Uskladnenie elektrickej energie

Na mnohých miestach sú používané prečerpávacie elektrárne aj s cieľom vytvárať dennú záťaž v čase víkendov a minimálneho denného odberu pumpovaním vody do vyššie položených zásobníkov vody. Na prečerpávanie sa využíva prebytok energie z uhoľných a jadrových elektrární. Počas špičkového odberu je táto voda (voda prečerpaná do vyššie položených miest) používaná na hydroelektrickú výrobu, často ako rýchla dodávka elektrickej energie kryjúca prechodné špičkové odbery. Prečerpávacia elektráreň dokáže dodať späť 75% z energie ktorú spotrebovala pri akumulácií a preto je v súčasnosti finančne najefektívnejšie masové úložisko el. energie. Hlavný problém prečerpávacích elektrární je, že zvyčajne potrebujú dve vodné nádrže blízko pri sebe ale so značným výškovým rozdielom. Tiež náklady na výstavbu takejto elektrárne sú značné.

Prečerpávací systém môže začať výrobu el. energie veľmi rýchlo, obvykle do 15 sekúnd, čo robí tento systém veľmi efektívny v dodávaní energie podľa požiadaviek odberateľov. Dnes je po svete okolo 90 GW výkonu v prečerpávacích elektrárňach čo predstavuje len 3% okamžitej výroby el. energie. Keďže však majú limitovaný obsah energie, nie je vhodné použiť prečerpávacie hydroelektrárne na pokrytie spotreby pri výpadku elektrickej energie. Väčšina prečerpávacích elektrární vydrží dodávať energiu len 5 až 6 hodín pri vlastnej výkonovej a energetickej kapacite. Hlavne však, táto energia je už využitá pre požiadavky vyrovnania zmien spotreby. Napríklad, úložisko Dinorwig môže poskytnúť 5% z celkovej výroby el. výkonu v UK (2,9 GW) po dobu 5 hodín. Potom sa minie voda z hornej nádrže o celkovej akumulovanej energií 14,5 GWh. Ak by bolo UK výhradne závislé na energií z vetra, pričom bezvetrie by trvalo dva dni, potrebovali by približne 140 takých úložísk ako je Dinorwig na udržanie normálnej dodávky energie. (predpokladá sa priemerná spotreba UK 1000 GWh/deň).

Ďalším príkladom je Tianhuangping prečerpávacia hydroelektráreň v Číne, ktorá má kapacitu zásobníkov 8 000 000 metrov kubických vody s výškovým rozdielom 600 m. Pri 0,277 kWh na kubický meter na 100 metrov zvislého spádu vody predstavuje nádrž zásobu potenciálnej energie 13 GWh (13 miliónov kWh). Uvedenou zásobou potenciálnej energie je možné vytvoriť elektrickú energiu s 80% účinnosťou. Energia uložená v zásobníku však predstavuje len 2% z dennej čínskej spotreby el. energie.

Tradičné vodné hrádze hydroelektrární sú ďaleko bežnejšie, než prečerpávacie elektrárne. V tejto konfigurácií sa voda pustí vtedy keď je potrebné, tak ako pri prečerpávacej hydroelektrárni ale bez prečerpávania smerom nahor a tým bez energetických strát. Ešte možno dodať, že existuje nový koncept prečerpávacej hydroelektrárne využívajúci veternú energiu na prečerpávanie vody. Veterné turbíny ktoré priamo poháňajú vodné pumpy môžu tento proces zefektívniť, ale opäť je tu limit množstva energie ktoré môžu akumulovať. Takýto systém môže poskytnúť energiu na bezvetrie trvajúce len pár hodín.

Batérie (alebo akumulátory na elektrochemickom princípe) boli používané v raných začiatkoch elektrických sietí, no dnes sa začínajú objavovať opäť. Mnoho domácich systémov bez prístupu k energetickým sietiam sa spolieha na energiu z batérií rovnako ako väčšina telefónnych systémov. Skladovanie veľkého množstva energie, ako napríklad v obrovských batériách, nikdy nebolo zavedené do praxe okrem špeciálnych prípadov, ako sú napríklad požiadavky vysokej bezpečnosti a spoľahlivosti. "Batérkáreň" bola súčasťou napríklad posledného núdzového zdroja jadrovej elektrárne v Jaslovských Bohuniciach, kde slúžila ako posledná možnosť po výpadku záložného prívodu elektrickej energie a po následnom prípadnom zlyhaní niekoľkonásobne zálohovaných dieselgenerátorov (každého so samostatnou nádržou paliva). Vo všeobecnosti sú batérie drahé, je problém s údržbou a majú pomerne krátku životnosť. Ale je možná jedna technológia ktorá by sa dala využiť pre rozsiahle ukladanie energie do tzv. prietokových batérií. Ide o batérie s prvkami sodík-síra, ktoré môžu byť pomerne lacné pre použitie vo veľkom rozsahu v sieti energetických úložísk. Tieto batérie boli už používané pre energetické úložiská v Japonsku a v Spojených Štátoch. Vanadium oxidačne redukčné batérie a iné typy prietokových batérií sa začínajú používať pre ukladanie energie a tiež spriemerovania výroby energie veternou turbínou. Batériové úložisko má relatívne dobrú účinnosť t. j. okolo 90 % alebo lepšiu.

Keď sa budú masovo vyrábať hybridne napájané vozidlá, môžu sa ich batérie použiť ako zásobárne energie. Technológia sieťových vozidiel sa môže uplatniť tak, že každé vozidlo s 20 až 50 kWh batériovým blokom možno zmeniť na zdroj energie napájajúci sieť pre vybalansovanie spotreby v sieti, alebo v prípade naliehavého odberu energie v sieti (vykrytie špičkového odberu). Priemerná spotreba energie vozidla na jeden deň pre jednu rodinu by sa dala vykryť za 2 až 5 dní pri dodávke 10 kWh/deň. Predpokladá sa ročná spotreba 3650 kWh. Toto množstvo energie je ekvivalentné spotrebe vozidla pri prejdení vzdialenosti 65 až 500 km. Spotreba vozidla je 0,1 až 0,31 kWh/km. Tieto parametre možno dosiahnuť aj v podomácky vyrobenom elektromobile z automobilu. Niektoré elektrické úžitkovosti počítajú s využitím starých batérií elektrických automobilov. Novšie Li-ion batérie môžu byť opakovane hlboko vybíjané viac ako 25 000-krát.

Nabíjateľné prietokové batérie môžu byť použité ako zdroj okamžitej dodávky el. energie. Vanadium oxidačne redukčné batérie sú v súčasnosti inštalované Huxley Hill veternej farme (Austrália), Tomari veterných pahorkoch na Hokkaidó (Japonsko) a tiež na bezveterných farmách. Ďalšie 12MWh prietokové batérie sú inštalované na Sorne Hill veternej farme (Írsko) Tieto systémy energetických úložísk sú navrhnuté na vyrovnávanie prechodných fluktuácií v dodávke energie z vetra. Oxidačne redukčné prietokové batérie, o ktorých bola zmienka vyššie, majú kapacitu 6 MWh, čo je takmer hodinová dodávka elektrickej energie konkrétnej veternej farmy.

Ďalšia metóda pre sieť energetického úložiska využíva akumuláciu energie stlačením vzduchu. Energia na stlačenie vzduchu sa získava z obnoviteľných zdrojov a z dodávky energie mimo času špičkovej spotreby. Stlačený vzduch je zvyčajne ukladaný v starých baniach, alebo v iných geologických štruktúrach. Keď je elektrická spotreba vysoká, stlačený vzduch sa zahreje malým množstvom prírodného plynu, ktorý potom prechádza pri expanzii turbínou poháňajúcou generátor vyrábajúci el. energiu.

Boli urobené konštrukčné návrhy pre použitie roztavenej soli ako úložiska tepelnej energie získanej zo solárnej veže, čo je využiteľné pre výrobu elektrickej energie v zlom počasí a v noci. Počas jedného roka bola predpovedaná tepelná účinnosť až 99%.

Energia z času mimošpičkovej spotreby môže byť použitá tiež na výrobu ľadu z vody. Ľad sa uchová do nasledujúceho dňa, kedy poslúži ako chladenie vzduchu pre veľké budovy, týmto sa zmení (zníži) spotreba špičkovej energie. Ľad sa tiež môže využiť na chladenie príjmu vzduchu do generátora plynovej turbíny, čím sa zvýši kapacita produkcie špičkovej energie.

Mechanická zotrvačnosť je základ metódy pre tento typ úložiska energie. Ťažký rotujúci disk je rozbiehaný elektromotorom, ktorý sa správa ako generátor el. energie pri brzdení rozbehnutého disku. Elektrická energie je teda akumulovaná v kinetickej energií disku. Trenie sa musí udržiavať na minime tak aby sa energia zachovala čo najdlhšie. Toto sa obvykle dosahuje tak, že sa disk umiestni v prostredí vákua a použijú sa magnetické ložiská čím má táto metóda sklon byť drahá. Väčšie rýchlosti rotácie umožňujú akumulovať väčšie množstvo energie ale zvyšujú sa tak nároky na pevnosť materiálov ako oceľ, alebo kompozitné materiály. Materiál disku je namáhaný odstredivými, resp. dostredivými silami. Použitie nanorúrok ako materiál pre rotujúci disk je v štádiu výskumu. Potrebný rozsah výkonu a akumulovanej energie sa technicky a ekonomicky dosiahnuť dá, ale pre bežnú prevádzku v energetike sa javia zotrvačníky ako nevhodné. Vhodnejšie sú v aplikáciách kde vyrovnávajú energetické zaťaženia v železničnej doprave, alebo pri zlepšovaní kvality energie v systémoch obnoviteľných zdrojov. Jedna aplikácia ktorá v súčasnosti využíva zotrvačníky je aplikácia, ktorá potrebuje veľmi veľkú dodávku energie počas krátkej doby ako napríklad tokamak a laserové experimenty. V týchto aplikáciách je motor-generátor roztočený na svoje prevádzkové otáčky a pri dodaní energie sa môže zastaviť už počas jednej otáčky. Zotrvačníky sa tiež používajú ako zdroje nepretržitej dodávky elektrického prúdu tzv.UPS (napríklad vo veľkých datacentrách) na preklenutie krátkeho času, od momentu keď sa v hlavnom prívode preruší dodávka prúdu do doby kým nabehne dieselový generátor.

Riešenie tohto typu bolo implementované firmou EDA v Azores na ostrovoch Graciosa a Flores. Ich systém používa zotrvačníky s akumulovanou energiou 18 MWs. Používajú sa na zlepšenie kvality energie, čím zabezpečia zvýšenie použiteľnosti obnoviteľných energií.

Ako doterajší opis napovedá, tieto systémy sú opäť vhodné len na vyrovnanie fluktuácií v dodávke el. energie a teda nemôžu byť použité na niekoľkodňové vykrytie strát úplného výpadku dodávky el. energie. Najväčšie zotrvačníkové úložisko môže akumulovať maximálne 133 kWh energie.

Systém úložísk “supravodivej magnetickej energií” (USME) zabezpečuje uloženie energie v podobe energie magnetického poľa vytvoreného jednosmerným prúdom v supravodivej cievke. Cievka je chladená kryotechnikou na nízke teploty pod svoje kritické supravodivé teploty. Typické USME zahŕňa tri hlavné časti: Supravodivá cievka, energetický udržiavací systém a kryotechnicky chladenú chladničku. Hneď ako je supravodivá cievka nabitá, el. prúd sa nezníži a energia magnetického poľa môže byť skladovaná na neurčitú dobu. Uložená energia môže byť uvoľnená späť do siete vybitím cievky. Energetický udržiavací systém používa striedač/usmerňovač aby zmenil striedavý prúd (AC) na jednosmerný, alebo naopak jednosmerný prúd (DC) na striedavý. Striedač s usmerňovačom spotrebuje pri prevode AC prúdu na DC a naopak 2 až 3% privedenej energie. USME je preto veľmi efektívny systém pretože pri transformácií prúdu z AC na DC a späť dosahuje účinnosť približne 95%. Ale vysoká cena supravodičov predstavuje hlavné obmedzenie pre komerčné použitie tejto metódy úložiska.

Kvôli spotrebe energie na chladenie, a limitom množstva energie ktorú je systém schopný akumulovať USME je v súčasnosti používaný len na krátku dobu uchovania energie. Preto je USME obvykle používaný na zlepšenie kvality energie. Ak by sa USME použil ako verejná služba najskôr by slúžil ako denné zálohovacie zariadenie. USME by sa nabíjal z energie v pásme základného zaťaženia v noci a cez deň by vykryl dodávku energie pre špičkové zaťaženie.

S vodíkom sa počíta ako s médiom prostredníctvom ktorého je možné vhodne uložiť el. energiu. Vodík sa vytvorí elektrolýzou vody a následne sa uskladní pre neskoršie použitie. V júli 2007 vláda Newfoundland a Labrador-u vyhlásila 5 rokov pilotného programu pre systém vodík-veternej energie na ostrove Ramea. Tento program nahradí existujúce, vietor-dieselové generátorové systémy. Ale pri používaní vodíkového úložiska dochádza k značným stratám energie v cykle skvapalnenia, alebo kompresie vodíka a spätnej konverzie na elektrickú energiu. Stránka Physorg.com uvádza, že straty energie kompresiou vodíka pri výrobe elektriny sú okolo 78%. Straty energie skvapalnením dosahujú až 81%.

Vodík nie je primárnym zdrojom energie, ale prenosným úložiskom energie, pretože musí byť vyrobený iným zdrojom energie aby sa dal použiť. Ale, ako médium na ukladanie energie, môže hrať vodík významnú úlohu v používaní obnoviteľných energií. Pozri úložisko vodíka. Vodík sa dá využiť v konvenčných spaľovacích motoroch, alebo v palivových článkoch, ktoré priamo premieňajú chemickú energiu na elektrickú bez horenia, podobným spôsobom ako ľudské telo spaľuje palivo. Výroba vodíka potrebuje buď premeniť prírodný plyn s parou na vodík a kyslík, alebo využiť obnoviteľný ekologickejší zdroj elektrolýzu vody, na výrobu vodíka a kyslíka. Prvý proces výroby vytváral vedľajší produkt oxid uhličitý. S elektrolýzou, zaťaženie skleníkovým efektom závisí na zdroji energie.

So zdrojmi energie dodávajúcimi energiu v prerušovanom režime ako solárna energia a vietor možno dodávať výstup priamo do elektrickej siete. Pri výrobe energie pod 20% z celkového požadovaného množstva energie v sieti tieto zdroje nijak zvlášť nezmenia ekonómiu. Ale pri produkcií nad 20% sa externé úložiská stanú dôležité. Ak sa použijú tieto zdroje s prerušovanou dodávkou na výrobu elektriny na vytvorenie vodíka, potom sa dajú využiť naplno kedykoľvek budú dodávať energiu, podľa potreby na vodík, alebo na elektrinu do siete. Všeobecne povedané, nezáleží na tom či budú tieto zdroje odpojené alebo nie, vodík je uložený a môže sa využiť kedykoľvek to bude treba. Pilotný program používajúci veterné elektrárne a vodíkové generátory sa rozhodlo použiť izolované spoločenstvo ľudí Ramea na Newfoundland a Labrador na 5 rokov od roku 2007.

Zástancovia nukleárnej energie poznamenali, že výroba vodíka prostredníctvom nukleárnej energie môže pomôcť vyriešiť neefektivitu elektrární. Jadrová elektráreň by pracovala nepretržite na svoj plný výkon, čím by možno pokryla i špičkové zaťaženia v sieti a kedykoľvek by táto prebytočná energia v čase mimošpičkového zaťaženia nebola potrebná, využila by sa na tvorbu vodíka. Toto by teda znamenalo výrazné zvýšenie efektivity. Vysokoteplotný (950 až 1000 °C) plynom chladený jadrový reaktor má možnosť oddeliť vodík od vody prostredníctvom tepelno-chemického procesu používajúceho teplo z jadra (teda bez elektrolýzy).

Celková efektivita vodíkového úložiska je obvykle 50 až 60%, čo je nižšie ako prečerpávacie úložisko, alebo batérie. Približne 50 kWh (180 MJ) je potrebných na produkciu kilogramu vodíka elektrolýzou. Takže cena elektriny z vodíka je jasne kritická, dokonca i využitie vodíka pre iné účely ako je úložisko pre výrobu elektriny. Pri cene 0,03$ na 1 kWh z mimošpičkovej energie z obvyklého vysokonapäťového vedenia kilogram vodíka stojí 1,5$. Pre porovnanie 1.5$ v spojených štátoch, 4,5 litra paliva pre palivové články používané v automobiloch. Ďalšie náklady by zahŕňali elektrolyzačné elektrárne, kompresory, skvapalňovače, uskladňovanie a transport, čo je veľmi významná položka.

Úroveň spotreby elektriny od užívateľov a priemyslu sa neustále mení, všeobecne podľa nasledovných kategórií:

• Sezónna (Počas tmavých dní v zime je potrebné viac svietiť a produkovať teplo, zatiaľ čo v horúcom počasí sú potrebné klimatizácie.)
• Týždenná (Väčšina priemyslu cez víkendy nepracuje a teda spotreba je nižšia.)
• Denná (Sú to napríklad špičky v spotrebe, keď každý príde domov a zapne televízor.)
• Hodinová (Môže vzniknúť napríklad pri sledovaní televízneho programu v čase keď je vysielaná reklama, mnoho spotrebiteľov odíde od TV prijímačov a zapne rýchlovarné kanvice. Tento jav bol pozorovaný napr. v Spojenom kráľovstve, ale aj na Slovensku.)
• Prechodná (Vzniká príčinou individuálnych činností a iných drobných faktorov s ktorými treba počítať.)

Momentálne existujú tri hlavné metódy ako sa vysporiadať s premenlivou spotrebou:

• Vo všeobecnosti elektrické spotrebiče majú daný rozsah pracovného napätia, ktoré pri činnosti vyžadujú. Obvykle to je 110 – 120 V, alebo 220 – 240 V. Menšie výkyvy v záťaži sa potom môžu automaticky kompenzovať malými výkyvmi napätia ešte dovoleného v systéme.
• Elektrárne môžu pracovať pod ich nominálnym výkonom a v prípade náhlej záťaže obsahujú regulačné zariadenia, ktoré umožňujú zvýšenie výstupného výkonu takmer okamžite. Teda elektráreň pracuje s výkonovou rezervou.
• Na zvýšenie výstupného výkonu sa do činnosti zapoja ďalšie elektrárne. Používajú sa na to elektrárne s tepelnými plynovými turbínami, ktoré sú schopné dodávky energie rádovo v minútach.

Obzvlášť drahé je spoliehať sa na posledné dve metódy, pretože ponechávajú väčšinu času drahé výrobné zariadenia v nečinnosti, alebo v prípade chodu elektrárne pod jej maximálny výkon, prebieha zvyčajne produkcia energie pri nižšej efektivite. Sieť úložísk energie zabezpečuje premiestniť špičkové zaťaženie do mimošpičkového zaťaženia. Elektrárne sú schopné pracovať pri svojom maximálnom výkone väčšinu roka.

Najjednoduchšia cesta ako riešiť výkyvy elektrickej záťaže je znížiť rozdiel medzi výkyvom výroby a spotreby. Na toto sa vzťahuje tzv. manažment strany spotreby (MSS). Už desaťročia je mimošpičková energia predávaná veľkým spotrebiteľom za nižšie ceny aby boli takto prinútený presunúť svoju elektrickú záťaž do mimošpičkových hodín. Podobne to uskutočňujú telefónne spoločnosti s individuálnymi zákazníkmi. Obvykle sú tieto časovo závislé ceny energií dohodnuté vopred. Niektoré služby v snahe ušetriť viac financií experimentujú dodávať elektrinu minútu po minúte tzv. miestna sadzba. Tento prístup umožňuje pri monitorovaní systému zistiť včas špičku spotreby a presunúť ju napr. do mimošpičkového času a ušetriť tak problémy užívateľom a finančné prostriedky poskytovateľa služby. Manažment strany spotreby môže byť manuálny, alebo automatický a nie je tým obmedzený len na veľkých priemyselných užívateľov. Strana spotreby malých podnikov a bytových jednotiek môže byť regulovaná prostredníctvom regulačných zariadení, ktoré ovládajú spotrebu napr. kotlov na ohrev vody, klimatizačných jednotiek a pod. V čase špičkového zaťaženia, sú tieto spotrebiče dočasne odstavené, alebo je len obmedzená ich spotreba. Manažment strany spotreby obsahuje viac než len plošné znižovanie spotreby a premiestňovanie špičkového zaťaženia do času mimošpičkovej spotreby. Obzvlášť efektívna metóda manažmentu spotreby je inštalácia energeticky efektívnych zariadení. Napríklad ponúkajú sa zľavy na nákup tepelných izolácií, tesnení, alebo existujú zariadenia ako napr. úsporné žiarivky, ktoré sú energeticky efektívne. Veľké priemyselné podniky môžu napríklad inštalovať energeticky efektívne zariadenia používané na výrobu. Firmy môžu tiež dostať podnet vo forme zliav, vládnych nariadení, alebo výhodných pôžičiek na nákup energeticky výhodných priemyselných zariadení.

Toto je oblasť najväčšieho úspechu pre súčasné technológie úložísk. Jednorazové a nabíjateľné batérie sú všadeprítomné a poskytujú energiu pre zariadenia od digitálnych hodiniek až po automobily. Pokrok v technológiách batérií je vo všeobecností pomalší, ale ako si užívatelia všimli predĺžila sa ich životnosť najmä vďaka efektívnemu manažmentu spotreby namiesto zvýšenia kapacity. Toto tiež zapríčinilo tlak na rast alternatívnych zdrojov ak sú spaľovacie motory používané automobiloch a iných prostriedkoch určených na transport. Tieto aplikácie vyžadujú veľmi veľkú hustotu energie (energia uložená v malom objeme, alebo hmotnosti). Tekuté uhľovodíkové palivá (ako napr. benzín, etanol/petrolej, nafta) majú pomerne vysokú hustotu energie.

Prakticky všetky zariadenia ktorých činnosť je závislá na elektrine sú nepriaznivo ovplyvnené náhlym prerušením dodávky energie. Riešenia ako UPS (zdroj nepretržitého napájania), alebo záložné generátory sú možné, no sú drahé. Efektívne technológie zálohovania energie by umožňovali použiť zálohovacie zdroje vstavané do zariadení pre prípad výpadku napájania. Mohlo by to predchádzať, alebo aspoň znižovať následky výpadku napájania. Príklady použitia tohto typu zálohovania energie sú dnes v podobe palivových článkov, alebo zotrvačníkov..