Efektivní ukládání energie je v dnešní době jedním z nejvíce
diskutovaných problémů energetiky. Vyřešením tohoto problému
bychom se výrazně posunuli na cestě k dekarbonizaci planety.
Spotřeba energie se výrazně mění v průběhu roku a též i v průběhu
dne. Nejméně energie se zpravidla spotřebovává v létě, o víkendu,
v noci. V létě například fotovoltaické elektrárny mají dostatek
slunečního svitu a množství vyrobené energie se zvyšuje. Touto nevyvážeností
provozu jsou zatížené i další obnovitelné zdroje. Jelikož nejsme
schopni řídit počasí, musíme přijít s jiným řešením. Abychom zajistili
stálou dodávku elektrické, popřípadě tepelné energie v čase, nabízí
se řešení ukládání „přebytečné“ energie v době nízké poptávky.
Principy ukládání energie do solí
Pod pojmem ukládání energie si většina z nás představí dnes běžně
používané lithium iontové baterie. Energii, a to jak elektrickou,
tak i tepelnou, lze však ukládat i jinými způsoby: mechanicky, elektromechanicky,
elektricky, termochemicky, chemicky či tepelně. Jedním ze způsobů
tepelného ukládání energie je ukládání do roztavených solí. Princip
tohoto ukládání energie je velice snadný. Z hlediska technické konstrukce
rozlišujeme dva typy solného úložiště.
První typ se skládá ze dvou zásobníků.
V jednom zásobníku skladujeme „studenou“ roztavenou sůl a v druhém
sůl teplou. Při ohřevu neboli nabíjení úložiště je sůl ze „studeného“
zásobníku vedena přes tepelný výměník, kde je ohřívána, do horkého
zásobníku. Při vybíjení je proces totožný, jen v opačném směru.
Tedy horká sůl je vedena do výměníku, kde ohřívá páru, a poté pokračuje
do studeného zásobníku. Tento typ je dnes již používán na solárních
elektrárnách typu CSP (Concentrated Solar Power). Zde je sůl ohřívána
slunečními paprsky koncentrovanými v tzv. „přijímači“.
Druhý typ využívá pouze jeden zásobník, ve kterém je jak „studená“,
tak i „horká“ sůl. Plovoucí membrána zajišťuje, aby nedocházelo
k jejich mísení. Tento typ je výhodnější zejména ekonomikou výstavby,
stavba dvou zásobníků je totiž finančně náročná.
Typy používaných solí
Technologie ukládání energie do solí se dnes průmyslově používá
především u solárních elektráren typu CSP. Těchto elektráren je
dnes v provozu více, než bychom čekali: například jen ve Španělsku
je jich celkem 53. Z toho 23 provozuje solné úložiště energie. Roztavené
soli jsou pro ukládání energie velmi vhodné médium. Mají vysokou
hustotu (mnohem vyšší než voda), vysokou tepelnou kapacitu a zároveň
velmi dobrou viskozitu. Dnes úložiště používají především soli na
bázi dusičnanů. Hlavní důvody pro použití dusičnanových solí jsou
hlavně nižší pořizovací náklady, mnohem nižší agresivita vůči jiným
materiálům než u jiných typů solí a nízká toxicita. Samozřejmě mají
roztavené soli také nevýhody, jednou z hlavních nevýhod je vyšší
teplota tání. Může tedy dojít k zamrznutí soli uvnitř potrubí. Z
tohoto důvodu je veškeré potrubí vytápěno. Dalším problémem je již
zmíněná agresivita vůči konstrukčním materiálům. A dále dle typu
soli i jejich ekonomická náročnost. Ta se odvíjí od velkého množství
soli potřebného pro takovéto úložiště. Například v elektrárně Andasol
je pro skladování 1 123 MWhe po dobu 7,5 hodiny potřeba 28 500 tun
soli.
Příklady provozovaných úložišť
V současnosti je v provozu několik solných úložišť, především
v kombinaci se solárními elektrárnami. Podle konstrukce se CSP dají
dělit na tzv. „Tower CSP“ a „Parabolic through CSP“. Princip těchto
technologií bude vysvětlen na následujících dvou příkladech.
Crescent Dunes je elektrárna provozovaná v nevadské poušti.
Technologickým typem je to elektrárna „Tower CSP“. To v principu
znamená, že roztavená sůl je ze studeného zásobníku vedená do „receiveru“.
„Receiver“ je vrchní část věže elektrárny, na kterou jsou zrcadly
odráženy sluneční paprsky. Tímto dopadem koncentrovaných slunečních
paprsků se receiver zahřívá na vysokou teplotu cca 550 °C a následně
ohřívá roztavenou sůl. Roztavená sůl je poté vedena do horkého zásobníku.
Odtud je v případě potřeby vedena do tepelného výměníku, kde ohřívá
páru vedenou na turbínu. Zásoba soli na této elektrárně činí 32
000 tun. S tímto množstvím jsou zde schopni akumulovat tepelnou
energii pro výrobu 1 100 MWhe elektřiny, nabíjení trvá 10 hodin.
Projekt Crescent Dunes
Noor Ouarzazate. Dnes největší CSP elektrárna se nachází
v Maroku poblíž města Ouarzazate Warzazát. Tento komplex se skládá
z několika projektů (Noor I – Noor IV). Noor I a Noor II jsou rojekty
typu Parabolic through CSP, Noor III je CSP Tower projekt a Noor
IV je fotovoltaický projekt. Dohromady je výkon této elektrárny
580 MWe.
Pro ilustraci si zde popíšeme projekt Parabolic through CSP.
Tato technologie se od Tower CSP odlišuje způsobem ohřevu soli.
Namísto jedné věže, kam se koncentrují sluneční paprsky, jsou zde
zrcadlové paraboly. Ty koncentrují sluneční záření do potrubí v
jejich ohnisku. V potrubí proudí tzv. Heat Transfer Fluid (HTF)
látka, která je schopná dobře absorbovat a předávat teplo. Tato
tekutina je poté vedena do výměníku, kde ohřívá roztavenou sůl.
Následně je princip stejný jako u typu CSP Tower. Roztavená sůl
ohřívá páru, která putuje na turbínu.
Solné úložiště je zde tvořeno několika zásobníky. Každá elektrárna
v tomto komplexu má své úložiště. Proto mají možnost zkoušet různé
směsi solí. V současné době se zde provozuje Solar salt, Hitec a
další směsi. Každý projekt je schopný ukládat energii po různou
dobu. Noor I je schopen akumulovat 3 hodiny, Noor II po dobu 6 hodin
a Noor III po dobu 7,5 hodiny. Kombinovaně jsou schopné akumulovat
tepelnou energii pro výrobu 2 930 MWhe.
Projekt Noor Ouarzazate
V německém Berlíně je provozováno solné úložiště, kde
je zdrojem tepla místní teplárna. Jde o první případ, kdy pro ohřev
tekuté soli není použita solární elektrárna.
Berlínské úložiště neohřívá tavenou sůl, ale funguje na termochemickém
principu. Ukládání energie zde tak probíhá trochu odlišně od předchozích
případů. Nabíjení úložiště se provádí zahřátím soli na teplotu cca
550 °C, ze soli se odpaří voda a vznikne suchá sůl. V takovémto
stavu je možné sůl skladovat týdny; dokonce až měsíce. Při vybíjení
se do soli zpět přidá voda a chemickou reakcí se začne uvolňovat
vysokoteplotní pára, kterou lze použít na pohon turbíny nebo na
vytápění.
Ukládání tepla je vhodné nejen pro CSP projekty; v podstatě je
jedno, odkud teplo pochází (fosilní teplárna/výtopna/elektrárna,
jaderný reaktor) a může vykrýt jak elektrárenské, tak i teplárenské
špičky. Už i v Česku univerzity spolupracují s průmyslovými partnery
při zavádění této technologie a testovací zařízení s tavenou solí
navrhuje a provozuje ZČU Plzeň společně s ČVUT Praha.
Metody ukládání tepelné energie se v současné době bouřlivě rozvíjejí.
Nicméně tyto technologie se soustřeďují především na spolupráci
se solárními elektrárnami. Revoluční je jejich použití i v jiných
oblastech. Například teplárenství, výroba elektřiny atd., jak ostatně
můžeme vidět na berlínském příkladu. Doufejme, že se k nim brzy
přidají i čeští energetici.
|