Velkokapacitní úložiště elektrické energie pomocí železnice (ARES – Advanced Rail Energy Storage)
V současnosti, kdy energetický potenciál mnohých lokalit je vyčerpán a člověk klade větší nároky na množství i kvalitu dodávky elektrické energie, je třeba realizovat přenosy energie z odlehlejších oblastí do míst s velkou poptávkou po elektrické energii nebo realizovat malé energetické obnovitelné zdroje, kdy místo výroby je v těsné blízkosti místa spotřeby. U některých obnovitelných elektráren je ta nevýhoda, že dodávka je nestálá nebo těžce předpovídatelná. Elektrická energie je specifická tím, že se jedná o univerzální energii, kterou nejčastěji přeměňujeme na energii tepelnou, světelnou a mechanickou. Nevýhoda elektrické energie je ta, že musí být zachována rovnováha mezi výrobou a spotřebou. Elektrickou energii umíme uskladnit tak, aby v době velké výroby a malé poptávky jsme si ji uložili na později, kdy tomu bude naopak, tj. velká poptávka po elektrické energii.
Přečerpávací elektrárny jsou nyní nejrozšířenější technologií pro ukládání elektrické energie v přenosové soustavě. Avšak jejich účinnost je přibližně 75 %. Najetí na plný výkon trvá řádově minutu. Mnohé lokality byly pro úschovu elektrické energie přečerpávacími elektrárnami již využity.
Nyní si představíme další možnost, jak by bylo možné v budoucnu ukládat přebytky elektrické energie a využívat je v době, kdy je energie nedostatek (tj. pokrytí špičkové oblasti denního diagramu zatížení).
Obr. 1. Nakládání závaží na podvozky
ARES je technologie, která uchovává energii tím, že vynese závaží proti síle gravitace a následně energii získá zpět vrácením závaží do jeho původní polohy. Jde tedy o uložení elektrické energie pomocí kinetické energie. Systém využívá elektrické lokomotivy vybavené elektromotorem, který může pracovat i v reverzním režimu jako generátor. Elektromotor spotřebovává ze sítě energii, potřebnou pro zdolání výškového rozdílu. A naopak motor pracuje jako generátor při klesání a přeměňuje tak zpět potenciální energii na elektrickou, která je při úbytku dodávána do sítě. Železnice je vybavena řadicím zařízením – viz obr. 1 (nakládání a vykládání betonových závaží na podvozky), řídicím zařízením (velín), budovou údržby a rozvodnou. Řídicí zařízení reaguje na požadavky sítě tím, že řídí rychlost a počet závaží (vagónů s betonovým závažím) v pohybu. Dálkový monitorovací systém umožňuje nepřetržité sledování železniční tratě. Účinnost systému ARES, který dokáže do sítě dodat plný výkon za méně než 10 vteřin, je 80 %. Pro srovnání, účinnost přečerpávacích elektráren se pohybuje okolo 75 % a doba najetí řádově minuta. Porovnání různých úložišť energie je uvedeno na obr. 2.
Obr. 2. Porovnání různých úložišť
Parametry systému ARES
Technické parametry:
– možné výkony systému ARES – 50 MW až tisíce MW,
– účinnost cyklu asi 80 %,
– doba najetí do plného výkonu za 10 s, závisí na výkonu úložiště (300 MW/min),
– životnost 40 let.
Ekonomické parametry:
– odhadovaná cena elektrárny ARES 55 mil. amerických dolarů, což je zhruba 60 % ve srovnání se stejně výkonnou přečerpávací elektrárnou,
– doba výstavby elektrárny ARES: 100 až 125 zaměstnanců plného pracovního úvazku po dobu osmi měsíců,
– odhadovaný výdělek za dobu životnosti přibližně 30 let) až +100 mil. amerických dolarů oproti přečerpávací elektrárně.
Ekologické parametry
– žádné emise,
– žádná fosilní paliva,
– není zapotřebí vody,
– neprodukuje nebezpečný odpadní materiál,
– čistý proces vyřazování z provozu,
– bez dopadu na životní prostředí krom samotné výstavby (zabraná plocha) a hluku.
Obr. 3. Vůz se závažím na trati
Podle tvůrců projektu jsou výhody technologie ARES především snadná škálovatelnost od desítek megawattů až po jednotky gigawattů a schopnost zajišťovat frekvenční a napěťovou stabilitu sítě, kterou zhoršují především fotovoltaické elektrárny. Vzhledem k tomu, že projekt na výstavbu 50 MW systému ARES dostal stavební povolení od nevadských úřadů, bylo možné si veškeré proklamované parametry této technologie prakticky ověřit. Historicky první komerčně provozované železniční úložiště energie bylo postaveno v roce 2017 v americké Nevadě. Na trh s podpůrnými službami přenosové elektrizační soustavy se tak dostalo zařízení o výkonu 50 MW, které umožňuje vykrývat odběrové špičky elektrické energie a také ukládat přebytečnou energii především z obnovitelných zdrojů (obr. 3). Podle názoru autora je ARES jednoduchý, účinný, ekonomicky výhodný, rychle reagující systém na požadavky přenosové soustavy, tj. vyrovnává výrobu a spotřebu elektrické energie v reálném čase. Technologie ARES v budoucnu může umožňovat uskladnění elektrické energie, její úspory a menší emise, což znamená menší zátěž pro životní prostředí a lepší budoucnost dalším generacím, které budou obývat naši planetu.
Uvedená technologie ukládání energie podle názoru autora má v celosvětovém měřítku budoucnost, protože ve světě je plno lokalit, kde by bylo možné takové úložiště elektrické energie realizovat.
Literatura:
[1] ARES – The power of gravity. [online]. [cit. 09 - 09 - 2020]. Dostupné z https://www.aresnorthamerica.com/
[2] Revolution Green - ARES. [online]. [cit. 09 - 09 - 2020]. Dostupné z http://revolution-green. com/ares/
[3] Utility scale electric energy storage system, US patent [online]. [cit. 09 - 09 - 2020]. Dostupné z https://patents.google.com/patent/US8593012