Batérie nie sú jediný systém na uskladnenie energie

Systémy skladovania energie zohrávajú kľúčovú úlohu v modernej energetickej infraštruktúre a ponúkajú rozmanitú škálu technológií, ktoré uchovávajú a uvoľňujú energiu podľa potreby, čo predstavuje revolúciu v spôsobe výroby, distribúcie a využívania elektriny. V nasledujúcej časti uvádzame v súčasnosti najčastejšie využívané typy systémov na uskladnenie energie, ich možnosti, výhody aj nevýhody. V závere sú predstavené aj niektoré očakávané trendy v uskladňovaní energie.

Systémy skladovania tepelnej energie

Systémy skladovania tepelnej energie (z angl. Thermal Energy Storage, TES) sú technológiou skladovania energie, ktorá uchováva a uvoľňuje tepelnú energiu na neskoršie použitie. Tieto systémy zachytávajú a ukladajú prebytočnú tepelnú energiu, keď je k dispozícii, a potom ju uvoľňujú, keď existuje požiadavka na vykurovanie alebo chladenie. Systémy TES zvyčajne zahŕňajú ukladanie tepelnej energie v médiu, ako je voda, roztavené soli alebo materiály s fázovou zmenou. Počas nabíjacej fázy sa médium ohrieva pomocou prebytočných alebo lacných zdrojov tepelnej energie, ako je solárna energia alebo odpadové teplo z priemyselných procesov. Uložená tepelná energia sa potom môže použiť počas fázy vybíjania na zabezpečenie vykurovania alebo chladenia v rôznych aplikáciách vrátane budov, priemyselných procesov a výroby energie. Systémy TES ponúkajú výhody, ako je energetická účinnosť, flexibilita vo využívaní energie a schopnosť presunúť spotrebu energie na hodiny mimo špičky. Zohrávajú kľúčovú úlohu pri optimalizácii využívania energie, znižovaní nákladov na energiu a posilňovaní integrácie obnoviteľných zdrojov energie.

Výhody:

• možno mať prispôsobivejšie a stabilnejšie dodávky energie, čo je užitočné na začlenenie obnoviteľných zdrojov do siete;
• umožňujú, aby sa energia skladovala a využívala hneď po jej vzniku, namiesto toho, aby sa okamžite spotrebovala alebo stratila, čím sa zlepšuje celková účinnosť systémov obnoviteľnej energie;
• pri použití tepelných čerpadiel alebo elektrických kotlov ako príkladov je skladovanie tepelnej energie oveľa efektívnejšie ako skladovanie elektriny a je veľkým prísľubom pri integrácii variabilných obnoviteľných zdrojov energie, ako je vietor a solárna energia, do odvetvia vykurovania a chladenia.

Nevýhody:

• pre niektoré aplikácie môže byť problémom relatívne obmedzená úložná kapacita;
• tieto systémy môžu vyžadovať častú údržbu a monitorovanie, aby sa zabezpečilo, že fungujú správne a predĺži sa ich životnosť.

Batériové systémy

Batériové systémy na ukladanie energie (z angl. Battery Energy Storage System, BESS) sú zariadenia na ukladanie energie, ktoré uchovávajú elektrickú energiu vo forme chemickej energie. Pozostávajú zo vzájomne prepojených batériových článkov, ktoré uchovávajú a uvoľňujú energiu elektrochemicky. BESS sa bežne používajú na ukladanie prebytočnej energie generovanej počas období nízkej spotreby a jej uvoľnenie, keď je dopyt vysoký alebo keď obnoviteľné zdroje nevyrábajú. Zohrávajú kľúčovú úlohu pri integrácii obnoviteľnej energie, stabilite siete a poskytovaní záložnej energie počas výpadkov siete. BESS využívajú rôzne chemické zloženie batérií, pričom lítiovo-iónové batérie sú najčastejšie používané pre ich vysokú hustotu energie, účinnosť a životnosť. Nabíjanie zahŕňa premenu elektriny na chemickú energiu, zatiaľ čo vybíjanie zahŕňa premenu uloženej chemickej energie späť na elektrickú energiu. BESS často zahŕňajú systémy riadenia na optimalizáciu spotreby energie na základe dopytu a ceny. Účinnosť zvyčajne presahuje 80 % a pri pokročilých technológiách batérií môže dosiahnuť viac ako 90 %.

Výhody:

• môžu byť vyrábané v širokej škále foriem, čo umožňuje ich prispôsobenie širokej škále aplikácií;
• batérie majú nízku mieru samovybíjania;
• vďaka vysokej hustote energie lítiovo-iónových batérií môže byť uložené veľké množstvo energie na veľmi malej ploche; vzhľadom na často obmedzenú dostupnú oblasť sú ideálne
• na použitie v systémoch obnoviteľnej energie;
• lítiovo-iónové batérie možno pred výmenou niekoľkokrát nabiť a vybiť, aby sa predĺžila ich životnosť.

Nevýhody:

• majú vysoký stupeň vnútorného odporu, ktorý má tendenciu časom rásť;
• vysoká cena lítiovo-iónových batérií spôsobuje, že ich použitie v niektorých systémoch obnoviteľnej energie je problematické; prebieha však výskum, aby boli cenovo dostupné;
• bezpečnosť batérií je problémom v niektorých aplikáciách obnoviteľnej energie, pretože rozbité alebo prebité lítiovo-iónové batérie môžu byť extrémne deštruktívne;
• objavili sa obavy týkajúce sa škálovateľnosti a dlhodobej životaschopnosti technológie, pretože sa spolieha na lítium, vzácny materiál, ktorého ťažba a využívanie má negatívny vplyv na životné prostredie a spoločnosť.

Skladovanie energie stlačeného vzduchu

Skladovanie energie stlačeného vzduchu (z angl. Compressed Air Energy Storage, CAES) je technológia, ktorá ukladá a uvoľňuje energiu stláčaním vzduchu. Počas nabíjania sa vzduch stláča a skladuje v podzemných zásobníkoch alebo kontajneroch. Keď je dopyt po elektrickej energii vysoký, uložený vzduch sa uvoľňuje a expanduje cez turbínu na výrobu elektriny. CAES existuje vo forme dvoch typov: adiabatický, ktorý sa zameriava na minimalizáciu tepelných strát, a diabatický, ktorý na expanziu využíva externé zdroje paliva. CAES ponúka výhody, ako je rozsiahle a dlhodobé skladovanie, rýchla reakcia na zmeny dopytu a integrácia obnoviteľnej energie. Jeho spiatočná účinnosť je však vo všeobecnosti nižšia ako pri niektorých iných technológiách ukladania.

Prečerpávacia vodná nádrž

Prečerpávacia vodná nádrž je systém skladovania energie, ktorý využíva energiu vody na ukladanie a uvoľňovanie energie. Zahŕňa dve vodné nádrže umiestnené v rôznych nadmorských výškach. Počas obdobia nízkej spotreby elektriny alebo nadmernej dostupnosti obnoviteľnej energie systém funguje v režime nabíjania. Voda sa čerpá z dolnej nádrže do hornej nádrže pomocou elektricky poháňaných čerpadiel, ktoré vyžadujú energiu zo siete alebo iných zdrojov. Keď je voda prečerpávaná do hornej nádrže, získava vďaka zvýšenému prevýšeniu potenciálnu energiu, ktorá sa premieňa na uloženú energiu. Keď je vysoký dopyt po elektrine alebo nedostatok obnoviteľnej energie, systém prejde do režimu vybíjania. Nahromadená voda v hornej nádrži sa uvoľňuje, tečie z kopca do dolnej nádrže. Ako voda prúdi, prechádza cez turbíny umiestnené vo vodnej elektrárni, kde sa jej potenciálna energia premieňa na kinetickú energiu, čím poháňa turbíny a rotujúce generátory na výrobu elektriny. Prečerpávacia vodná nádrž ponúka vysokú energetickú účinnosť, veľkú a dlhodobú skladovaciu kapacitu a rýchly reakčný čas. Hrá rozhodujúcu úlohu pri vyrovnávaní siete, riadení záťaže a integrácii prerušovaných obnoviteľných zdrojov energie do elektrickej siete.

Systémy na ukladanie energie zotrvačníka

Systémy akumulácie energie zotrvačníka sú technológiou skladovania energie, ktorá ukladá energiu vo forme rotačného pohybu. Na ukladanie a uvoľňovanie energie používajú rotujúci rotor, známy ako zotrvačník. Počas nabíjania sa elektrická energia premieňa na rotačnú energiu, čím sa zotrvačník zrýchľuje na vysoké otáčky. Táto uložená energia môže byť krátkodobo zadržaná, kým nie je potrebná. Keď sa zvýši dopyt po elektrickej energii alebo dôjde k výpadku prúdu, rotačná energia zotrvačníka sa premení späť na elektrickú energiu a uvoľní sa. Systémy zotrvačníkov ponúkajú niekoľko výhod, ako sú rýchly reakčný čas, vysoká hustota výkonu a dlhá prevádzková životnosť. Bežne sa používajú v aplikáciách, ktoré vyžadujú krátke dávky vysokého výkonu, reguláciu frekvencie a záložné napájanie.

Uvedené výhody a nevýhody platia vo všeobecnosti pre posledné tri spomenuté typy mechanických systémov na uskladnenie energie (stlačený vzduch, prečerpávacia vodná nádrž, zotrvačník).

Výhody:

• veľká úložná kapacita;
• predĺžený čas vybíjania v prípade prečerpávacieho vodného zásobníka a zásobníka energie stlačeného vzduchu;
• odolné vyhotovenie;
• technologická vyspelosť;
• dlhá životnosť;
• rýchla doba nasadenia v prípade zotrvačníka;
• jednoduchá údržba (stlačený vzduch).

Nevýhody:

• v prípade prečerpávacích vodných nádrží existuje potenciálna závislosť od geografických skutočností (zmena nadmorskej výšky) a environmentálnych problémov;
• skladovanie energie stlačeného vzduchu môže byť obmedzené nedostatkom vhodných podzemných zásobníkov a môže vyžadovať spaľovanie paliva (v závislosti od typu systému);
• neschopnosť zotrvačníka odolávať dynamickému zaťaženiu alebo vonkajším otrasom je umocnená obmedzenou kapacitou vybíjania zariadenia a krátkym časom vybíjania.

Tab. 1 Porovnanie vlastností rôznych typov systémov na skladovanie energie

Superkondenzátory

Superkondenzátory, tiež známe ako ultrakondenzátory alebo elektrochemické kondenzátory, sú zariadenia na uchovávanie energie, ktoré uchovávajú elektrickú energiu prostredníctvom separácie elektrostatického náboja. Pozostávajú z dvoch elektród s elektrolytom medzi nimi. Superkondenzátory majú vysokú kapacitu a dokážu rýchlo ukladať a uvoľňovať energiu. Na rozdiel od batérií ukladajú energiu skôr elektrostaticky než chemicky, čo umožňuje rýchle cykly nabíjania a vybíjania. Superkondenzátory nachádzajú uplatnenie v rôznych oblastiach vrátane elektrických vozidiel, systémov obnoviteľnej energie a elektronických zariadení. Ponúkajú výhody, ako je vysoká hustota výkonu, dlhá životnosť cyklu a schopnosť pracovať v širokom teplotnom rozsahu.

Výhody:

• rýchlejší čas nabíjania a vybíjania;
• vyššia výkonová hustota;
• menšie náklady na údržbu;
• menší vplyv na životné prostredie.

Nevýhody:

• pomerne nízka hustota energie v porovnaní s batériami;
• nižšia životnosť cyklu;
• sú citlivé na teplotu, takže nemusia fungovať tak dobre vo veľmi chladných alebo veľmi horúcich podmienkach;
• drahšie ako batérie na uloženú kilowatthodinu.

Supravodivé magnetické systémy na ukladanie energie

SMES (z angl. Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES) uchovávajú energiu v magnetickom poli vytvorenom tokom jednosmerného prúdu v supravodivej cievke, ktorá bola kryogénne ochladená na teplotu pod jej kritickou supravodivou teplotou. Keď je supravodivá cievka nabitá, prúd neklesá a magnetická energia sa môže skladovať na neurčito. Hlavné výhody systémov pre MSP sú zrejmé. V prvom rade ide o extrémne krátky čas, počas ktorého je supravodivá cievka schopná prijať alebo odovzdať energiu uloženú v jej magnetickom poli. Nahromadená energia sa môže vrátiť do siete vybitím cievky. Vzhľadom na vysokú cenu supravodivých materiálov a s prihliadnutím na fakt, že chladenie vyžaduje aj náklady na energiu, sa systémy SMES v súčasnosti využívajú len tam, kde je potrebné krátkodobo skladovať energiu a zároveň skvalitňovať napájanie.

Výhody:

• vysoká hustota energie;
• rýchly reakčný čas;
• žiadna degradácia;
• vysoká účinnosť (viac ako 90 %).

Nevýhody:

• veľké kapitálové výdavky;
• nedostatok úložného priestoru;
• zložitá infraštruktúra;
• potreba supravodivých materiálov, ktoré ešte nie sú úplne vyvinuté a nemusia byť nejaký čas komerčne dostupné.

Budúci vývoj a trendy v systémoch skladovania energie

Systémy skladovania energie (ESS) sa rýchlo vyvíjajú, aby vyhovovali rastúcim požiadavkám moderného energetického prostredia. Keďže integrácia obnoviteľných zdrojov energie, elektrifikácia dopravy a modernizácia siete neustále naberajú na sile, existuje naliehavá potreba pokroku v technológiách skladovania energie.

Jedným zo sľubných smerov vývoja je pokrok v technológii batérií. Očakáva sa, že lítiovo-iónové batérie, ktoré sa už bežne používajú, budú cenovo dostupnejšie, s dlhšou životnosťou a budú šetrnejšie k životnému prostrediu. Výskumníci aktívne pracujú na zlepšení ich energetickej hustoty, životnosti cyklu a bezpečnostných prvkov. Okrem toho rastie záujem o skúmanie alternatívnej chémie batérií, ako sú polovodičové batérie, ktoré ponúkajú potenciál ešte vyššej hustoty energie, rýchlejšej nabíjacej rýchlosti a zvýšenej bezpečnosti v porovnaní s tradičnými lítiovo-iónovými batériami.

Inteligentné rozvodné siete a mikrosiete

Integrácia systémov skladovania energie s inteligentnými sieťami a mikrosieťami je významným trendom. Inteligentné siete umožňujú efektívne monitorovanie a kontrolu energetických tokov, čo umožňuje lepšie riadenie a optimalizáciu obnoviteľných zdrojov energie a skladovacích systémov. Tento prístup umožňuje bezproblémovú integráciu prerušovanej výroby obnoviteľnej energie so skladovaním energie, čím sa zabezpečí stabilné a spoľahlivé napájanie. Umožňuje tiež realizovať také stratégie reakcie na dopyt, kde možno prispôsobiť spotrebu energie na základe dostupnosti obnoviteľnej energie a skladovacej kapacity.

Nové technológie systémov skladovania energie

Nové technológie uskladnenia energie využívajúce gravitáciu, vodík či prietokové batérie získavajú čoraz väčšiu pozornosť pre svoj potenciál vo veľkom a dlhodobom skladovaní energie. Gravitačné systémy využívajú napr. niekoľkotonové bloky vynesené do určitej výšky a následne v nich akumulovanú kinetickú energiu uvoľňujú pri ich pohybe k zemi. Bloky môžu byť uskladnené v špeciálnych budovách a výkonovo z nich možno dostať 10 a viac MWh energie. Skladovanie vodíka ponúka vysokú hustotu energie a môže sa vyrábať elektrolýzou s využitím prebytočnej obnoviteľnej energie. V prípade potreby sa môže pomocou palivových článkov premeniť späť na elektrickú energiu. Prietokové batérie na druhej strane používajú tekuté elektrolyty uložené v externých nádržiach, čo umožňuje jednoduchú škálovateľnosť a dlhodobé skladovacie schopnosti.

Budúcnosť systémov skladovania energie

Budúcnosť systémov skladovania energie spočíva v synergii rôznych technológií. Kombinácia pokročilej chémie batérií, integrácie inteligentnej siete a nových technológií skladovania umožní vytvoriť udržateľné a spoľahlivé energetické prostredie. Tento vývoj podporí nielen prechod na obnoviteľnú energiu, ale bude riešiť aj problémy stability siete, nestability dodávky obnoviteľnej energie a špičkového dopytu. Využitím systémov skladovania energie môžeme uvoľniť celý potenciál obnoviteľných zdrojov energie a pripraviť pôdu na zelenšiu a udržateľnejšiu budúcnosť.

Literatúra

[1] Understanding How Energy Storage Systems Work. Veolia UK Limited. [online]. Citované 30. 8. 2024. 

[2] Future Developments and Trends in Energy Storage Systems. Veolia UK Limited. [online]. Citované 30. 8. 2024. 

[3] Mughees, N.: Pros and cons of various renewable energy storage systems. GlobalSpec. [online]. Publikované 25. 4. 2023.

[4] 4 ways to store renewable energy that don’t involve batteries. World Eco-nomic Forum. [online]. Publikované 26. 1. 2023. 

-tog-