Akumulace elektřiny
Podíl elektřiny vyráběné z obnovitelných zdrojů (větrné a solární elektrárny) po celém světě velmi rychle roste. Vzhledem ke kolísavým výkonům těchto zdrojů elektrické energie je jak u síťových, tak u autonomních systémů i při kombinaci zdrojů nutno přizpůsobit spotřebu nebo část energie akumulovat. Doposud žádná technologie schopná uchovat energii nemá dostatečný výkon [W/kg] a zároveň hustotu energie [Wh/kg]. Proto se vytváří systémy tvořené různými typy technologií uchovávající energii. V článku jsou nejvýznamnější zástupce porovnány.
Úvod
Výkon solárních a větrných elektráren je vždy dán aktuálními klimatickými podmínkami, které se nedají ovládat. Vzhledem k velkému nárůstu instalovaného výkonu z těchto obnovitelných zdrojů je potřeba se vyrovnat s většími výkyvy generovaného výkonu. Technologií pro ukládání energie je poměrně dost, avšak každá má svoje hranice či nedostatky, díky nimž jsou jednotlivé technologie použitelné jen v určitých aplikacích, popřípadě dochází ke kombinaci více typů.
Článek je rozšířenou verzí příspěvku publikovaného v rámci konference Nekonvenční zdroje elektrické energie 2010 (NZEE 2010).
TZB-info je od roku 2009 mediálním partnerem této konference.
Letošní 32. ročník konference se koná 5. až 7. září 2010 ve Sport V Hotelu v Hrotovicích u Třebíče. Podrobnosti viz Kalendář akcí.
- Chemický princip akumulace energie - akumulátory
- olověné a alkalické akumulátory
- moderní akumulátory pracující na principu Lithium-Ion, Sodík-Síra
- superkapacitory
- průtokové baterie
- Fyzikální princip akumulace energie
- setrvačníky
- přečerpávací vodní elektrárny
- akumulace energie založená na stlačeném vzduchu
V první skupině je energie uchovávána v chemických vazbách elektrodového materiálu, kdy dochází k vratným reakcím elektrodového materiálu s ionty z elektrolytu. Do této skupiny patří všechny akumulátory a řadí se sem také superkondenzátory, přestože využívají spíše fyzikální princip (viz. níže). Druhá skupina využívá přeměn potenciální a kinetické energie.
Chemický princip uchování energie
Pb akumulátory
Olověné akumulátory patří spolu s dále uvedenými niklkadmiovými mezi nejstarší, neznámější a nejvíce rozšířené akumulátory. Ačkoliv je z některých aplikací pomalu začínají vytlačovat Li-ion akumulátory, existují oblasti, ve kterých jsou olověné a alkalické akumulátory nenahraditelné. Oproti Li-ion akumulátorům vynikají zejména odolností vůči nízkým teplotám, bezpečností a cenou. Nevýhodou je pak ekologická zátěž v podobě Pb a Cd.
Elektrody olověných baterií tvoří Pb a PbO, které při vybíjení reagují s elektrolytem (kys. sírová) za vzniku PbSO4 na obou elektrodách. Svorkové napětí jednoho olověného článku jsou 2 V. Své pevné postavení mají tyto baterie v automobilech a při krátkodobém zálohování.
NiCd akumulátory
Kladná elektroda alkalického akumulátoru v nabitém stavuje tvořena oxo-hydroxidem nikelnatým NiO(OH), který při vybíjení přechází na hydroxid nikelnatý. Záporná kadmiová elektroda při vybíjení reaguje s kyslíkem za vzniku CdO. Elektrolytem je rozpuštěný hydroxid draselný ve vodě. Napětí jednoho článku je 1,2 V. NiCd baterie lze použít pro krátkodobou zálohu a jejich příbuzný typ NiMH v přenosných zařízeních.
Li-ion akumulátory
Katoda Li-ion akumulátorů tvoří oxid kovu (LiCoO2), anoda je z uhlíku s vrstevnatou strukturou. Elektrolyt tvoří lithná sůl (LiPF6) rozpuštěná v organickém karbonátu. Při nabíjení Li ionty interkalují do vrstevnaté struktury uhlíkové elektrody. Li-ion akumulátory mají velkou hustotu energie i účinnost se jmenovitým napětím 3,6 V, nedostatkem je vysoká cena a škodlivost hlubšího vybíjení projevující se snižováním životnosti baterie. Díky malé velikosti a hmotnosti jsou Li-ion akumulátory vhodné pro použití v přenosných zařízeních a pro krátkodobé zálohování.
Průtokové baterie
Průtokové baterie se v podstatě skládají ze dvou rezervoárů naplněných elektrolytem proudícím elektrochemickým článkem. Hustota energie těchto baterií je dána množstvím elektrolytu v rezervoárech, zatím co hustota výkonu je ovlivněna chemickými reakcemi probíhajícími na elektrodách. Účinnost těchto baterií je od 75 % do 85 %, napětí na článku závisí na použitém elektrolytu a pohybuje se v rozmezí od 1,4 V do 1,8 V. Relativně nový typ CeZn (cer-zinek) dosahuje napětí 2 V. Svojí vysokou kapacitou jsou průtokové baterie vhodné na dlouhodobé zálohování.
Superkondenzátory
Superkondenzátory vynikají svojí schopností přijmout velké množství náboje v průběhu několika málo sekund. Principem uchovávání náboje jsou na hranici mezi bateriemi a klasickými kondenzátory. Elektrický náboj totiž není uchováván chemicky, tak jak tomu je v bateriích, ale fyzikálně - elektrostatickou silou na povrchu elektrod. Svojí konstrukcí a elektrolytem je superkondenzátor blízký akumulátorům. Elektrody jsou tvořeny uhlíkem s velkým specifickým povrchem (kolem 1000 m²/g), elektrolyt může být na vodné bázi či tvořen bezvodým organickým rozpouštědlem. Svorkové napětí se pohybuje v rozmezí od 1 - 1,2 V ve vodném a 2,5 - 3 V v organickém elektrolytu. Nevýhodou superkondenzátoru je jejich samovybíjení, na druhou stranu se vyznačují vysokou cyklovatelností. Superkondenzátory se velice dobře hodí na krátkodobé pokrytí špičkových proudů.
Tab. 1: Vybrané technologie pro uložení energie a jejich vlastnosti
| Akumulátory | Výhody | Nevýhody |
|---|---|---|
| Pb | cena, hustota energie i výkonu | ekologie, (účinnost) |
| Ni-Cd | hustota energie i výkonu, účinnost | ekologie |
| Na-S | účinnost | vysoká provozní teplota |
| Li-ion | velká hustota energie i výkonu, účinnost | cena, bezpečnost |
| Průtokové baterie | velká kapacita, nízké náklady | nízká hustota energie |
| Superkondezátory | výkon, účinnost, životnost | nízká hustota energie, samovybíjení |
Tab. 2: Přehled chemických reakcí a svorkového napětí vybraných typů akumulátorů
1) Hodnota svorkového U pro Li akumulátor s LiCoO2 elektrodovým materiálem na kladné elektrodě a grafitem na záporné. Svorkové napětí se dle typu elektrodového materiálu může pohybovat v rozmezí 2 - 4 V.
Fyzikální princip uchování energie
Energii nemusíme uchovávat pouze v chemických vazbách, ale pro určité aplikace je velmi vhodná přeměna kinetické či potenciální energie.
Setrvačníky
Setrvačníky ukládají energii do kinetické energie do otáčející se hmoty rotoru. Podle počtu otáček za minuty může rozlišit vysokootáčkové a nízkootáčkové setrvačníky. Množství energie Ek takto uložené je úměrné momentu setrvačnosti J a čtverci jeho úhlové rychlosti ω.
V případě válcového rotoru je moment setrvačnosti dán hmotností a poloměrem, zatím co úhlová rychlost je limitována jeho pevností. Materiály s nízkou hustotou umožňují vyšší rychlosti, a tudíž mohou uložit více energie na jednotku hmotnosti i jednotku objemu.
Vysokootáčkové setrvačníky mají rotory vyrobeny z plastů vyztužených vlákny a vydrží rychlosti více než 100 000 otáček za minutu. Nízkooláčkové setrvačníky mají rotory z oceli s rychlostí 10 000 otáček za minutu.
Obr.1: Využití setrvačníku [3]
Setrvačníky se vyznačují vysokým výkonem, nízkou energií a velmi krátkou náběhovou prodlevou v řádech jednotek ms. Výkon setrvačníku je obecně spíše limitován výkonovou elektronikou. Největší komerčně používaný setrvačník poskytuje kolem 1,6MW po dobu 10s.
Přečerpávací vodní elektrárny a akumulace energie založená na stlačeném vzduchu (CAES)
Tyto dva jmenované systémy jsou schopny dodávat velké množství energie po relativně dlouhou dobu (řádově hodin). Na rozdíl od ostatních způsobů akumulace náběhový čas činí desítky sekund až minut. Pro potřeby regulace činného i jalového výkonu elektrizační soustavy jsou tyto parametry dostatečné. Oba systémy mají také speciální topologické požadavky, u přečerpávacích elektráren je zapotřebí dvou vodních rezervoárů, u CAES musí být k dispozici dostatečně velká a nepropustná kaverna. Zejména u CAES je snížena účinnost díky tepelným ztrátám - vzduch ohřátý při stlačení v kompresorech se v akumulátoru ochladí, čímž ztratí přibližně třetinu energie.
Obr.2: Schematické znázornění systému CAES
Porovnání vlastností
Velikost vs. hmotnost
Pro jisté aplikace jsou velikost a hmotnost akumulátorů velmi důležitými parametry. Chceme-li co nejmenší a nejlehčí zdroj či zálohu elektrické energie, například pro mobilní zařízení, tak rozumnou volbou jsou Li-ion akumulátory.
Obr. 3: Specifická hustota energie v závislosti na objemové hustotě energie
Celkové náklady
Náklady bývají při výběru často velmi důležité. Data v tomto grafu jsou spíše orientační, tak jak se akumulátory stále vyvíjejí tak se mění i náklady na jednotku energie
Obr. 4: Náklady na jednotku energie
Účinnost vs. životnost
Životnost společně s účinností doplňují sérii parametrů důležitých při výběru vhodné technologie.
Obr. 5: Závislost účinnosti na životnosti
Závěr
Základními ukazateli každé technologie pro uchování energie jsou:
- specifická hustota energie [Wh/kg]
- měrný výkon [W/kg]
- účinnost [%]
- samovybíjení (ztráty)
- životnost (počet cyklů)
Dalšími aspekty mohou být: dostupnost prostředků a materiálů, cena, vliv na životní prostředí a bezpečnost. Trh si žádá technologie se stále větším výkonem, energií, životností a co nejnižší cenou. Proto je potřeba věnovat pozornost výzkumu nových ale i stávajících materiálů a snažit se je co nejlépe využít. Je dost možné, že nové materiály přinesou nové možnosti akumulace energie.
Tento příspěvek přibližuje známé ale i relativně nové technologie pro akumulaci energie. Ačkoliv velice známá, tak z důvodu nízké účinnosti byla úplně vynechána vodíková technologie. Je potřeba si také uvědomit, že některé hodnoty v grafech jsou spíše orientační a díky neustálému vývoji budou brzy neaktuální.
Poděkování
Tato práce byla podporovaná specifickým vysokoškolským výzkumem na VUT v Brně č. FEKT-S-11-7 a Evropskou unií (projekt CZ.1.05/2.1.00/01.0014).
Literatura
[1] Hall P.J., Energy-storage technologies and electricity generation, Energy Polyci 36 (2008) 4353-4355
[2] Electric Storage Association - power quality, power supply, [cit. 17.8.2010]. Dostupné z www: http://www.electricitystorage.org/
[3] CASEY, Tina. Oil-Free Magnetic "Lubrication" Drives New Flywheel Energy Storage Systems. Clean Technica [online]. 2010, [cit. 2011-05-01]. Dostupný z www: http://cleantechnica.com
[4] Sandia Labs. Overview of wind power storage media. WindPower Engineering : Power storage [online]. 2010, [cit. 2011-05-01]. Dostupný z www: http://www.windpowerengineering.com
[5] Baker J., New technology and possible advances in energy storage, Energy Policy 36 (2008) 4368-4373
[6] Nair N.C., Garimella N., Battery energy storage systems: Assessment for small-scale renewable energy integration, Energy and Buildings 42 (2010) 2124-2130
The share of electricity produced using renewable sources (wind and solar power) around the world is rapidly growing. Due to the volatile performance of these power sources it is necesary to adapt the consumption of energy or accumulate it. So far, no technology is able to conserve energy with enough power [W], and the energy density [Wh]. The article compares various aspects of lead acid batteries (Pb), Nickel-cadmium (NiCd), lithium (Li), flow batteries and supercapacitors.