Thermal Energy Storage
Superkritické CO2 oběhy mohou být efektivně využity v oblasti velkokapacitní akumulace energie. Existuje mnoho technologií akumulace energie pracujících na různých fyzikálních principech, které jsou více či méně rozvinuté a aplikované. V této sekci bude pozornost věnována principu Thermal Energy Storage (TES), tedy metodě předpokládající ukládání energie ve formě tepla. Tato metoda je nejen vhodná pro aplikaci sCO2 oběhů, ale má i řadu dalších výhod v porovnání s jinými principy akumulace energie. Technologie umožňuje dosažení velkých kapacit (v řádu jednotek GWh) a výkonů (v řádu stovek MW) a její nasazení v energetickém mixu pak může významně přispět ke stabilizaci přenosové soustavy a zvýšení využitelnosti především obnovitelných zdrojů energie.
Centrální komponentou systému TES je tepelný zásobník. Obvykle se jedná o nádobu vyplněnou akumulačním materiálem, který může být v různých formách. Volba akumulačního materiálu ovlivňuje uspořádání systému i provozní parametry. Zásobník je nabíjen přebytkovým vysokopotenciálním teplem z energetických nebo jiných průmyslových procesů. Další možností nabíjení je využití přebytkové elektrické energie, například z obnovitelných zdrojů, nebo přímo ze sítě. Elektřinu lze s vysokou účinností transformovat na teplo, a to je pak stejným způsobem ukládáno v zásobníku. Využití uložené energie lze rovněž provést různými způsoby, v případě velkokapacitních a vysokoteplotních úložišť je však prakticky jedinou možností využití tepelného oběhu. Uložené teplo lze prostřednictvím tepelného oběhu konvertovat na elektřinu, případně lze využít pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla. Účinnost oběhu pro zpětnou konverzi pak v tomto případě silně ovlivňuje celkovou účinnost akumulace, tzv. Round Trip Efficiency (RTE).
Charakteristika TES systémů
Základními sledovanými parametry akumulačních technologií jsou kapacita, výkon nabíjení a vybíjení, doba akumulace a účinnost akumulace. Dalšími parametry jsou pak například investiční a provozní náklady, flexibilita, živostnost, dostupnost materiálů nebo možnosti umístění. Tyto parametry pak udávají technicko-ekonomickou proveditelnost zařízení.
U systémů TES lze dosáhnout prakticky neomezených kapacit a výkonů. Největší současně provozované jednotky již mají kapacitu přes 1 GWht a výkony v řádu stovek MWt. Jednotky se navíc dají paralelizovat. Doba nabíjení a vybíjení je dána kapacitou a výkonem jednotky, u systému TES jsou obvyklé hodnoty v řádu jednotek až nižších desítek hodin. Zařízení je tedy možné provozovat v rámci denních cyklů. Doba akumulace je daná tepelnými ztrátami zásobníku a lze ovlivnit tepelnou izolací. Tepelnou energii lze uchovat po dobu několika dní až týdnů s relativně malým vlivem na RTE. Za nevýhodu TES systému lze považovat relativně nízkou účinnost RTE v případě využití pro zpětnou konverzi tepla na elektřinu. To je dáno především účinností vybíjecí části systému, tedy konverzním oběhem. Z toho důvodu je vhodné propojení akumulátoru s vysoce účinnými oběhy v kombinaci s intenzifikací provozních parametrů.
Technologické řešení TES systémů je relativně jednoduché. Navíc je možné využití dostupných a životnímu prostředí nezávadných materiálů. I z toho důvodu se předpokládají nižší investiční náklady vztažené na jednotku kapacity i výkonu, než i jiných akumulačních principů. Výhodou je rovněž možnost umístění prakticky nezávisle na lokalitě a při relativně malých rozměrech půdorysu stavby.
Možnosti a koncepty
Konfigurace a parametry TES systému závisí na volbě akumulačního materiálu. Akumulační materiály lze rozdělit např. podle jejich skupenství.
Akumulační materiál v pevném skupenství může být například kamenivo nebo kovové či keramické částice nebo bloky o různých velikostech. V provozu jsou pilotní jednotky s akumulačním materiálem ve formě kameniva (např. Siemens Gamesa). Výhodou je nízká cena akumulačního materiálu, dobrá kompatibilita s ostatními konstrukčními materiály a možnost dosažení vysokých teplot akumulace. Tento koncept však vyžaduje teplonosné médium (např. vzduch), který předává nebo odebírá teplo z akumulačního materiálu. Tím roste vlastní spotřeba a výkon systému je limitován velikostí některých komponent. Předpokládá se tedy vhodnost pro velké kapacity ale spíše nižší výkony v řádu jednotek MW.
Akumulační materiál v kapalném skupenství může být například minerální olej, nebo roztavená sůl. V oblasti akumulace při vysokých teplotách jsou solná úložiště na vysokém stupni vývoje a jsou ve velkém měřítku energeticky využívána, především v kombinaci se solárními CSP jednotkami. Konfigurace solných akumulátorů je založena na tzv. dvoutankovém uspořádání, kdy studená sůl je při nabíjení přes zdroj tepla (tepelný výměník) přepouštěna do horké nádoby. Při vybíjení je pak cesta soli opačná, kdy horká sůl předává teplo do okruhu pro zpětnou konverzi. V současné době se pro zpětnou konverzi používají především konvenční parní oběhy, nicméně existují projekty nahrazení parního oběhu Braytonovým sCO2 cyklem.
Tato možnost může být vhodná díky tomu, že aktuálně nejpoužívanější dusičnanové soli (tzv. solar salt) umožňují provoz až do 565 °C. Provozní nevýhodou může být však spodní teplotní limit daný teplotou tavení (223 °C).
Další možností akumulačního média je materiál se změnou fáze. V takovém případě je pro akumulace využíváno především skupenské teplo. Takové systémy pak mají potenciál vyšší hustoty akumulace, a tedy menších rozměrů a kompaktního řešení. Pro vyšší teploty se nabízí použití kovových materiálů. Volbou vhodné slitiny lze stanovit potřebnou provozní teplotu. Například slitiny hliníku a křemíku mají velké skupenské teplo a vhodnou teplotu tavení kolem 575 °C. Nevýhodou je však kompatibilita konstrukčních materiálů, které degradují vlivem koroze a cyklické změny fáze akumulačního média, proto je před případnou implementací technologie potřeba dalšího vývoje, především v oblasti materiálů.
V různých fázích vývoje jsou i další koncepty založené na principu TES, lišící se například způsobem nabíjení. Jednou z možností je tzv. koncept PTES, kdy je teplo z elektrické energie transformováno prostřednictvím práce kompresoru, a tedy kompresí pracovního média. Po uložení tepla v zásobníku a expanzi pracovního média je pak v určitých konfiguracích možné ukládat i chlad.
Aktivity CVŘ
Centrum výzkumu Řež v rámci projektu Efekt podpořeného TA ČR vyvíjí vlastní koncept TES akumulačního systému. Koncept uvažuje jako akumulační materiál slitinu AlSi12 s fázovou přeměnou. Provozní teplota je pak přibližně 575 °C. Nabíjení je prováděno konverzí přebytkové elektrické energie na teplo prostřednictvím elektrických odporových ohříváků, které jsou ponořeny přímo v akumulačním materiálu. Teplo ze zásobníku při vybíjení je odváděno teplonosným médiem, které může být přímo médiem okruhu pro zpětnou konverzi. Teplosměnné elementy jsou pak opět umístěny přímo v zásobníku, čímž je dosaženo vysoké kompaktnosti a jednoduchosti systému. Výzvou v dalším vývoji je především interakce akumulačního materiálu s ostatními komponentami, které jsou kromě korozní degradace vystaveny i termo-mechanickému namáhání.
Centrum výzkumu Řež se dále věnuje technicko-ekonomickým studiím dalších, potenciálně aplikovatelných TES technologií, s cílem budoucí implementace technologie v energetickém měřítku.