S tím, jak ve světě stoupá využívání elektřiny z obnovitelných zdrojů a poprvé předstihlo uhlí, roste i potřeba skladovat tuto energii pro případy, kdy není slunce ani vítr.
Zatímco někteří se obracejí k velkým lithiovým bateriím a jiní k přečerpávacím vodním elektrárnám, malé, ale rostoucí odvětví je přesvědčeno, že existuje ještě lepší řešení: baterie využívající vzduch.
Nedaleko vesnice Carrington v severozápadní Anglii se pokládají základy prvního komerčního zařízení na skladování energie z kapalného vzduchu na světě. Komplex bude tvořit soubor průmyslových strojů a několika velkých skladovacích nádrží, přičemž ty budou naplněny stlačeným vzduchem a ochlazeny na kapalinu. Uskladněná energie pak může být uvolněna, když poptávka převýší nabídku.
Pokud bude projekt úspěšný, budou jej následovat další. Jeho propagátoři, společnost Highview Power, jsou přesvědčeni, že skladování energie v kapalném vzduchu pomůže zemím nahradit fosilní paliva čistou obnovitelnou energií, ačkoli prozatím tato technologie zůstává drahá.
Související článek
S rostoucí potřebou skladování čisté energie však sázejí na to, že se rovnováha vychýlí ve prospěch kapalného vzduchu.
Problém přerušovaného provozu
Přechod na obnovitelné zdroje energie je pro svět zásadní, aby snížil emise skleníkových plynů a vyhnul se nejhorším dopadům změny klimatu. Pro elektrické sítě to však představuje výzvu.
Elektrárny spalující fosilní paliva, jako je uhlí a plyn, lze zapínat a vypínat prakticky podle libosti a zajišťovat tak předvídatelné dodávky elektřiny odpovídající poptávce.
THE PROBLEMS WE SOLVE… INTERMITTENCY, RELIANCE ON FOSSIL FUELS, CURTALIMENT & GRID STABILITY.
Here is our latest infographic, which explains how our liquid air energy storage (LAES) works. LAES captures excess renewable energy helping reduce curtailment, it tackles… pic.twitter.com/KX8NIM3Cqf
— Highview (@HighviewPower) July 18, 2024
Naproti tomu obnovitelné zdroje energie jsou nestálé. To znamená, že někdy nevyrábějí dostatek elektřiny, což vede k riziku výpadků proudu, a někdy je jí přebytek – například ve velmi větrných dnech – což by mohlo poškodit síť.
Důležitou součástí řešení je ukládání přebytečné energie tak, aby mohla být uvolněna v případě potřeby. To pomáhá zajistit spolehlivé dodávky a minimalizuje riziko poškození sítě.
„S rostoucím využíváním obnovitelných zdrojů energie je stále důležitější vyvíjet kapacity pro skladování energie v rozvodné síti,“ říká Shaylin Cetegen, chemický inženýr z Massachusettského technologického institutu (MIT), který se zabývá systémy skladování energie.
Po desetiletí byla hlavní formou skladování energie přečerpávací vodní elektrárna. Přebytečná elektřina se používá k čerpání vody do kopce, kde se skladuje za přehradou.
Když je potřeba energie, voda protéká turbínami a vyrábí elektřinu. Do roku 2021 měl svět k dispozici 160 gigawattů přečerpávací vodní kapacity.
V poslední době, kdy se zvýšila poptávka po skladování energie, byly vybudovány rozsáhlé systémy bateriových úložišť.
Tento proces se rychle rozvíjí a zrychluje. Podle Mezinárodní energetické agentury vzrostl objem bateriových úložišť v síťovém měřítku z 1 GW v roce 2013 na více než 85 GW v roce 2023, přičemž jen v roce 2023 přibylo více než 40 GW.
Naproti tomu skladování energie v kapalném vzduchu je relativně nová technologie. Základní myšlenka existuje již od roku 1977, ale až do tohoto století se jí věnovala malá pozornost.
Řešení na bázi kapalného vzduchu
Proces funguje ve třech fázích. Nejprve se vzduch odebere z prostředí a vyčistí. Za druhé je vzduch opakovaně stlačován na velmi vysoký tlak. Zatřetí je ochlazován až do zkapalnění pomocí vícekanálového výměníku tepla: zařízení s několika kanály a trubkami, v nichž se nacházejí látky o různých teplotách, což umožňuje řízený přenos tepla mezi nimi.
„Energie, kterou získáváme ze sítě, napájí tento proces nabíjení,“ vysvětluje Cetegen.
Když síť potřebuje další energii, použije se zkapalněný vzduch. Ten se odebírá ze zásobníků a odpařuje se, čímž se vrací do plynného stavu. Poté se použije k pohonu turbín, které vyrábějí elektřinu pro rozvodnou síť. Vzduch se pak vypouští zpět do atmosféry.
Během procesu se používají důmyslné techniky pro úsporu energie. Například plyny pod vysokým tlakem se zahřívají, takže stlačováním vzduchu vzniká teplo.
Toto teplo lze využít k obnově kapalného stavu vzduchu v druhé části procesu. „Bez těchto cyklů zpětného získávání tepla je účinnost procesu přibližně 50 %, ale jejich zavedením můžeme překročit 60 % a blížit se 70 %,“ říká Cetegen.
Úkolem je nasadit dostatečné množství zásobníků energie z kapalného vzduchu, aby se ekologický přechod výrazně urychlil.
Prozatímní řešení v síťovém měřítku
Nové zařízení v Manchesteru je první iniciativou v komerčním měřítku na světě. Staví ji společnost Highview Power, která se již 20 let zabývá vývojem systémů skladování energie na bázi kapalného vzduchu.
Navazuje na pilotní zařízení v nedalekém Pilsbury. Elektrárna v Carringtonu bude schopna uskladnit 300 megawatthodin elektřiny, což by stačilo na pokrytí krátkodobého výpadku proudu až pro 480 000 domácností.
Podle generálního ředitele Richarda Butlanda bude uvedena do provozu ve dvou fázích.
V srpnu 2026 má být turbína uvedena do provozu. Nebude vyrábět elektřinu, ale přispěje ke stabilizaci elektrické sítě.
Podle Butlanda se provozovatelé rozvodných sítí v současnosti někdy uchylují ke zprovoznění plynových elektráren, aby stabilizovali síť. „To představuje pro soustavu obrovské náklady,“ říká. Tím, že nabídneme alternativní způsob stabilizace, „jim v tom můžeme zabránit„.
Očekává se, že systém skladování energie v kapalném vzduchu bude uveden do provozu v roce 2027. Společnost Highview hodlá dosahovat zisku prodejem elektřiny do sítě v době, kdy je jí nejvíce zapotřebí.
Ačkoli je tedy skladování energie nezbytnou technologií, její ekonomická životaschopnost je složitá, říká Cetegen.
Ve studii zveřejněné v březnu spolu se svými kolegy posuzovala proveditelnost skladování energie v kapalném vzduchu v 18 regionech Spojených států.
Porovnávali osm různých scénářů dekarbonizace s různou úrovní zavádění obnovitelných zdrojů energie. Ve všech případech odhadli návratnost, kterou by projekt mohl získat nákupem a prodejem elektřiny po dobu 40 let.
Florida a Texas
V nejambicióznějším scénáři dekarbonizace se skladování energie v kapalném vzduchu ukázalo jako proveditelné na Floridě a v Texasu, ale ne jinde.
„V ostatních scénářích dekarbonizace jsme nezaznamenali žádné ekonomicky životaschopné systémy,“ říká Cetegen.
Ačkoli by to mohlo být mylně interpretováno jako „negativní výsledek“, Cetegen zdůrazňuje, že to neznamená, že skladování energie v kapalném vzduchu je špatný nápad.
Za prvé, jeho metody byly záměrně konzervativní a jeho studie odhalila, že jiné formy skladování energie, jako jsou přečerpávací vodní elektrárny a baterie, jsou ještě méně ekonomicky životaschopné.
Přesněji řečeno, hlavní problém spočíval v tom, že úložiště v prvních letech své existence nepřinášela velký zisk, protože v americké síti nebyl dostatek obnovitelné energie, která by mohla způsobit kolísání cen.
„V prvních letech [fungování modelu] se systém příliš nevyužíval,“ říká.
Cetegen zdůrazňuje poslední argument ve prospěch skladování energie v kapalném vzduchu: jeho nízké náklady.
Technologie skladování energie se obvykle hodnotí pomocí ukazatele zvaného „vyrovnané náklady na skladování„, který odhaduje náklady na každou jednotku skladované energie po dobu životnosti projektu.
V případě kapalného vzduchu mohou tyto náklady činit asi 1050 Kč na megawatthodinu, zatímco u přečerpávacích vodních elektráren asi 2800 Kča u lithium-iontových baterií 4000 Kč.
„Zatímco žádná z těchto metod skladování není v současné době bez politické podpory ekonomicky životaschopná, skladování energie v kapalném vzduchu vyniká jako obzvláště nákladově efektivní možnost pro skladování energie ve velkém měřítku,“ říká Cetegen.
Butland nakonec předpovídá, že elektrické sítě budou spoléhat na kombinaci technologií skladování. Přečerpávací vodní úložiště je mimořádně účinné a funguje po desetiletí, ale je závislé na lokalitě, protože vyžaduje zásobu vody.
Baterie jsou naproti tomu vysoce účinné a mohou být umístěny kdekoli, ale je třeba je přibližně po 10 letech vyměnit. Kapalný vzduch má tu výhodu, že dokáže uchovávat energii déle než baterie, a to s minimálními ztrátami.
Jakmile země začne přecházet na zelenou energii, je třeba její elektrickou síť přebudovat, aby se přizpůsobila. „Přestavujeme všechny sítě na celém světě na základě nové generace,“ říká Butland. A to by mohlo zahrnovat velké množství skladování energie pomocí kapalného vzduchu.