S nástupem nových a méně předvídatelných zdrojů elektrické energie se samozřejmě všichni ohlížejí po co nejefektivnějším způsobu, jak ji uložit na dobu, kdy bude opravdu potřeba.
Cest je celá řada, vzhledem ke stavu technologie a její komercializace ale nakonec v drtivé většině případů vítězí zdaleka nejdostupnější elektrochemické úložiště třeba v podobě lithiových akumulátorů.
Ne každý má na zahradě Dlouhé stráně
Technická místnost v domě vyzbrojená armádou lithiových článků je totiž přece jen o něco málo dostupnější než třeba vlastní Dlouhé straně. Představa soukromé přečerpávací elektrárny je sice lákavá, kdo má ale na zahradě dostatečně vysoký kopec, viďte?
Pozor, ten kopec nemusí být zase až tak vysoký. Ve vývoji jsou už i maličké přečerpávačky třeba pro australské farmáře:
Stejně tak nejspíše před Státní báňskou správou a sousedy neuspějete s prosbou, že byste si rádi za garáží vykopali důlní šachtu pro betonovou baterii Gravitricity, která ukládá energii vytažením závaží do výšky a přemění ji zpět na elektřinu uvolněním brzdy a roztočením generátoru.
Carnotova baterie
Takže budeme navždy odkázaní na skladné lithium a jiné konvenční chemické elektrolyty? Možná ne, přebytečnou energii bychom totiž mohli ukládat i ve formě tepla. Prostě tak, že nějaké vhodné médium zahřejeme a budeme udržovat při stále teplotě, no a až to bude potřeba, roztočíme s jeho pomocí parní turbínu, nebo vyrobíme elektřinu naprosto tiše nějakými vysoce efektivními Peltierovými články budoucnosti.
Základní schéma termoelektrické Carnotovy baterie
Jednou z cest je takzvaná Carnotova baterie pojmenovaná po otci termodynamiky Nicolasi Carnotovi a tepelný akumulátor, který bude laciný, dostupný, relativně rychle jej zahřejeme, ale přitom bude mít dostatečnou kapacitu, aby při přeměně tepla zpět na elektřinu dokázal dobít alespoň ten zatracený mobilní telefon.
Různé techniky skladování energie z hlediska výstupního výkonu a doby skladování
Základní teorii máme už celou věčnost, praktická technologie je nicméně poměrně nová a stále ve vývinu, protože to doposud moc nedávalo ekonomický smysl. Nástup laciné elektřiny v dobách přebytku – třeba za nedělního větrného rána, kdy se sice listy vrtulí zvesela točí, ale fabriky s trochou nadsázky stojí –, dal nicméně zelenou všem neotřelým způsobům, jak tuto energii uložit.
Kamenný prach
Jak by tedy taková Carnotova baterie mohla vypadat v praxi? Leckoho by možná napadl bazének napuštěný kapalinou, kterou ohřejeme přebytečnou elektřinou stejným způsobem, jako když si ráno chystáme v rychlovarné konvici vodu na čaj. V praxi je ale mnohem vhodnější pevná látka – třeba rozdrcená žula.
Kamene je všude dost, no a když se pomele na správnou zrnitost, abychom se zbavili vzduchových bublin, mohli bychom jím vyplnit třeba vhodně izolovaný zásobník pod zahradou s maceškami. To vše beze strachu, kolik nabíjecích a vybíjecích cyklů unese. Je to přece kámen – stabilní látka, která sama o sobě vydrží miliony let.
Při nabíjení budeme dohřívat jeho horké jádro, stejně jako když udržujeme při chodu kamna na chalupě, no a při vybíjení budeme odebírat teplo spíše z okrajových částí, aby nám jádro příliš nevyhaslo.
Může něco takového opravdu fungovat? Ale jistě že ano, prototyp akumulátoru tvořeného 132 tunami kamenného prachu si totiž postavil třeba expert na tepelná čerpadla Stanislav Mach z Moravského Krumlova. S výsledky se pochlubil na youtubovém kanálu Electro Dad.
132t prachová baterie pro rodinný dům v Moravském Krumlově:
Experiment z ČVUT
Zkušenosti pana Macha využili také výzkumníci z Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT (UCEEB), kteří nedávno zveřejnili zprávu o svém vlastním konceptu skladování elektřiny v Carnotově baterii a na projektu spolupracovali právě se společností Tepelná čerpadla Mach.
Takže dejme tomu, že máme nějaké přebytečné teplo a elektřinu. Přebytečné teplo třeba z termických solárních kolektorů nám předehřeje pomletý prach na základní teplotu, no a fotovoltaické panely jej pak už jen elektricky dohřejí na tu cílovou. Právě tak se nabíjí prachová baterie Stanislava Macha.
Malá experimentální Carnotova baterie od ČVUT UCEEB. Všimněte si pečlivě izolovaného a zhruba 1,5 metrů vysokého válce naplněným kamenným prachem
Koncepce z ČVUT funguje podobně. Na vstupu pracuje s kompresorovým tepelným čerpadlem, které může zužitkovat již existující průmyslové odpadní nízkopotenciální teplo (60 °C) a pomocí elektřiny z obnovitelných zdrojů, respektive levných přebytků ze sítě, dohřeje prach na finální teplotu 125 °C. Laboratorní prototyp simuluje vstupní odpadní průmyslové teplo vytápěcí soustavou budovy ČVUT UCEEB.
Ovládací terminál od TC Mach
Univerzální žulový prach
Experimentální akumulátor používá k ukládání tepla žulový prach, který je v Česku snadno dostupný a drtí jej každý lom. A co víc, prachový zásobník je oproti elektrochemickým článkům mnohem lépe škálovatelný.
Z vývoje úložiště s kamenným prachem protkanými vodiči pro přísun a odvod tepla
Zatímco třeba takové 4,2V lithiové články musíme pro cílovou kapacitu a elektrický výkon sériově a paralelně zapojovat do složitých bateriových struktur, přičemž jednotlivé články mohou ke všemu v čase degradovat různým tempem, kapacitu prachové baterie zvýšíme jednoduše tak, že zvětšíme její zásobník, čímž zároveň docílíme i vyšší účinnosti samotné tepelné akumulace.
V tomto směru se proto Carnotova baterie podobá spíše přečerpávací elektrárně, jejíž kapacitu nafoukneme také jen prostým zvýšením hladiny v horní nádrži.
A proč vlastně jen 125 °C?
Jak už jsme si řekli výše, UCEEB zahřívá prachovou baterii na 125 °C a bystrý čtenář by mohl namítnout, proč na tak nízkou hodnotu, když kámen unese mnohonásobně vyšší teploty. Ostatně, takoví Finové v podobném experimentu zahřívají 100 tun písku až na 500 °C.
Teplotní stratifikace válce s prachem s patrným horkým jádrem uprostřed
Limitem je v tomto případě způsob ohřevu. Zatímco Finové zahřívají písek pomocí proudu horkého vzduchu, který je rozpálený elektrickým odporovým teplem (paralela k naší rychlovarné konvici), Češi experimentují s efektivnějšími tepelnými čerpadly.
Běžné kompresorové čerpadlo nicméně není možné rozpálit na stovky stupňů Celsia, takže i ty nejlepší pracují s teplotami do 180 °C. Nižší teploty jsou šetrnější jak pro písty kompresoru, tak tepelné médium v jeho nitru.
Organický Rankinův cyklus
Fajn, takže jsme uložili teplo do prachu v zásobníku, ale teď ještě ta přeměna zpět na elektřinu. I zde má Carnotova baterie jednu velkou výhodu, využívá totiž už hojně používané principy a existující technologie, které známe z běžných parních elektráren používajících Rankinův cyklus.
Obecné schéma nejjednoduššího Rankinova cyklu
Zjednodušeně řečeno, v kotli se nám ohřeje voda, promění se v páru, ta pod vysokým tlakem roztočí lopatky parní turbíny a generátor vyrobí elektřinu. Poté páru v kondenzátoru opět ochladíme a přeměníme na vodu, načež se celé kolečko zopakuje.
Carnotova baterie od ČVUT nicméně pracuje s nižšími teplotami, a tak používá organický Rankinův cyklus (ORC), který vodu nahrazuje vhodnějším minerálním olejem R-1233zd. Takže namísto plynového, uhelného nebo jaderného kotle máme horký kamenný prach, namísto vodní páry olej a namísto parní turbíny mnohem menší lamelový expander.
Lamelový expander je vlastně malá turbína s elektrickým generátorem pro ORC
Teoretická účinnost 10-20 procent
Mnohem menší je zatím ale i účinnost přeměny elektřiny v teplo a zpět RTE (Round-Trip Efficiency), která momentálně nemůže konkurovat účinnosti elektrochemických úložišť. Ty se nicméně zaměřují na kratší dobu akumulace a rychlejší cykly v menším měřítku. Konkurentem teoretické velkokapacitní prachové tepelné baterie je proto opět spíše menší vodní přečerpávací elektrárna s účinností okolo 70 %.
Carnotova baterie ČVUT za běhu
Prototyp z ČVUT, který si v této fázi kladl za cíl ověřit základní funkcí všech tří komponent (ohřev, akumulace, přeměna na elektřinu), by mohl dle modelových výpočtů dosahovat účinnosti zhruba 10-20 %, byť reálné hodnoty jsou zatím nižší. Opět je ale třeba připomenout, že vysoké RTE nebylo primárním cílem výzkumu.
Kde by to mohlo v praxi ukládat elektřinu?
Experimentální a poměrně malá prachová baterie z ČVUT má tepelnou kapacitu zhruba 44 MJ (12 kWh), a jelikož pracuje na principu tepelného čerpadla se dvěma vstupy, adeptem na skutečnou realizaci je spíše než rodinný dům za městem průmyslový podnik s dostatkem odpadního tepla (60 až 80 °C), které se dohřeje na cílovou teplotu levnou elektřinou ze sítě, anebo vlastního systému OZE (fotovoltaika, větrná elektrárna aj.).
Carnotova baterie vs Li-ion akumulátory a ekonomika
Na stranu druhou, prototyp rodinného domu z Moravského Krumlova a podobné experimentální instalace třeba ze zmíněného Finska ukazují, že by za vhodných podmínek mohly prachové tepelné baterie fungovat i pro běžné bydlení.
Zpočátku možná jen jako akumulátory tepla na zimu, s rozvojem co nejefektivnějších technik ORC, které vytáhnou maximum i z relativně nižších teplot nicméně i ke skutečné výrobě elektřiny.