Technologický plán akumulace energie (elektrické a tepelné)

Technologický plán pro oblast akumulace energie (Technology Roadmap: Energy Storage) vypracovaný v roce 2014 Mezinárodní energetickou agenturou (International Energy Agency – IEA) je odpovědí na požadavky po hlubší analýze v oblasti skladování energií, a to konkrétně na otázku, jakou roli bude hrát akumulace energie při probíhající proměně energetických soustav. Ve studii, zaměřující se na akumulaci elektrické a tepelné energie, jsou shrnuty aktuální zavedené technologie a dále představeny plány pro rozvoj a implementaci technologií nacházejících se ve stádiu výzkumu a vývoje (Research and Development – R&D).

Technologie pro akumulaci energie absorbují energii, uloží ji a po určité době zajistí její zpětnou dodávku do soustavy nebo přímo koncovému spotřebiteli. Tento proces tak umožňuje překonat časové nebo geografické rozdíly mezi výrobou a spotřebou, a to jak ve velkém, tak v malém měřítku. Využití pokrývá širokou oblast energetických systémů od centralizovaných soustav až po autonomní oblasti a objekty.

V minulosti byly zdroje umožňující akumulaci energie instalovány především za účelem využití kolísavé poptávky po energiích. Aktuální zvýšený důraz na dekarbonizaci energetického sektoru poukazuje na využití těchto zdrojů pro zvyšování účinnosti energetických procesů (například využití odpadního tepla prostřednictví tepelné akumulace) a pro podpoření rozvoje elektráren využívajících obnovitelné zdroje energie s kolísavou výrobou – fotovoltaických a větrných elektráren.

Využití akumulace energie

Akumulace energie je využívána napříč energetickým sektorem – v elektrizační soustavě, v soustavách centrálního zásobování teplem a chladem, v rozptýlených a autonomních (off-grid) aplikacích. Kategorie využití akumulace energie jsou následující:

• Sezónní uskladnění – Využití schopnosti uskladnit energii na dny, týdny nebo měsíce za účelem kompenzace přerušovaných dodávek energie nebo kvůli proměnlivé dodávce a spotřebě daného druhu energie z dlouhodobého hlediska (například uskladnění tepla v létě jeho následné užití v zimě za pomoci podzemního uskladnění tepelné energie).
• Obchodování s uskladněnou energií – Uskladnění levné energie v období nízké poptávky a její následný prodej za vyšší cenu v období zvýšené poptávky zpravidla na denní bázi.
• Regulace frekvence – automatické vyrovnávání bilance výroby a spotřeby elektřiny za účelem udržení frekvence v určeném pásmu.
• Regulace napětí – absorpce nebo injekce jalového výkonu z/do přenosové a distribuční soustavy za účelem udržení požadované velikosti napětí.
• Start ze tmy – Při selhání všech podpůrných mechanizmů, po kterém zpravidla následuje tzv. blackout (rozpad elektrizační soustavy), zajišťuje schopnost start ze tmy schopnost najetí bloku, dosažení daného napětí a možnost připojení k síti bez podpory externího zdroje.
• Odlehčení přenosové a distribuční soustavy / odložení investic do infrastruktury – využití časového a/nebo geografického přesunu výroby nebo spotřeby za účelem odlehčení přenosové a distribuční soustavy nebo za účelem odložení potřeby velkých investic do infrastruktury
• Přesun spotřeby a snížení špičkového zatížení – změna doby, kdy je vykonávána určitá aktivita (např. vytápění nebo ohřev vody).
• Spotřeba nepřipojená k soustavě (off-grid) – spotřebitelé nepřipojeni k soustavě často využívají fosilní a intermitentní obnovitelné zdroje k získávání tepelné a elektrické energie. Akumulace energie zajišťuje možnost ekonomické a nepřetržité dodávky energie.
• Integrace intermitentních zdrojů energie – použití energetické akumulace ke změně a optimalizaci výkonu intermitentních zdrojů (např. slunce, vítr), potlačování náhlých a také sezónních změn výkonu, řízení bilance výroby a spotřeby energie.
• Využití odpadního tepla – využití technologií umožňujících akumulaci energie pro časové a geografické oddělení tepelné výroby (např. kogenerační elektrárny, kondenzační elektrárny) a spotřeby (například v soustavách centrálního zásobování teplem).
• Kombinovaná výroba elektřiny a tepla – uskladnění elektrické a tepelné energie za účelem překlenutí rozdílu mezi dobou výroby a dobou spotřeby elektřiny a tepla.

Umístění akumulace energie

Rozvoj v oblasti skladování energie je očekáván ve všech oblastech energetické soustavy – výroba, přenos a distribuce, spotřeba. Optimální umístění konkrétní technologie závisí na službách, které bude daná technologie poskytovat. Hypotetický rozvoj jednotlivých technologií je zobrazen na následujícím obrázku. Jednotlivé technologie budou blíže popsány v další části textu.

Zdroj: IEA – Technology Roadmap: Energy Storage (2014)

Technologie akumulace energie

V plánu rozvoje technologií umožňujících akumulaci energie jsou rozlišovány dva druhy technologií akumulace v závislosti na druhu výstupní energie – elektřiny a tepla. V současnosti se jednotlivé technologie nacházejí v různých stádiích vývoje, od raných fází vývoje až po zavedené technologie.

Na následujícím obrázku jsou zobrazeny klíčové technologie při zohlednění výše investičních nákladů a technologického rizika a současně aktuální fáze rozvoje technologie.

Zdroj: IEA – Technology Roadmap: Energy Storage (2014)

• Přečerpávací vodní elektrárny (PSH/PVE) – využívají uložení elektrické energie v době malé spotřeby ve formě potenciální energie vody pro využití v době špičkové spotřeby. Voda je čerpána ze spodní nádrže do horní nádrže, přičemž dochází ke spotřebě elektrické energie. Následně je v době špičky voda vpuštěna do přívodních potrubí a poháněním turbíny, která je hřídelí spojena s generátorem, se generuje elektrický výkon.
• Podzemní uskladnění tepelné energie (UTES) – čerpadlem poháněný systém ukládání ohřáté nebo vychlazené vody do podzemního zásobníku pro pozdější užití. Zásobníky mohou být uměle vytvořené nebo přírodní.
• Akumulace do stlačeného vzduchu (CAES) – využití elektrické energie v době nízké spotřeby ke stlačení vzduchu a následnému uložení v podzemních kavernách nebo zásobnících. Stlačený vzduch je ve špičce využíván při spalování v plynové turbíně při výrobě elektřiny.
• Akumulace tepelné energie v jámě (Pit Storage System) – využití hluboké jámy vyplněné většinou směsí vody a zeminy a zakryté vrstvou izolačních materiálů. Voda je vháněna/čerpána do/z jámy při poskytování vytápění nebo chlazení.
• Akumulace v roztavených solích (Molten salt) – používané soli mají pevné skupenství při normálních teplotách a atmosférickém tlaku. Po zahřátí (například v solární elektrárně s centrální věží) je roztavená sůl využita k produkci vodní páry, která pohání turbínu při výrobě elektřiny, nebo je uskladněna v kapalném skupenství pro pozdější využití.
• Baterie – při nabíjení vyvolá procházející proud vratné chemické změny, které se projeví rozdílným potenciálem na elektrodách. Tento rozdíl potenciálů (napětí) lze v režimu vybíjení využít k čerpání elektrické energie z baterie (například lithium-ion, lithium-polymer, sodík-síra, olovo-acid).
• Termochemické uskladnění (Termochemical Storage) – vratné chemické reakce, při kterých je energie absorbována a uvolňována při rozbití nebo znovuvytvoření molekulárních vazeb.
• Akumulace ve vodíku (Hydrogen) – využití vodíku, získaného například elektrolýzou, jako nositele energie. Elektřina je přeměněna, uložena a poté využita v požadované formě – například elektřina, teplo, kapalné palivo.
• Setrvačníky (Flywheels) – mechanická zařízení otáčející se vysokou rychlostí, ve kterých je v nich ukládána elektrická energie ve formě rotační (kinetické) energie. Uložená energie je později zpětně využita při zpomalení setrvačníku. Proces výroby elektřiny je charakterizován vysokým výkonem a krátkou dobou trvání.
• Superkapacitory (Supercapacitors) – elektřina je akumulována v elektrostatickém poli mezi dvěma elektrodami. Tato technologie umožňuje rychlé ukládání a vypuštění elektrické energie.
• Supervodivé cívky (SMES) – uskladnění elektrické energie v magnetickém poli, které je vytvořeno průchodem stejnosměrného proudu supervodivou cívkou. Supervodivost je dosažena silným zchlazením vodiče na teplotu, kdy materiál vykazuje téměř nulový odpor, což umožňuje dlouhodobý průchod proudu při téměř nulových ztrátách energie.
• Akumulace do pevného media – uložení energie pro pozdější užití v oblasti zásobování teplem a chladem. V mnoha zemích obsahují elektrické ohřívače pevné medium (např. beton nebo cihly) za účelem řízení spotřeby elektřiny.
• Akumulace v ledu (Ice Storage) – uskladnění ve formě latentního tepla, při kterém materiál mění své skupenství a na základě těchto změn ukládá nebo uvolňuje energie.
• Nádrže s teplou nebo studenou vodou – jsou využívány k uspokojení potřeby tepla a chladu. Běžný příklad užití jsou izolované nádrže s horkou vodou v domovních instalacích jako součást kotle.

V následující tabulce jsou uvedeny některé základní charakteristiky popsaných technologií akumulace energie.

Aktuální instalovaný výkon

Přestože existují data, která kvantifikují globální akumulaci energie, pokusy o detailní vyčíslení celkového instalovaného výkonu v oblasti akumulace energie se potýkají s problémy typu nedostatku dostupných dat, konfliktu definic vztahujících se k akumulaci energie a další.

Data, která jsou dohledatelná a je možné je použít jako výchozí bod, je celkový světový instalovaný výkon v akumulaci elektrické energie. Ta ukazují, že nejméně 140 GW instalovaného výkonu je součástí elektrizačních soustav. Majoritní využívanou technologií jsou PVE (99 %). Zbylé jedno procento zastávají baterie, CAES, setrvačníky a akumulace ve vodíku. Graficky jsou tato data zpracována v následujícím grafu (Hodnoty uvedeny v MW).

Zdroj: IEA – Technology Roadmap: Energy Storage (2014)

Vize pro rozvoj do roku 2050

Ve studii jsou představeny 3 scénáře možného rozvoje v oblasti akumulace elektrické energie do roku 2050:

1. Scénář 2 °C (2DS) – předpoklad výše nákladů technologií umožňujících denní akumulaci na úrovni dnešního nejlevnějšího zdroje – PVE
2. Scénář průlom (breakthrough) – předpoklad výrazného snížení nákladů těchto technologií a následný významný rozvoj akumulace energie
3. Scénář elektromobilita (EV) – přesouvání špičkového zatížení pomocí strategií v oblasti nabíjení elektrických automobilů a tím snížení potřeby instalace zdrojů umožňujících akumulaci energie v rozsahu 6 až 8 hodin

V následujícím grafu je zobrazeno porovnání současné a plánované hodnoty instalovaného výkonu zdrojů umožňujících denní akumulaci pro Čínu, Indii, Evropskou unii a USA dle jednotlivých scénářů.

Zdroj: IEA – Technology Roadmap: Energy Storage (2014)

Hodnota investic potřebných k dosažení stanoveného instalovaného výkonu ve zkoumaných regionech se liší v závislosti na scénáři. Nejnižší hodnota je odhadována při naplnění scénáře EV – 380 mld. USD. Vyšší hodnota je očekávána pro scénář 2DS, a to 590 mld. USD. Nejvyšší hodnota potom ve scénáři průlom – 750 mld. USD. Odhadované hodnoty pro jednotlivé regiony jsou uvedeny v grafu níže.

Zdroj: IEA – Technology Roadmap: Energy Storage (2014)