Jak zabalit elektřinu

Loňské léto v Texasu bylo nejteplejším v historii měření. Klimatizační zařízení běžela na plné obrátky, čímž skokově vzrostla poptávka po elektřině. Texaský úřad pro energetickou spolehlivost (ERCOT), který je provozovatelem státní elektrické sítě, jen o vlásek unikl nutnosti zavést klouzavé přerušení dodávek. Musel nakoupit veškerou elektřinu, kterou mohl v tu chvíli sehnat na spotovém trhu, aby byl schopen dodávky zachovat. V některých případech za ni zaplatil až třicetinásobek obvyklé ceny.

Minimálně na papíře by ERCOT měl mít energie víc než dost. Souhrnné ukazatele a průměry však v sektoru výroby elektřiny nemají velkou váhu. Jedním z problémů je skutečnost, že z celkové kapacity ERCOT ve výši 84 400 MW tvoří větrná energie 9500 MW - vítr ale nefouká nepřetržitě. Největší silou zpravidla vane v noci, kdy je poptávka nízká.

Kdyby tak mohl ERCOT přebytečnou energii, jako například tu, kterou vyrobí větrné turbíny v noci, snadněji ukládat pro využití v době špičky. Toto "posunutí v čase" by kompenzovalo nestálou povahu větrné a sluneční energie, zvýšilo jejich atraktivitu a usnadnilo jejich integraci do elektrické sítě. Odčerpávání uložené energie namísto nahození záložních generátorů by ušetřilo peníze, neboť by nedocházelo k nákladným nákupům na spotovém trhu.

Že na tyto problémy existuje odpověď - využívání obrovských akumulátorů? Ty mohou krátkodobě dodávat elektrickou energii a vyrovnávat nárazové výchylky spojené se zapínáním a vypínáním různých zdrojů energie, ale nejsou schopny zajistit výkonnost v "celosíťovém" měřítku, ani ukládání a odebírání elektřiny vysokým tempem (stovky megawattů) a ve skutečně velkých objemech (tisíce megawatthodin). Proto jsou zapotřebí jiné technologie.

Novinka: zelené ostrovy

Dnes nejrozšířenější formou hromadného skladování energie je přečerpávání vodní energie (PSH). Využívá kombinaci vody a zemské přitažlivosti k zachycování energie mimo špičku a k jejímu zpětnému uvolňování v době vysoké poptávky. Přečerpávací vodní elektrárny obvykle využívají členitost krajiny a jsou stavěny kolem dvou vodních nádrží v různé výšce. Elektřina mimo špičku se používá k přečerpávání vody z nižší nádrže do vyšší. Je-li zapotřebí dodávat elektřinu do sítě, voda se vypustí zpět do nižší nádrže, čímž dochází k roztočení turbíny a k výrobě elektřiny. Technologie PSH tvoří více než 99 procent veškerých kapacit pro hromadné skladování na světě, což podle údajů amerického Energetického výzkumného ústavu (EPRI) odpovídá přibližně 127 000 MW.

Tato technologie má ale omezenou možnost expanze. Druh lokality, která je pro tyto systémy nutná, se v přírodě vyskytuje vzácně. Několik firem proto vymýšlí nové formy PSH. Jedním z ambiciózních nápadů je koncept "zeleného energetického ostrova", který navrhla dánská architektonická firma Gottlieb Paludan ve spolupráci s dánskou Technickou univerzitou. Spočívá ve výstavbě umělých ostrovů s větrnými turbínami a hlubokým centrálním zásobníkem. V době, kdy vítr vane, se energie využívá k odčerpávání vody ze zásobníku do moře. Když je elektřina zapotřebí, mořská voda se nechá vtéci zpět do zásobníku, čímž pohání turbíny vyrábějící elektřinu.

Firma Gravity Power se sídlem v Kalifornii vymyslela systém opírající se o dvě vodou plněné šachty, z nichž jedna je širší než druhá a jež jsou na obou koncích spojeny. Přečerpáváním vody přes menší šachtu dojde ke zdvižení pístu ve větší šachtě. V době, kdy poptávka po elektřině dosahuje špičky, se píst v hlavní šachtě nechá klesnout zpět, čímž je voda vytlačována přes generátor a vyrábí elektřinu. Podle vyjádření šéfa firmy Toma Masona relativně kompaktní charakter tohoto systému umožňuje jeho instalaci v blízkosti oblastí s vysokou poptávkou a v případě potřeby je možné přidat další moduly.

Vyřazené vagony

Systém firmy ARES (Advanced Rail Energy Storage) se sídlem v Kalifornii zase používá upravené železniční vozy na speciální kolejové trati. Elektřina mimo špičku se využívá k jejich vytažení na kopec. Když je elektřina zapotřebí, železniční vozy se uvolní a sjedou po kolejích dolů, čímž pohánějí generátor. Šéf firmy William Peitzke uvádí, že systém ARES je účinnější - účinnost jednoho cyklu (jedné cesty nahoru a dolů), tj. poměr spotřebované a získané energie, dosahuje více než 85 procent ve srovnání se 70-75 procenty v případě PSH. Nyní probíhá v Kalifornii výstavba demonstračního systému, který by měl být do provozu uveden v roce 2013.

Druhým nejrozšířenějším způsobem skladování energie je využití stlačeného vzduchu (CAES). Tato technologie pracuje se stlačováním vzduchu a jeho ukládáním ve velkých skladištích, například v podzemních solných jeskyních. Během energetické špičky se vzduch vypustí na pohon turbíny. V provozu jsou pouze dvě komerční zařízení využívající CAES: jedno v německém Huntorfu a druhé v Alabamě. Velkou nevýhodou CAES je nízká účinnost. Podle německé energetické společnosti RWE dosahuje huntorfská jednotka pouze 42procentní účinnosti, ta v Alabamě si vede jen nepatrně lépe. Problém spočívá v tom, že vzduch se při stlačování ohřívá a při expanzi ochlazuje. Ve stávajících systémech CAES dochází během stlačování ke ztrátě tepelné energie a před následnou expanzí je nutné vzduch znovu zahřívat. K tomu se obvykle používá zemní plyn, čímž se snižuje účinnost systému a zvyšují emise skleníkových plynů.

Stejně jako v případě skladování vodní energie je i u CAES snaha zvýšit účinnost a usnadnit instalaci. RWE ve spolupráci s průmyslovým konsorciem GE a dalšími firmami usiluje o komerční využití systému na stlačený vzduch, který zachycuje teplo vznikající během stlačování, skladuje je a poté je znovu používá během expanze. To eliminuje potřebu dodatečných zdrojů tepla. Teoretická proveditelnost tohoto konceptu byla ověřena, ale nyní se musejí překonat související technické překážky. Patří mezi ně i navržení čerpadel schopných stlačit vzduch na 70násobek atmosférického tlaku a vyvinutí keramických materiálů ke skladování tepla dosahujícího až 600 °C. Jak říká šéf výzkumné divize RWE Peter Moser, cílem je začít v roce 2013 s výstavbou demonstračního zařízení s kapacitou 90 MW.

Vývojem účinnějších forem CAES se zabývá i několik menších subjektů. Společnost SustainX, jež vznikla vyčleněním ze strojírenské fakulty Dartmouthské univerzity a již podporuje mimo jiné i americké ministerstvo pro energetiku a koncern GE, vyvinula tzv. "izotermální CAES". Ten teplo ze stlačeného vzduchu odstraňuje vstříknutím vodní páry. Voda toto teplo absorbuje, následně je skladována a použita na zahřátí vzduchu při expanzi. Namísto solných jeskyní využívá SustainX ke skladování stlačeného vzduchu ocelové potrubí, díky němuž je možné systém nainstalovat kdekoli. Firma vystavěla demonstrační zařízení s kapacitou 40 kilowattů a v partnerství s firmou AES chce vybudovat systém s kapacitou jeden až dva MW.

Sázka na roztavenou sůl

Další možností je skladování energie ve formě tepla. Společnost Isentropic se sídlem v anglické Cambridgi tuto koncepci využila při vývoji systému nazývaného "ukládání elektřiny pomocí přečerpávání tepla" (PHES). Používá plyn argon k přenosu tepla mezi dvěma obrovskými zásobníky naplněnými štěrkem. Energie přitékající do systému pohání tepelné čerpadlo, které argon stlačuje a zahřívá. Mezi oběma zásobníky tak vytváří teplotní rozdíl: v jednom je teplota 500 °C a ve druhém -160 °C. V době vysoké poptávky funguje tepelné čerpadlo ve zpětném chodu jako tepelný motor - argon expanduje, ochlazuje, a vyrábí tak elektřinu. Isentropic uvádí, že její systém dosahuje v závislosti na velikosti 72-80procentní účinnosti.

BrightSource Energy, energetická firma sídlící v kalifornském Oaklandu, zase podepsala smlouvu s podnikem Southern California Edison, jejímž předmětem je realizace systému ukládajícího energii do roztavené soli. BrightSource vyrábí elektřinu pomocí koncepce označované jako "koncentrovaná sluneční energie". Počítačem ovládaná zrcadla (známá jako heliostaty) v ní soustředí teplo ze slunečního záření k uvedení vody do varu a následnému pohonu parní turbíny. Tento systém však funguje pouze v době, kdy svítí slunce. Skladovací systém nazývaný SolarPLUS využívá výměník tepla k přenosu části tepla zachyceného heliostaty do roztavené soli. Když je třeba, je pak teplo vedeno zpět přes výměník tepla k parní turbíně, kterou pohání. Díky tomu mohou elektrárny firmy BrightSource dodávat elektrickou energii i po setmění. Umožňuje to větší flexibilitu, než je u sluneční energie obvyklé. BrightSource má v úmyslu vybavit systémem SolarPLUS celkem tři ze svých elektráren.

Za podpory vlád

Potenciální trh je obrovský: podle společnosti Pike Research zabývající se výzkumem trhu bude do projektů v oblasti ukládání energie v období let 2011 až 2021 investováno 122 miliard dolarů. Firma předpovídá, že převážná část výdajů bude směřovat do nových forem CAES. O tuto technologii se čím dál více zajímají i ekologicky smýšlející vlády a regulační orgány. V Kalifornii byl schválen zákon, který podnikům veřejných služeb ukládá povinnost zahrnout systémy ukládání energie do svých plánů. Německé ministerstvo životního prostředí loni navrhlo projekt, který má posoudit technologický vývoj a finanční potřeby v oblasti skladování energie. A prostředky z fondu britské vlády pro "nízkouhlíkové sítě" jsou využívány k výstavbě některých demonstračních projektů.

Rozsáhlé využívání systémů hromadného skladování však bude vyžadovat regulační i technický pokrok. Systémy skladování totiž nezapadají do regulačních rámců, které rozlišují poskytovatele elektrické energie od provozovatelů sítě, neboť je mohou využívat obě skupiny. Jak ve své zprávě poznamenává ústav EPRI, jejich schopnost odebírat elektřinu ze sítě, ukládat ji a vracet ji do sítě později představuje "potenciální problémy pro stávající koncepce v oblasti sazeb, účtování a měření spotřeby". Stejně tak není ani jasné, zda budou mít energetické firmy možnost přenést náklady na skladovací zařízení na zákazníky.