Akumulace elektrické energie

 

 

 

Akumulace energie je důležitou součástí problematiky nejen obnovitelných zdrojů energie (OZE). Nevýhodou velkých elektráren je velmi omezená možnost regulace výkonu. Uhelná elektrárna najíždí na plný výkon až půl dne, jaderná elektrárna několik týdnů. Nevýhodou využívání solární či větrné energie je nerovnoměrnost slunečního svitu a větru. Částečně tyto výkyvy mohou vyrovnávat vodní elektrárny či připravované „inteligentní rozvodné sítě“, ale to vždy nemusí stačit. Proto v době přebytku energie je třeba ji akumulovat pro pozdější využití v době jejího nedostatku, a tak vyrovnávat rozdíly mezi špičkovým a mimošpičkovým odběrem a vykrývat energetické špičky v distribuční síti. Ještě potřebnější je akumulace energie v oblasti ostrovních systémů (systémů nepřipojených k elektrorozvodné síti), neboť zde je rozhodujícím faktorem efektivita celého systému.

 

Existuje mnoho způsobů akumulace energie. Vždy se jedná o její přeměnu na jinou formu, ve které může být efektivněji uskladněna a v případě potřeby znovu přeměněna na energii elektrickou (či podle potřeby i jinou). Tyto způsoby akumulace se liší především oblastí výkonů, při kterých jednotlivé akumulační systémy pracují, účinností, dobou, po kterou jsou schopny udržet akumulovanou energii s přijatelnými ztrátami, životností apod. V tomto článku autoři přinášejí přehled několika nejdůležitějších způsobů akumulace energie.

 

Elektrochemické akumulátory či akumulátorové baterie akumulují energii ve formě chemické energie. Jejich výhodou je dobře zvládnutá technologie výroby, operativní použití kdekoliv, možnost mnohonásobného opětovného nabíjení a relativně nízká cena. Nevýhodou je samovybíjení a citlivost na hluboké vybíjení, při kterém nastávají nevratné změny na elektrodách s následkem snižování kapacity akumulátoru. Rovněž poměr akumulované energie ke hmotnosti akumulátoru činí tento způsob akumulace málo efektivní.

 

Vybitý akumulátor se nabíjí tak, že reakční produkty se převedou elektrickým proudem opět na původní reaktanty. Během nabíjení nabíjecím proudem z jiného zdroje se dodávaná elektrická energie mění na chemickou energii a během vybíjení se akumulovaná chemická energie opět mění na elektrickou energii dodávanou do elektrického obvodu, do kterého je akumulátor zapojen. Záporná elektroda je katodou během vybíjení a anodou během nabíjení. Při vybíjení zde reaktant oxiduje a volné elektrony předává záporné elektrodě. Kladná elektroda je anodou během vybíjení a katodou během nabíjení. Při vybíjení je zde redukován reaktant a volné elektrony reaktant přijímá z kladné elektrody.

 

Elektrické napětí elektrochemických článků se pohybuje podle typu akumulátorů v hodnotách 1,1 až 2 V. Pro technické účely se proto běžně využívají akumulátory sestavené sériově do baterií. Většina akumulátorů je schopna opětovného nabití ve stovkách až tisících cyklů. Jako příklad lze uvést nejběžnější olověný akumulátor s olověnými elektrodami. Elektrolytem je zředěná kyselina sírová, která v roztoku disociuje na kladné vodíkové ionty a záporné síranové ionty. Toto probíhá podle rovnic:

 

H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄^2–

 

Pb → Pb²⁺ + 2^e–

 

Během vybíjení nastává na záporné elektrodě reakce:

 

PbO₂ + 2H⁺ + H₂SO₄ + 2e^– → PbSO₄ + 2H₂O + PbSO₄

 

Na obou elektrodách vzniká síran olovnatý. Schéma olověného akumulátoru je na obr. 1, elektromotorické napětí jednoho nabitého článku olověného akumulátoru je přibližně U_e = 2 V. Například v automobilové baterii U = 12 V pro osobní vozy je sériově zapojeno šest takových článků.

 

Kromě olověných akumulátorů jsou známy např. akumulátory Ni-MH, Li-ion a Lipol, Ni-Cd, Ni-Zn, Ag-Zn. Jejich princip je analogický. Nabíječky akumulátorů běžně existují a používají se od malých jednoduchých s výkony několik wattů až po velké, řízené počítačem i se senzory teploty s výkony několik kilowattů kontrolující stav nabití i mnoho dalších parametrů. Na trhu jsou dostupné akumulátory s kapacitou až 10 000 A·h s možností až 1 200 nabíjecích cyklů. Na obr. 2 jsou akumulátory určené pro ostrovní fotovoltaické systémy na výstavě v Miláně roku 2007. Podrobnější popis elektrochemických akumulátorů je např. v [1].

 

 

Akumulace energie v superkapacitorech zažívá rozvoj teprve v posledních několika letech. Energie je zde akumulována do elektrického pole nabitého kondenzátoru. Například v elektronických zařízeních se k uchování paměti při výpadku napájení používají velkokapacitní kondenzátory na napětí U = 24 V s kapacitou C = 1,2 F s displejem udávajícím okamžité napětí [2]. Podle známého vztahu pro energii nabitého kondenzátoru pojme tento kondenzátor energii:

 

W = (1/2)CU² ≈ 345 J

 

Tento vztah platí i pro superkapacitory. Využití superkapacitorů je nyní běžné především v hybridních automobilech a elektromobilech, kde jsou určeny k rychlé akumulaci energie při rekuperaci během brzdění a k rychlému dodání energie pro akceleraci. Díky dobré perspektivě je vývoji superkapacitorů věnována značná pozornost i finanční prostředky pro výzkum a vývoj. Lze proto očekávat další rozvoj tohoto způsobu akumulace energie.

 

Základem superkapacitorů je speciální materiál elektrod s velkou plošnou hustotou (práškový uhlík nanesený na hliníkovou

fólii o ploše v poměru k hmotnosti asi 2 000 m²·g^–1), čímž se zajistí kapacita v řádu tisíců faradů (viz obr. 3). Elektrody superkapacitoru jsou odděleny polypropylenovou fólií a prostor je vyplněn tekutým elektrolytem. Při použití současných elektrolytů je napětí jednoho článku zhruba 2,5 V. Pro akumulaci energie pod vyšším napětím lze články řadit sériově. Superkapacitory se vyznačují malým sériovým odporem, jsou tedy vhodné pro rychlé dodávky i odběr energie. Špičkové výkony při uvolnění energie ze superkapacitoru v poměru k jeho hmotnosti jsou v řádech kilowattů na kilogram (kW·kg^–1). V tab. 1 je uvedeno porovnání parametrů kondenzátoru, superkapacitoru a elektrochemického akumulátoru elektrické energie. V současné době je na trhu několik typů superkapacitorů s kapacitami od 2 do 3 000 F s napětím na článek 2,7 V (viz obr. 4).

 

Vzhledem k malému vnitřnímu odporu tohoto zdroje, který je řádově v jednotkách miliohmů, je vhodné při jeho nabíjení používat napěťové měniče, které jsou schopny omezit velký nabíjecí proud. Tyto měniče mohou řídit rovněž vybíjení superkapacitoru a plnit dodatkové funkce, jako např. funkci elektronické pojistky proti přetížení či přepětí, nebo měřit nabíjecí a vybíjecí proud. Blokové schéma pomocného obvodu superkapacitoru pro řízení nabíjecího proudu a udržování napětí je na obr. 5.

 

Výhodou superkapacitorů je poměrně vysoká účinnost akumulace (až 95 %). Nevýhodou je závislost napětí na uloženém náboji, což lze minimalizovat použitím napěťových měničů. Rovněž cena je zatím poměrně vysoká, ale s objemem zavedení v průmyslu a s nárůstem sériovosti výroby lze předpokládat její pokles.

 

Superkapacitory se jeví vhodné pro použití v oblasti fotovoltaiky, především jako vyrovnávací akumulátory elektrické energie pro menší systémy spojené se sítí, kde mohou kompenzovat krátkodobé výkyvy výkonu. Jejich použití se rovněž předpokládá v ostrovních fotovoltaických systémech, kde by mohly časem konkurovat klasickým elektrochemickým akumulátorům.

 

Další možností akumulace energie je princip přečerpávacích elektráren. Je-li jedna nádrž umístěna výše než druhá a jsou-li oba rezervoáry propojeny potrubím s reverzní turbínou, je možné v době přebytku energie čerpat vodu do horní nádrže. Voda tak zvyšuje svou potenciální energii o ΔW_p= mg·Δh. V době nedostatku energie může voda naopak tuto energii předávat turbíně a s ní spojenému elektrickému generátoru. Lze tak vyrovnávat nerovnoměrný odběr energie z rozvodné sítě ve špičkách a mimo ně. Vodní elektrárna může najet na plný výkon během krátké doby – přibližně 100 s.

 

Naše velké přečerpávací elektrárny byly konstruovány hlavně pro akumulaci přebytku elektrického výkonu z jaderných elektráren v mimošpičkové době, bylo by však možné je využít i k akumulaci energie z fotovoltaických a větrných elektráren. Rozměry nádrží, turbíny i generátoru je třeba dimenzovat podle plánovaného využívání. Schéma malé přečerpávací elektrárny je na obr. 6. V ČR jsou tři velké přečerpávací elektrárny ČEZ a stavba dalších je plánována. Největší z nich je přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé Stráně, její důležité parametry jsou pro zajímavost uvedeny v tab. 2. Na obr. 7 je vidět víko turbíny a dno elektrického generátoru ve strojovně elektrárny a na obr. 8 je unikátní záběr vnitřku přivaděče, kde voda vstupuje do rotoru Francisovy turbíny.

 

Na analogickém principu jako přečerpávací elektrárny pracují vzduchové elektrárny s tlakovými zásobníky. V tomto případě je přebytečnou elektrickou energií poháněn kompresor, který stlačuje vzduch do objemných a dobře utěsněných prostor. Mohou to být jak přírodní kaverny, např. po vytěžené ropě, tak i umělé zásobníky. V případě potřeby elektrické energie se stlačený vzduch přivádí na plynovou turbínu, která pohání soustrojí s generátorem elektrické energie. Schéma takové elektrárny je na obr. 9. Během provozu při stlačování vzduchu se kompresor ohřívá, naopak při expanzi se ochlazuje. Odpadní teplo může být rovněž využito.

 

Vodík se jako zdroj energie používá už asi 200 let a je hlavní složkou syntetických plynů vyráběných zplynováním fosilních paliv i biomasy. Nyní představuje využívání vodíku přibližně 1 % všech zdrojů energie, ale zatím většinou jde o vodík získaný z fosilních paliv. Myšlenka vodíkových energetických systémů (tzv. vodíkové hospodářství) se zkoumá od 60. let 20. století. Nejprve šlo o využití mimošpičkového výkonu zejména z jaderných elektráren, podobně jako je tomu u přečerpávacích elektráren. Teprve v poslední době přibyla i možnost využití přebytečného výkonu solárních fotovoltaických systémů a větrných elektráren. U obnovitelných zdrojů energie je akumulace energie do výroby vodíku zvláště perspektivní, neboť tak by nerovnoměrnost jimi dodávaného výkonu nečinila problémy v rozvodné síti.

 

Podstatou je využití určitého druhu energie (většinou elektrické) k výrobě vodíku elektrolýzou vody a poté jeho jímání a skladování pro pozdější použití. Takto akumulovaná energie může být později přeměněna oxidací vodíku na jiný druh energie, např. elektrickou, mechanickou či tepelnou. K oxidaci může docházet buď přímým spalováním v plynovém kotli či ve spalovacím motoru, nebo řízeně elektrochemickou cestou v palivovém článku. Zkapalněný vodík se používá jako palivo pro raketové motory a počítá se s ním i pro proudová letadla.

 

K výrobě 1 kg vodíku elektrolýzou vody je třeba energie asi W₁ = 38 kW·h při účinnosti elektrolyzérů h = 90 % a ke zkapalnění 1 kg vodíku ještě asi W₁ = 10 kW·h [3]. Vodík jako palivo má určité výhody. Jeho výhřevnost je nejvyšší ze všech paliv – zhruba 100 MJ·kg^–1 (závisí na čistotě). Spalováním vodíku vzniká pouze vodní pára a menší množství oxidů dusíku, nevznikají oxidy uhlíku a síry ani jiné škodliviny. Kapalný i plynný vodík lze použít i jako palivo do spalovacích motorů, ale takové motory musí být k tomu účelu zvláště konstruovány. Již existují automobily i autobusy na vodík i čerpací stanice pro ně určené.

 

Vodík lze vyrobit i chemickou reakcí metanu za vysokých teplot (800 až 1 700 °C), přičemž nastávají reakce:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

CO + H₂O → CO₂ + H₂

 

Reakce mohou probíhat v tzv. fotochemickém reaktoru, kde se vysokých teplot dosahuje koncentrací slunečního záření.

 

Ke skladování vodíku jsou určeny speciální tlakové zásobníky vyrobené z materiálů nereagujících s vodíkem. V mnoha materiálech totiž vodík difunduje do krystalické mřížky a působí křehnutí materiálu. Vodík lze vázat i na kovové prášky, s nimiž tvoří hydridy kovů. S vodíkem je nutné při jeho skladování zacházet velmi opatrně, podle přísných bezpečnostních norem. Již malé množství vodíku ve vzduchu tvoří výbušnou směs.

 

Na obr. 10 je schéma systému s fotovoltaickým zdrojem energie, kde je část produkované elektrické energie dodávána do distribuční sítě a část energie je využita na výrobu vodíku z vody v elektrolyzéru. Tento vodík je využíván jako palivo pro palivové články pohánějící vozidla.

 

Energie akumulovaná do vodíku může být opět přeměněna na elektrickou energii ve zmíněných palivových článcích řízenou elektrochemickou reakcí – tzv. studenou oxidací vodíku neboli studeným spalováním. Palivové články jsou elektrochemická zařízení přeměňující chemickou energii v palivu během oxidačně-redukční reakce přímo na generaci elektrického proudu za vzniku menšího množství tepla. Kontinuálně musí být přiváděno palivo i okysličovadlo k elektrodám a odváděny spaliny.

 

Nejjednodušší a nejpropracovanější jsou palivové články založené na slučování vodíku s kyslíkem. Jejich schéma je na obr. 11 [2]. Porézní elektrody jsou odděleny elektrolytem, v oblasti pórů vzniká třífázové rozhraní, kde dochází k elektrochemické oxidaci paliva a k redukci okysličovadla. Pórovitá elektroda umožňuje elektrolytu vzlínat do pórů, ale tlak plynu za elektrodou nedovoluje kapalině póry pronikat. Elektrody bývají z ušlechtilých materiálů (např. platiny) a fungují i jako katalyzátory chemických reakcí. Na záporné elektrodě nastává reakce:

 

H₂ + O^2– → H₂O + 2e^–

 

a dva volné elektrony se předají elektrodě. Na kladné elektrodě nastává reakce:

 

(1/2)O₂ + 2e^– → O^2–

 

a dva volné elektrony se přijmou z elektrody. Celkovou reakci lze tedy vyjádřit rovnicí:

 

2H₂ + O₂ → 2H₂O

 

Existují palivové články různých konstrukcí, rozměrů a maximálních výkonů. Podle konstrukce a typu mohou pracovat při teplotách od 60 do 1 000 °C, jako palivo mohou používat kromě vodíku např. metan (CH₄), metanol (CH3OH), hydrazin (N₂H₄) apod., elektrolytem může být např. roztok kyseliny fosforečné (H₃PO₄), hydroxidu draselného (KOH), tavenina alkalických uhličitanů či pevný oxidický elektrolyt (Y₂O₃). Napětí jednoho palivového článku bývá přibližně U » 1 V, články se rovněž mohou skládat sériově do baterií. Zajímavým využitím palivových článků je vodíkový elektromobil, který nemá spalovací motor s přímým vstřikováním, ale palivové články a elektromotor.

 

 

Mechanické akumulátory akumulují energii v podobě kinetické energie. K tomuto účelu se používají setrvačníky. Využití setrvačníků k akumulaci energie je časté ve spalovacích motorech pro vyrovnávání nerovnoměrných sil. V praxi byl testován autobus poháněný energií akumulovanou ve velkém setrvačníku. Některé firmy (např. Phoenix-Zeppelin) nabízejí systémy záložního napájení (UPS) s mechanickým akumulátorem energie. Pro kinetickou energii akumulovanou v setrvačníku platí:

 

E_k = (1/2)Jω²

 

kde

J je moment setrvačnosti,

ω úhlová rychlost setrvačníku.

 

Používají se dva typy setrvačníkových akumulátorů. Jeden typ využívá setrvačníky velké hmotnosti uspořádané do takového tvaru, aby bylo dosaženo co největšího momentu setrvačnosti. Pracují při otáčkách do 8 000 min^–1. Druhý typ naopak používá lehčí setrvačníky pracující při vysokých otáčkách až 100 000 min^–1. Pro tak vysoké otáčky musí být rotor uložen ve vakuu, aby se zamezilo tření o vzduch. Často bývá uložen ještě v magnetických ložiskách s magnetickou levitací. Tyto setrvačníky jsou dílem špičkové techniky, kterou dokáže vyrobit jen několik firem na světě, a tomu odpovídá i jejich cena. Proto se zatím používají jen ve velmi speciálních aplikacích. Schéma takového setrvačníku (motor/generátor) je na obr. 12.

 

K roztáčení (dodávání energie) a brzdění (odběr energie) jsou používány elektromagnety. Vysokootáčkové setrvačníkové akumulátory využívá pro akumulaci energie např. NASA ve vesmírném programu, kde je využit i gyroskopický efekt setrvačníku pro polohovou stabilizaci (obr. 13).

 

První pokusy s akumulací elektrické energie do supravodivých cívek začaly ve Spojených státech amerických v 80. letech 20. století. Princip akumulace energie do magnetického pole je založen na stejnosměrném elektrickém proudu protékajícím cívkou. Cívka tohoto akumulátoru musí být konstruována pro velké proudy ze supravodivého materiálu, tj. s nulovým odporem vodiče. Jinak by se elektrická energie na odporu cívky transformovala na teplo. Energii akumulovanou do cívky o indukčnosti L protékané proudem I lze vyjádřit vztahem:

 

W = (1/2)LI²

 

Cívka musí mít odpovídající tepelnou izolaci. Pro zachování supravodivého stavu cívky je nutné udržovat cívku na nízké teplotě, obyčejně bývá chlazena kapalným héliem. Na obr. 14 je schéma akumulátoru energie se supravodivou cívkou. V součastné době odborníci pracují na vývoji systému se supravodivou cívkou se schopností akumulovat až 1 800 MJ energie.

 

Otázka akumulace energie je důležitá zejména pro její využití v terénu daleko od rozvodných sítí a u samotných rozvodných sítí k vyrovnání nerovnoměrného odběru během dne. Vývoj se těžko odhaduje, lze ale předpokládat, že všechny popsané způsoby akumulace energie budou v budoucnu používány a dále zdokonalovány.

 

V oblasti vodíkového hospodářství se začíná vytvářet infrastruktura čerpacích stanic pro vozidla na vodík. Přestože je v dnešní době využíván především vodík získaný z ropných uhlovodíků, zajištěním dostatečných výrobních kapacit pro získávání vodíku ze solární či větrné energie elektrolýzou vody by mohl být takto získaný vodík konkurenceschopný a mohl by nahradit vodík vyráběný z ropy. Předpokládá se i výstavba nové přečerpávací elektrárny v souvislosti s výstavbou nových bloků jaderné elektrárny Temelín.

 

Publikace byla podpořena výzkumným záměrem MSM 6046070905.

[1] CENEK, M. a kol.: Akumulátory od principu k praxi, FCC PUBLIC, s. r. o., Praha, 2003, ISBN 80-86534-03-0.

[2] LIBRA, M. – POULEK, V.: Zdroje a využití energie. Česká zemědělská univerzita v Praze, 2007, ISBN 978-80-213-1647-8.

[3] LIBRA, M. – POULEK, V.: Fotovoltaika, teorie i praxe využití solární energie. ILSA, Praha, 2009, ISBN 978-80-904311-0-2.

 

prof. Ing. Martin Libra, CSc., vystudoval Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT v Praze. Působil ve Fyzikálním ústavu AV ČR, v Tesle Holešovice, na Fakultě strojní ČVUT v Praze. Nyní působí na Technické fakultě ČZU v Praze jako proděkan pro vědu a výzkum. Zabýval se fyzikou plazmatu, vakuovými technologiemi depozice tenkých vrstev, plazmovými zdroji záření a solární energií. V Jednotě českých matematiků a fyziků je předsedou komise na propagaci matematiky a fyziky. Pracuje rovněž v redakčních radách časopisů Jemná mechanika a optika a Energie kolem nás, ve vědeckých radách Technické fakulty a Provozně ekonomické fakulty, v oborové radě pro energetiku a v mnoha odborných komisích.

Ing. Vladislav Poulek, CSc., vystudoval Fakultu elektrotechnickou ČVUT v Praze. Působil ve Fyzikálním ústavu AV ČR, v roce 1992/93 získal jednoroční post-doc. Stipendium na Limburgs University Centre (L.U.C.) v Belgii. Zabýval se fyzikou plazmatu, vakuovými technologiemi depozice tenkých vrstev a solární energií, zejména vývojem zařízení pro sledování Slunce. V r. 1994 založil firmu na vývoj, výrobu a instalaci solárních fotovoltaických systémů, kterou od té doby řídí.

 

Ing. Jan Mareš vystudoval Technickou fakultu České zemědělské univerzity v Praze. Na této fakultě nyní absolvuje doktorandské studium na katedře fyziky v oboru Energetika. Zabývá se využitím solární energie, konstrukcemi fotovoltaických systémů a jejich zařazením do struktur automatizace.

 

 

 

Technická fakulta ČZU v Praze pořádá letos opět: Letní školu fotovoltaiky 2011, a to v termínu: od 23. do 27. května 2011.

Veškeré informace mohou zájemci získat na internetové adrese: http://tf.czu.cz/~libra/lspv