Akumulace energie a provoz budovy
Přehrát audio verzi
Akumulace energie a provoz budovy
00:00
00:00
1x
- 0.25x
- 0.5x
- 0.75x
- 1x
- 1.25x
- 1.5x
- 2x
Akumulace energie umožňuje využít přebytky energie v době její potřeby, a tím zvýšit efektivitu jejího využití. Volba technologie, a z toho vyplývající náklady na akumulaci jsou však rozhodujícím faktorem pro určení jejího přínosu. Jejich stanovení a nepodcenění rizik nemusí být snadné. Druhým důležitým údajem jsou ceny energií, které by byly používány v případě, že by akumulace nebyla použita.
Úvod
Krátkodobá akumulace menšího množství energie je nejčastěji používána pro překrývání odběrových špiček. Přínosem je většinou nižší cena energie a možnost menšího výkonu a příkonu hlavního zdroje energie.
Dlouhodobá akumulace je většinou spojena s větším množstvím energie a cílí na využití cenových rozdílů mezi cenou energie v daném období. Zatímco v řadě případů jsme v minulosti v souvislosti s uchováním energie používali především vodní systémy a využito bylo citelné teplo, dnes je nabídka technologií v souvislosti s technickým pokrokem a změnou nabídky zdrojů energie o dost širší. Rizikem dlouhodobé akumulace energie je především obtížně určitelná cena budoucí energie alternativně použitelná místo akumulačního systému [1].
Obr. 1 Technologie akumulace
Akumulační systémy
Vodní akumulační systémy
Dlouhodobá akumulace tepla do vodních zásobníků se rozvíjela především v souvislosti se solární energií vyrobenou tepelnými kolektory. Zásobníky pro svou velkou velikost byly řešeny často jako podzemní, ale existují i varianty nadzemní. Ze zkušeností z provozu těchto technologií vyplývá, že je třeba věnovat velkou pozornost tepelné izolaci zásobníků, neboť její poruchy výrazně zvyšují tepelné ztráty a tím snižují účinnost akumulace tepla. V případě vody lze uvažovat s množstvím energie 70 kWh/m3 pro teplotní rozdíl 60 °C. Technické využití teplé vody souvisí s minimální využitelnou teplotou, často 30 °C. Běžná účinnost dlouhodobých akumulátorů je v rozsahu 50–80 %.
Obr. 2 Zapojení akumulačního systému
Akumulace tepla do zemního masivu
Tyto systémy fungují nejčastěji s pomocí plošného tepelného výměníku vytvořeného ze soustavy trubek nebo v podobě soustavy vrtů. Tyto systémy jsou známy ze zahraničí z velkých instalací, v našich podmínkách se používají v souvislosti s přebytky tepla od tepelných solárních kolektorů nebo kogeneračních jednotek. Dlouhodobá účinnost je v rozsahu 40–80 % [2].
Akumulace do sypkých materiálů
Systémy se staly v minulých letech předmětem zájmu pro svou možnost využití přebytků elektřiny vyrobené z fotovoltaických panelů. Výroba elektrické energie pomocí fotovoltaiky má v našich klimatických podmínkách jasný průběh s maximem v letním období a minimem v zimních měsících. Tržní systém nákupu a prodeje elektřiny ze sítě způsobuje, že se vyskytují a podle prognóz v budoucnu budou stále více vyskytovat případy, kdy je cena energie prodávané do sítě výrazně nízká, nulová nebo dokonce záporná. V tom případě je výhodné hledat alternativy v podobě bateriového úložiště nebo akumulačního zásobníku. Zejména v případech větší výroby elektřiny je většinou ekonomicky nevýhodné budování velkého úložiště a řešením může být využití v podobě akumulace tepla do vodního zásobníku nebo do akumulátoru vytvořeného z materiálu s vysokou tepelnou kapacitou.
Zásobníky ze sypkých nebo pevných materiálů jsou umístěny většinou v zemině pod úrovní terénu. Je to dáno vysokou hmotností materiálu, do kterého je teplo akumulováno. Zároveň musí být vytvořen systém výměníku pro dodávku a odběr tepla. Pro nízké teploty je většinou využíván vodní výměník, pro vysoké teploty (stovky °C) pak vzduch nebo hydráty solí. V případě použití nízkoteplotního systému lze uvažovat s množstvím tepla 20 kWh/m3 pro teplotní rozdíl 60 °C (zde uvedeno pro srovnání s vodou). V případě využití vysokých teplot je to 100 kWh/m3 pro teplotní rozdíl 280 °C. To dává dobrou představu o množství tepla, které můžeme v zásobnících uchovat. U zemních zásobníků hraje roli, zda je zásobník tepelně izolován nebo zda jde o zásobník volný, spojený se zeminou. V případě neizolovaných zásobníků množství uchovaného tepla a ztráty ovlivňují místní podmínky např. voda v podloží, která může výrazně zvýšit nebo snížit účinnost celého systému nebo ztráty do prostředí. Pokud se jedná o ekonomicky dostupnou variantu dodávky tepla, pro otevřený nebo částečně otevřený zásobník je nejběžnější používat vodní výměník. Teprve pro uzavřené systémy přichází v úvahu řešení s využitím vysokých teplot a nejčastěji pomocí teplého vzduchu. S danou technologií souvisí i využitelnost takto uskladněného tepla. Nízké teploty budou využitelné pomocí tepelného čerpadla země-voda a plošného zemního výměníku. Vyšší teploty se stávají zajímavé pro možné uplatnění pro vysokoteplotní využití včetně potenciálně možné zpětné výroby elektřiny. Zde je však úskalím celková účinnost tohoto procesu a ekonomické náklady na tato zařízení. Dlouhodobá účinnost akumulátorů je orientačně 40–70 % [3].
Obr. 3 Akumulace tepla do pevného akumulátoru
Bateriová úložiště
Bateriová úložiště pro akumulaci elektrické energie souvisí s rozvojem fotovoltaiky. Začala být ekonomicky zajímavá v souvislosti s poklesem ceny baterií a zvýšením ceny energií. Baterie jsou zvláště vhodné pro svou dobrou uplatnitelnost v případě využití krátkodobých přebytků elektřiny. Nejsou však naopak příliš vhodné pro dlouhodobé uchovávání energie.
Syntetické plyny
Proces výroby bývá označován jako Power-to-Fuel, kdy je elektrická energie využita pro výrobu umělých paliv nebo přímo Power-to-Gas, kdy jsou výsledkem plynná paliva. Do této kategorie se řadí například syngas, syntetický metan nebo LPG. Výroba syntetického metanu je založena na výrobě vodíku H2 a jeho další transformaci zejména s oxidem uhličitým do podoby syntetického paliva. Tyto postupy by měly umožnit zachování spalování plynu i ve vzdálenější budoucnosti, avšak prozatím jsou vzhledem k náročnosti výroby velmi nákladné.
Využití elektřiny pro výrobu ušlechtilého paliva pro budoucí využití představuje další způsob, jak uchovat přebytky elektrické energie. V této oblasti je pozornost směřována k vodíku, jako k jednomu z plynů, který může v budoucnu pomoci s dekarbonizací plynárenství. Globální trh s vodíkem má potenciál velkého růstu. To je vidět i na řadě prognóz a studií věnujících se této oblasti. Je však třeba rozlišovat, zda jde o vodík vyrobený z fosilních paliv nebo o vodík nízkoemisní. V současné době je hlavním spotřebitelem vodíku Čína (34 %), Blízký východ (15 %), Severní Amerika (10 %), Indie (9 %) a Evropa (6 %). Vodík je využíván především (60 %) pro výrobu čpavku, pro výrobu metanolu (30 %) a 10 % pro výrobu železa a oceli.
Potřeba energie
V případě malých přebytků energie, kdy jde hlavně o návratnost, vychází jako pragmatické řešení vodní zásobníky. Ty umožňují akumulovat přebytky tepla nebo elektřiny a následně teplo využít buď přímo v nízkoteplotním systému nebo nepřímo pomocí tepelného čerpadla. Pro větší přebytky nebo pro specifické podmínky nebo pro podmínky, kde nejde primárně o návratnost dané technologie, existuje řada dalších možností, jejichž výhodnost je třeba pečlivě posoudit.
Alternativní přístupy
Oblast akumulace výrazně ovlivňují legislativní požadavky. Ty však zároveň patří k tomu, co se v čase může změnit a celý trh náhle nemusí být pro provozovatele výhodný. Vzhledem k dlouhodobosti řešení pak může přinášet problémy spojené s provozováním systému nebo jeho nízkou ekonomickou návratností. Je proto vhodné, aby koncepce systému počítala i s výkyvy cen energií a dokázala flexibilně reagovat na změněné tržní podmínky.
Závěr
Akumulační systémy přináší lákavou možnost, jak využít přebytky energie pro pozdější využití. Volba technologie, její univerzálnost a přizpůsobitelnost proměnlivému prostředí bude mít vliv na výhodnost systému a projeví se v návratnosti zařízení. Zároveň ne všechny systémy jsou budovány pouze s ohledem na jeho návratnost, ale pro řešení technických problémů, které provoz představuje.
Literatura
- Emerging Battery Technologies to Boost the Clean Energy Transition. Dostupné z:
https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-031-48359-2_4/figures/1 - Borehole Thermal Energy Storage System. Dostupné z:
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/borehole-thermal-energy-storage-system - Yousif Muhammad, Puneet Saini, Kai Knobloch, Henrik Lund Frandsen, Kurt Engelbrecht: Rock bed thermal energy storage coupled with solar thermal collectors in an industrial application: Simulation, experimental and parametric analysis, Journal of Energy Storage, Volume 67, 2023, 107349, ISSN 2352-152X,
https://doi.org/10.1016/j.est.2023.107349.
Poděkování
Článek vznikl s podporou SGS25/013/OHK1/1T/11.
Systémy akumulace energie nepředstavují žádnou novinku a jejich základní principy jsou v praxi dlouhodobě známé. Zajímavým prvkem textu je rozšíření pohledu na méně obvyklé formy akumulace, například do sypkých nebo pevných materiálů, se kterými se běžná projekční praxe setkává spíše výjimečně. Tyto části mohou čtenáře inspirovat k uvažování o alternativních řešeních při nakládání s přebytky energie. Je důležité mít na paměti, že systém akumulace se uplatní tehdy, kdy výkon zdroje tepla převyšuje požadavek spotřebitelské strany, a akumulační prvek umožňuje vyrovnání tohoto nesouladu a stabilizaci provozu soustavy. U vodních akumulačních systémů by bylo také vhodné zdůraznit i jejich pozitivní přínos hydraulické separování jednotlivých okruhů, který má nemalý podíl na provozní spolehlivost a regulovatelnosti systému.