Ako čo najlepšie uložiť energiu
Jeden z vážnych problémov, ktorý trápi energetikov už dlhší čas, je spôsob, ako čo najhospodárnejšie uložiť vyrobenú elektrickú energiu. Aj tejto otázke sa venovalo 5. medzinárodné vedecké
sympózium Elektroenergetika 2009 v Starej Lesnej.
Nie vždy je aktuálna potreba práve vyrobenej elektrickej energie. Aby sme tento problém dokázali riešiť, poznáme rôzne spôsoby akumulácie elektriny.
Prečerpávacie elektrárne
Jednou z foriem, ako uložiť prebytočnú energiu, je uložiť ju do vody. Hlavnou funkciou prečerpávacích vodných elektrární je premena prebytočnej energie na špičkovú elektrickú energiu. To znamená, že v období nízkej spotreby (napríklad v noci) poháňa vyrobená elektrická energia čerpadlo, ktoré vyčerpáva vodu zo spodnej nádrže prečerpávacej elektrárne do hornej nádrže. Ráno, keď si všetci potrebujeme svietiť, rozbieha sa výroba a energetici potrebujú dodať počas tejto rannej špičky do elektrickej siete väčšie množstvo elektriny, vypúšťajú z hornej nádrže vodu a voda pri pretekaní do dolnej nádrže roztáča lopatky turbín. U nás je najväčšou prečerpávacou vodnou elektrárňou Čierny Váh.
Stlačený vzduch
Už vyše 30 rokov využívame akumuláciu stlačeného vzduchu na výrobu elektrickej energie. Vzduch stláčajú elektrické turbokompresory (čiže rotačné lopatkové stroje na stláčanie plynov). Natláčajú ho do podzemných priestorov vzniknutých vyťažením horniny, napríklad kamennej soli. Elektrárne fungujú v denných cykloch, nabíjajú sa tiež v noci a vybíjajú počas dňa. V menšom sa táto technológia využíva pri automobiloch na stlačený vzduch. Prvýkrát použili technológiu stláčania vzduchu v nemeckom Huntorfe v roku 1978, kde spustili do prevádzky 290 MW blok plynovej elektrárne. Druhá, a zatiaľ posledná elektráreň stojí neďaleko mesta McIntosh v štáte Alabama (USA) od roku 1991. Úspešná prevádzka týchto dvoch elektrární demonštrovala technickú aplikovateľnosť stláčania vzduchu pri výrobe elektrickej energie, vytváranie výkonovej rezervy pre celú energetickú sieť, a tým zvyšovanie spoľahlivosti dodávky.
Zotrvačníky
Táto technológia sa využíva najmä vtedy, ak potrebujeme do elektrickej siete rýchlo dodať väčšie množstvo elektriny. Aplikáciami môžu byť napríklad vysokonapäťové skúšky vypínačov alebo zapaľovanie plazmy v Tokamaku, čo je jeden z typov fúzneho reaktora. Klasické zotrvačníky pre akumuláciu energie sú najčastejšie kovové s mechanickými ložiskami a otáčkami okolo 4000 ot/min. Akumulačné schopnosti moderných zotrvačníkov sú porovnateľné s batériami, no zotrvačníky sa dajú rýchlejšie nabiť i vybiť. Ich účinnosť sa pohybuje okolo 80 %. Hlavnou nevýhodou zotrvačníkov je bezpečnosť ich prevádzky. Už akékoľvek menšie poškodenie hmoty zotrvačníkov alebo ložísk môže byť katastrofické. S tým je spojená i vyššia cena – je približne dvojnásobná, než je cena batérií.
Na obrázku je zotrvačník: 1. obal, 2. zotrvačník, 3. generátor, 4. ložisko, 5. prevodník, 6. vákuová pumpa, 7. nabíjanie 8. vybíjanie
Supravodivé magnetické akumulačné články
Tieto systémy sú jedny z mála, ktoré umožňujú priame ukladanie elektrickej energie. Energia sa akumuluje vo forme elektrického prúdu nepretržite cirkulujúceho v cievke zo supravodivého materiálu chladeného na nízke teploty. Zariadenie pracuje s nulovým elektrickým odporom bez elektrických strát s veľmi vysokou účinnosťou. Chladiacim médiom je tekutý dusík. Najmä v USA je už v prevádzke veľký počet takýchto zdrojov. Sú inštalované v rozvodniach, aby pomáhali stabilizovať elektrickú sieť, keď jej hrozia výkyvy. Väčšinou sú dodávané v kontajnerovej alebo mobilnej forme s výkonom 3 – 5 MW.
Superkapacitory
Pod týmto ťažkým slovom rozumieme elektrochemický kondenzátor, ktorý má oproti klasickým kondenzátorom o niekoľko rádov vyššiu kapacitu, a tým i väčšiu hustotu energie. Je to jeden z parametrov kondenzátorov. Druhým je merný výkon. Klasické kondenzátory dosahujú pomerne vysoké merné výkony, ale majú dosť nízku hustotu energie v porovnaní s batériami. To znamená, že batéria na rozdiel od kondenzátora môže akumulovať viac celkovej energie, ale nedokáže ju uvoľňovať dostatočne rýchlo, a preto má menší merný výkon.
Elektrický náboj je v superkapacitoroch akumulovaný v polarizovanej kvapalnej vrstve na rozhraní medzi elektrolytom a elektródou. Zvýšenú kapacitu umožňuje uloženie záporných i kladných iónov elektrolytu na povrchu elektród v dvoch vrstvách – dvojvrstvové kondenzátory. Elektródy sú často vyrobené z porézneho materiálu, aby sa ich povrch zväčšil.
Elektrochemické akumulátory
Základným delením je delenie na akumulátory olovené (kyslé) a alkalické.
Olovené batérie sa využívajú od roku 1850. Elektrolytom v nich je zriedená kyselina sírová. Aktívnou hmotou zápornej elektródy je porézne olovo. Pri vybíjaní sa z elektródy uvoľňujú elektróny a reagujú so zápornými iónmi kyseliny sírovej. Aktívnou hmotou kladnej elektródy je oxid olovičitý. Elektróny, ktoré pri vybíjaní uvoľňujú záporné elektródy, putujú vonkajším uzavretým elektrickým obvodom ku kladným elektródam. Olovené akumulátory v začiatkoch slúžili najmä na akumuláciu elektriny z veterných turbín. Ich výhodou je pomerne nízka cena a účinnosť okolo 75 %. Ich nevýhodou je nízka energetická hustota, vysoká hmotnosť, krátka životnosť, nízky počet cyklov (nabitie/vybitie), citlivosť na okolitú teplotu a najmä problematická likvidácia.
Alkalické batérie využívajú ako elektrolyt vodný roztok hydroxidu alkalického kovu, najčastejšie hydroxidu draselného. Podľa použitých aktívnych látok na elektródy rozoznávame akumulátory: nikel-kadmiové, nikel-železné, nikel-matalhydridové, nikel-zinkové, striebro-zinkové a striebro-kadmiové. Veľké množstvo akumulátorových batérií, prepojených do série alebo paralelne, tvoria batériové stanice.
Spracované podľa J. Polívku a Z. Vostrackého
zo Západočeskej univerzity v Plzni.