Dnes výzkumníci hledají inovativní řešení, jak překonat jednu z největších výzev v oblasti obnovitelné energie: efektivní skladování energie. Mezi nejslibnější návrhy patří skladování stlačeného vzduchu pro výrobu elektřiny (CAES), technologie, která by mohla fungovat jako druh obří baterie k ukládání přebytečné energie generované obnovitelnými zdroji, jako je vítr a slunce.
Tento typ skladování energie využívá stlačený vzduch jako primární prostředek k ukládání přebytečné energie pro pozdější použití během špičky nebo když obnovitelné zdroje nevyrábějí elektřinu. V rámci tohoto konceptu lze velké množství vzduchu stlačit a uložit v podzemních dutinách nebo nádržích, poté jej uvolnit a v případě potřeby použít k výrobě elektřiny.
Projekt RICAS 2020
Evropský projekt tzv RICH 2020 si klade za cíl prozkoumat využití uzavřených podzemních jeskyní ke skladování stlačeného vzduchu, s využitím stávající infrastruktury v různých částech světa, jako jsou opuštěné doly nebo přírodní dutiny. Tyto jeskyně podle vědců stojících za projektem nabízejí dokonalé prostředí pro skladování velkých objemů vysokotlakého vzduchu.
Klíčovou myšlenkou RICAS 2020 je využít momenty, kdy obnovitelná energie převyšuje poptávku. Například, když je špičková výroba solární nebo větrné energie, která by jinak mohla přijít vniveč. V těchto chvílích přebytku energie je přebytečná energie zvyklá stlačený vzduch a uložte jej do uzavřených jeskyní. Když pak systém potřebuje vyrábět elektřinu, stlačený vzduch se uvolňuje a prochází turbínou, kde se vyrábí elektřina.
Problém skladování v obnovitelných energiích
Jednou z klíčových výzev k řešení v oblasti obnovitelných energií je to, že na rozdíl od konvenčních zdrojů energie je jejich výroba přerušovaná. Vítr ne vždy fouká a slunce nesvítí vždy, což znamená, že jsou chvíle, kdy se nevyrábí dostatek obnovitelné energie k pokrytí poptávky.
Tento problém je v případě solární fotovoltaiky částečně vyřešen díky pokrokům v bateriích, ale skladování větrné energie zůstává výzvou bez jasného řešení. Toto je místo skladování stlačeného vzduchu, která nabízí alternativu k ukládání větrné energie, když není okamžitá poptávka po elektřině.
Tento typ technologie má a rostoucí význam v globálním energetickém prostředí, protože se očekává, že celosvětová poptávka po skladování energie výrazně vzroste, protože sítě se snaží integrovat více obnovitelné energie. Potřeba efektivních a škálovatelných úložných řešení jen vzrostla, takže se projekty líbí RICH 2020 se jim dostalo značné pozornosti.
Účinnost přečerpávacích vodních elektráren
Přečerpávací vodní zásobníky byly dosud jedním z nejpoužívanějších řešení pro velkokapacitní skladování energie. Tento systém funguje tak, že čerpá vodu z nižší nádrže do vyšší během hodin s nízkou spotřebou a poté uvolňuje vodu přes turbíny, když je poptávka špičková.
Jednou z hlavních nevýhod tohoto systému je to proveditelné pouze v horských oblastech, což omezuje jeho použití v zemích, které kvůli své geografii nemohou využívat vodní úložiště. To je případ mnoha zemí, které nemají potřebné topografické podmínky, což se u systému skladování vzduchu nestává.
Provoz systému stlačeného vzduchu
Skladování stlačeného vzduchu (CAES) funguje relativně jednoduše. Během období nízké spotřeby energie je vzduch stlačován a skladován podzemní jeskyně o tlakové nádoby. Když je potřeba vyrobit elektřinu, uložený vzduch se uvolní a expanduje přes turbíny, aby se vyrobila elektrická energie.
Tento systém je svou koncepcí podobný něčemu tak každodennímu, jako je a pumpa na kolo. Když je do pneumatiky napumpován vzduch, tlak se zvýší a když se uvolní, energie uložená ve stlačeném vzduchu se přemění na kinetickou energii, která pohání kolo vpřed.
V případě skladování energie se přebytečná elektřina z obnovitelných zdrojů využívá ke stlačování vzduchu, který se ukládá pod zem. Když je tato energie znovu potřeba, vzduch se uvolňuje prostřednictvím plynové turbíny, aby se vyráběla elektřina. Během tohoto kompresního procesu vzniká velké množství tepla, což představuje problémy s účinností, které byly předmětem výzkumu.
Problémy účinnosti v současných systémech
V současnosti se největší systémy pro skladování stlačeného vzduchu nacházejí ve Spojených státech a Německu. Tyto systémy využívají podzemní solné útvary ukládat obrovské objemy vzduchu pod tlakem. Mají však velkou nevýhodu: ztrácejí hodně energie ve formě tepla při stlačování vzduchu.
Problém je v tom, že tyto systémy nejsou vybaveny účinnými technologiemi pro uchování tepla generovaného během procesu komprese. To vede ke ztrátě značné části uložené potenciální energie, což snižuje celkovou účinnost systému.
Řešení pro zvýšení efektivity prostřednictvím RICAS 2020
Projekt RICAS 2020 navrhl inovativní řešení pro zlepšení účinnosti systémů skladování stlačeného vzduchu. Klíč je uvnitř akumulovat teplo vznikající při kompresi ke snížení energetických ztrát.
Inovace spočívá v průchodu horkého stlačeného vzduchu a samostatná jeskyně plná drcené horniny. Horniny absorbují teplo vznikající při stlačení a zadržují ho. Když se stlačený vzduch používá k výrobě elektřiny, nejprve znovu prochází horninami, což mu umožňuje rekuperovat teplo a zvýšit efektivitu systému.
S tímto vylepšením inženýři RICAS 2020 odhadují, že je možné zvýšit celkovou efektivitu úložných systémů až o 70-80%, výrazné zlepšení ve srovnání se současnými systémy, které dosahují pouze a 45-55% účinnosti.
Další úložné systémy CAES
Existuje několik typů systémů CAES, které se liší především tím, jak řídí teplo vznikající při kompresi vzduchu:
- adiabatický CAES: Tento typ systému ukládá teplo vznikající při stlačování vzduchu a později ho využívá k ohřevu vzduchu, když se v turbíně rozpíná. To výrazně zvyšuje účinnost systému.
- diabatický CAES: Místo aby ukládal teplo, diabatický systém ho rozptyluje jako odpadní produkt. Když je potřeba vzduch vypustit, musí být ohříván externími zdroji (např. zemním plynem), což snižuje účinnost.
- CAES izotermický: Je to teoreticky nejúčinnější systém, protože jak stlačování, tak expanze vzduchu se provádí při konstantní teplotě. Technologie pro dosažení zcela účinného izotermického systému však ještě není vyvinuta.
Skladovací kapacity a reálné případy
V současné době komerčně fungují dvě velká zařízení na skladování energie stlačeného vzduchu:
- Huntorf, Německo: Jednalo se o první závod, který používal technologii CAES v komerčním měřítku. Má kapacitu 321 MW a ukázalo se, že je efektivní při řízení variability ve výrobě větrné energie.
- McIntosh, Spojené státy americké: V provozu od roku 1991, má kapacitu 110 MW. Využívá rekuperátor k předehřívání stlačeného vzduchu před expanzí, přičemž jako doplňkový zdroj energie ke zlepšení účinnosti využívá zemní plyn.
Obě zařízení potřebují zemní plyn k výrobě tepla potřebného při expanzi stlačeného vzduchu. Přestože jsou z energetického hlediska udržitelné, výzkum pokračuje v hledání alternativ, které nejsou závislé na fosilních palivech.
potenciál CAES v budoucnu
Vzhledem k tomu, že země usilují o větší pronikání obnovitelné energie, skladování energie stlačeného vzduchu by mohlo hrát klíčovou roli. Díky inovacím, jako jsou ty, které navrhuje RICAS 2020, by se CAES mohl stát životaschopnou a efektivní možností pro ukládání velkého množství energie při nízkých nákladech.
Využití podzemních kaveren, vyšší efektivita při zadržování tepla a možnost využití stávajících technologií pro nové aplikace činí ze skladování stlačeného vzduchu technologii s velkým potenciálem v nadcházejících letech. Udržitelnost a zlepšování energetické účinnosti mohou v budoucnu změnit způsob hospodaření s energií.
Vzhledem k tomu, že se tato technologie neustále vyvíjí, můžeme brzy zaznamenat pokrok, který překoná současné problémy v oblasti skladování obnovitelné energie, a tím zajistí stabilní a udržitelné dodávky energie pro příští generace.