CESTY K AKUMULACI ELEKTRICKÉ ENERGIE

Největší odběr elektřiny nastává ve střední Evropě třikrát denně: ráno po šesté hodině, když se spouštějí stroje v továrnách, kolem osmnácté hodiny večer, kdy vzroste nápor na elektrickou hromadnou dopravu a rozsvěcí se světla a okolo dvaadvacáté hodiny večer, kdy se automaticky zapínají ohřívače vody a v zimě akumulační kamna. Mezi půlnocí a pátou hodinou ranní je naopak spotřeba elektřiny nízká. V zájmu nejvyšší hospodárnosti provozu se krytí základního zatížení svěřuje velkým tepelným a jaderným elektrárnám a průtočným hydroelektrárnám. Vzroste-li odběr nad jejich okamžitou kapacitu, připojují se k nim i tzv. závodní elektrárny patřící velkým podnikům a spouští se akumulační a přečerpávací vodní elektrárny. Elektroenergetické sítě na všech kontinentech se rozrůstají, navzájem propojují a to umožňuje vzájemnou výpomoc při překonávání špiček odběru nebo při výpadku některých velkých zdrojů energie. Kdyby se např. podařilo realizovat mezinárodní elektroenergetickou soustavu v šíři 120 poledníků, sahající od Bajkalu až po V. Británii, odběrové diagramy jednotlivých oblastí by se vzhledem k posunu času téměř vyrovnávaly. Politické přeměny i rozdílnost vybavení západoevropských a východoevropských sítí to však zatím nedovolují. Tzv. stejnosměrnými spojkami se však východoevropské země postupně propojují s elektroenergetickými sítěmi Evropského společenství. Naše elektrizační soustava CENTREL byla s západoevropskou soustavou UCPTE synchronně propojena dne 18.10.1995 ve 12,30 h.

Historický pohled do jedné z prvých akumulátorových "elektráren" v New Yorku (1880).

Cena každé kilowatthodiny z dovozu ve chvíli špiček mnohonásobně vzrůstá, a proto energetici léta hledají, vyvíjejí a ověřují způsoby, jak přece jen elektrické výkony hospodárně akumulovat buď v rámci energetické soustavy (v našich poměrech jde o výkony řádově gigawattů), nebo u velkých odběratelů. Z několika desítek teoretických možností v oblasti "malé energetiky" (u malospotřebitelů) jsou nejvíce rozšířeny olověné a ocelové akumulátory. "Velká energetika" se zase opírá o přečerpávací vodní elektrárny.
Představíme vám však ještě čtyři další, teprve prověřované nové principy akumulace elektrického výkonu. Přehledná tabulka názorně odlišuje oblasti jejich uplatnění. Reálná kapacita jednotlivých způsobů v MW nebo MWh předurčuje jejich uplatnění u maloodběratelů v dopravě nebo ve velké energetice. Nejdůležitějšími dalšími parametry jsou:

Olověné desky průmyslového akumulátoru s kapacitou 400 W.

I. Olověné akumulátory

Důvěrně je zná každý motorista, protože jejich energií spouští motor svého automobilu. Akumulují proud z dynam na podvozcích vagónů, pohánějí elektrovozíky a nakládače a v moderním kompaktním provedení s nimi počítají i elektromobily. Olověný akumulátor vynalezl roku 1859 francouzský fyzik G. R. Planté. Sestává z párů olověných desek, ponořených do nádoby s roztokem kyseliny sírové. Na deskách nenabitého akumulátoru se usadí účinkem kyseliny síran olovnatý PbSO4. Připojením stejnosměrného napětí při nabíjení se na kladné elektrodě vytváří červenohnědý oxid olovičitý Pb02, záporná elektroda se pokryje tmavě šedou vrstvou houbovitého olova. Tím se nabitý akumulátor přeměnil v galvanický článek. Elektrolyt zhoustne a na svorkách páru elektrod změříme napětí 2,1 V. Při vybíjení, po spojení svorek elektrod přes zátěž, začne probíhat opačná chemická reakce než při nabíjení. Prakticky nesmí napětí článků klesnout pod 1,8 V. V "prehistorické době" prvních stejnosměrných elektráren (1870-1890) se proud z dynam hnaných parními stroji nebo vodními turbínami střádal k dennímu napájení sítě ve velkých akumulátorovnách s olověnými deskami zavěšenými do van s kyselinou. Současné hromadně vyráběné akumulátory jsou kompaktní. Nádobky mají vyplněny větším počtem párů destiček oddělených pórovitými separátory. Podle počtu olověnými spojkami propojených článků na uzavřeném povrchu dávají napětí 6, 12, 24 nebo 48 V. Dosahují vynikající účinnosti okolo 80 %. Nejrozšířenější automobilové akumulátory 12 V mají kapacitu 50 Ah (ampérhodin) a snesou až 500 nabíjecích cyklů. Ovšem k tomu, aby do jimi vyzbrojené akumulátorovny mohl průmysl akumulovat pouhých 1000 kWh, by bylo nutné instalovat a zapojit 25 tun akumulátorů...

II. Pokročilé elektrochemické akumulátory

Na otřesy jsou méně choulostivé nikl-ocelové akumulátory (NiFe), vynalezené před sto lety T. A. Edisonem. Jejich ocelové a niklové destičky, vzájemně vystřídané, jsou ponořeny do elektrolytu na bázi hydroxidu draselného KOH. Články mají napětí jen 1,4 V a pro snazší údržbu je nejvíce využívá železnice.
Pro elektromobily a elektrobusy slibující ekologický provoz, dále k napájení akumulátorového nářadí, záznamových kamer, mobilních telefonů, počítačů a bouřlivě se rozvíjejících přenosných elektronických přístrojů se vyrábí nebo vyvíjí řada pokročilých akumulátorů, které by měly v kilogramu své hmotnosti akumulovat nejméně 150 Wh energie - přibližně trojnásobek toho, co nabízejí akumulátory olověné. Ty nejlepší, které se k tomuto parametru blíží, jsou však příliš drahé, neboť využívají převážně vzácné kovy.
Pro akumulátorové nářadí a mobilní elektroniku to jsou např. akumulátory nikl-kadmiové (NiCd), sestavované z článků o napětí 1,2 V. Nabízejí se s kapacitou od 0,3 do 8 Ah, snášejí tři tisíce nabíjecích cyklů a ultrarychlé nabíjení (pod 1 hodinu). Trpí však tzv. paměťovým efektem, snižujícím výrazně jejich kapacitu, pokud je před nabitím zcela nevybijeme. Kvůli výhradám ekologů vůči obsahu kadmia jsou nově nahrazovány akumulátory nikl-metalhydridovými (NiMH) a lithiumiontovými (Li-Ion), vykazujícími třikrát vyšší měrnou kapacitu než akumulátory NiCd. Zejména poslední netrpí paměťovým efektem ani samovybíjením, jsou však podstatně dražší.
Pro vyšší výkony, např. pro pohon elektromobilů, se ověřují zinko-vzdušné akumulátory, v nichž probíhá elektrochemická reakce na porézních elektrodách, oddělujících vzduch od zinku, nebo sodíko-sírové akumulátory, pracující při teplotě okolo 300 °C, potřebné k roztavení sodíku a síry. Měrným výkonem až 300 W/kg překonávají trojnásobně výkon stejně těžkých akumulátorů olověných.

Setrvačníkový akumulátor s rotorem z uhlíkového kompozitu zavěšeného v magnetických ložiskách, otáčejícím se rychlostí 100 000 otáček za minutu.

III. Setrvačníkové akumulátory

Setrvačník je historicky prvním akumulátorem energie, protože setrvačnosti rotující hmoty kotouče poháněného nohou využívali hrnčíři již tisíce let př. Kr. Ve století páry pomáhal svou kinetickou energií překonávat mrtvé body mechanismu parních strojů a dnes je samozřejmou součástí vyrovnávající chod všech druhů pístových spalovacích motorů, mechanických lisů a jiných strojů. Energii na úkor svých otáček dokáže odevzdat se zpožděním pouhých zlomků sekundy. K akumulaci elektrického výkonu se dá nejjednodušeji využít tím způsobem, že co nejtěžší setrvačník upevníme na hřídel elektromotoru, poháněného elektrickým proudem, jehož "dávku" potřebujeme akumulovat. Při odběru energie se elektromotor chová jako dynamo či alternátor a akumulovanou energii vrátí!
Švýcarsko zavedlo již před čtyřiceti roky na zkoušku elektrické gyrobusy - upravené trolejbusy s jedenapůltunovým setrvačníkem pod podlahou na hřídeli elektrického stroje - motoru a generátoru. Po zastavení ve stanici vozidlo vysunulo sběrače k napájecímu stožáru. Proud ze sítě během jeden a půl minuty urychlil setrvačník a do jeho vyšších otáček akumuloval asi 10 kWh energie. Ta po stažení sběrače vystačila trolejbusu se staženým sběračem k jízdě na další zastávku s nabíjením. Deset "nabitých" kWh dovoluje obsazenému elektrobusu ujet v městském provozu nejméně dva kilometry i se zastávkami na křižovatkách. Kvůli gyroskopickému momentu (roztočený setrvačník nerad mění rovinu svojí rotace), ovlivňujícímu dynamiku a stabilitu jízdy, se však ani lehčí typy vysokootáčkových gyroskopů u elektromobilů neuplatnily, přestože mohou navíc akumulovat i část jinak brzděním mařené energie.
Vývojáři už dávno upustili od těžkých litinových kol a nahrazují je mnohem lehčími a menšími čočkovitými setrvačníky z vyztužených plastů, které ve speciálních ložiskách a ve vakuové nebo heliem plněné skříni nechávají otáčet až desettisíckrát za minutu. Rekord drží supersetrvačník s hmotností jen 0,6 kg, který jako rotor otáčející se v prstenci indukčních cívek v magnetickém závěsu koná 1 milion otáček za minutu!
Na tomto principu založené setrvačníkové zásobníky energie začíná využívat i průmysl pro překonání krátkodobého výpadku sítě, který může způsobit pohromu řídícím a počítačovým systémům ve výrobě. Setrvačníkový akumulátor DYBAT, který dokáže po dobu 30 s dodávat výkon 70 kW, má i s pláštěm hmotnost jen 70 kg. Setrvačník z kompozita s uhlíkovými vlákny koná ve vakuu 20 tisíc otáček za minutu. Kombinovaná magnetická a mechanická ložiska zaručují životnost nepřetržitého otáčení po dobu deseti let. Tím a také vysokou energetickou účinností (lepší než 80 %) překonávají po všech stránkách tradiční zálohovací akumulátorovny a mohou se zapojit paralelně do baterií, schopných krátkodobě vydat akumulovaný elektrický výkon až do několika MW.

Zjednodušený princip tlakovzdušné akumulace elektrického výkonu v akumulační elektrárně se spalovacími turbínami v Huntorfu (SRN).

IV. Tlakovzdušné akumulační elektrárny

Jsou variantou elektráren s plynovými turbínami, které mohou přebytečný noční elektrický výkon akumulovat do vzduchu vháněného pod vysokým tlakem do utěsněných podzemních jeskyň nebo důlních kaveren. Při pohonu alternátorů plynovou turbínou se až 2/3 energie uvolněné spalováním plynu spotřebovávají k pohonu kompresoru a jen jedna třetina se mění v energii elektrickou. Proto bylo už před čtyřiceti lety navrženo oddělit mechanicky i časově provoz turbíny a kompresoru, aby se v případě potřeby mohl pro výrobu elektřiny využít plný výkon turbíny bez zátěže kompresorem, jehož funkci může po dobu několika hodin nahrazovat stlačený vzduch odebíraný z podzemního zásobníku. Kompresor lze pohánět elektromotorem, odebírajícím levný noční přebytečný elektrický výkon. Takové zařízení, jež je obdobou přečerpávací vodní elektrárny, bylo poprvé uvedeno do provozu roku 1974 v německém Huntorfu. Plynová turbína tu v tříhodinové špičce dodává do sítě výkon 290 MW. Tlak vzduchu skladovaného ve dvou solných jeskyních s jímacím prostorem 150 000 m3 se pohybuje od 5 do 7,5 MPa.

V. Přečerpávací vodní elektrárny (PVE)

Princip PVE je prajednoduchý. Mají svou dolní a horní vodní nádrž propojenou potrubím, v němž jsou zařazeny vodní turbíny a čerpadla. Při přebytku el.energie v síti čerpají čerpadla vodu z dolní nádrže do vysoko položené horní nádrže. Elektrická energie se tak mění v hnacím elektromotoru nejprve v kinetickou energii proudící vody a potom v její energii potenciální v horní nádrži. Tam je připravena, aby v případě potřeby zpětným průtokem poskytla vysoký výkon vodním turbínám, jejichž alternátory ji vracejí v podobě elektrické energie do sítě.
Mohou mít několik variant: dolní nádrž je obvykle zřízena za hrází průtočné vodní elektrárny na říčním toku a horní nádrž, se kterou je spojena několika tlakovými potrubími, je vybudována na některém blízkém vrcholu. Spády se pohybují od 100 do 500 m. Dolní nádrž může s výhodou sloužit i jako zásobník chladicí vody pro chladicí věže nedalekých tepelných nebo jaderných elektráren. Ve vysokých horách je možné využít v roli nádrží i odlehlejší vysokohorská jezera s velkým výškovým rozdílem, která se propojí tunelovými šachtami.

Uspořádání přečerpávacích vodních elektráren.

Větší PVE, stavěné od třicátých let, používají třístrojová soustrojí. Motorgenerátor je umístěn v betonové šachtě elektrárny zcela nahoře v úrovni podlaží strojovny. Jeho hřídel, zavěšený na speciálním ložisku, nese oběžné kolo vodní turbíny a zcela dole, pod úrovní spodní hladiny, je uloženo oběžné kolo odstředivého čerpadla. Při čerpání vody se spirálová komora turbíny zavzdušní a alternátor v roli elektromotoru pohání přes hřídelovou spojku čerpadlo. Při elektrárenském provozu se zavzdušní komora čerpadla (nebo se rozpojí jeho hřídelová spojka) a voda pod vysokým tlakem pohání turbínu s alternátorem.
   Dnes se používají většinou dvoustrojová soustrojí, v nichž oběžné kolo turbíny vykonává v čerpacím režimu funkci čerpadla. Ve vývoji takových jednosměrných reverzních turbín u nás vynikli ing. V. Hosnedl a akademik M. Nechleba z VUT v Brně. Jestliže účinnost přečerpávacího cyklu se u starších jednotek pohybovala kolem 50 %, současná soustrojí umožňují akumulaci s účinností až 75 %. To znamená, že na "uskladnění" každé kWh je nutné v čerpacím režimu vynaložit jen asi 1,3 kWh. Velmi levné noční kilowatthodiny se tímto způsobem promění v špičkové kWh, mající pro energetiku cenu zlata. Plný výkon jsou některé moderní PVE schopné dodávat už za 1,5 min. po spouštěcím povelu.
Největší PVE s jednotkami po 300 MW na přelomu století zvládnou akumulační výkony až 3 000 MW. Současnou tabulku největších přečerpávacích elektráren světa vede PVE Dinorwic v britském Walesu. Disponuje akumulačním výkonem 1800 MW, který začne dodávat 15 vteřin po spuštění, takže by dokázala zabránit i rozpadu elektroenergetické sítě při katastrofálním výpadku velké elektrárny v síti. Kvůli nenarušení krajiny, nebo tam, kde není k dispozici potřebný spád, se budují PVE, které využívají jako horní nádrž přírodní jezero, spodní nádrž a strojovna však jsou vybudovány hluboko pod zemí. Když se zvýší např. dnes obvyklé stometrové spády PVE až na 1000 m, klesne při stejném výkonu množství obíhající vody na desetinu a tím se zmenší i rozměry nádrží a stavební náklady.
Zcela novou cestu k budování přečerpávacích vodních elektráren hodlá prosadit Japonsko, které má již dnes v provozu 41 PVE s úhrnným výkonem 22 000 MW. Na ostrově Okinawa buduje přečerpávací mořskou elektrárnu, která jako první na světě bude od roku 1998 přečerpávat slanou vodu do umělé nádrže ve výši 150 m nad mořem. Její soustrojí, potrubí a uzávěry však budou muset odolávat korozi v důsledku agresivního účinku slané vody. Pokud se experiment zdaří, otevře se přečerpávacím elektrárnám nové uplatnění na mořských pobřežích všech kontinentů.

Malý supravodivý akumulátor UPS.

VI. Supravodivé indukční akumulátory

Podnět ke zcela revolučnímu způsobu akumulace elektrické energie dal vlastně nizozemský fyzik Kammerlingh Onnes již roku 1911. Ve smyčce ze rtuti vymražené v kapalném heliu indukoval elektrický proud a ten v ní k úžasu přivolaných svědků obíhal bez přerušení hodiny, dny a týdny i poté, co induktor odpojil. Stav, při kterém v látkách prakticky zcela vymizí elektrický odpor, nazvali vědci supravodivostí. Onnesův sen o tom, že jednou bude možné elektřinu beze ztrát přenášet po supravodičích, se teprve naplňuje. Supravodivost umíme vyvolat i v řadě kovů, slitin, a dokonce ve speciální keramice už nejen při teplotách kapalného helia, ale i v kapalném dusíku a vodíku. Experimenty s motory a generátory se supravodivým vinutím zdárně pokračují, stejně tak i s téměř bezdtrátovým přenosem elektrického proudu po supravodivých kabelech. Zdá se, že supravodivá elektromagnetická akumulace menších i velkých elektrických výkonů dostane šanci ještě na přelomu našeho tisíciletí.
Zatím bylo realizováno několik menších supravodivých akumulátorů, určených k překonání krátkodobých výpadků proudu v závodech na výrobu polovodičů, čipů a filmů, kde i výpadek pouhé desetiny sekundy může způsobit velké škody a ochromit výrobu. První malé supravodivé akumulátory UPS (Uninterruptible Power Supplies) z USA pracují se supravodivou cívkou ponořenou do kapalného helia, která je nabíjena přes usměrňovač. Proud v ní cirkuluje s minimální ztrátou 0,3 kWh za 24 hodin. Už na první hlubší pokles napětí sítě na začátku výpadku reaguje akumulátor během 0,2 mikrosekundy tím, že proud z cívky indukcí převede přes kondenzátor do invertoru, který je schopen po překlenovací dobu dodávat nejchoulostivějšímu uzlu tovární sítě výkon kolem 1 MW.
Větší supravodivý akumulátor SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) o kapacitě 800 Wh stabilizuje spojovací vedení společnosti Bonneville Power v Oregonu (USA). Obstál při několika milionech cyklů nabití-vybití. Doba nabíjení i vybíjení je extrémně krátká a účinnost lepší než 95 %.
Zveřejněné studie mluví o energetických supravodivých akumulátorech s kapacitou až 4 000 MW, schopných nahradit přečerpávací akumulační elektrárny. Mají mít podobu prstence (případně umístěného v podzemí), v němž je v kapalném heliu ponořena smyčka z tlustého měděného vodiče. Ztráty se započtením příkonu kryogenní stanice udržující helium na teplotě pod minus 269 °C nemají být menší než 1 %!