Inteligentní budovy ve světě:
Print

Integrované systémy ukládání energie

-- Neděle, 30 červen 2013

S rostoucím využíváním obnovitelných zdrojů k výrobě elektřiny nabývá na významu nepřerušovaná dostupnost elektrické energie. Ukládání energie může být přínosné zejména pro větrné a solární elektrárny, které se potýkají s přerušovanou dostupností zdroje energie – z důvodu dynamických změn počasí či střídání dne a noci. Potenciální řešení nabízejí nové a stávající metody ukládání energie.

Ukládání energie ve velkém měřítku se využívá pro vyvažování regionální potřeby elektrické energie pomocí systémů přečerpávání vodní energie a v omezenějším rozsahu také pomocí systémů stlačeného vzduchu (Compressed Air Energy Storage – CAES). Tyto metody používají pro realizaci ukládání tradiční zdroje energie a využívají místní geografi cké a geologické struktury.

Přirozená variabilita větrné a solární energie představuje vážná omezení pro jejich široké proniknutí na trh. Ukládání energie začíná mít zásadní význam. Předpisy rovněž mohou vyžadovat, aby bylo zařízení pro generování rezerv připraveno k nasazení pro případ nedostatečného větru v určité době nebo oblasti. Toto nákladné opatření zhoršuje energetickou účinnost.

Obr. Elektrárna Ludington s přečerpávacím ukládáním dokáže generovat až 1 872 MW (ve špičce) energie, typicky během dne, ale až 2 200 MW elektrické energie může být spotřebováváno, když všech šest jednotek se zpětným chodem běží jako čerpadla pro naplnění nádrže na její kapacitu. Modernizační projekt plánovaný na rok 2013 zvýší generační kapacitu elektrárny o 300 MW. Obrázek poskytla společnost Consumers Energy. 

Perspektivní výhledy předpokládají využívání velkých systémů ukládání energie, které budou vyvažovat fl uktuace dodávek v elektrické síti. Mezi možná řešení patří novější nadzemní systémy CAES a rozšířené systémy přečerpávání vodní energie. Pro koncentrátorové solární elektrárny může být odpovědí tepelné ukládání. Také bateriové ukládání se pohybuje kupředu. V nejrůznějších technologických odvětvích se realizují ukázkové projekty.

Ukládání energie by solárním elektrárnám umožnilo fungovat i po západu slunce, nebo umožní větrným farmám běžet na plnou kapacitu častěji, s menší nutností pravidelných omezení pro zabránění nadměrnému generování elektrické energie. Všechny navrhované velkokapacitní systémy ukládání energie jsou drahé a potýkají se s problémem získání podpory veřejnosti a politické reprezentace. Některé metody vyžadují další zkušenosti s jejich používáním nebo vývoj, avšak časem se ukáže, která řešení budou vítězná. Součástí představy o budoucnosti je životaschopný systém rozvodné sítě, který by přiváděl elektrickou energii tam, kde je zapotřebí.

Vítr, voda a gravitace

Velmi jednoduše řečeno, přečerpávané vodní ukládání (Pumped-Hydro Storage – PHS) znamená dvě velké vodní nádrže v různých výškách. Hydroelektrické turbíny s možností zpětného chodu čerpají vodu do horní nádrže v období mimo špičku spotřeby elektřiny. Následně v období vysoké poptávky voda vypouštěná do spodní nádrže protéká přes turbíny produkující elektrickou energii přes připojený generátor. Účinnost systému PHS může podle laboratoře National Renewable Energy Laboratory přesahovat 75 %.

PHS je nejrozšířenější metodou ukládání spojenou s výrobou elektrické energie. Na celém světě je v provozu mnoho elektráren, ale jen málo je přímo integrováno s ukládáním větrné nebo solární energie. Podle předpovědí se to v budoucnu změní. Větrná (nebo solární) elektrická energie může čerpat vodu přímo do horní nádrže pro zvýšení ukládané kapacity nebo snižovat normální spotřebu energie turbíny – podle toho, kdy je nadměrná energie z obnovitelných zdrojů dostupná. Vzhledem k topologickým požadavkům a souvisejícím nákladům se staví jen málo nových elektráren s vodním přečerpáváním. Nicméně ty stávající se rozšiřují nebo modernizují.

Obr. K tradiční tepelné solární věžové elektrárně společnosti BrightSource Energy byla doplněna technologie SolarPlus s dvounádržovým systémem ukládání energie pomocí roztavené soli (vpravo dole). Kromě ukládání energie je rozvržení elektrárny stejné jako u elektrárny Ivanpah SEGS (ve výstavbě), kde bude 173 500 heliostatů koncentrovat sluneční světlo na tři věže o výšce 140 m. Obrázek poskytla společnost BrightSource. 

Společnost E.ON AG, jeden z největších globálních producentů elektrické energie a plynu, chce podstatně rozšířit kapacitu její hydroelektrické přečerpávací stanice u jezera Eder ve středním Německu. Vedle stávající elektrárny Waldeck 2 má být vybudovánanová elektrárna o výkonu 300 MW. „Zahájení stavby čeká na ‚konečně rozhodnutí o investici‛, ale všechna potřebná externí povolení jsou připravena,“ říká Alexander Ihl, mluvčí společnosti E.ON. Stavba má podle předpokladů trvat čtyři roky. 

Firma zmiňuje i plány na další elektrárnu s přečerpávacím ukládáním energie v jihovýchodním Bavorsku s rakouským partnerem. V současnosti probíhá projektové plánování pro elektrárnu s výkonem 300 MW (s označením projekt Riedl), ačkoliv výstavba nezačne dříve než v roce 2014.

„Obecně lze elektrárny s přečerpávacím ukládáním používat pro ukládání nadbytečné větrné elektrické energie, což platí pro lokalitu Waldeck. Také projekt Riedl bude ukládat energii z obnovitelných zdrojů,“ říká Ihl.

Výborným příkladem velkého závodu PHS je elektrárna s přečerpávacím ukládáním jižně od města Ludington, stát Michigan. Elektrárna dokáže generovat až 1 872 MW elektrické energie z nádrže 4 km dlouhé, 1,6 km široké a 34 m hluboké, umístěné 111 m nad východním břehem jezera Lake Michigan.

„Šest turbín s možností zpětného chodu, každá o jmenovitém výkonu 312 MW, běží zpětně během nízké poptávky po elektrické energii pro naplnění horní nádrže, obvykle každou noc,“ říká Dennis McKee, oblastní manažer pro státní a veřejné záležitosti společnosti Consumers Energy – provozovatele a 51% vlastníka elektrárny Ludington s přečerpávacím ukládáním. Vlastníkem 49 % akcií je společnost Detroit Edison. Voda se vypouští během období špičkové poptávky, pohání turbíny opačným směrem a generuje elektrický proud.

Potřeba denního generování a čerpání bývá v elektrárně Ludington kolísavá. Lze využít jednu nebo všech šest jednotek, podle poptávky zákazníka a cen elektřiny mimo špičku.

„Jednu jednotku o výkonu 312 MW dokážeme uvést do provozu asi za tři minuty. Náš rekord je zprovoznění všech šesti, některé z nich zároveň, za 11 minut,“ říká McKee. Protože elektrárna v Ludingtonu není připojena přímo ke zdroji větrné energie, může pro svůj přečerpávací režim využívat jakýkoli dostupný zdroj energie v síti. Větrnou energii lze ukládat do budoucna, podle množství dostupné nadměrné energie. „Dnes má tento závod širší přínosnou roli pro vyvažování regionální poptávky a nabídky, s bezkonkurenční schopností rychle poskytovat velké množství elektrické energie,“ dodává McKee.

CAES

Ukládání energie pomocí stlačeného vzduchu je založeno na využívání denní elektrické energiemimo špičku ke stlačování vzduchu v jeskyních, opuštěných dolech nebo jiných velkých podzemních prostorách. K produkování elektřiny ve špičce je stlačený vzduch smíšen se zemním plynem a spalován v modifi kovaných plynových turbínových generátorech. V komerčním provozu jsou zatím pouze dvě instalace CAES – v německém Huntorfu (290 MW, postavena v roce 1978) a ve městě McIntosh, stát Alabama (110 MW, postavena v roce 1991). Jakýkoli zdroj energie připojený k síti lze použít pro počáteční natlačení vzduchu do ukládací komory, včetně větrné energie.

Provozy CAES čelí zajímavému kompromisu. Díky vysokotlakému vstupu vzduchu (7,7 MPa) je zapotřebí mnohem méně zemního plynu pro produkování stejného elektrického výkonu než u konvenční plynové turbínové elektrárny. Přesto základní proces CAES vyžaduje další plyn pro opětovné zahřátí před expanzní částí tepelného cyklu pro kompenzaci ztráty tepla během stlačování vzduchu. Účinnost systému je u stávajících elektráren v rozmezí 42–50 %.

Probíhají nejrůznější vylepšování procesu a výzkum a vývoj pro zvýšení účinnosti elektráren CAES, jako je ukládání tepla ze stlačování a jeho opětovné použití pro zahřátí stlačeného vzduchu před expanzí, čímž se snižuje potřeba použití zemního plynu navíc. Novější elektrárny CAES jsou ve fázi plánování a získávání povolení. Vývoj se rovněž zaměřuje na nadzemní systémy CAES pro snížení nákladů a zjednodušení instalace. Menší americké fi rmy se zázemím v oblasti průmyslu a státní správy posouvají technologii CAES kupředu. Jedna z těchto fi rem, SustainX, vyvinula a registrovala „isotermální“ technologii CAES (ICAES), která usiluje o udržení teplot vzduchu blízko teplotě okolního prostředí při kompresi a expanzi. Tím se minimalizují ztráty energie, ale vyžaduje to vysoce účinnou výměnu tepla během celého procesu. Isotermální expanze podle společnosti SustainX produkuje elektrickou energii bez spalování zemního plynu. Modulární nadzemní systémy ICAES postavené na bázi velkých zásobníků, procesního potrubí a standardních mechanických systémů mohou usnadnit integraci obnovitelných zdrojů energie.

Systémy ICAES se postupně dostávají z fáze malých ukázkových instalací. Společnost SustainX v současnosti staví systém s výkonem až 2 MW, který má být zprovozněn v první polovině roku 2013.

Tepelné ukládání energie

Dvě technologie tzv. koncentrátorových solárních elektráren – s parabolickými žlaby a centrální věží, mohou zvláště těžit z výhod ukládání energie, protože využívají konečný termodynamický cyklus k produkování páry pro pohon konvenčního turbínového generátoru. Nicméně pro soustředění a hromadění solární energie využívají různé metody.

Parabolické žlaby využívají paralelní řady parabolických refl ektorů soustředících sluneční světlo na absorpční trubici umístěnou podél každé ohniskové linie, čímž se generuje teplo v kapalině (obvykle oleji) čerpané okruhem těchto absorpčních trubic. Výměníky tepla převádějí tepelnou energii do energetického bloku, kde se převádí na páru. Solární věžová elektrárna (Solar Power Tower – SPT) využívá velké pole počítačem řízených zrcadel (heliostatů) pro koncentrování slunečního světla na přijímací parní generátor postavený na vrcholu vysoké věžové stavby. Přijímač je zahříván zvenčí a je vyspělým kotlem s termodynamickým potrubím a řízením, kde tepelná energie mění vodu na přehřátou páru.

Ukládání energie spočívá v použití určité energie produkované během slunečního svitu k dalšímu zahřívání ukládací kapaliny, která proudí do nádrže (nebo zásobníků). Vyzkoušena a předvedena byla nejrůznější média, včetně roztavené soli, materiálu, který průmyslové experti považují za dostupný, bezpečný a ekonomicky životaschopný pro komerční využití. Teplo z roztavené soli se později používá pro přeměnu vody v páru, která je potrubím vedena do turbínového generátoru pro výrobu elektřiny, kdyžslunce nesvítí. Plné využívání ukládání energie může zajistit vyrovnané dodávky solární energie.

Po světě je v provozu mnoho elektráren s parabolickými žlaby a centrálními věžemi, ale více provozních zkušeností je se žlabovými systémy. Jen několik solárních elektráren v současnosti využívá tepelné ukládání, avšak tepelné generátorové věže poskytují větší účinnost ukládání. Je zapotřebí menší ukládací objem, protože jsou zde vyšší provozní teploty (566 °C) než u parabolických žlabů (cca 400 °C).

Společnost BrightSource Energy, jedna z fi rem aktivních v této oblasti, vyvinula systém ukládání energie s roztavenou solí s obchodní značkou SolarPlus, který je dostupný pro budoucí solární elektrárny.

„Ukládání tepla do roztavené soli je dobře prozkoumanou technologií používanou v oboru solárních elektráren,“ uvedl Israel Kroizer, výkonný viceprezident pro technické zajištění a výzkum a vývoj společnosti BrightSource. „Naší hlavní výhodou je schopnost naší solárně tepelné technologie dosahovat vyšších úrovní teplot a tlaku, což našim elektrárnám umožňuje běžet efektivněji s ukládací kapacitou nebo bez ní.“

Mezitím se světově největší věžová solární elektrárna v poušti Mojave počátkem srpna 2012 dostala přes polovinu své výstavby, jak potvrzuje společnost NRG Energy (developer) a BrightSource Energy, dodavatel technologie termální věžové elektrárny. Investorem projektu je společnost Google. Třígenerátorové solární elektrárně Ivanpah o čistém výkonu 370 MW SEGS (Solar Electric Generating System) se již blíží dokončení, první jednotka má začít dodávat energii společnosti Pacific Gas & Electric od poloviny roku 2013. Avšak součástí elektrárny Ivanpah není systém ukládání energie. Bateriové ukládání je oblastí ukládání energie zahrnující mnoho technologií v různých fázích vývoje. Ukázkové projekty a komerční instalace se přesouvají od menších kapacit k hodnotám až 50 MW. Bateriové ukládání čelí mnoha problémům, jako je výkonová hustota, materiálově náročná výroba, fyzické rozměry a další. Některé z nich jsou ve fázi rozpracování. V budoucnu lze také očekávat technologické průlomy. V této oblasti je aktivních mnoho fi rem, například AES a Xtreme Power.

Trhy a omezení

Po celém světě rostou investice do technologií ukládání energie. Očekává se, že růst kapacity ukládání energie se v příští dekádě urychlí, přičemž projekty mají v období let 2011–2012 představovat objem přes 122 miliard dolarů, uvádí společnost Pike Research, poradenská fi rma v oblasti analýzy globálního trhu s čistými technologiemi. Přečerpávané vodní ukládání a „baterie s vyspělým tokem“ jsou považovány za technologie přispívající k největší části celkových tržeb, následované dalšími typy baterií a systémy CAES. Společnost Pike Research vidí jako dvě nejvýznamnější aplikace ukládání energie integraci větrné elektrické produkce a vyrovnávání zátěží/posouvání špiček, které se na celkovém objemu trhu podílejí 50 % a 31 %.

Podobnou předpověď robustního růstu trhu s ukládáním energie vydalo v únoru 2012 také sdružení Electricity Storage Association (ESA), které vycházelo ze zprávy společnosti Copper Development Association. Zpráva uvádí, že během následujících pěti let by se měla postavit kapacita ukládání energie ve výši 2–4 GW, v závislosti na fi nančních pobídkách, společně se snižováním nákladů, s tím, jak ukázkové projekty ukládání energie přejdou do fáze komerčního využití.

„Následujících pět let bude kritických a poskytne obrovské příležitosti pro přesun technologií ukládání do plné komercializace,“ uvedl Brad Roberts, výkonný ředitel společnosti ESA.

Společnost Pike Research uvádí několik faktorů, které v současnosti omezují růst ukládání energie. Patří mezi ně:

• nepružné struktury trhu s elektrickou energií,

• vysoké investiční náklady,

• nepropojení mezi vlastníky výrobních prostředků a stranami, které mají prospěch z takových projektů,

• nestabilita sítě – přirozená a dále zvýšená integrací nových, obnovitelných zdrojů energie.

Společnost však dodává, že přínosy technologie ukládání energie „začnou v příštích několika letech převažovat nad těmito překážkami.“

S rostoucím využíváním energie z obnovitelných zdrojů se objevují překážky, které je nutno překonat z hlediska technologie, současné ekonomické situace a společenského přijetí. Širší dostupnost systémů ukládání energie by mohla umožnit, aby větrná a solární energie těžila z lepších cen na energetickém trhu a zaujala odpovídající podíl na generování elektrické energie v našem energetickém mixu.

Frank J. Bartos, PE, je specialistou časopisu Control Engineering pro obsah dodaný přispěvateli. Tento časopis vychází také v české jazykové mutaci. Dostupný je na www.controlengcesko.com. 

Autor: Frank J. Bartos

 
Digitální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Katalog  
  •   Kalendář událostí  
  •   Video  

Katalog

REM-Technik s. r. o.
REM-Technik s. r. o.
Klíny 35
615 00 Brno
tel. 548140000

Schneider Electric CZ,s.r.o.
Schneider Electric CZ,s.r.o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. +420 281 088 111

Loxone, s.r.o.
Loxone, s.r.o.
U Staré trati 1775/3
370 11 České Budějovice
tel. +420 380 429 000

YATUN, s.r.o.
YATUN, s.r.o.
V Olšinách 75
10000 Praha
tel. 222364491

Insight Home, a.s.
Insight Home, a.s.
Antala Staška 30/1565
14000 Praha 4
tel. +420 603 52 50 50

všechny články

Kalendář událostí

Moderní technologie ve farmacii
2019-09-24 - 2019-09-24
Místo: Brno
Factory Tour 2019
2019-09-24 - 2019-09-26
Místo: ČR, SK
Moderní technologie v potravinářství
2019-09-25 - 2019-09-25
Místo: Brno
Konference DOCURIDE 2019 „Nejlepší mix pro Váš úspěch"
2019-10-03 - 2019-10-03
Místo: Hotel Park Holiday, Praha
Mezinárodní strojírenský veletrh 2019
2019-10-07 - 2019-10-11
Místo: Výstaviště Brno

Video



Proměna staré textilky v Kanadě na výkladní skříň energetické účinnosti

Proměnit starou opuštěnou textilku v Montrealu na jednu z nejmodernějších staveb světa s vysokou energetickou účinností. To byl společný cíl globálního specialisty na řízení energie Schneider...

všechny video
Reklama






Anketa

Která z následujícího oblastí je nejblíže Vaší oblasti zájmu?

automatizace
elektroinstalace
mechanika
vodoinstalace
bezpečnost a monitorování
správa a řízení
zelené budovy

O nás   |   Reklama   |   Mapa stánek   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI