Možnosti akumulace elektřiny z širšího pohledu

Datum: 5.1.2015  |  Autor: Ing. Bronislav Bechník, Ph.D.  |  Recenzent: doc. Ing. Petr Bača, Ph.D., VUT v Brně, FEKT

Rozšíření pohledu na možnosti akumulace elektřiny i o technologie konvertující elektřinu na jiné produkty umožňuje výrazně zvýšit možnosti uložení elektřiny z obnovitelných zdrojů v době, kdy jejich výroba převyšuje poptávku. Pokud by takové technologie byly ekonomicky efektivní, otevřely by se tím možnosti pro zvýšení podílu OZE v energetickém mixu.

Článek pouze porovnává velikost akumulační kapacity, případně výkon, který by jednotlivé akumulační technologie mohly poskytovat. Nezabývá se hlouběji otázkou zda, případně jakým způsobem je možno uvedené akumulační kapacity využít v rámci elektrizační soustavy.

Úvod

Širší pohled na problém obecně umožňuje pracovat s mnohem širším spektrem možných řešení. Je to podobné, jako když se Mycle Schneider při diskusi s Vladimírem Wagnerem v rámci konference Nuclear Energy Conference 2014 snažil vysvětlit, že se nemáme zaměřovat na zajištění dostatku energie, ale na zajištění energetických služeb, protože ty jsou cílovým produktem, který nás zajímá. Energetickými službami jsou míněny například světelná pohoda, tepelná pohoda, mobilita…

Například řeší-li se zajištění tepelné pohody v zimě, je obvykle debata vedena v rovině jak zajistit dodávky tepla, nebo zda se vyplatí zateplení. Málokoho přitom napadne, že nákladově nejefektivnějším řešením může být například teplejší oděv. Zcela přehlížená potom zůstává otázka velikosti vytápěného prostoru, respektive její přiměřenosti z hlediska účelu.

Obrázek: Celosvětové akumulační kapacity připojené do elektrizační soustavy, pouze klasické technologie podle studie EPRI [EPRI]
Obrázek: Celosvětové akumulační kapacity připojené do elektrizační soustavy, pouze klasické technologie podle studie EPRI [EPRI]

Možnosti akumulace elektřiny

Rovněž pojem akumulace energie může být vnímán v různě širokém kontextu. Například v USA se často zužuje pouze na akumulací elektřiny, a to pouze v systémech, kde vstupem i výstupem je elektřina. V Německu je naproti tomu pojem akumulace energie chápán v širším smyslu (podrobněji v článku Německo má širší pohled na akumulaci energie než USA).

V případě akumulace elektřiny jsou k dispozici v podstatě tři hlavní možnosti: akumulace elektřiny do plynu (P2G – power to gas), do tepla (P2H – power to heat) a samozřejmě klasické možnosti akumulace, kde výstupem je opět elektřina (P2P – power to power). U prvních dvou se obvykle nepředpokládá zpětná konverze na elektřinu, protože účinnost by byla nízká, i když v případě P2G ještě přijatelná.

Princip jednotlivých způsobů akumulace

U technologie power-to-gas je s využitím elektřiny vyráběn elektrolýzou vodík, který může být buď přímo v menším množství přimícháván do zemního plynu, nebo skladován samostatně (s určitými problémy) a následně spalován nebo použit v palivových článcích k výrobě elektřiny a tepla. Jiná možnost je v dalším termochemickém stupni vodík použít k výrobě syntetického metanu nebo jiných uhlovodíků, pro něž existují skladovací a distribuční kapacity, které lze s výhodou použít. Celková účinnost akumulačního cyklu při zahrnutí případné konverze zpět na elektřinu je sice nízká, to však nemusí být problém. Při vyšším podílu obnovitelných zdrojů v energetickém mixu by technologie P2G umožnila efektivně využít elektřinu v době vysoké výroby z neregulujících zdrojů, kdy jsou ceny elektřiny nízké nebo i záporné. Více informací o technologii P2G v článku Zachrání technologie Power to Gas obnovitelné zdroje?

Ve druhém případě – power-to-heat – je elektřina nejdříve přeměněna na teplo, které je potom uloženo pro pozdější použití. Kromě klasického vytápění jednotlivých místností akumulačními kamny nebo celých budov v systémech centrálního zásobování teplem, je možno teplo ukládat i pro použití v průmyslových procesech. Elektřina může navíc substituovat jiný zdroj tepla (zemní plyn, biomasa, uhlí) v době, kdy je cena elektřiny nízká v důsledku vysoké výroby neregulujících zdrojů, tj. větrných a fotovoltaických elektráren. O konverzi zpět na elektřinu se v tomto případě neuvažuje.

Tento princip je využíván v Dánsku, kde teplárny spalující biomasu využívají nízkých cen elektřiny na spotovém trhu v době vysoké výroby elektřiny z větru. V takových situacích, namísto aby pálily pro výrobu elektřiny drahou biomasu, nakoupí na spotovém trhu levnou elektřinu z větrných elektráren, kterou použijí jak k pokrytí nasmlouvaných dodávek elektřiny, tak k ohřevu topného média. Díky tomu se 99 % elektřiny vyrobené dánskými větrnými elektrárnami spotřebuje k pokrytí domácí spotřeby energie v Dánsku [DK_CHP].

Klasická akumulace elektřiny – power-to-power – zahrnuje všechny běžně používané způsoby akumulace, především však přečerpávací vodní elektrárny a nověji se uvažuje i o využití akumulátorů v elektromobilech.

Do výše uvedených kategorií nezapadají akumulační vodní elektrárny. Všechny výše uvedené akumulační technologie používají jako vstupní energii elektřinu, kterou akumulují různými způsoby. Naproti tomu vstupem pro akumulační vodní elektrárny je potenciální energie vodní masy, kterou střádají pro pozdější využití k výrobě elektřiny. Jsou uvedeny pouze pro srovnání s kapacitou přečerpávacích vodních elektráren.

Nejvýznamnějším způsobem akumulace elektřiny používaným pro vyrovnávání výroby a spotřeby elektřiny v elektrizační soustavě České republiky jsou přečerpávací vodní elektrárny. Vedle toho je energie ukládána ve formě tepla v bojlerech a akumulačních kamnech. Co se týče množství akumulované elektrické energie je význam jiných způsobů akumulace v současnosti zcela zanedbatelný.

Akumulační kapacity v České republice

V tabulce níže jsou uvedeny hrubé odhady akumulačních kapacit, které by hypoteticky mohly být využity pro výše popsané technologie akumulace elektřiny. Cílem článku je vzájemné porovnání různých možností akumulace, pro tento účel je i případná odchylka v řádu ±20 % akceptovatelná.

Akumulační kapacity přečerpávacích vodních elektráren jsou odhadnuty z údajů o pracovním objemu, průměrném spádu a změně hladiny, údaje o řiditelné spotřebě a výkonu vycházejí z parametrů instalovaných soustrojí [Dlouhé stráně, Dalešice/Mohelno, Štěchovice II].

Parametry akumulace do tepla vycházejí ze statistik ERÚ o spotřebě elektřiny v domácnostech [RZP10], viz tabulka dole. Řiditelná spotřeba je odhadnuta za předpokladu, že příkon akumulačních spotřebičů je 2 kW na odběrné místo u sazby D25d a 10 kW na odběrné místo u sazby D26d. Akumulační kapacita se mění v průběhu roku v závislosti na spotřebě elektřiny na vytápění. Akumulační kapacita odpovídá době nabíjení, která je v obou případech uvažována 4 hodiny denně.

Tabulka: Struktura spotřeby elektřiny v domácnostech [RZP10]
Tabulka: Struktura spotřeby elektřiny v domácnostech [RZP10]
 

Pro srovnání jsou v tabulce níže uvedeny akumulační kapacity několika dalších technologií.

Kapacita akumulačních vodních elektráren je uvedena pro pokles hladiny o 1 m z maximálního stavu, výkon odpovídá parametrům instalovaných soustrojí [VE]. Ve skutečnosti se úroveň hladiny jednotlivých přehradních jezer mění v závislosti na srážkách, výrobě elektřiny a regulovaném odtoku. Proto bude jen zřídka hladina na maximální úrovni. Na druhou stranu je možný mnohonásobně větší pokles, než o uvedený jeden metr. Využitelná kapacita se v průběhu roku z uvedených důvodů výrazně mění. Pro posouzení možností regulace energetické bilance v elektrizační soustavě ČR by byla nutná podrobnější analýza.

Kapacita a další parametry akumulátorů v dopravních prostředcích jsou odhadnuty z počtu registrovaných vozidel [Vozidla] za předpokladu, že v každém osobním automobilu je akumulátor 12 V 50 Ah a v každém autobusu nebo užitkovém vozidle 24 V 200 Ah. Předpokládá se využití 60 % jmenovité kapacity akumulátoru, nabíjení proudem 0,1C a vybíjení proudem 0,1C až 1C (1C je proud v ampérech, který odpovídá kapacitě akumulátoru v ampérhodinách).

Odhad akumulační kapacity elektromobilů vychází z předpokladu, že v roce 2030 bude v ČR v provozu 250 000 elektromobilů, s průměrným dojezdem 200 km [RolandBerger]. Uvažována je průměrná spotřeba elektromobilů 15 kWh/100 km. Oproti běžným akumulátorům v automobilech se u elektromobilů předpokládá nabíjení proudem 1C. V současnosti je v ČR v provozu pouze několik set elektromobilů, jejichž souhrnná akumulační kapacita je zanedbatelná.

Akumulační kapacita pro zemní plyn vychází z objemu podzemních zásobníků zemního plynu [Plyn] a výhřevnosti zemního plynu. Tato kapacita by byla využitelná pro konverzi elektřiny na metan – technologii power-to-gas (P2G), která dosud v České republice není využívána. Pro konverzi na elektřinu je uvažována účinnost 40 %. Optimální by však bylo využít v kogeneraci i odpadní teplo. Výkon uvedený v tabulce odpovídá instalovanému výkonu plynových elektráren v České republice, zahrnuta je i nezprovozněná elektrárna v Počeradech. Očekávaný rozvoj mikrokogenerace povede k růstu výkonu v této variantě.

Tabulka: Hrubý odhad akumulační kapacity vybraných technologií v České republice
TechnologieKapacita celková
[GWh]
Lze dodat elektřiny
[GWh]
Řiditelná spotřeba
[GW]
Výkon
[GW]
Přečerpávací vodní elektrárny (P2P)6611
Akumulační spotřebiče v domácnostech (P2H)8 až 12nelze2 až 3nelze
Akumulační vodní elektrárny (?2P)8nelze0,7
Akumulátory ve vozidlech (P2P)106*11 až 10
Elektromobily v roce 2030 (P2P)7771 až 10
Zemní plyn (pro P2G)30 00012 000dosud není2
* pro regulaci elektrizační soustavy lze využít pouze část kapacity

Regulace elektrizační soustavy

Pro případnou regulaci bilance elektrizační soustavy lze u většiny technologií použít pouze část v tabulce uvedené akumulační kapacity. Například akumulátory klasických vozidel v podstatě nelze využít, jednak nejsou připojeny do sítě a jednak by se u dnes používaných olověných akumulátorů výrazně zkracovala životnost. Rovněž akumulátory elektromobilů budou jen zřídka zcela vybity, k elektrizační soustavě jich navíc bude připojena vždy jen část. Kromě toho lze pro regulaci využít pouze část připojené kapacity akumulátorů.

Na druhou stranu při vyšším podílu OZE v energetickém mixu je očekáváno, že se budou častěji vyskytovat období s extrémně nízkou nebo až zápornou cenou elektřiny. Bude-li po dostatečně dlouhou dobu průměrná cena elektřiny nižší než cena paliva snížená o fixní náklady, může být pro teplárnu výhodnější snížit výkon nebo zdroj zcela odstavit a namísto paliva nakoupit elektřinu.

V takovém případě lze očekávat, že se rozšíří technologie P2H v teplárnách, což by možnosti regulace výrazně zvýšilo. Například jen Teplárny Brno mají celkový instalovaný výkon (teplo + elektřina) kolem 1 GW [Brno]. Skupina EPH provozuje několik tepláren o celkovém instalovaném výkonu téměř 6 GW [EPH], což samo o sobě je polovina zimního maxima spotřeby v české elektrizační soustavě.

Závěr

Širší pojetí akumulace energie, které v případě elektřiny zahrnuje i přeměnu na teplo nebo plyn, umožňuje využít širšího spektra technologických řešení. Dostupné akumulační kapacity mohou být v takovém případě o několik řádů větší, než při uvažování pouze klasických způsobů akumulace elektřiny. Bude-li využívána elektřina v době nízkých cen na trhu, je akceptovatelná i nízká účinnost případné konverze zpět na elektřinu.

Ze srovnání vyplývá, že kapacita všech elektrochemických akumulátorů v dopravních prostředcích registrovaných v České republice je řádově srovnatelná s kapacitou přečerpávacích elektráren, viz tabulka výše. Celkově se jedná řádově o gigawatthodiny akumulační kapacity. Při běžné spotřebě elektřiny v České republice by obě tyto možnosti dohromady vystačily zhruba na jednu hodinu.

Ve srovnání s tím akumulační kapacita podzemních zásobníků zemního plynu v České republice odpovídá v současnosti zhruba třetině roční spotřeby plynu. Do budoucna se přitom zásobníky zemního plynu mají rozšiřovat až na polovinu celoroční spotřeby. V přepočtu na množství uskladněné energie se jedná o množství, které o tři řády převyšuje veškeré možnosti akumulace elektřiny. I při započtení účinnosti přeměny na elektřinu by ze zemního plynu uloženého v podzemních zásobnících bylo možno vyrobit elektřinu pro pokrytí veškeré spotřeby elektřiny v ČR nejméně na měsíc.

Množství energie, které lze uložit do podzemních zásobníků zemního plynu v České republice je větší, než celoroční výroba všech fotovoltaických a větrných elektráren. Jejich kapacita by za určitých okolností mohla být dostatečná pro vyrovnávání výroby a spotřeby i v případě, že by výroba elektřiny byla založena výhradně na obnovitelných zdrojích při vysokém podílu fotovoltaiky a větru v energetickém mixu.

Účinnost konverze na plyn a zpět je u technologie P2G nižší, než například u přečerpávacích elektráren. Zatímco u přečerpávacích elektráren je účinnost akumulačního cyklu běžně přes 70 %, u technologie P2G je teoretická hranice kolem 50 %, pokud bude z uskladněného plynu vyráběna elektřina v paroplynové elektrárně. V praxi jsou prozatím dosahovány nižší hodnoty. Předpokládá se však, že bude využívána elektřina v době vysoké výroby větrných a fotovoltaických elektráren, kdy její cena bude velmi nízká, v některých případech dokonce záporná. V takovém případě je účinnost konverze vedlejší.

Reference

 
English Synopsis
Possibilities of extended concept of the term electricity storage

Extended concept of the term electricity storage can greatly increase the possibility of storing electricity from renewable sources at a time when their production exceeds demand. The electricity could be stored not only using conventional technologies which returns electricity (P2P – power-to-power), but in form of heat or gas too (P2H – power-to-heat and P2G – power-to-gas). While conventional technologies P2P and P2H too allow to store energy for several hours or at most days, P2G technology in conjunction with underground natural gas storage has sufficient capacity for seasonal accumulation.

 

Hodnotit:  

Datum: 5.1.2015
Autor: Ing. Bronislav Bechník, Ph.D.   všechny články autora
Recenzent: doc. Ing. Petr Bača, Ph.D., VUT v Brně, FEKT



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (142 příspěvků, poslední 27.01.2015 14:14)


Projekty 2017

Slunce v domě on-line

Stav nabití BAT:--- %
Roční soběstačnost:--- %

Partneři - Elektrotechnika

logo JABLOTRON
logo DOMAT CONTROL SYSTEM
logo SCHNEIDER ELECTRIC
 
 

Aktuální články na ESTAV.czNemovitosti a ochranná pásma: Pásma vznikající vydaným rozhodnutímVinyl – materiál pro podlahoviny. Jak se vyrábí a recykluje?Jak vybrat a správně instalovat filtraci k bazénuRekonstrukce okálu s použitím technologie Activ´Air®