Ilustrační foto (zdroj: www.mmarchitecturalphotography.com)
Efektivní ukládání energie je v dnešní době jedním z nejvíce diskutovaných problémů energetiky. Vyřešením tohoto problému bychom se výrazně posunuli na cestě k dekarbonizaci planety. Spotřeba energie se výrazně mění v průběhu roku a též i v průběhu dne. Nejméně energie se zpravidla spotřebovává v létě, o víkendu, v noci. V létě například fotovoltaické elektrárny mají dostatek slunečního svitu a množství vyrobené energie se zvyšuje. Touto nevyvážeností provozu jsou zatížené i další obnovitelné zdroje. Jelikož nejsme schopni řídit počasí, musíme přijít s jiným řešením. Abychom zajistili stálou dodávku elektrické, popřípadě tepelné energie v čase, nabízí se řešení ukládání „přebytečné“ energie v době nízké poptávky.
Principy ukládání energie do solí
Pod pojmem ukládání energie si většina z nás představí dnes běžně používané lithium iontové baterie. Energii, a to jak elektrickou, tak i tepelnou, lze však ukládat i jinými způsoby: mechanicky, elektromechanicky, elektricky, termochemicky, chemicky či tepelně. Jedním ze způsobů tepelného ukládání energie je ukládání do roztavených solí. Princip tohoto ukládání energie je velice snadný. Z hlediska technické konstrukce rozlišujeme dva typy solného úložiště.
První typ se skládá ze dvou zásobníků. V jednom zásobníku skladujeme „studenou“ roztavenou sůl a v druhém sůl teplou. Při ohřevu neboli nabíjení úložiště je sůl ze „studeného“ zásobníku vedena přes tepelný výměník, kde je ohřívána, do horkého zásobníku. Při vybíjení je proces totožný, jen v opačném směru. Tedy horká sůl je vedena do výměníku, kde ohřívá páru, a poté pokračuje do studeného zásobníku. Tento typ je dnes již používán na solárních elektrárnách typu CSP (Concentrated Solar Power). Zde je sůl ohřívána slunečními paprsky koncentrovanými v tzv. „přijímači“, viz obrázek níže.
Druhý typ využívá pouze jeden zásobník, ve kterém je jak „studená“, tak i „horká“ sůl. Plovoucí membrána zajišťuje, aby nedocházelo k jejich mísení. Tento typ je výhodnější zejména ekonomikou výstavby, stavba dvou zásobníků je totiž finančně náročná.
Typy používaných solí
Technologie ukládání energie do solí se dnes průmyslově používá především u solárních elektráren typu CSP. Těchto elektráren je dnes v provozu více, než bychom čekali: například jen ve Španělsku je jich celkem 53. Z toho 23 provozuje solné úložiště energie. Roztavené soli jsou pro ukládání energie velmi vhodné médium. Mají vysokou hustotu (mnohem vyšší než voda), vysokou tepelnou kapacitu a zároveň velmi dobrou viskozitu. Dnes úložiště používají především soli na bázi dusičnanů. Hlavní důvody pro použití dusičnanových solí jsou hlavně nižší pořizovací náklady, mnohem nižší agresivita vůči jiným materiálům než u jiných typů solí a nízká toxicita. Samozřejmě mají roztavené soli také nevýhody, jednou z hlavních nevýhod je vyšší teplota tání (viz tabulka). Může tedy dojít k zamrznutí soli uvnitř potrubí. Z tohoto důvodu je veškeré potrubí vytápěno. Dalším problémem je již zmíněná agresivita vůči konstrukčním materiálům. A dále dle typu soli i jejich ekonomická náročnost. Ta se odvíjí od velkého množství soli potřebného pro takovéto úložiště. Například v elektrárně Andasol je pro skladování 1123 MWhe po dobu 7,5 hodiny potřeba 28 500 tun soli.
Příklady provozovaných úložišť
V současnosti je v provozu několik solných úložišť, především v kombinaci se solárními elektrárnami. Podle konstrukce se CSP dají dělit na tzv. „Tower CSP“ a „Parabolic through CSP“. Princip těchto technologií bude vysvětlen na následujících dvou příkladech.
Crescent Dunes
Crescent Dunes je elektrárna provozovaná v nevadské poušti. Technologickým typem je to elektrárna „Tower CSP“. To v principu znamená, že roztavená sůl je ze studeného zásobníku vedená do „receiveru“. „Receiver“ je vrchní část věže elektrárny, na kterou jsou zrcadly odráženy sluneční paprsky. Tímto dopadem koncentrovaných slunečních paprsků se receiver zahřívá na vysokou teplotu cca 550 °C a následně ohřívá roztavenou sůl. Roztavená sůl je poté vedena do horkého zásobníku. Odtud je v případě potřeby vedena do tepelného výměníku, kde ohřívá páru vedenou na turbínu. Zásoba soli na této elektrárně činí 32 000 tun. S tímto množstvím jsou zde schopni akumulovat tepelnou energii pro výrobu 1 100 MWhe elektřiny, nabíjení trvá 10 hodin.
Noor Ouarzazate
Dnes největší CSP elektrárna se nachází v Maroku poblíž města Ouarzazate (Warzazát). Tento komplex se skládá z několika projektů (Noor I – Noor IV). Noor I a Noor II jsou projekty typu Parabolic through CSP, Noor III je CSP Tower projekt a Noor IV je fotovoltaický projekt. Dohromady je výkon této elektrárny 580 MWe.
Pro ilustraci si zde popíšeme projekt Parabolic through CSP. Tato technologie se od Tower CSP odlišuje způsobem ohřevu soli. Namísto jedné věže, kam se koncentrují sluneční paprsky, jsou zde zrcadlové paraboly. Ty koncentrují sluneční záření do potrubí v jejich ohnisku. V potrubí proudí tzv. Heat Transfer Fluid (HTF) látka, která je schopná dobře absorbovat a předávat teplo. Tato tekutina je poté vedena do výměníku, kde ohřívá roztavenou sůl. Následně je princip stejný jako u typu CSP Tower. Roztavená sůl ohřívá páru, která putuje na turbínu.
Solné úložiště je zde tvořeno několika zásobníky. Každá elektrárna v tomto komplexu má své úložiště. Proto mají možnost zkoušet různé směsi solí. V současné době se zde provozuje Solar salt, Hitec a další směsi. Každý projekt je schopný ukládat energii po různou dobu. Noor I je schopen akumulovat 3 hodiny, Noor II po dobu 6 hodin a Noor III po dobu 7,5 hodiny. Kombinovaně jsou schopné akumulovat tepelnou energii pro výrobu 2930 MWhe.
zdroj: www.nrel.gov
Berlín
V německém Berlíně je provozováno solné úložiště, kde je zdrojem tepla místní teplárna. Jde o první případ, kdy pro ohřev tekuté soli není použita solární elektrárna. Berlínské úložiště neohřívá tavenou sůl, ale funguje na termochemickém principu. Ukládání energie zde tak probíhá trochu odlišně od předchozích případů. Nabíjení úložiště se provádí zahřátím soli na teplotu cca 550 °C, ze soli se odpaří voda a vznikne suchá sůl. V takovémto stavu je možné sůl skladovat týdny; dokonce až měsíce. Při vybíjení se do soli zpět přidá voda a chemickou reakcí se začne uvolňovat vysokoteplotní pára, kterou lze použít na pohon turbíny nebo na vytápění.
Ukládání tepla je vhodné nejen pro CSP projekty; v podstatě je jedno, odkud teplo pochází (fosilní teplárna/výtopna/elektrárna, jaderný reaktor) a může vykrýt jak elektrárenské, tak i teplárenské špičky. Už i v Česku univerzity spolupracují s průmyslovými partnery při zavádění této technologie a testovací zařízení s tavenou solí navrhuje a provozuje ZČU Plzeň společně s ČVUT Praha.
Metody ukládání tepelné energie se v současné době bouřlivě rozvíjejí. Nicméně tyto technologie se soustřeďují především na spolupráci se solárními elektrárnami. Revoluční je jejich použití i v jiných oblastech. Například teplárenství, výroba elektřiny atd., jak ostatně můžeme vidět na berlínském příkladu. Doufejme, že se k nim brzy přidají i čeští energetici.
