Gravitační baterie
Gravitační baterie
Gravitační baterie
Jak už název napovídá, gravitační baterie je zařízení, které ukládá energii pomocí gravitace.
Princip je jednoduchý. Když je v elektrické síti přebytek elektřiny, kterou je možné uložit, gravitační baterie ji využije k přesunu těžkého břemene (či vody) do výšky.
Když je elektřiny nedostatek, břemeno je spuštěno dolů, nebo je voda shora přivedena na turbínu. Tím se roztáčí generátor (či spíše alternátor), který generuje elektřinu.
Fyzikální pohled
Z pohledu fyziky skladuje gravitační baterie energii ve formě tzv. potenciální energie, která závisí na hmotnosti tělesa a výšce.
Potenciální energie tělesa (nebo kapaliny) v gravitačním poli lze vypočítat jako:
Ep = m×g×h [J]
, kde m [kg] je hmotnost tělesa, g = 9,81 [m/s2] gravitační zrychlení, h [m] je využitelná výška (resp. spád).
A kolik energie lze vlastně do takové gravitační baterie uložit? Představme si závaží o hmotnosti 1000 tun, které zvedneme do výšky 100 m. Uloženou energii spočítáme jako:
Ep = m×g×h = 1000×103 ×9,81×100 = 9,81×108 [J],
Vyjádřeno v kilowatthodinách: Ep = 9,81×108 / (3600×103) = 272,5 [kWh]
Energie uložená v této baterii je 272,5 kWh, což je zhruba spotřeba průměrné české domácnosti za 2 až 3 týdny.
Proč gravitační baterie
S rostoucím podílem obnovitelných zdrojů energie hrají energetická úložiště čím dál významnější roli.
Tyto zdroje totiž ne vždy generují energii v době, kdy je to opravdu potřeba, protože jsou odkázány na aktuální přírodní podmínky (sluneční svit, vítr atp.). Pro optimální využití těchto zdrojů je tedy nutné tento problém vyřešit. Jednou z možných cest je právě výstavba bateriových úložišť.
Chemické baterie však mají své nevýhody, kvůli kterým je není možné instalovat všude v takové míře, v jaké by byly potřeba. Proto se k nim dnes hledají jiné alternativy. A jak si oproti chemickým bateriím stojí ty gravitační? Tabulka níže ukazuje jejich srovnání.
|
Vlastnost |
Gravitační baterie |
Chemická baterie (Li-ion) |
|
Životnost |
30 a více let |
10 až 15 let |
|
Účinnost |
75 až 90 % |
90 až 95 % |
|
Cena/kWh (dlouhodobě) |
nižší |
vyšší |
|
Rychlost odezvy |
sekundy |
milisekundy |
|
Energetická hustota |
nízká |
vysoká |
|
Nároky na prostor a umístění |
nemohou stát kdekoliv |
lze umístit téměř kamkoliv |
Typy gravitačních baterií
Vodní
Nejrozšířenějším typem gravitační baterie je v současnosti vodní, tzv. přečerpávací elektrárna. Tento typ představuje přibližně 90 % celosvětové kapacity všech gravitačních baterií.
Při přebytku elektrické energie v síti pracuje turbína v reverzním (opačném) režimu, kdy vodu čerpá do horní nádrže. Alternátor tak pracuje jako elektromotor. Pokud je elektrické energie naopak nedostatek, voda teče z horní nádrže přes vodní turbínu. Ta pohání alternátor, který generuje elektrickou energii.
V České republice je nejvýkonnější vodní elektrárnou přečerpávací elektrárna Dlouhé Stráně v Hrubém Jeseníku s elektrickým výkonem 650 MW a maximální úložnou kapacitou 3,7 GWh. Elektrárna dokáže nastartovat a následně dosáhnout svého plného výkonu za přibližně 100 sekund. Navíc zvládne spustit dodávku elektřiny i bez vnějšího zdroje energie – tato schopnost se nazývá černý start a je klíčová v okamžiku, kdy dojde k výpadku celé rozvodné sítě. Elektrárna pak může pomoci síť znovu „oživit".
Černého startu nejsou schopny všechny elektrárny. Některé při spuštění nejprve potřebují elektřinu pro vlastní pomocná zařízení, například čerpadla nebo řídicí systémy. Bez napětí v síti se proto samy nerozběhnou a potřebují pomoc jiného zdroje - např. dieselových generátorů.
Pevná hmota
Jde o nejnovější způsob, kde se používá těžké závaží ve formě betonových bloků o hmotnosti stovek tun. Ta mohou být vyzvednuta pomocí robotických jeřábů nebo výtahů a poté spuštěna, čímž pohánějí alternátory. V současnosti se těmito systémy zabývají například společnosti Energy Vault, Gravitricity nebo Heindl Energy.
Příklady současných projektů
Energy Vault (Švýcarsko)
Systém této společnosti se skládá z věží vysokých i více než 100 metrů, kolem nichž jsou zavěšeny těžké bloky z betonu nebo oceli, každý o hmotnosti 30 a více tun.
Když je v síti přebytek elektřiny, elektromotory vyzdvihnou bloky do výšky. V případě nedostatku elektřiny se bloky spouští dolů a elektromotory pracují naopak jako alternátory, čímž generují proud.
Zařízení může podle své velikosti dosahovat kapacity desítek až stovek MWh. Jeho účinnost je asi 80 %. Velkou výhodou je, že není zapotřebí zdroj vody, ani speciální terén. Bloky mohou být vyrobeny také z recyklovaných materiálů. Samotné zařízení pak pracuje s nízkými provozními náklady a má životnost přes 30 let.
První komerční instalace vznikla v čínském Rudongu nedaleko Šanghaje, přímo vedle větrné farmy. Baterie uloží až 100 MWh energie a dokáže do sítě dodat výkon 25 MW. Celá stavba trvala méně než tři roky.
Gravitricity (Skotsko)
Společnost Gravitricity využívá hluboké šachty (například staré uhelné doly) o hloubce 300 až 1500 m.
V šachtě je umístěno až několik tisíc tun těžké závaží, které v době přebytku elektřiny zvedají za pomoci kladek a ocelových lan elektromotory. Při nedostatku elektřiny je závaží spuštěno a elektromotor naopak pracuje jako alternátor.
Využitelný výkon je 1 až 20 MW. Účinnost zařízení je až 90 % a životnost více než 30 let s nízkými náklady na údržbu.
Pilotní projekt byl realizován ve Finsku v již nepoužívané důlní šachtě hluboké 530 metrů s výkonem 2 MW – a ukázal, že technologie skutečně funguje i v reálných podmínkách starých dolů.
Heindl Energy (Německo)
Gravitační baterie společnosti Heindl Energy je založena na zvedání až několik tisíc tun těžkého pístu umístěného v šachtě pod úrovní terénu. Pod píst je čerpána voda, která je při „vybíjení baterie“ vypouštěna přes turbínu, která pohání alternátor. Kapacita této baterie je přes 1 GWh.
