Akumulace elektřiny u decentrálních energetických zdrojů

V příspěvku nepojednáváme ani o přínosech akumulace elektřiny a ani o příčinách, které potřebu akumulace vyvolávají, tato témata jsou již delší dobu široce diskutovaná. Existuje celá řada způsobů pro akumulaci elektřiny, vždy se jedná o její přeměnu na jinou formu energie, takovou, ve které může být efektivněji nejen uskladněna, ale v případě potřeby znovu transformována především zpět na energii elektrickou nebo podle potřeby na jinou formu energie. Tyto způsoby akumulace se liší především oblastí výkonů, při kterých jednotlivé systémy pracují, dále účinností akumulace, dobou udržení akumulované energie s přijatelnými ztrátami, životností, počtem cyklů a podobně. Podle formy, v níž je elektřina akumulovaná, můžeme technologie pro akumulaci rozdělit na technologii:

• Mechanickou.
• Elektrochemickou.
• Tepelnou.
• Elektromagnetickou.

Vyvíjená technologie spadá do kategorie mechanické technologie akumulace, sem patří:

• Přečerpávací vodní elektrárny.
• Setrvačníky.
• Technologie CAES – akumulace ve stlačeném vzduchu (Compressed Air Energy Storage).

Relevantní s naší vyvíjenou technologií jsou technologie CAES. S touto technologií akumulace jsou již v provozu akumulační elektrárny velkých výkonů, 100 MW až 300 MW, doba akumulace se pohybuje v desítkách hodin. Princip této technologie je znázorněn na obr. 1, v době přebytku elektřiny se tlakový vzduch akumuluje v podzemním zásobníku, při potřebě špičkového elektrického výkonu se vzduch ze zásobníku odebírá a používá se jako spalovací vzduch pro plynovou turbínu.

Příklad akumulační elektrárny s technologií CAES je uveden na obr. 2. Tato má výkon 110MW s dobou akumulace 26 hodin a byla uvedena do provozu v USA (Alabama) v roce 1991.

Probíhající vývoj technologie CAES je zaměřený především na zvýšení účinnosti akumulace, vyvíjí se systémy:

• AA – CAES (Advanced Adiabatic CAES) - adiabatická komprese vzduchu s využitím akumulovaného kompresního tepla při spouštění a provozu plynových turbín, dosáhne se zvýšení účinnosti akumulace až na 70 %. Vyvíjí se vysokoteplotní kompresory a vysokoteplotní rekuperátory tepla (systém Cowper).
• G CAES (General Compression Advanced Energy Storage) – texaské sdružení vyvíjí modulový systém pro výkony až 500 MW s izotermickou kompresí a expanzí bez spotřeby zemního plynu s účinností 70 %.
• ICARES (Integrated Compressed Air Renewable Energy Systém) – vzduch se skladuje ve vacích ukotvených na dně pod hladinou moře v hloubce kolem 500 metrů.
• LAES (Liquid Air Energy Storage) – energie se akumuluje ve zkapalněném vzduchu.
• ADELE (Adiabater Druckluftspeicher für die Elektrizitätsversorgung) – prototypová elektrárna 90 MW v německém Stassfurtu.
• CAES s nadzemními zásobníky pro výkon 15 MW.
• CAES - tlakovým médiem je CO₂.

Cílem vývoje je co nejvyšším využitím kompresního tepla a odpadního tepla za plynovou turbínou dosáhnout účinnost akumulace vyšší než 70 %.

Je zřejmé, že použitá koncepce akumulace elektřiny se bude lišit podle účelu, ke kterému bude akumulace použita, nelze očekávat, že se objeví nějaká univerzálně použitelná technologie akumulace. Pro zařazení námi vyvíjené koncepce uvádíme následující rozdělení podle konečného užití – tj. na jaké úrovni se bude požadovat zajistit spolehlivou dodávku elektřiny.

• V rámci přenosové soustavy – řešit se musí jednak optimalizace soustavy (vlastní přebytky), ale především neřízená produkce elektřiny z obnovitelných zdrojů. Jedná se o dodávku (akumulaci) špičkového výkonu ve stovkách MW po dobu desítek hodin. Využije se některá z výše uvedených technologií CAES.
• U konečného odběratele (budovy) – jednoznačně se musí řešit neřízená produkce elektřiny z obnovitelných zdrojů. Dnes na úrovni desítek kW až stovek kW s periodou v desítkách hodin. K dispozici je technologie elektrochemická (baterie) a elektromagnetická (superkondenzátory).
• U decentrálních zdrojů (vn) – podle regionu řešit se musí především optimalizace provozu (proměnlivá spotřeba elektřiny, těžký průmysl, nedostatečný instalovaný výkon) a neřízená produkce elektřiny z obnovitelných zdrojů, pokud jsou tyto v regionu zastoupeny. Jedná se o výkony v desítkách MW po dobu hodin. Parametry vyvíjené
• koncepce akumulace odpovídají potřebám decentrálních zdrojů, využívá se technologie akumulace v tlakovém vzduchu. Princip je znázorněn na:

Akumulace u vyvíjené koncepce nepracuje samostatně, ale ve spolupráci s klasickým energetickým zdrojem, který zajišťuje i dodávku tepla. Tzn., že to může být horkovodní kotel, ale i kogenerační jednotka s plynovou turbínou a horkovodním kotlem (HWB) nebo s parní turbínou s regulovaným odběrem. Pro vysvětlení principu je na obrázku znázorněna kogenerační jednotka s plynovou turbínou.

Při běžném provozu se výkon kogenerační jednotky řídí podle projektu, elektřina se dodává do vlastní sítě (Micro Grid) nebo do nadřazené sítě vn. Akumulační jednotka je odstavena, ale může být současně využita i pro akumulaci přebytků elektřiny a to jak vlastních přebytků v síti decentrálního zdroje, tak i přebytků v přenosové soustavě nebo může být využitá i pro akumulaci elektřiny přímo z obnovitelných zdrojů, pokud jsou v regionu zastoupeny.

Akumulace elektřiny tedy může probíhat současně s provozem kogenerační jednotky nebo i samostatně, při odstavené kogenerační jednotce. Při akumulaci elektřiny kompresor dodává vzduch o tlaku např. 40 bar do zásobníku (akumulátoru), v tomto případě to je kulový plynojem. Kompresor je vícestupňový, s chlazením za každým stupněm, a kompresní teplo se akumuluje v horké vodě pro další využití pro dodávku elektřiny a tepla.

Pro dodávku špičkového výkonu z akumulace musí být (v zapojení podle obr. 3) v provozu akumulační jednotka i kogenerační zdroj. Tlakový vzduch z kulového plynojemu se v uvedeném zapojení využije jako spalovací vzduch pro plynovou turbínu místo vzduchu, který pro spalování dodává kompresor plynové turbíny. Tzn., že kompresor plynové turbíny se vyřadí z provozu a podmínkou pro zachování stejného množství spalovaného zemního plynu na turbíně je dodržet parametry spalovacího vzduchu na vstupu do spalovací komory turbíny stejné, jako při provozu kompresoru. Potřebný tlak a průtok vzduchu se nastaví při jeho odběru z kulového plynojemu, předmětem vývoje je jeho ohřev na potřebnou teplotu bez přívodu externí energie. Pokud se dodrží parametry vzduchu před spalovací komorou, nezmění se příkon dodávaný v zemním plynu a nezmění se ani mechanický výkon na hřídeli plynové turbíny. Při vyřazeném kompresoru se tedy celý mechanický výkon turbíny využije pro pohon elektrického generátoru a elektrický výkon se více než zdvojnásobí.

Decentrální zdroj s akumulací elektřiny podle obr. 3 se sestává z konvenční kogenerační jednotky s horkovodním kotlem HWB s tím, že plynová turbína musí být takové konstrukce, která by umožnila připojit přívod vzduchu z kulového plynojemu (z existujících turbín to bez problémů umožňuje plynová turbína s externí spalovací komorou) a k níž by bylo možné připojit další elektrický generátor (vyhovuje jednohřídelová i dvouhřídelová turbína).

Dále z akumulační jednotky sestávající se z konvenčních strojů a zařízení, tak jak jsou uvedeny na obrázku. U popisované decentrální jednotky s akumulací elektřiny při použití plynové turbíny Siemens, s elektrickým výkonem 13,1 MW a se zvolenou dobou nabíjení 1 hod., lze očekávat tyto parametry:

• Jmenovitý elektrický výkon 13,1 MW.
• Jmenovitý tepelný výkon 19,0 MW.
• Čistý, špičkový elektrický výkon 28,5 MW.
• Výkonový parametr 2,2.
• Čistá elektrická účinnost akumulace 80,5 %.
• Doba vybíjení, orientačně max. 1 hod.
• Dosažení špičkového výkonu:
  • 50 % z akumulace do 2 minut,
  • 100 % z akumulace do 4 minut.

Očekávané základní rozměry zařízení:

• Kulový plynojem – průměr 24 metrů,
  • konstrukční objem 7 700 m³.
• Vysokotlaký horkovodní akumulátor – průměr 1,8 m,
  • výška 10,6 metru.
• Vodní nádrž – průměr 4,0 m.
  • výška 2,2 metru.

Decentrální systém s akumulací lze využít v těchto provozních režimech:

• KGJ s plynovou turbínou dle projektu.
• Jen pro akumulaci elektřiny, KGJ je odstavena, v provozu je nabíjecí systém jednotky pro akumulaci.
• KGJ spolu s jednotkou pro akumulaci, v provozu je nabíjecí systém jednotky pro akumulaci.
• Dodávka špičkového výkonu – v provozu je KGJ spolu s vybíjecím systémem jednotky pro akumulaci.

LITERATURA:
[1] http://www. Espcinc.com/library/150-300-400 MW CAES Brochure.pdf 
[2] Prospekt fy DRESSER-RAND Wellsville

Autoři

• Doc. Ing. Vilimec Ladislav
• Ing. Konvička Jaroslav Ph.D.