Gravitační skladování energie

2.6

Gravitační skladování energie

Ing. Bohumír Číhal

Nestálá povaha většiny obnovitelných zdrojů energie (tzv. interminentnost) klade zvýšené nároky na akumulaci elektrické energie. Problém současných největších zdrojů obnovitelné energie – fotovoltaiky a větrných turbín je, že nedokáží poskytnout stabilní dodávku elektrické energie v rámci dne i celého roku. Druhým problémem, konkrétně větrných turbín, je, že se dají postavit pouze na určitých místech, které mají predispozice vhodné k produkci dostatku energie. Tím vzniká nerovnoměrnost pokrytí zdrojů elektrické energie v rámci rozmístění spotřeby, což může být problematické z hlediska přenosu na velké vzdálenosti.

Pro každé zařízení schopné uschovávat energii by mělo platit, že ztráty přeměnou energie a její akumulace v rámci zařízení, by měly být minimální. To je jedno z kritérií, kterými lze hodnotit, jak efektivní daná technologie je.

Funkce konkrétního akumulátoru energie je závislá na použité technologii, která by měla odpovídat dané aplikaci. V případě návrhu úložiště je vždy třeba znát jeho kapacitu, účinnost, potřebný výkon a čas, za který je tento výkon schopno dosáhnout.

Systém úložišť energie lze obecně rozdělit podle formy energie, ve které je energie uchována, na úložiště využívající

• elektrochemickou energii – různé baterie, nebo v rámci výroby vodíku, zemního plynu, dusíku a dalších plynů,

• tepelnou energii – podzemní tepelné úložiště, úložiště využívající latentního tepla, tepelné akumulace,

• kinetickou energii – rotační setrvačníky,

• elektromagnetickou energii – superkapacitory, úložiště využívající supravodivých prvků,

• potenciální energii – přečerpávací elektrárny,

• kombinaci předchozích – baterie na bázi tavných solí, nádoby se stlačeným vzduchem.

Ve zkratce uvedeme praktické řešení některých výše uvedených systémů tak, jak se postupně objevovaly ve vývojových laboratořích a posléze dospěly k realizaci.

 NahoruPřečerpávací vodní elektrárny

Dnes nejrozšířenější formou hromadného skladování energie je přečerpávání vodní energie (PSH – Pumped-Storage Hydroelectricity). Využívá kombinaci vody a zemské přitažlivosti k zachycování energie mimo špičku a k jejímu zpětnému uvolňování v době vysoké poptávky.

Obr. č. 1: Princip skladování energie metodou PSH

Přečerpávací vodní elektrárny obvykle využívají členitost krajiny a jsou stavěny kolem dvou vodních nádrží v různé výšce (viz např. naše přečerpávající elektrárna Dlouhé stráně). Elektřina mimo špičku se využívá k přečerpávání vody z nižší nádrže do vyšší. Je-li zapotřebí dodávat elektřinu do sítě, voda se vypouští zpět do nižší nádrže přes turbíny sloužící k výrobě elektřiny. Technologie PSH tvoří přes 90 procent veškerých kapacit pro hromadné skladování na světě.

Výkon získaný z vodní elektrárny lze ovlivnit výškou vodní hladiny nad turbínou, neboli spádem, a objemem vody, který proteče turbínou za jednotku času. Pro stavbu přečerpávací vodní elektrárny je proto dobré vybrat místo, kde bude velký výškový rozdíl mezi oběma nádržemi a malá délka přivaděčů vody z horní nádrže. Výkon vodní elektrárny při zanedbání ztrát je dán vztahem

P = Q.p.g.H

kde je

P – teoretický výkon (W)

Q – průtok turbínou (m³/s)

ρ – hustota vody (kg/m³)

g – tíhové zrychlení (m/s²)

H – střední spád (m)

Energetická kapacita elektrárny při zanedbání ztrát je při stanoveném teoretickém výkonu dána využitelným objemem vody.

Ztráty, které jsou spojené s akumulací energie elektrické do potenciální energie vody, jsou hlavně ztráty při čerpadlovém provozu na pohon, ztráty na turbíně při výrobě elektrické energie, hydraulické ztráty na potrubí a tepelné ztráty na vedení. Celková energie na na straně elektrizační soustavy při akumulaci a následné při výrobě elektrické energie představuje vysokou účinnost akumulace kolem 75 až 85 % (Dlouhé stráně udávají 76,5 %).

 NahoruGravity Power Module (GPM)

Gravitační potenciál vody lze využívat, podle místních podmínek v různých podobách. Firma Gravity Power (Kalifornie) využívá hydraulické zvedání masivního pístu a samovolný pokles pístu uvnitř dutiny.

Elektrárnu tvoří dvě svislé šachty na obou koncích spojené. Širší, pracovní šachta, je několik set metrů hluboká a je naplněna vodou. V šachtě se pohybuje píst z betonu a železa (resp. levnější železné rudy), utěsněný proti úniku vody. Píst se díky gravitaci spouští a vytlačuje vodu do vedlejší užší šachty s reverzní turbínou. V režimu ukládání energie se pak voda přečerpává užší šachtou zpět pod píst v pracovní šachtě, kde dochází k nárůstu tlaku a ke zdvihu pístu. Systém je uzavřený, po naplnění vodou už další vodu nepotřebuje.

Obr. č. 2: Princip skladování energie metodou GPM

Relativně kompaktní charakter tohoto systému umožňuje jeho instalaci v blízkosti oblastí potřeby, poptávce přizpůsobit velikost zařízení a v případě potřeby přidat další modul.

Pro představu velikosti zařízení: Firma uvádí jmenovitou kapacitu od 1 do 8 GWh, což odpovídá průměru pístu 150 až 250 m, hloubce pracovní šachty 500 až 1 000 m a objemu vody potřebné ke zdvihu pístu od 1,3 do 6 mil. m³. Maximální tlak uvnitř systému se podle jeho velikosti pohybuje od 42 do 71 bar a účinnost je udávána 80%.

 NahoruAdiabatická tlakovzdušná akumulační elektrárna

Technologie skladování energie stlačením vzduchu se v 70. letech minulého století zavedla s anglickým označením CAES (Compressed Air Energy Storage), v češtině se používá výraz Adiabatická tlakovzdušná akumulační elektrárna (ATAE). Má celou řadu podtypů, princip je ale vždy podobný.

Tlakovzdušná akumulační elektrárna je principem svého fungování podobná přečerpávací vodní elektrárně. V době přebytku energie v rozvodné síti se levná elektrická energie využije pro pohon kompresoru. Ten nasaje atmosférický vzduch, který se stlačí a uloží pod tlakem do utěsněných prostor, kaveren, které jsou obvykle (hluboko) pod zemí. Při poptávce po elektrickém výkonu se takto natlakovaný vzduch vypouští do spalovací komory, kde se ohřeje spalováním paliva. Směs vzduchu a spalin poté expanduje ve spalovací turbíně, která pohání alternátor a ten poskytuje energii do sítě.

Obr. č. 3: Uspořádání tlakovzdušné elektrárny

Systém není náročný na konstrukci, má dlouhou životnost a přijatelnou účinnost. Hlavní nevýhodou je potřeba vhodných prostor na ukládání stlačeného vzduchu. Jako kaverna se dá například využít bývalý důlní komplex, jeskyně či artézské studně.

Dobu akumulace adiabatických tlakovzdušných elektráren ovlivňuje nejvíce těsnost kaveren. Pokles tlaku je udáván přibližně o 3 % za den, to je pokles na 80 % původní kapacity přibližně za 9 dní. Na tento typ se rovněž kladou nároky na denní využití, takže tato ztrátovost tlaku není nijak omezující.

První zařízení tohoto typu v roce 1978 v Německu mělo prostor pro stlačený vzduch 310 000 m³ při provozním tlaku 72 barů po naplnění. Ve špičce byla elektrárna schopná dodávat do sítě 290 MW elektrického výkonu, s celkovou účinností 42 %. Využíváním odpadního tepla pro předehřátí vzduchu se zvýšila účinnost na 55 % a celkový maximální výkon na 320 MW. Jako kaverna se použila solná jeskyně (komplikace se znečištěním vzduchu agresivním solným prachem).

Koncept této elektrárny byl přepracován pro dosažení vyšší účinnosti, která již dosahuje úrovně přečerpávacích vodních elektráren (přes 70 %). Předpokládané parametry: akumulovaná energie 1 000 MWh při výkonu až 260 MW, výkonové ztráty na úbytcích tlaku vzduchu do 3 % denně a náběh na plný výkon do 15 minut.

Následující obrázek znázorňuje uspořádání adiabatické tlakovzdušné akumulační elektrárny.

Obr. č. 4: Schéma ATAE

Při přebytku energie v elektrické rozvodné síti se odebírá elektrický výkon pro pohon kompresoru. Ten stlačuje vzduch z okolí, čímž vzniká značné teplo. Teplota stlačeného vzduchu stoupá na 600 až 1 000 °C. Tento horký vzduch se přivádí do tepelného akumulátoru, kde se ochladí a dále je veden do tlakových zásobníků (kaverny). Tlak vzduchu v kaverně se obvykle pohybuje v rozmezí 5 až 10 MPa podle aktuálního naplnění.

Při potřebě dodání elektrické energie do sítě se přivádí natlakovaný vzduch do tepelného akumulátoru, kde se zahřeje, a následně je přiveden na plynovou turbínu, která pohání generátor elektrické energie. Akumulace tepla má velký vliv na zvýšení efektivity akumulace energie. Vzduch vypouštěný na lopatky turbíny musí mít dostatečnou teplotu, aby vlivem snížení tlaku za současného snížení teplot nedocházelo k namrzání lopatek turbíny.

Během provozu při stlačování vzduchu se kompresor ohřívá, naopak při expanzi se ochlazuje. Odpadní teplo může být rovněž využito.

Obr. č. 5: Model ATAE podle projektu ADELE

ATAE dokáže akumulovat velké množství energie, omezené prostorem využívaným k uskladnění tlakového vzduchu. Pro ně se mohou využívat jak přírodní, tak umělé podzemní prostory. To udává více příležitostí ke stavbě těchto zařízení v porovnání s přečerpávacími vodními elektrárnami, pro které je většina využitelných lokalit již používána.

 NahoruPůsobení gravitace na závaží

Projekt společnosti Gravitricity využívá princip působení gravitace na pevné závaží, zavěšené na svislém laně. Vytažením závaží se gravitační baterie nabíjí. Spouštění závaží generuje elektřinu a gravitační baterie se vybíjí.

Na následujícím obrázku je uveden demonstrační pilotní projekt Gravitricity o výkonu 250 kW. Jedná se o 14,5 m vysokou konstrukci a zvedána jsou dvě 25 tunová závaží. Lana nesoucí závaží jsou navíjena uprostřed ocelové konstrukce a navíjecí lano je přivedeno přes kladky na převodovku, která je spojena s motorem/generátorem. Postupné spouštění jednotlivých závaží zajistí plynulé předávání vybíjecí energie.

Obr. č. 6: Koncept demonstračního zařízení společnosti Gravitricity

Uložení podobného systému do již existující šachty znamená odstranění problémů výškové konstrukce a navýšení celkové kapacity, neboť vertikální důlní šachty bývají hluboké stovky metrů. Zařízení instalované do bývalých důlních šachet, by mohlo mít okamžitý výkon až 20 MW při hmotnosti závaží až 5 000 tun a účinnost mezi 80 až 90 % s dobou rozběhu na maximální výkon do 1 s.

Obr. č. 7: Příklad uložení závaží do šachty

 NahoruGravitační baterie Energy Vault

Gravitační baterie švýcarské společnosti Energy Vault je založena na operování s jednotlivými betonovými bloky pomocí 110 metrů vysokého jeřábu se šesti rameny.

Jeřáb má na každém rameni jeden pohon konající pohyb posuvný po rameni jeřábu a zároveň je schopný navíjet, či spouštět závaží v podobě betonových bloků. Díky šesti ramenům může jeřáb jednotlivé bloky se zátěží stahovat různou rychlostí, a tak i jemně řídit výsledný výkon a jeho stabilitu. Energie se do systému ukládá vytažením zátěží o hmotnosti 35 tun na vrchol uspořádaně uložených bloků.

Obr. č. 8: Energetická věž u větrné elektrárny a její jeřábová ramena

Principem tohoto systému je skládání betonových bloků na sebe okolo jeřábu. V případě…