Velkokapacitní zásobníky spolehlivě uskladní přebytky elektřiny

Odpověď na to, jak zvládnout nevyrovnané výkony prudce přibývajícího počtu solárních a větrných elektráren v EU, může dát vývoj tlakovzdušných akumulačních elektráren, na který se soustřeďuje strojírenství i výzkumné ústavy z oboru tepelných motorů, vysokotlakých kompresorů a vysokoteplotních výměníků. Akumulace velkých elektrických výkonů Obnovitelné zdroje elektrické energie, zejména větrné a fotovoltaické elektrárny, zažívají v Evropské unii svůj boom. Výkon prvních kolísá podle větru, druhých podle oslunění, a energetici hledají cesty jak zajistit spolehlivou dodávku elektřiny podle poptávky spotřebitelů. Připravované inteligentní sítě to dokážou vyřešit jen s pomocí velkokapacitních zásobníků, které „uskladní“ přebytky elektřiny a posílí výkon přenosové sítě ve špičkách odběru. Z desítky možných způsobů akumulace elektrické energie se zatím nejlépe osvědčují přečerpávací nebo akumulační hydroelektrárny s účinností 70 až 80 %. Místa pro jejich efektivní výstavbu v dosahu center spotřeby jsou však téměř vyčerpána. Vědci i energetici se proto vracejí i ke starším projektům skladování energie. Jednou z možností je stlačování vzduchu do podzemních zásobníků elektrickými kompresory v době nízkého odběru, a akumulovaný výkon časově nezávisle ve špičkách odběru využít k pohonu plynových turbín ve strojovně na povrchu. Slabinou spalovacích turbín používaných v současných plynových elektrárnách je, že až 2/3 výkonu na jejich hřídelích spotřebují k pohonu kompresorů, stlačujících vzduch do spalovacích komor. Tato potřeba využitím stlačeného vzduchu z kaveren odpadne, a turbíny mohou (alespoň několik hodin) běžet na plný výkon. Princip označovaný jako CAES (z anglického Compressed Air Energy Storage) využívá vytěžené důlní prostory, jeskyně či artézské studny ve vhodných geologických formacích jako velkokapacitní podzemní zásobníky stlačeného vzduchu. Několik (koncem 20. století) zkušebně postavených zařízení tohoto typu (Huntorf v Německu, Ventilla v Peru, McIntosh v USA) bohužel vykázalo nedostatečnou celkovou účinnost (pod 50 %), protože vzduch při potřebné kompresi se zahřívá na 600 °C i více, teplo se ztrácí, před vstupem do turbín je nutné tlakový vzduch z podzemního zásobníku zahřívat zemním plynem a účinnost vylepšovat alespoň rekuperací tepla z jejich výfuku. Cesty ke zlepšení účinnosti O zlepšení účinnosti až na úroveň vodních přečerpávacích akumulačních elektráren se v uplynulých 10 letech pokouší několik projektů v USA i v Evropě pokročilou technologií AA-CAES (Advanced Adiabatic CAES) akumulací tepla z komprese vzduchu a jeho využití o několik hodin později při spuštění turbín a jejich provozu. Touto fyzikální lstí je možné zlepšit účinnost akumulačního cyklu až na 70 %. Tím že (s výjimkou startu studené turbíny) odpadá potřeba zemního plynu, se výrazně snižují i emise CO2. V souvislosti s razantně přibývajícím počtem větrným elektráren v parcích na pobřeží i na moři se rozbíhá také několik projektů krátkodobé akumulace jejich výkonu prostřednictvím vzduchu, stlačovaného do umělých zásobníků (tzv. Energy Bags) v hloubce na mořském dnu, využívajících tlaku vodního sloupce. K akumulaci kompresního tepla bude možné využít i zkušeností s prvními velkými solárními elektrárnami ve Španělsku, akumulujících teplo v zásobnících s roztavenou solí a využívají je k pohonu parních turbín v době zvýšeného odběru elektřiny. První generace tlakovzdušných elektráren Skutečně fungující CAES o výkonu 290 MW byla jako první spuštěna roku 1978 v severoněmeckém Huntorfu nedaleko Brém, spolupracující se sousedící jadernou elektrárnou Unterwesser. Kompresor poháněný motorem o výkonu 60 MW plní vzduchem dva válcovité podzemní zásobníky vyruba objemem 310 000 m3. Přibližně po 8 hodinách dosáhne provozní tlak maximálně přípustných 7,2 MPa. Tato zásoba pak vystačí na 2 h špičkového výkonu plynové turbíny s alternátorem ve strojovně, dokud tlak nepoklesne pod minimálně požadovaných 4,5 MPa. Nízkou průměrnou účinnost se podařilo zvýšit využitím odpadního tepla turbíny k ohřevu tlakového vzduchu až na 55 %, a výkon vzrostl na 320 MW. Velké potíže činilo praní vzduchu z hlubin znečištěným agresivním solným prachem. Provozovatel E.ON si až do jejího odstavení pochvaloval rychlý náběh systému: na poloviční výkon během 3 min, na plný výkon během 10 min! K dalšímu vývoji přispěli zejména Američané výstavbou tlakovzdušné elektrárny McIntosh v Alabamě nad solnou kavernou v hloubce 450 až 750 m s objemem 538 000 m3. Stlačený vzduch (4,5–7,6 MPa) pohání dvě spalovací turbíny o celkovém výkonu 226 MW. Na uložení 1 kWh elektrické energie spotřebuje 0,69 kWh elektřiny pro pohon kompresoru, a 1,17 kWh plynu. S velkým zpožděním, vzhledem k nedostatku finančních prostředků, byla až loni zahájena stavba zatím největší CAES v Nortonu (USA, Ohio) s výkonem 300 MW nad obří vápencovou komorou, jejíž objem 9,6 mil. m3 by měl umožnit na jeden cyklus akumulovat výkon až 2700 MW. Podmořské tlakovzdušné zásobníky Energy Ba gs Zatím téměř futurologické projekty skupiny vědců Nottinghamské univerzity vedené prof. S. Garveyem, směřují k podmořským „balonům“ Energy Bags, montovaným co nejblíže větrných off-shore parků a plánovaných vlnových nebo přílivových elektráren. V laboratořích ověřují chování balonů o průměru až 230 m z vyztuženého nylonu, které v ochranných zakotvených mřížových konstrukcích u dna v hloubkách kolem 500 m by mohly při tlaku 5 MPa v této hloubce akumulovat výkony až 500 MW. Systém nazvaný ICARES (Integrated Compressed Air Renewable Energy System) si nechali patentovat a letos má být s podporou E.ON modelově testován v praxi. Pokročilé elektrárny s a diabatickou technologií AA-CAES Zlepšit účinnost akumulačního cyklu až na 70 %, srovnatelnou s většinou nových akumulačních přečerpávacích vodních elektráren, je možné jen využitím dosud odpadního tepla z kompresorů při stlačování vzduchu do zásobníků k jeho ohřívání před vstupem do turbín. Tím by klesla spotřeba elektřiny na akumulaci 1 kWh na únosných 1,4 kWh. Vyžaduje však urychlit vývoj vysokoteplotních kompresorů a speciálních vysokoteplotních rekuperátorů tepla. Vzorem jsou tradiční Cowperovy věžové rekuperátory používané v hutnictví, akumulující teplo do keramických článků, snášejících ohřev až na 1000 °C. Zveřejněné projekty ukazují, že v prvé etapě se zařízení provozuje s použitím přídavného plynu při spouštění agregátu, vysoko ohřátý vzduch (minimálně 600 °C) po několika minutách umožní provoz bez plynových hořáků. K dalšímu vývoji se sdružují zejména v USA dominantní firmy. Troufalé plány s dosažením účinnosti 70 % má zejména texaské sdružení General Compression Advanced Energy Storage (GCAES), na němž se podílí např. Conoco Philips a ARPa. Do konce roku vedle již běžící testovací jednotky 2 MW hodlá zveřejnit typové projekty s modulárními kompresory i turbínami s výkony do 500 MW. Systémy GC počítají s tzv. isothermální kompresí a expanzí bez další spotřeby plynu, a navržené podzemní zásobníky mají disponovat „výdrží“ náplně od 8 do 300 h! S jinými variantami – např. i s nadzemními zásobníky po 15 MW, přicházejí konkurenční Pacific Gas & Electric v San Francisku, Magnum Energy Storage v Salt Lake City, a SEQ-Energy v San Francisku. Poslední ověřují mj. také možnost zvolit jako tlakové médium CO2 místo vzduchu. ADELE v projektech EU Evropská unie nejnověji vsadila na prestižní projekt ADELE (Adiabater Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung), který loni získal potřebná stavební povolení. Prototypová tlakovzdušná akumulační elektrárna s elektrickým výkonem 90 MW se staví u německého Stassfurtu (30 km severně od Lipska), kde se již staletí těží sůl i pro naši republiku. Jedna z 300 m vysokých vytěžených solných komor, používaná donedávna jako podzemní tlakový zásobník zemního plynu, poslouží jako zásobník vzduchu s výkonovou kapacitou kolem 1200 MW, postačující po spuštění elektrárny k 5hodinovému chodu 200MW turbíny. Projektu podporovaném EU zatím částkou 10 mil. eur se zúčastňuje General Electric, RWE, Züblin, několik univezit i Institut letectví a kosmonautiky DLR. Na zkušebním stendu Dortmundské teplárny RWE vyvíjejí nejdůležitější prvek, kterým budou vysokoteplotní výměníky. Po způsobu Cowperových ohřívačů zkoušejí využít keramiku, přírodní kámen, beton nebo i litinu v roli výměnných elementů akumulujících a vydávajících teplo v objemu 600 až 1000 °C. MAN-Turbo v Oberhausenu vyvíjí axiálně-radiální kompresor, který takové teploty (a jejich rychlý náběh) spolehlivě vydrží. Na vývoji plynové (vzduchové) turbíny pracující se vzduchem znečištěným agresivním prachem pracuje Siemens. ADELE by měla být spuštěna do provozu roku 2016 a měla by sladit provoz 40 velkých větrných elektráren v okolí s regionální elektrovodnou sítí. Pokud se osvědčí, uvažuje RWE Power výhledově až o 30 možných místech na území Německa, která by únosným způsobem řešila nerovnoměrný výkon zdrojů obnovitelných energií v připravované inteligentní energetické síti. Jan Tůma