Reklama

Skladování elektřiny prostřednictvím tepla aneb Carnotovy baterie 1. díl – principy a přehled

Vít Bašta, Jan Špale, Miroslav Rathan, Martin Hofman, Michal Kasan, Václav Novotný

Odborný

Tepelné úložiště, zdroj obrázku: DLR, CC-BY 3.0

V článku je rozebrána problematika skladování elektřiny pro relativně větší výkony a kapacity na úrovni tepelných elektráren a tepláren. Přednostně se zaměřuje na nové technologie skladování elektřiny ve formě tepla, sumárně nazývané jako Carnotovy baterie, které mají vysoký potenciál v blízké budoucnosti vstoupit na energetický trh a výrazně jej ovlivnit. Tato zařízení určená pro centrální energetiku jsou známa i pod zkratkami ETES, PTES, P2H2P, či CHEST.

Reklama

V prvním díle jsou vysvětleny principy systémů a jejich obecné konfigurace, následovat bude díl druhý, zaměřený zejména na současný stav vývoje této technologie ve světě a v ČR. Na závěr je ukázána ekonomická perspektiva nasazení těchto systémů, které mají i přes nižší účinnost výhodu nízké měrné ceny, dlouhé životnosti a poskytování podpůrných síťových služeb.

Úvod

Od konce minulého století jsou v hojné míře budovány nové obnovitelné zdroje elektřiny (OZE), a to zejména solární a větrné. Tyto zdroje jsou intermitentní, čili jejich produkce je těžko ovlivnitelná, předpověditelná, a volatilní časově i prostorově. Jinými slovy dodávka elektřiny z těchto zdrojů kolísá, což je problematické pro elektrickou síť, která musí pokrýt potřeby odběratelů elektřiny, které se s výrobou z obnovitelných zdrojů často časově míjí.

Řešením je skladování elektřiny. Čili přebytky elektřiny uchovat a v době nedostatku naopak dodávat do sítě potřebné množství. Ideální skladovací jednotky pro tento účel by měly být schopny akumulovat elektřinu po co nejdelší dobu, v největším možném množství a co nejlevněji, prakticky však řádově v jednotkách dní až měsíců a v rozsahu desítek MW až jednotek GW.

V současné době jsou pro skladování elektřiny ve světě nejrozšířenější přečerpávací vodní elektrárny (PVE). Ty dokážou akumulovat až jednotky GW po dobu několika dní i více, ale trpí značným omezením jejich geografické polohy a dopadem na ráz krajiny. [1–3] Dalšími využívanými technologiemi jsou elektrochemické baterie (klasické a průtokové), fungující na principu galvanického článku.

Ty dosahují ale relativně menších výkonů a převážně malé kapacity. Aktuálně největší aplikace na světě dosahují sice výkonů až kolem menších stovek MW, ale kapacita dostačuje typicky na jednotky hodin. [4] Potenciál pro větší aplikace mají systémy jako gravitační skladování, skladování stlačeného vzduchu (CAES) [5] nebo zkapalněného vzduchu (LAES) [6], konverze pomocí vodíku či jiných syntetických paliv [7]. Tyto technologie jsou vesměs sofistikované a vyžadují samostatný intenzivní výzkum a vývoj. Další alternativou jsou právě Carnotovy baterie. Oblast využití jednotlivých technologií je vidět z diagramu na obr. 1.

Obrázek: 1 Diagram technologií skladování elektřiny

Pojem Carnotovy baterie (CB) označuje technologie skladování elektřiny do tepla a zpětné konverze na elektřinu. Jejich historie se začala psát již roku 1924, kdy si nechal německý inženýr Fritz Marguerre patentovat své technické řešení. [8] Po zbytek dvacátého století však bylo vytvořeno pouze několik dalších patentů, které nenalezly praktického využití.

Koncept znovu ožil až se zmiňovaným rozvojem OZE na přelomu tisíciletí. V průběhu posledního desetiletí si jejich výzkum a vývoj získal výraznou pozornost mnoha universit, výzkumných pracovišť i komerčních subjektů ve snaze být mezi prvními, kdo přinese revoluci v této oblasti energetiky. Technologie CB nyní je v popředí zájmu i Mezinárodní energetické agentury (IEA), která v roce 2019 zahájila jeden ze svých „annexů“ (mezinárodní výzkumné projekty IEA), konkrétně č. 36, přímo zaměřený na sdružování výzkumných pracovišť zabývajících se touto technologií a zkoumajících její potenciál ve světovém měřítku.

ČR v tomto annexu reprezentuje ČVUT v Praze, které bude od roku 2021 také členem. V literatuře se technologie CB také nachází pod zkratkami P2H2P (Power to Heat to Power), čili „elektřina na teplo a zpět na elektřinu“, ETES (Electric Thermal Energy Storage, elektro-termální systémy skladování energie), či CHEST (Compressed Heat Energy STorage) volně přeloženo systémy skladování elektřiny prostřednictvím komprese a tepla.

Název Carnotovy baterie je však paradoxně mladý a začal se uplatňovat zhruba od roku 2015. Je odvozen od Carnotova cyklu, tepelného oběhu, jenž reprezentuje ideální děj vzájemné přeměny mezi teplem a prací. Tento cyklus je pojmenovaném po francouzském fyzikovi Nicolasu Léonardovi Sadi Carnotovi, který je považován za zakladatele aplikované termomechaniky a na jeho počest systém Carnotových baterií nese jeho jméno.

Princip

Fungování baterií je založeno na třech základních dějích, nabíjení, akumulace a vybíjení, a ani u Carnotových baterií tomu není jinak. Schématický obrázek 2 naznačuje posloupnost těchto dějů v případě Carnotových baterií. Nejdříve je nutné přebytečnou elektřinu přeměnit na teplo, toto teplo následně transformovat do uskladnitelné podoby, efektivně jej skladovat do doby, než bude potřeba, v tom případě teplo ze zásobníku uvolnit a zpětně jej přeměnit v elektřinu. Účinnost bateriového systému definovaná jako poměr získané elektřiny ze systému k elektřině dodané při nabíjení se označuje jako roundtrip efficiency, neboli elektrická vratná účinnost celého reverzního procesu. Některé systémy dále využívají i produkované teplo (nebo chlad). V takovém případě energetická účinnost bude definována jako poměr veškeré využité energie (elektřiny, tepla či chladu) k přivedené elektřině.

Obrázek: 2 Princip fungování Carnotových baterií

Obecně lze koncepce Carnotových baterií rozčlenit podle povahy jednotlivých akumulačních fází.

Podle typu přeměny elektřiny na teplo (P2H)

Zde rozdělujeme systémy s přímým ohřevem (odporovým či indukčním) na obr. 3 bod a) a systémy s levotočivými tepelnými oběhy, principiálně tepelnými čerpadly (TČ) na obr. 3 v bodech b) až d). Takové systémy pak jsou nazývány Pumped Thermal Eletricity Storage (PTES). Systémy s tepelnými čerpadly se dále dělí na samostatné PHTS bez další tepelné integrace, bod b), pracující pouze s vnější elektřinou a na tzv. tepelně integrované TI-PTES, využívající odpadního tepla většinou z průmyslových provozů. Podle způsobu využití odpadního tepla jsou rozděleny na teplé, které odpadní teplo přečerpávají na vyšší teplotní úroveň, bod c), nebo studené, kde je skladován chlad vytvořený chladícím oběhem, který zvyšuje teplotní rozdíl, a tím účinnost, pro oběh produkující elektřinu, bod d).

Pozn.:
Levotočivé tepelné oběhy (tepelné stroje) jsou zařízení, jež mechanickou práci spotřebovávají a přeměňují ji na teplo (tepelná čerpadla (TČ), chladící zařízení). Pravotočivé tepelné oběhy (tepelné motory) jsou pak zařízení, která přeměňují tepelnou energii na mechanickou práci (tepelné oběhy elektráren, spalovací a proudové motory). Názvosloví je odvozeno od smyslu termodynamických změn v diagramech stavových veličin (např. tlak – měrný objem, teplota – entropie).

Obrázek: 3 Rozdělení principiálních koncepcí

Podle typu skladování tepla

Systémy CB lze rozdělit na základě způsobu akumulace tepla do skladovacího materiálu na akumulaci citelného tepla či latentního tepla, případně využívající využití tepla chemických vazeb (termochemické) či fyzikálních vazeb (sorpce, adsorpce a absorpce). Poslední dvě metody ovšem nejsou příliš rozšířené vzhledem k nižšímu stádiu jejich výzkumu a vývoje.

Systémy uchovávající citelné teplo v materiálech v pevném skupenství jsou štěrková, keramická (struska) lože nebo ve formě monolitů z betonu či oceli. Další možností je skladování kapalin, to jak organických (oleje, nemrznoucí kapaliny) nebo anorganických (soli, kovy, voda). V současnosti se u koncentračních solárně-termálních elektráren (Concentrated solar power, CSP) běžně využívá roztavených solí. [9] Některé koncepty pak počítají s využitím sypkých materiálů jako písek, se specifickými systémy dopravy a předávání tepla. [10]

Latentní teplo se dá skladovat s vysokou energetickou hustotou pomocí tzv. PCM (phase change materials), neboli materiálů, u kterých za dané teploty dochází k fázové změně, nejčastěji mezi pevným a kapalným skupenstvím. [11] Možnou variantou PCM technologie je i skladování zkapalněného plynu při nízkých teplotách, čili s přechodem mezi plynem a kapalinou. [12] Uvažovaný je taky koncept pevných látek procházejících změnou krystalické mřížky, např. eutektické roztoky dusičnanů.

Skladovat je možné i materiály, které produkují teplo při vratných chemických reakcích. Příkladem je endotermická reakce, při které zahříváme hydroxid sodný Ca(OH)₂ na teplotu 520 °C a dosáhneme rovnováhy s parciálním tlakem vody 101 hPa, dochází k rozkladu na oxid vápenatý CaO a vodu. K ní je reverzní exotermická reakce známá jako hašení vápna. Uvažované jsou rovněž chemické reakce solí a metalických oxidů. [13]

Podle typu přeměny tepla na elektřinu (H2P)

Technologie vhodná pro transformaci tepla zpět na elektřinu se odvíjí od velikosti skladovacího zařízení a na parametrech konkrétního pracovního média. Uvažovány jsou klasické tepelné cykly známé z elektráren – Rankinův pro oběhy se změnou fáze (parní oběh tepelných elektráren, alternativně využívající CO₂, nebo pro nízké teploty organické látky jako chladiva) a Braytonův pro plynové oběhy. Perspektivní jsou za určitých podmínek i méně známé oběhy jako Kalina, Stirling či kombinace Braytonova cyklu s Rankinovým (paroplyn). V teoretické rovině se nabízejí také alternativy k tepelným oběhům jako přímá konverze tepelného záření na elektřinu za pomoci termofotovoltaického, termionického nebo termoelektrického děje. Takové možnosti jsou zatím stále doménou raného výzkumu, nicméně mají potenciál využívat teplo na výrazně vyšších teplotních hladinách, přesahujících 1000 °C, to díky přímé konverzi tepelného záření na elektřinu. Takové teploty jsou pro tepelné oběhy využívající sdílení tepla konvekcí nemyslitelné z materiálového hlediska.

Celý systém

Propojením systému P2H (elektřina na teplo), skladování a následně H2P (teplo na elektřinu) vznikne zařízení pro skladování elektřiny, Carnotova baterie. Carnotovou baterií je ku příkladu systém sestávající z odporového elektroohřevu teplosměnného média (např. vzduchu), jež následně v zásobníku odevzdá své teplo pevnému materiálu, typicky ve formě štěrkového lože. Při vybíjení teplosměnné médium odvede teplo ze zásobníku do systému vlastní elektrárny, kde proběhne zpětná konverze tepla na elektřinu (např. v parním tepelném oběhu). Další možností je využití reverzního Braytonova oběhu plynové turbíny využívající např. vzduch či argon. Během nabíjení v režimu TČ je dosahováno maximálního teplotního rozdílu mezi studenými zásobníky s nemrznoucí kapalinou a na druhé, teplé straně zásobníky s roztavenou solí. Tohoto teplotního spádu je v režimu vybíjení využito k pohánění oběhu plynové turbíny a produkci elektřiny. Tabulka 1 ukazuje kromě zmíněných i další technicky možné a současně rozvíjené možnosti kombinací. Podrobněji budou uvedené a další projekty popsané ve 2. díle článku o Carnotových bateriích.

Tabulka 1 V současnosti rozvíjené kombinace technologií Carnotových baterií, rozděleno podle jednotlivých fází systému
Nabíjení	Skladování	Vybíjení	Reference k projektům
Reverzní Braytonův oběh	roztavená sůl	Braytonův oběh	Malta Inc.
TČ (max. 200 °C)	termoolej/voda / štěrkové lože	ORC	Řada univerzit
Elektro ohřev	vysokoteplotní pevné mat.	Braytonův oběh	NREL
Elektro ohřev	vysokoteplotní pevné mat.	Rankinův oběh	Siemens Gamesa ETES
Elektro ohřev	roztavená sůl	Rankinův oběh	DLR + RWE
TČ (zkapalnění vzduchu)	zkapalněný vzduch	Rankinův oběh	Highview power

Ekonomika Carnotových baterií

Jak je zřejmé, v případě CB se jedná o sestavení existujících systémů a technologií typicky známých z energetiky a chemického průmyslu, pouze v netradičním uspořádání a využití. Z hlediska určení investičních i provozních nákladů lze vycházet většinou z existujících systémů.

Základní ekonomický smysl skladovacích elektráren spočívá ve vykrývání rozdílů mezi nabídkou a poptávkou elektřiny (udržování výkonové rovnováhy v reálném čase). Tento rozdíl mimo jiné souvisí se zvýšenou volatilitou produkce způsobenou nárůstem zastoupení obnovitelných zdrojů elektřiny (solární a větrné) v energetickém mixu. Výnosy akumulačních systémů plynou ze dvou hlavních činností, a to z podpůrných síťových služeb jako řízení napětí, frekvence, či poskytování záložního rezervovaného výkonu a z operativního nákupu elektřiny, v obdodí převyšující nabídky, a jejího prodeje, v případě převyšující poptávky, na trhu. V otázce podpůrných síťových služeb mají CB výraznou výhodu oproti elektrochemickým bateriím z pohledu řízení napětí a frekvence, jelikož se skládají z lopatkových strojů, které mají značnou setrvačnost a technologie vývodu výkonu z nich je stejná jako u elektrárenských bloků. Levnému nákupu a drahému prodeji naopak nahrává trend prohlubování fluktuace cen elektřiny. Již v součastnoti není neobvyklé, že se v některých státech na vnitrodenním trhu v případě extrémního nadbytku eletřina obchoduje v záporných cenách a v opačných případech se prodává za stovky eur za MWh. Substitutem akumulačních zařízení se do značné míry může stát průlomové využívání moderních řídících systémů v přenosových soustavách. Pro jejich maximální účinnost by musely být takové systémy co nejrozsáhlejší, prakticky globální. Síťové služby se nyní těžko globalizují, jelokož se jedná o konkrétní kontrakty mezi provozovateli přenosových soustav a jednotlivými výrobci elektřiny. Nicméně se dá předpokládat, že v budoucnu bude bilancování trhu uskutečňováno kombinací akumulačních zdrojů a moderních digitálních řídících systémů.

U akumulačních technologií často výrazně převažují investiční náklady (CAPEX) nad provozními náklady (OPEX). Tyto základní ekonomické vlastnosti se dají použít k určení celkových nákladů na elektřinu dodávanou ze skladovací jednotky C_out do sítě za pomoci zjednodušené ekonomického modelu viz. vzorec:

kde C_in je měrná cena nakupované (ukládané) elektřiny, η představuje roundtrip efficiency, I jsou měrné investiční náklady (CAPEX) a N je počet možných akumulačních cyklů za dobu životnosti akumulační technologie.

Obrázek: 4 Diagram závislosti ceny elektřiny dodávané z uložiště (CB a baterie) na ceně nakupované (ukládané) elektřiny ze sítě (upraveno z [14])

Ze vztahu tedy vyplývá, že ideální akumulátor by měl mít maximální účinnost a životnost a minimální investiční náklady, nicméně takový dokonalý zdroj neexistuje. Carnotovy baterie nabízejí relativně nízké měrné investiční náklady vztažené k počtu akumulačních cyklů, jejichž počet je v řádu desítek tisíc v průběhu desítek let životnosti. Naproti tomu se vyznačují nízkou účinností, v rozsahu 35 % až maximálně 75 %, v závislosti na konkrétní technologii. V porovnání s nimi mají baterie (lithiové) výrazně vyšší účinnost (okolo 85 % a více), avšak jsou omezeny počtem cyklů 5000–7000 za dobu životnosti zařízení. Pokud bychom uvažovali, že by měrné investiční náklady v EUR/MWh byly pro obě technologie podobné, budeme se rozhodovat při volbě řešení s minimálními náklady podle ceny vstupní fluktuující elektřiny na vnitrodenním trhu. Na obr. 4 je tedy vidět, že nižší náklady na elektřinu dodanou z uložiště C_out jsou v závislosti na ceně fluktuující elektřině C_in v levé části pro CB a v pravé pro elektrochemické baterie, kdy počet cyklů převýší důsledek nižší účinnosti. V případě nižších měrných investičních nákladů CB by tento efekt byl ještě výraznější. [14]

Shrnutí

Koncept Carnotových baterií je představen jako perspektivní alternativa k ostatním technologiím pro skladování elektřiny pro velké výkony, kapacity a delší periody času. Nyní těmito parametry disponují pouze přečerpávající vodní elektrárny (PVE), jejichž další výstavba je však vhledem k jejich geografické náročnosti již značně omezena. Proto je v tomto příspěvku popisován koncept Carnotových baterií (CB), jež mají potenciál chybějící výkony i kapacitu pro skladování poskytnout. Detailně je popsán princip fungování, který sestává ze třech základních dějů – nabíjení, skladování a vybíjení. Každá tato fáze nabízí mnoho způsobů řešení, což přináší velké množství potenciálních kombinací. Závěrem ekonomická analýza ukazuje, že CB a elektrochemické baterie si nejsou přímými konkurenty. Segment trhu s přebytečnou elektřinou pro CB je vymezen dlouhou dobou ukládání, velkými výkony a nízkou cenou nakupované elektřiny. Naproti tomu baterie zaujímají oblast trhu s kratší skladovací dobou, nižšími výkony a vyšší cenou nakupované elektřiny. Výnosy Carnotových baterií plynou nejen z rozdílu mezi nakoupením levné, přebytečné elektřiny a prodejem skladované za vyšší než nominální cenu v případě nedostatku, ale rovněž z poskytování podpůrných síťových služeb.

Ve druhém díle se zaměříme právě na ty kombinace technologií, které přilákaly pozornost vědeckých, akademických či komerčních institucí. Podrobněji se zaměříme na projekty ve světě v pokročilejším stádiu vývoje, kdy se objevují demonstrační, či pilotními projekty, jež mají za úkol prověřit aplikační potenciál koncepcí. Zaměříme se i na situaci u nás v České republice, kde se tématem CB zabývá pracovní skupina na ČVUT v Praze působící na Fakultě strojní a Univerzitním centru energeticky efektivních budov.

Zdroje

RENEWABLE ENERGY AGENCY, International. ELECTRICITY STORAGE AND RENEWABLES: COSTS AND MARKETS TO 2030. 2017. ISBN 978-92-9260-038-9.
STERNER, Michael a Ingo STADLER. Handbook of Energy Storage [online]. 2019. ISBN 9783662555040. Dostupné z: doi:10.1007/978-3-662-55504-0
IEA report 2020. Energy Storage, IEA, Paris. 2020. Dostupné z: https://www.iea.org/reports/energy-storage
LS Power Energizes World’s Biggest Battery, Just in Time for California’s Heat Wave | Greentech Media. Dostupné z: https://www.greentechmedia.com/articles/read/ls-power-energizes-worlds-biggest-battery-near-san-diego-just-in-time-for-heatwave
BUDT, Marcus, Daniel WOLF, Roland SPAN a Jinyue YAN. A review on compressed air energy storage: Basic principles, past milestones and recent developments [online]. B.m.: Elsevier Ltd. květen 2016. ISSN 03062619. Dostupné z: doi:10.1016/j.apenergy.2016.02.108
TAFONE, Alessio, Alessandro ROMAGNOLI, Yongliang LI, Emiliano BORRI a Gabriele COMODI. Techno-economic Analysis of a Liquid Air Energy Storage (LAES) for Cooling Application in Hot Climates. In: Energy Procedia [online]. B.m.: Elsevier Ltd, 2017, s. 4450–4457. ISSN 18766102. Dostupné z: doi:10.1016/j.egypro.2017.03.944
REIGSTAD, Gunhild. Hydrogen for Europe Final report of the pre-study. SINTEF, 2019. Dostupné z: https://www.sintef.no/globalassets/sintef-energi/pdf/hydrogen-for-europe-pre-study-report-version-4_med-omslag-2020-03-17.pdf
MCTIGUE, Joshua. “Carnot Batteries” for electricity storage Josh McTigue Yale Blueprint Webinars: The Next Step? NREL and Malta discuss Thermal Energy Storage Solutions. 2019. Dostupné z: https://www.nrel.gov/docs/fy20osti/75559.pdf
BOLLINGER, Benjamin R. Malta Pumped Heat Electricity Storage (PHES) for Coal Exit and Energy Transition from Fossil to Renewable Energies. 2^nd International Workshop on Carnot Batteries 2020. 2020.
GIFFORD, Jeffrey, Zhiwen MA a Patrick DAVENPORT. Thermal Analysis of Insulation Design for a Thermal Energy Storage Silo Containment for Long-Duration Electricity Storage. Frontiers in Energy Research [online]. 2020, 8, 99. ISSN 2296-598X. Dostupné z: doi:10.3389/fenrg.2020.00099
OCHOA, S a H JOCKENHÖFER. Detailed design of the high temperature TES laboratory prototype ORDP Open Research Data Pilot. 2019. Dostupné z: https://www.chester-project.eu/wp-content/uploads/2019/10/CHESTER_D3.3_Detailed-design-of-the-high-temperature-TES-laboratory-prototype.pdf
Liquid Air in the energy and transport systems Opportunities for industry and innovation in the UK Full Report. nedatováno. ISBN 9780957587229.
Technology - SaltX Technology - World patented nano-technology. Dostupné z: https://saltxtechnology.com/technology/
THESS, André a Dan BAUER. 2^nd Inernational Workshop on Carnot Batteries. Thomas Wetzel (KIT). 2020.

English Synopsis

The article focuses on the storage of electricity in form of heat and its reverse conversion to electricity, so called ETES (Electric Thermal Energy Storage), PTES (Pumped Thermal Energy Storage), P2H2P (Power to Heat to Power) or CHEST (Compressed Heat Energy Storage).