AKUMULÁCIA ELEKTRICKEJ ENERGIE

Transcription

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY FEI Jan Žiška AKUMULÁCIA ELEKTRICKEJ ENERGIE Bakalárska práca Študijný program: Študijný odbor: Školiace pracovisko: Školiteľ: elektrotechnika elektrotechnika Katedra elektroenergetiky doc. Ing. Ivan Daruľa, PhD. máj 2010 Bratislava

2 Čestné vyhlásenie Vyhlasujem, že som bakalársku prácu vypracoval samostatne s využitím uvedených zdrojov literatúry.... vlastnoručný podpis V Bratislave, dňa... 2

3 Poďakovanie Na tomto mieste sa chcem poďakovať vedúcemu môjho bakalárskeho projektu Docentovi Ing. Ivanovi Daruľovi, PhD. za manažérske vedenie a pomoc pri nasmerovaní môjho úsilia vloženého do problematiky akumulácie elektrickej energie.... Bratislava, máj 2010 vlastnoručný podpis 3

4 ANOTÁCIA Slovenská technická univerzita v Bratislave Fakulta elektrotechniky a informatiky Študijný program: Elektrotechnika Autor: Jan Žiška Bakalársky projekt: Akumulácia elektrickej energie Vedúci bakalárskej práce: doc. Ing. Ivan Daruľa, PhD. Termín odovzdania: máj 2010 Touto prácou chcem oboznámiť čitateľov o takých činnostiach, ktoré nie sú všeobecne známe, ale týkajú sa všetkých výrobcov a odberateľov elektrickej energie. Práca podáva ucelený prehľad o možnosti akumulácie elektrickej energie. Úvod práce podáva vysvetlenie, čo pojem akumulácia energie predstavuje. Nasleduje popis typov možnosti akumulácie spolu so stručným rozborom výhod a nevýhod jednotlivých typov. V závere opisujem, ako tieto typy akumulácie ovplyvňujú distribučnú sieť. 4

5 ANNOTATION Slovak University of Technology in Bratislava Faculty of Electrical Engineering and Information Technology Degree Course: Electrical Engineering Author: Jan Žiška Title of the bachelor theses: Storage of Electric Energy Supervisor: doc. Ing. Ivan Daruľa, PhD. Submission time: may 2010 With this paper, I would like to acquaint the readers with such activities which are not generally known, but concern all manufacturers and users of electricity. This paper submits a comprehensive overview of the potential of storage of electric energy. The introduction of the paper explains what storage of energy actually is. Further more, there is a description of types of possible storage methods along with a brief analysis of advantages and disadvantages of these types. Finally it is described how these types of storage methods affect the distribution network. 5

6 Zoznam použitých skratiek PVE VRB-ESS SMES ES OZE DRUPS DDZ UPS Prečerpávacie vodné elektrárne Vanadium Redox Battery - Energy Storage System Superconducting Magnetic Energy Storage Elektrizačná sústava Obnoviteľné zdroje energie Diesel rotary UPS Denný Diagram Zaťaženia Uninterruptible Power Supply 6

7 Obsah Úvod Akumulácia energie Možnosti akumulácie elektrickej energie Prečerpávacie vodné elektrárne (PVE) Podzemné zásobníky stlačeného vzduchu Zotrvačníky Batériové stanice Olovený akumulátor Nikel-kadmiové akumulátory Systém VRB-ESS Supravodivá magnetická energia Superkondenzátor Vodíkové hospodárstvo Akumulácia elektrickej energie v prevádzke distribučných sietí Záložné zdroje pre krátkodobé poklesy prerušenia elektrickej energie Záložný zdroj pre dlhšie výpadky a poklesy (od niekoľko sekúnd až niekoľko hodín) Záložné zdroje pokrývajúce špičkové pásmo...33 Záver

8 Úvod Nakoľko sa elektrická energia nemôže skladovať v stave, v akom je spracovávaná, musí elektrizačná sústava v každom okamihu vyrobiť presne toľko elektrickej energie, koľko sa jej spotrebuje. Veľké energetické zdroje, ako sú jadrové a tepelné elektrárne, nie sú schopné rýchlo a pružne reagovať na stále sa meniacu spotrebu. Takto vznikajú straty z prebytku vyrobenej energie. Základnou úlohou dispečerského riadenia elektrizačnej sústavy je kontinuálne zabezpečiť rovnováhu medzi výrobou a spotrebou elektriny, kvalitnú a neprerušovanú dodávku elektriny odberateľom pri rešpektovaní technických, ekologických a ekonomických podmienok. Na zabezpečenie spoľahlivého chodu a na kvalitnú dodávku elektriny odberateľom potrebuje každá elektroenergetická sústava pružné regulačné zdroje na reguláciu výkonu a napätia, ktorými môže vykrývať neplánované odchýlky od rovnovážneho stavu. Pre zabezpečovanie vyrovnanej výkonovej bilancie je potrebné udržiavať určitú výkonovú rezervu výrobných zdrojov. Táto rezerva je určená na zvládnutie tak plánovaných, ako aj neplánovaných prevádzkových udalostí, ktoré môžu spôsobiť odchýlky v rovnováhe medzi výrobou a spotrebou elektrickej energie.[17] Jeden z problémov, ktorý už dlhší čas trápi energetikov, je spôsob, ako čo najlepšie uložiť vyrobenú elektrickú energiu, pretože nie je vždy aktuálna spotreba práve vyrobenej elektrickej energie. Aby sme sa tomuto problému vyhli, poznáme viacero možností akumulácie energie.[1] 8

9 1. Akumulácia energie Akumulácia energie je uskladnenie energie vo vhodnej forme a na vhodnom mieste v požadovanej kvalite a kvantite. Akumulácia elektrickej energie umožňuje výrobcom elektriny poslať prebytok vyrobenej elektrickej energie cez sieť elektrických vedení na dočasné uloženie do energetických úložísk. Takto uložená elektrická energia sa v čase väčšieho dopytu stáva zdrojom energie. Úložiská optimalizujú produkciu energie ukladaním tzv. špičkovej elektrickej energie, ktorá sa využije v čase špičkového odberu. Úložisko je teda jeden obrovský akumulátor. Dodávka elektrickej energie do siete nie je vždy v časovej zhode s odberom elektriny. Spotreba elektrickej energie pritom, tak ako počas dňa, tak i v dlhších obdobiach, kolíše. Tento nesúlad medzi dodávkou a odberom je možné do určitej miery riešiť rôznymi systémami akumulácie energie.[2] Systémy akumulácie energie: batériové stanice (elektrochemická) superkondenzátory (elektrostatická) supravodivá magnetická energia (magnetická) zotrvačníky (mechanická) prečerpávacie vodné elektrárne (hydraulická) zásobníky na stlačený vzduch (pneumatická) zásobníky s vodíkom Podľa funkcie akumulácie elektriny delíme zdroje aplikované na: zdroje ktoré zabezpečujú kvalitu zásobovania, kde dodávka energie trvá iba pár sekúnd alebo menej. Tieto zdroje pokrývajú krátkodobé prerušenia dodávky. Sem patria supravodivé magnetické cievky, superkondenzátory. 9

10 zdroje preklenujúceho výkonu, kde dodávka energie trvá niekoľko minút. Tieto zdroje sa používajú pri dlhších výpadkoch dodávky. Do tejto skupiny patria batérie a zotrvačníky. zdroje na zabezpečenie regulácie a optimálneho chodu ES, kde dodávka energie trvá viac hodín. Používajú sa v čase špičkového odberu a do tejto skupiny patria prečerpávacie vodné elektrárne a zásobníky na stlačený vzduch.[2] Dnes sa vyvíjajú rôzne technológie, ktoré pravdepodobne predstavujú budúcnosť zásob energie. Jedná sa predovšetkým o superkondenzátor (Ultrakondenzátor), palivové články, batérie, jadrové a bio-batérie. 10

11 2. Možnosti akumulácie elektrickej energie 2.1. Prečerpávacie vodné elektrárne (PVE) Prečerpávacia vodná elektráreň je špeciálny typ vodnej elektrárne, ktorá akumuluje elektrickú energiu tak, že akumuluje potenciálnu energiu vody. Tieto elektrárne riešia problém rozdielnej spotreby elektrickej energie počas pracovného dňa, keď ráno a podvečer bývajú väčšie odbery elektrickej energie z elektrickej siete, zatiaľ čo v noci je odber elektrickej energie malý. Podobné rozdiely existujú aj medzi pracovnými dňami a dni pracovného pokoja a voľna. Ide o doteraz najstarší technicky realizovateľný spôsob, pomocou ktorého možno vyrobenú elektrinu vo veľkom rozsahu po dlhšiu dobu skladovať. Prečerpávacia vodná elektráreň má dve vodné nádrže. Jedna z nich je umiestnená na nižšie položenom mieste (dolná nádrž), druhá potom na vyššom mieste (horná nádrž). Nádrže sú spojené potrubím ktoré má dostatočný priemer. V noci sa využíva prebytočná energia z elektrickej siete a voda sa prečerpáva z dolnej nádrže do hornej. V tomto režime sa elektráreň správa ako veľký spotrebič elektrickej energie. V hornej nádrži sa tak vytvoria veľké zásoby vody. V čase, keď vznikne v napájacej elektrickej sieti potreba väčšieho množstva špičkovej energie, sa voda vypúšťa z hornej nádrže do dolnej nádrže cez turbínu vodnej elektrárne a elektrina spotrebovaná na jej nočné prečerpania sa tak počas dňa vracia späť do elektrizačnej siete. Obr.1. Prečerpávacia vodná elektráreň [8] 11

12 Hlavnou časťou PVE je motorgenerátor a turbína. Motorgenerátor je umiestnený v betónovej šachte elektrárne úplne hore v úrovni podložia strojovne. Jeho hriadeľ je pripojený na turbínu, ktorá sa nachádza úplne dole. Počas prečerpávania sa istá časť energie samozrejme spotrebúva. Za každú kilowatthodinu elektrickej energie, ktorú treba počas špičky použiť, je potrebné mimo nej akumulovať asi 1,3 kwh do potenciálnej energie vody. Celková energetická účinnosť zvyčajne nepresahuje 80%. Veľkou prednosťou prečerpávacích vodných elektrárni je schopnosť pripojenia do elektrizačnej siete s plným výkonom v priebehu niekoľkých minút. Výkon PVE ovplyvňuje akumulovaný objem hornej nádrže a rozdiel výšok medzi hornou a dolnou nádržou (h). Novú cestu k budovaniu prečerpávacích vodných elektrární chce presadiť Japonsko, ktoré má už dnes v prevádzke viac ako 40 PVE s inštalovaným výkonom MW. Na ostrove Okinawa je vybudovaná prvá PVE, ktorá prečerpáva morskú vodu. Prečerpáva slanú vodu do umelej nádrže vo výške 150 m nad morom. Jej agregáty, potrubia a uzávery však musia odolávať korózii v dôsledku agresívneho účinku slanej vody Podzemné zásobníky stlačeného vzduchu Tam, kde z geologických príčin nemožno postaviť PVE, v niektorých prípadoch sa využíva akumulácia elektrickej energie vo forme stlačeného vzduchu. Toto riešenie patrí medzi veľkokapacitné akumulačné zdroje. Je to špičková plynová elektráreň, kde v dobe prebytku elektriny sa natlačí vzduch do podzemného zásobníka, ktorý sa potom v dobe špičky využíva na pohon spaľovacej turbíny.[2] Vzduch stláčajú elektrické turbokompresory (čiže rotačné lopatkové stroje na stláčanie plynov), ktoré ho natláčajú do podzemných priestorov. Elektrárne fungujú v denných cykloch, nabíjajú sa v noci a vybíjajú počas dňa. [1] 12

13 Obr. 2. Princíp elektrárne na stlačený vzduch [6] Kompresor možno poháňať elektromotorom, odoberajúci lacnú nočnú (prebytočnú) elektrinu. Takéto zariadenie prvýkrát uviedli do prevádzky roku 1974 v nemeckom Huntorfe. Plynová turbína tu v trojhodinovej špičke dodávala do siete výkon 290 MW. Tlak vzduchu skladovaného v dvoch podzemných nádržiach ( m3) sa pohybuje od 5 do 7,5 MPa. [8] Podzemné zásobníky môžu byť vytvorené v mieste bývalých zásobníkov plynu, vápencových, alebo soľných baní, ale i vo zvodnatených podzemných vrstvách. Obdobná technológia sa využíva pri automobiloch na stlačený vzduch.[2] 2.3. Zotrvačníky Zotrvačníky sa používajú vtedy, keď potrebujeme do elektrickej siete rýchlo dodať väčšie množstvo elektrickej energie [1]. Sú určené na krátkodobú akumuláciu elektrickej energie. Slúžia na vyrovnávanie krátkodobých výkyvov frekvencie a výkonu a na pokrývanie drobných 13

14 výpadkov siete. Sú vhodnými zdrojmi pohotovostného výkonu do naskočenia iného náhradného zdroja. Obr. 3. Zotrvačník Výhodou zotrvačníka je vysoký počet cyklov, ktorých môže byť v priebehu používania stroja až niekoľko miliónov. Majú dobu životnosti nad 20 rokov, prevádzku bez údržby, účinnosť až 90 % a konštantné napätie. Tieto zariadenia sú vyrábané s jednotkovým výkonom od 2 kw do 250 kw. Spojením viacerých takýchto jednotiek je možné dosiahnuť vysoké výkony, resp. predlženie času dodávky na dobu až desiatok minút [2]. Obr. 4. Časti zotrvačníka [8] Rotor zotrvačníka sa točí vo vákuu, čím sa zmenšujú mechanické straty. Rotor je umiestnený na magnetických ložiskách. Je poháňaný motorgenerátorom na jednosmerný prúd, ktorý sa 14

15 v momente straty napätia stáva generátorom a v prípade obnovy napätia motorom, ktorý znovu roztočí rotor na menovité otáčky.[2] Zotrvačník má kinetickú energiu E, ktorú možno vyjadriť vzťahom: E J (2.1) kde: J je moment zotrvačnosti, ω - uhlová rýchlosť Moment zotrvačnosti otáčania ľubovoľného predmetu okolo osi možno vyjadriť vzťahom: J r 2 dm (2.2) Z daného vzťahu vyplýva, že čím väčšia hmotnosť m bude roztočená na väčšej vzdialenosti r od osi otáčania, potom bude väčšia uhlová rýchlosť a tým akumulujeme väčšie množstvo energie.[3] Zotrvačník dokáže takto akumulovať veľké množstvo energie. Napríklad pri hmotnosti len 7,5 kg môže mať v sebe uskladnenú kapacitu až 1 kwh elektrickej energie, ktorou je možné zabezpečiť okamžitý výkon elektromotora až 80 kw. Zotrvačník s hmotnosťou 150 kg má rovnakú kapacitu ako 600 kg olovených batérií. Pokrok v technológii výroby a vývoja týchto zariadení prebieha veľmi rýchlo.[4] Švajčiarsko zaviedlo už pred štyridsiatimi rokmi na skúšku gyrobusy sú to trolejbusy s jeden a pol tónovým zotrvačníkom pod podlahou na hriadeli elektrického stroja - motora a generátora. Trolejbus sa na zastávke pripojí k zberaču na asi 1,5 min. Počas tej doby sa akumuluje cca 10 kwh energie v zotrvačníku. Po stiahnutí zberača akumulovaná energia vystačí trolejbusu po ďalšiu zastávku. [8] 15

16 2.4. Batériové stanice Batériové stanice sa skladajú z viacero akumulátorových batérií prepojených do série, resp. paralelne. Najpoužívanejšie sú nikel-kadmiové batérie, ale čoraz viac sa používajú tzv. progresívne batérie s vylepšenými parametrami (sodíkovo-sírové, lítium iónové, prietokové batérie). Batérie akumulujú jednosmerný prúd, preto jednou zo základných súčastí batériových staníc je menič jednosmerného prúdu na striedavý, resp. striedavého prúdu na jednosmerný.[2] Olovený akumulátor Olovený akumulátor vynašiel roku 1859 francúzsky fyzik GR Plané. Pozostáva z viacero párov olovených dosiek. Elektrolyt je vodný roztok H 2 SO 4, do ktorého sú ponorene olovené dosky. [5] Obr. 5. Olovený akumulátor [8] Uvedený roztok sa používa na plnenie, pretože má vysokú vodivosť a znižuje vnútorný odpor článku. Na doskách nenabitého akumulátora sa účinkom kyseliny usadí síran olovnatý PbSO 4. Pripojením jednosmerného napätia na elektródy sa akumulátor nabíja a na kladnej elektróde sa vytvára červenohnedý oxid olovičitý PbO 2, pričom záporná elektróda sa pokryje tmavo sivou vrstvou hubovitého olova. Pri nabití elektrolyt zhustne a na svorkách páru elektród zmeriame 16

17 jednosmerné napätie. Pri vybíjaní, prepojením svoriek elektród cez záťaž, prebieha opačná chemická reakcia ako pri nabíjaní.[8] [5] Rovnicu nabíjania a vybíjania môžeme zapísať: PbO 2 (s) + Pb(s) +2 H 2 SO 4 (aq) 2 PbSO 4 (s) + 2 H 2 O(l) (2.3) Najväčšie stanice s olovenými batériami sa nachádzajú v Portoriku s výkonom až 20 MW a s kapacitou 14 MWh a v Kalifornii s parametrami 10 MW a 40 MWh.[2] Nikel-kadmiové akumulátory Nikel-kadmiové akumulátory (NiCd), majú vysokú energetickú hustotu a dosahujú veľké výkony. Pozostáva z článkov o napätí 1,2 V. Vyrábajú sa s kapacitou od 0,3 do 8 Ah. Elektrolytom je vodný roztok NaOH. Medzi elektródami sa nachádzajú separátory, pomocou ktorých sa oddeľuje kladný a záporný elektródový systém a súčasne slúžia ako nosič elektrolytu. Pri nabíjaní sa aktívna zložka kladnej elektródy (Ni(OH) 2 ) mení na hydroxid-oxid niklitý a hydroxid kademnatý na kovové kadmium. Toto prebieha do plného nabitia elektród. Životnosť majú tisícky nabíjacích cyklov a majú ultrarýchle nabíjanie (pod 1 hodinu). Nevýhodou týchto akumulátorov je pamäťový efekt, ktorý znižuje výrazne ich kapacitu, ak sa pred nabitím úplne nevybije. Kvôli výhradám ekológov voči obsahu kadmia sú novo nahradzované akumulátory nikel-metalhydridovými (NiMH) a lithiumiontovými (Li-Ion). Tieto akumulátory majú trikrát vyššiu mernú kapacitu ako akumulátory NiCd a netrpia pamäťovým efektom ani samovybíjaním, sú však podstatne drahšie. [8] [2] [5] Rovnicu nabíjania a vybíjania NiCd môžeme zapísať: Cd(s) + 2 NiO(OH)(s)+2 H 2 O(l) 2 Ni(OH) 2 (s)+ Cd(OH) 2 (s) (2.4) 17

18 2.5. Systém VRB-ESS Vanádiová redoxná batéria (VRB-ESS) - zariadenie na uskladnenie energie, ktoré vie šetrne uskladňovať a dodávať veľké množstvo elektrickej energie v rozpätí niekoľkých megawattov a v trvaní niekoľko hodín až dní. Akumulovaná energia sa potom odovzdáva do siete alebo dodáva podľa dopytu. Tento systém je schopný nabíjať sa tak rýchlo ako sa vybíja, pričom reaguje na všetky zmeny kvality a výpadky elektrickej energie, preto sa dnes používa ako bezvýpadkový záložný zdroj energie.[11] Obr. 6. Funkčná schéma Vanádiovéj redoxnej batérie[2] VRB-ESS je systém založený na patentovanom redukčno-oxidačnom regeneračnom článku, ktorý premieňa chemickú energiu na elektrickú energiu. V elektrolyte je uskladnená energia v rôznych ionických tvaroch vanádia v zriedenej kyseline sírovej.[12] Elektrolyt sa čerpá z dvoch oddelených nádrží do palivových článkov cez membránu, kde jeden diel elektrolytu elektrochemicky oxiduje a druhý elektrochemicky redukuje. Pri tomto procese sa na elektródach vytvorí prúd, ktorý je zvedený do vonkajšieho obvodu. Obrátenou reakciou umožňujeme nabíjanie batérie. [11] 18

19 Výhodou systému je jeho stupňovateľnosť a modulovateľnosť. Výkon a kapacita uskladnenia sa môže zvýšiť alebo znížiť nezávisle. Pridaním dodatočných článkov sa zvýši výkon batérie. Uskladňujúca kapacita závisí od množstva elektrolytu v nádrží. Ak vymeníme nádrže za nové, ktoré budú mať väčší objem, alebo pridáme ďalšie nádrže s elektrolytom, môžeme zvýšiť uskladňujúcu kapacitu. Počas prevádzky nevzniknú žiadne škodlivé alebo nebezpečné emisie.[12] Obr. 7. Zvyšovanie výkonu a kapacity systému VRB-ESS [11] Prednosti systému VRB: účinnosť nad 75 % pri väčších zariadeniach, dôsledkom nízkeho samovybíjania zostáva v nabitom stave prakticky nekonečne, uskladnené množstvo energie sa dá zvýšiť pridaním elektrolytu, zmiešanie elektrolytu nevedie ku kontaminácii elektrolytu, jednoduchá prevádzka, náklady na údržbu sú veľmi nízke, nekonečná životnosť elektrolytu, spoľahlivosť systému je až 96%, 19

20 nízka prevádzková teplota, integrovaný, multikvadratický rýchly riadiaci systém plynule zabezpečuje jalovú energiu, počas bežnej prevádzky nevzniknú žiadne škodlivé alebo nebezpečné emisie. Vo Veľkej Británii je uvedená do prevádzky prietoková batériová stanica s parametrami 15 MW a 120 MWh (8-hodinová dodávka) s dvoma nádržami s objemom m 3, ktorá je určená ako zálohový zdroj pre paroplynovú elektráreň s výkonom 680 MW, resp. na reguláciu parametrov siete.[2] 2.6. Supravodivá magnetická energia Supravodivosť je jav, pri ktorom materiál nemá žiadny zaznamenateľný odpor prechodu elektrického prúdu, neuvoľňuje sa žiadne teplo a materiál vytvára magnetické siločiary, čím odpudzuje vonkajšie magnetické pole a pri prechode prúdu sám okolo seba vytvára veľmi silné magnetické pole. Prostredníctvom tohto javu sa určité materiály (kovové prvky, zliatiny a keramika), pri ochladení na veľmi nízke teploty, stávajú vynikajúcimi vodičmi elektriny. Supravodiče sa zväčša vyrábajú z NbTi alebo Nb3Sn, tieto zliatiny vyžadujú na chladenie tekuté hélium.[9] 20

21 Obr. 8. Malý supravodivý akumulátor [8] Podmienky pre udržanie supravodivého stavu: prúdová hustota, magnetická indukcia vodiča a teplota. V systéme so supravodivou cievkou je energia uložená v podobe energie magnetického poľa vytvoreného jednosmerným prúdom v supravodivej cievke. Systém zahŕňa tri hlavné časti: supravodivá cievka, energetický udržiavací systém a kryotechnicky chladenú chladničku. Cievka je chladená na nízke teploty. Keď sa cievka nabije, el. prúd sa nezníži a energia magnetického poľa môže byť skladovaná na neurčitú dobu. Energia magnetického poľa Wm je definovaná ako vynaložená energia na vytvorenie tohto poľa: W m 1 2 V B H dv (2.5) V - objem priestoru, v ktorom sa nachádza magnetické pole B magnetická indukcia H intenzita magnetického poľa. Pre elektrický obvod je energia magnetického poľa definovaná ako funkcia prúdu I a indukčnosti L: 21

22 W m L I (2.6) Výkon, ktorý potrebujeme na zmenu energie magnetického poľa, je definovaný: P m Wm (2.7) t V lineárnom systéme, v ktorom hodnota indukčnosti L nezávisí od veľkosti prúdu I, platí: P m di L I (2.8) dt Z tohto vyplýva, že výkon Pm charakterizuje zmenu naakumulovanej energie v magnetickom di poli. Ak hodnota 0 dt tak výkon Pm je kladný a magnetická energia narastá. Pri zväčšovaní prúdu sa indukčnosť L prejavuje ako spotrebič, ktorý akumuluje elektrickú energiu, kým pri zmenšovaní prúdu indukčnosť L pôsobí ako zdroj elektrickej energie.[9] Zatiaľ bolo realizovaných viacero menších supravodivých akumulátorov, ktoré sa používajú na prekonanie krátkodobých výpadkov prúdu v závodoch na výrobu polovodičov, čipov a filmov, kde aj výpadok len desatiny sekundy môže spôsobiť veľké škody. Tieto akumulátory pracujú so supravodivou cievkou ponorenou do kvapalného hélia, ktorá je nabíjaná cez usmerňovač. Prúd cirkuluje s minimálnou stratou 0,3 kwh za 24 hodín. Pri poklese napätia siete akumulátor reaguje počas 0,2 mikrosekundy. Kvôli spotrebe energie na chladenie a limitom množstva energie, ktorú je systém schopný akumulovať, sa tento systém používa len na krátku dobu uskladnenia energie. Zvyčajne sa používa na zlepšenie kvality energie. Väčší supravodivý akumulátor SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) s kapacitou 800 Wh stabilizuje spojovacie vedenie spoločnosti Bonneville Power v Oregone (USA). Obstál pri niekoľkých miliónoch cyklov nabitia-vybitia. Doba nabíjania aj vybíjania je extrémne krátka a účinnosť lepšia ako 95%. Zverejnené štúdie hovoria o energetických supravodivých akumulátoroch s kapacitou až MW, schopných nahradiť prečerpávacie akumulačné elektrárne.[8] 22

23 2.7. Superkondenzátor Superkondenzátor je zariadenie ktoré je schopné rýchlo akumulovať a následne odovzdať veľké množstvo elektrickej energie. Pri opakovanom nabíjaní a vybíjaní netrpia negatívnymi vlastnosťami, ako je zahrievania či znižovanie životnosti. Môžu pracovať pri nízkych prevádzkových teplotách a nedochádza u nich k pamäťovému efektu. Rovnako ako u bežného kondenzátora je tu energia uchovávaná v elektrostatickom poli.[15] Obr. 9. Základná štruktúra superkondenzátora [15] Typická štruktúra superkondenzátora je tvorená z týchto častí: kladná a záporná elektróda z hliníkovej fólie, dve vrstvy aktívneho uhlíka a medzi nimi separátor. V nenabitom stave sú častice s nenulovým nábojom (ióny) rovnomerne rozložené vo vodivej tekutine, tekutom alebo gélovom elektrolyte, ktorý sa nachádza medzi elektródami. Po pripojení napätia na elektródy sa začnú záporné ióny pohybovať ku kladnej elektróde a naopak kladné ióny k zápornej elektróde. Na oboch elektródach sa tak vytvorí dvojvrstva so zrkadlovým rozložením elektrického náboja. Vhodným materiálom pre aktívne elektródy (vnútorná strana hliníkových vonkajších kontaktných elektród) superkondenzátora je aktívny uhlík. Dôvodom je veľká dosiahnuteľná plocha skutočného povrchu, elektrická vodivosť a relatívne nízka cena. Elektródy superkondenzátora sú vytvorené paralelným prepojením uhlíkových plátov, ponorených vo vodivom elektrolyte. Elektrické pripojenie je realizované spojením 23

24 uhlíkového plátu s hliníkovou fóliou. Jednotlivé elektródy sú navzájom oddelené tenkými separátormi z papiera.[13] Keďže u elektród nedochádza pri nabíjaní a vybíjaní k žiadnej látkovej premene, dosahuje superkondenzátor veľmi vysokú životnosť a vysoký počet cyklov. Obr.10. Štruktúra bežného kondenzátora (vľavo) a superkondenzátora (vpravo) V tabuľke je uvedené porovnanie výkonových parametrov superkondenzátora a olovenej batérie. Ako je vidieť, superkondenzátor má 10 až 20 x vyšší merný výkon oproti batérií a vyznačuje sa podstatne kratšou nabíjacou a vybíjacou dobou.[13] Tabuľka 1. Porovnanie olovenej batérie a superkondenzátora olovená batéria superkondenzátor nabíjacia doba 1-5 h 0,3-30 s vybíjacia doba 0,3-3 h 0,3-30 s merná energia [Wh / kg] merný výkon [W / kg] <1000 < životnosť [cyklov] 1000 < účinnosť nabíjania a vybíjania [%]

25 Výhody : možnosť veľmi častého nabíjania a vybíjania, vysoká životnosť a účinnosť, vyrobený z netoxických materiálov, vysoká efektivita nabíjania, veľmi malý vnútorný odpor. Nevýhody: závislosť napätia od množstvo uloženého náboja, najvyššia dielektrická absorpcia zo všetkých typov kondenzátorov. V praxi je potrebné jednotlivé superkapacitory sériovo-paralelne spájať do tzv. kondenzátorových batérií z dôvodu veľmi nízkeho napätia Vodíkové hospodárstvo Vodíkové hospodárstvo by sa dalo definovať ako súbor technologických riešení, ktoré vedú k využitiu energie získanej z vodíka. Vodík nie je klasické palivo, ale energetický nosič energie. V praxi to znamená, že ho nemožno lacno a energeticky efektívne ťažiť a využívať na výrobu primárnej energie, ale naopak ho musíme prácne a s nie malými stratami energie vyrábať. [16] Vodík ako energeticky zdroj je: univerzálne použiteľný na výrobu tepla alebo elektriny, mnohými spôsobmi vyrobiteľný (aj z obnoviteľných zdrojov), vysoko účinný, plynovodmi ľahko transportovateľný, dlhodobo skladovateľný, netoxický. 25

26 Oxidácia medzi vodíkom a kyslíkom je veľmi jednoduchá reakcia, ktorá nastane vo vnútri konštrukcie. Konštrukcia sa skladá z dvoch elektród (anóda-katóda), oddelených elektrolytom. Obr. 11. Akumulovanie energie vo vodíku Ak by sa vodík vyrábal z nefosílnych zdrojov napr. fotovoltaickými článkami, nedochádzalo by k žiadnej emisii CO 2 a iných "skleníkových" plynov, pretože pre jeho výrobu sú potrebné len obnoviteľné suroviny (voda, slnečné žiarenie). Najperspektívnejšou oblasťou ich využitia je doprava, ale používajú sa aj ako záložné zdroje elektrickej energie, kogeneračné jednotky a zdroje elektrickej energie pre mobilné zariadenia (notebook, mobilný telefón). Vodíkové hospodárstvo teda nerieši otázku produkcie primárnej energie a je dominantne alternatívou k energetickému využívaniu fosílnych palív pre menšie aplikácie.[16] 26

27 3. Akumulácia elektrickej energie v prevádzke distribučných sietí Najjednoduchšia cesta ako riešiť výkyvy elektrickej záťaže je znížiť rozdiel medzi výkyvom výroby a spotreby. Tieto výkyvy vyrovnáme zapojením záložného zdroja do distribučnej sieti. Tieto záložne zdroje dodávajú rôzne veľkosti výkonu za rôznu časovú dobu. Obr. 12. Závislosť výkonu od času pre rôzne možnosti akumulácie 1- SMES, Superkondenzátor 2- Zotrvačník, Batérie 3- PVE, zásobníky stlačeného vzduchu 27

28 3.1. Záložne zdroje pre krátkodobé poklesy prerušenia elektrickej energie Pre krátkodobé poklesy alebo prerušenia sa najčastejšie používajú Superkondenzátory a Supravodivá magnetická cievka. Systém zapojenia so Supravodivou magnetickou cievkou Obr. 13. Systém so supravodivou indukčnosťou [9] Systém sa skladá z veľkej supravodivej indukčnej cievky L, ktorá je uzavretá v obrovskej Dewarovej nádobe. Cievka je chladená héliovým chladičom, ktorý udržuje potrebnú nízku teplotu pre supravodič. Systém je riadený tyristorovými meničmi. Dva tyristorové meniče sú zapojené v trojfázovej mostíkovej schéme. Meniče môžu pracovať ako usmerňovač a napájať záťaž L, alebo môžu pracovať ako invertor a dodávať energiu do striedavej elektrizačnej sústavy. Tento systém sa osvedčil pri rôznych výpadkoch a poklesoch v sieti, čo bolo dokázané meraniami.[9] Na obrázku sú znázornené priebehy napätí trojfázovej siete pri poklese napätia bez zariadenia so supravodivou cievkou a so supravodivou cievkou. 28

29 Obr. 14. Pokles napätia zaťaženej trojfázovej siete bez SMES Obr. 15. Priebehy rovnakého poklesu napätia so systémom SMES 29

30 Systém zapojenia so Superkondenzátorom Obr. 16. Zapojenie Superkondenzátora [14] Na obrázku (obr. 16) je znázornená schéma zapojenia akumulačného superkondenzátora do distribučnej sieti. Superkondenzátor je cez tlmivku pripojený do vetvy výkonového modulu, ktorý je tvorený dvoma spínacími prvkami s diódami. Výkonový modul spolu s tlmivkou tvoria jednosmerný menič napätia. V obvode je tiež zapojený aj parazitický ohmický odpor, ktorý má podstatný vplyv na maximálnu veľkosť prenášanej energie a účinnosť tohto prenosu. Obr. 17. Priebeh napätia pri poklese napätia bez zariadenia so superkondenzátorom a so superkondenzátorom.[7] 30

31 3.2. Záložný zdroj pre dlhšie výpadky a poklesy (od niekoľko sekúnd až niekoľko hodín) Takýmto predstaviteľom je dynamický rotačný systém UPS (DRUPS). DRUPS je spojenie dieselagregátu a UPS, pričom na akumuláciu energie sa nepoužívajú klasické batérie, ale zotrvačník. Obr. 18. Systém DRUPS [10] 1 zotrvačník, 2 generátor, 3 dieselový motor, 4 spojka, 5 tlmivka Pri výpadku sieťového napätia zotrvačník dodáva energiu generátoru do naštartovania diesel motora. V normálnom režime sa generátor správa ako kompenzátor, ktorý udržuje rýchlosť rotora zotrvačníka. Dodáva jalovú zložku výkonu do záťaže a pracuje v súčasnosti s tlmivkou ako aktívny filter. Tlmivka oddeľuje výstup generátora od napájacieho napätia siete. Poruchy napájacieho napätia, ako sú poklesy, špičky a harmonické skreslenie nemajú žiadny dopad na výstupnom napätí. 31

32 Mechanická spojka tvorí rozhranie medzi zotrvačníkom a dieselovým motorom. Rozpojená spojka dovoľuje otáčanie zotrvačníka, pokiaľ dieselový motor stojí. Pri spustení dieselového motora, keď rýchlosť otáčok dosiahne rýchlosť generátora so zotrvačníkom, mechanická spojka automatický zopne a dieselový motor začne poháňať spojenie generátor - zotrvačník. Tento princíp zabezpečuje úplný štart a rozbeh diesel motoru bez záťaže. Tým je zaistené rýchle a spoľahlivé štartovanie zariadenia.[10] Obr.19. Možné priebehy napätia Obr. 20. Priebeh napätia pri zapojení systému DRUPS V normálnom režime tlmivka a generátor fungujú ako aktívny filter, ktorý odstraňuje rušivé prvky v sieti, ktoré by mohli ovplyvňovať záťaž. Generátor pracuje ako motor a poháňa zotrvačník. Výsledným efektom je akumulovanie kinetickej energie do zotrvačníka. V prípade 32

33 prerušenia sieťového napätia alebo neprijateľných odchýlok napätia je vstupný istič Q1 rozopnutý. Zotrvačník je vybudený a umožní prenos akumulovanej kinetickej energie z vnútorného rotora do vonkajšieho. Rýchlosť generátora zostane konštantná na hodnote 1500 ot/min, súčasne je spustený aj dieselový motor a behom pár sekúnd dosiahne rýchlosť 1500 ot/min a pri nich sa automaticky zopne mechanická spojka. Keď je vstupné sieťové napätie stabilizované, systém sa synchronizuje so sieťou a zopne Q1. Dieselový motor znižuje svoje otáčky a spojka sa rozopne, súčasne sa generátor vráti do motorického režimu a udržuje rýchlosť otáčania vonkajšieho rotora zotrvačníka.[10]. Výhody DRUPS: zaistenie nepretržitého napájania, vylepšuje kvalitu elektrickej energie za systémom rotačnej UPS (nie je potrebná ani nákladná kompenzácia jalového výkonu), zvýšenie spoľahlivosti systému z dôvodu menšieho počtu zariadení resp. komponentov dlhá životnosť, systém bez batérií (ekologické riešenie), menšie náklady na prevádzku (vysoká účinnosť nad 97%, nie je potreba meniť batérie), systémy nn i vn, 3.3. Záložné zdroje pokrývajúce špičkové pásmo Do tejto skupiny patria PVE a zásobníky stlačeného vzduchu. Tieto záložné zdroje pracujú tak, že keď je prebytok elektrickej energie (v noci, sviatky) odoberajú energiu zo siete, a v dobe špičky dodávajú energiu do siete. 33

34 Obr. 21. Denný diagram zaťaženia Na obrázku (obr. 21) je znázornený denný diagram zaťaženia (DDZ). DDZ je rozdelený na tri pásma. Do základného pásma je elektrická energia dodávaná hlavne z jadrových a kondenzačných elektrární. Staršie tepelné a vodné elektrárne dodávajú energiu do pološpičkového pásma. Teda PVE odoberajú lacnejšiu energiu, ktorá je vyrobená základnými zdrojmi (modrá farba) a dodávajú, keď je nedostatok (červená farba). Tieto elektrárne pracujú z účinnosťou až do 80%. 34

35 Záver Akumulácia elektriny sa využíva na všetkých úrovniach ES za účelom zvýšenia celkovej spoľahlivosti a kvality prevádzky celej sústavy. Diagram, ktorý ukazuje vzťah medzi výkonom a časom, je spresnený, keďže každý systém akumulovania ma vhodný rozsah použitia. PVE a zásobníky stlačeného vzduchu sú vhodné pre denné výpadky napájania. SMES, zotrvačník a superkondenzátor sa používajú na dodanie vysokého výkonu v krátkej dobe. Zvyšovaním požiadavky na spoľahlivosť a kvalitu elektriny vedie tiež k zvýšenému záujmu o akumuláciu elektriny. Význam akumulácie elektriny stúpa i vďaka veľkému využívaniu obnoviteľných zdrojov energií najmä v prípade vyrovnania nepravidelnej dodávky elektriny z OZE závislých na počasí a ročnom období (veterná, slnečná a vodná energia). Akumulácia elektriny sa preto stáva v súčasnosti rýchlo sa rozvíjajúcim odvetvím elektroenergetiky so širokými možnosťami aplikácie.[2] Akumulácia energie má teda zohrať kľúčovú úlohu v úsilí spojiť budúcnosť trvalo udržateľného zásobovania energiou sa štandardom technických služieb a produktov. 35

36 LITERATÚRA [1] J. Polívk a Z. Vostracký : Ako čo najlepšie uložiť energiu [online]. Západočeská univerzita v Plzni [cit 5. január 2010]. Dostupné na internete: < [2] Miklós, Štefan : Možnosti akumulácie elektrickéj energie [online]. Slovenská energetika [cit 8. január 2010]. Dostupné na internete: < [3] Daruľa I. : Akumulácia elektrickej energie. Bratislava [4] Emil Bedi: Alternativné paliva v doprave [online]. Fond pre alternativne energie Bratislava [cit 2. február 2010]. Dostupné na internete: [5] Melichová, Z. - Reguli J. - Ing. Nagyová I. - Harvanová L. - Melicherčík M. - Samešová D. : Základy elektrochémie: Galvanické články a akumulátory [cit 17. február 2010]. Dostupné na internete: [6] 3Pol: Obnovitelné zdroje: Přečerpávací větrná elektrárna Dostupné na internete: < [7] Voltage regulated hybrid DC power source using supercapacitors as energy storage device France Dostupné na internete: < sort=d&_docanchor=&view=c&_searchstrid= &_rerunorigin=google&_acct=c &_version=1&_urlVersion=0&_userid= &md5=f2c407a063322bd708931d 67221db4e3> [8] Encyklopedie Energie: Cesty k akumulaci elektrické energie [online]. Dostupné na internete: < > [9] Makva Martin, Paulovič Stanislav : Využitie cievky v supravodivom stave na akmuláciu elektrickej energie [online]. Vernár 2005 [cit.11 Apríl 2010]. Dostupné na internete: < 36

37 [10] Elektro 10/2009 Dynamický rotační systém UPS ISSN [11] Prudent Energy: Alternativní energie [online] [cit.16 Január 2010]. Dostupné na internete: < [12] WINDCOM s.r.o. Veterný park Mad-inteligentný veterný park na výrobu a uskladnenie elektrickej energie, Komárno 2009 Dostupné na internete: < [13] Čeřovský Z. Pavelka V. Podmínky pro vybíjení superkondenyátoru použitźch v hybridných elektrických vozidlech Fakulta elektrotechnická ČVUT, Výzkumné centrum spal. motoru a automobilu Josefa Božka Dostupné na internete: < _PPVS.pdf> [14] Čeřovský Z. Pavelka V. Discharging power limits for super-capacitors used on electric hybrid: Czech Technical University Prague, Faculty of electrical Engineering Josef Božek Research Center of Engine and Automotive Technology Prague [cit.26 Január 2010]. Dostupné na internete: < Cap-Limits.pdf> [15] Dedourek P. Superkondenzátor - princip, použití Dostupné na internete: < [16] Ing.Luděk J, Dlouhý P. Technet: Vodík: palivo budoucnosti, které nahradí benzín i naftu Dostupné na internete: < [17] Adamko J. Pažitka M. PVE Čierny Váh a dispečerské riadenie ES SR Slovenské elektrárne [cit.2á Apríl 2010]. Dostupné na internete: < 37