařízení rakouské firmy Cellstrom GmbH, které používají pro uskladnění energie vanadiového kapalinového akumulátoru. Podrobnější popis tohoto zařízení pod názvem FB 10/100 (dle Fluid battery, PAC WORLD, Summer 2009 a FB10/100 Technical description – materiál firmy Cellstrom GmbH) přinášíme v tomto článku.

Parametry zařízení FB10/100: Jak uchovává energii?

Zařízení Cellstrom FB10/100 – kompletní systém zásobníků se skládá z vanadiového kapalinového akumulátoru Redox, který je umístěn společně s inteligentním regulátorem elektrického napájení, uspořádaném v kontejneru, odolnému proti povětrnostním vlivům. Tento akumulátor může být nabíjen nebo vybíjen elektrickou energií až do výkonu 10 kW a dodá až 100 kWh elektrické energie. Inteligentní regulátor zajišťuje práci akumulátoru vždy při maximální účinnosti a umožňuje dálkové sledování různých parametrů akumulátoru. Volbou různého uspořádání elektrického napájení je umožněná téměř úplná volnost při zadávání elektrického výstupu (stejnosměrný proud, jednofázový nebo třífázový střídavý proud apod.).

Výstupní výkon zařízení FB10/100 může být konfigurován jako 48 V stejnosměrný elektrický proud; 120 V střídavý elektrický proud; 230 V jednofázový střídavý elektrický proud; 400 V třífázový střídavý elektrický proud (s odpovídajícími invertory/konvertory).

Kapalinový akumulátor lze opětovně nabíjet. Energie v něm je uložená chemicky v tekutém elektrolytu. Oproti konvenčním akumulátorům, kde je celá energie uvnitř článků, je energie kapalinových akumulátorů v elektrolytech, obsažených v nádržích (tanky). Elektrolyty jsou čerpány průběžně přes články, zatímco elektrický proud přichází nebo se vrací do nádrží. Jsou použity dva elektrolyty, jeden pro kladnou reakci a druhý pro zápornou reakci. Tyto dva elektrolyty se nemíchají, ale jsou oddělené v článcích pomocí extrémně tenké membrány, která umožňuje proudění vybraných iontů přes tuto membránu. V článcích jsou umístěny velmi stabilní porézní uhlíkové elektrody, na kterých se odehrávají rozhodující reakce. Jelikož tyto reakce mají vliv pouze na rozpuštěné soli, tak tyto elektrody se nemění ani fyzikálně ani chemicky, takže je umožněn velký počet nabíjecích a vybíjecích cyklů bez závažného snížení kapacity článků.

Články jsou seskupeny dohromady do bloků, pod názvem zásobníky, s články, které jsou elektricky propojeny do série pomocí bipolárních destiček, neboli řídících destiček, které mají kladný elektrolyt na jedné straně a záporný elektrolyt na druhé. Napětí v zásobníku je určeno součtem napětí jednotlivých článků. Velikost energie získané z řady akumulátorů je limitována nejslabším článkem akumulátoru. Nicméně, všechny články v kapalinovém akumulátoru jsou prakticky stejné, jelikož mají stejné elektrolyty. Proto kapalinové akumulátory netrpí omezením, které je vlastní konvenčním akumulátorům. Schéma zařízení ukazuje následující obrázek.

Schema kapalinového akumulátoru

Proces oxidace

Vanadiový Redoxový kapalinový akumulátor, jak je patrno z jeho názvu, používá vanadiových solí v elektrolytech. Elektrolyty rovněž obsahují kyselinu sírovou (je to stejná kyselina jako v klasických akumulátorech). Vanad je poměrně známý kov, používá se při výrobě vanadiových ocelí a doplňků diety a je obsažen v mnoha běžných potravinách. Vanad je přítomen jak v kladném tak i záporném elektrolytu, ale v různém stavu oxidace. Stav oxidace je měřítkem, jak dalece proběhla chemická reakce. Na příklad vanad bez reakce má stav oxidace roven nule, zatímco vanad po úplné reakci má stav oxidace +5. Stav oxidace může mít i mezihodnoty, pokud je jen částečně reaktivován, ale všechny hodnoty nejsou možné. Vanad je neobvyklý kov, ve kterém se formuje stabilní koncentrované řešení čtyř rozdílných stavů oxidace. Tuto vlastnost má pouze kov uran a některé těžké radioaktivní částice. Nabíjení a vybíjení akumulátoru mění průměrný stav oxidace vanadu v elektrolytech.
Elektrochemické reakce v akumulátoru jsou popsány následovně:

Chemické reakce:

Záporný elektrolyt: V3+ + e- ↔ V2+
Kladný elektrolyt: VO2+ + H2O ↔ VO2+ + 2H+ + e-
Celkově: V3+ + VO2+ + H2O ↔ V2+ + VO2+ + 2H+

V každém případě je vybíjený reagent uveden v levé části rovnice a nabíjený reagent v pravé straně rovnice.  Jelikož elektrolyty se vracejí do stejného stavu na konci každého cyklu nabíjení/vybíjení, je možno je používat neomezeně (pokud nejsou znečištěny jinými příměsemi).

Sestava kapalinových akumulátorů

Zařízení FB10/100  obsahuje nádrž (tank), který je rozdělen do dvou polovin (3, 5). Každá polovina obsahuje 2 500 litrů kladného (positivního) elektrolytu a druhá rovněž stejné množství záporného (negativního) elektrolytu. Elektrolyty jsou čerpány do zásobníku 7 pomocí malých výkonných čerpadel (2, 6), odolných vůči korozi. Elektrolyt dále prochází do/z  nádrží přes plastové potrubí 1 a vrací se zpět do stejných nádrží přes zpětné potrubí 4. Jelikož v nádržích nejsou úplně selektivní membrány, pak během normálního používání je přechod elektrolytu z jedné nádrže do druhé velmi pozvolný. Tato lehká nerovnováha v úrovni elektrolytů je v případě potřeby automaticky kompenzována pomocí inteligentního kontroléru plnění, který otevírá rebalanční (vyvažovací) ventil 8.

FB10/100 kapalinový systém

Elektrický systém

Zařízení FB10/100 je možno upravovat podle individuálních potřeb. Jeden příklad je uveden na obrázku níže. V tomto případě jsou nádrže nabíjeny elektrickým proudem ze solárních panelů při použití nabíjecího zařízení 2 přes přívodní svorky 1. Normální střídavý elektrický proud je poskytován pomocí invertoru 3 z akumulátoru na stejnosměrný proud. Celý systém je kontrolován a monitorován pomocí inteligentního kontroléru 4 a je chráněn pojistkami 5 vhodné hodnoty.

FB10/100 elektrický systém

Tepelný systém

Jako každý akumulátor je zařízení FB10/100 citlivé na teplotu. Jsou zavedena různá měření na ochranu elektrolytu před vybočením z dovoleného rozsahu teplot elektrolytu. Teplota je měřena inteligentním kontrolérem 4, který používá teplotní čidlo v nádrži 1. Kontrolér zapíná ventilátory 5, které přivádějí čerstvý venkovní vzduch. Ten pak cirkuluje přes sekundární otvory v kontejnmentu, pokud je to potřebné. Nicméně, zařízení FB10/100 se ohřívá poměrně pomalu vzhledem ke své velké tepelné hmotě 2 a izolovanému kontejnmentu 3. Proto se teplota elektrolytu zvyšuje podle průměrné denní (nebo týdenní) teploty okolí spíše, nežli podle denního maxima. Je třeba říci, že ventilační systém rovněž umožňuje práci zařízení FB10/100 i v nízkých nočních teplotách okolí tím, že se přivádí teplejší vzduch za dne do kontejnmentu. Otvory v kontejmentu se pak utěsní, když teplota okolí poklesne. Teplota na elektrické části zařízení FB10/100 je rovněž monitorována a je regulována samostatným ventilačním systémem 5. Tepelné oddělení kapalinových a elektrických částí je pomáhá chránit před místním přehřátím.

FB10/100 tepelný systém

Minimální potřeba údržby a příklady použití zásobníku energie

Zařízení FB10/100 má projektovanou životnost dvacet let. Během této doby se předpokládá výměna některých částí zařízení, například čerpadla a zásobníky. Pro umožnění tohoto procesu jsou provedeny průlezy zvlášť do kapalinových 1 a do elektrických 2 částí systému pro provádění pravidelných prohlídek. Zásobníky 4 a elektrické části 5 jsou tak snadno přístupné, takže časy pro inspekci a údržbu jsou zkráceny na minimum. Pravidelná kontrola a údržba je prováděna jednou ročně. Navíc inteligentní kontrolér 3 přenáší dálkově informace pro případ, kdy je zapotřebí mimořádná údržba.

Budova nabíjecí stanice s kapalinovými akumulátory a slunečními panely

Toto zařízení je ideální pro použití jako přídavek k obnovitelným zdrojům energie (solární, větrné, biomasy) pro řešení zásobní elektrické sítě. Použití je vhodné například pro solární zásobní elektrické stanice, mobilní telekomunikace, základnové telekomunikační stanice, radar, telemetrické stanice, napájecí elektrické stanice pro elektromobily a elektroskútry (obr. 5), automaty na mléko, solární domy, nouzové zdroje elektrické energie s dlouhou překlenovací dobou, výtahy, pohotovostní řídící centra, hotely, budovy úřadů, tunelové systémy, nemocnice, mezisklady pro špičkový odběr elektrického proudu

Inteligentní systém dálkového měření a ovládání umožňuje i v případě poruchy pohotový zásah pro odstranění závady na zařízení.

Autorem článku je Dušan Hanák. Článek vyšel v časopise Alternativní energie 1/2010.

Autor: Redakce Nazeleno.cz

Více článků od autora