Akumulace elektrické energie

Akumulace elektrické energie Ing. Jan Mareš, prof. Ing. Martin Libra, CSc., ČZU Praha, Ing. Vladislav Poulek, CSc., Poulek Solar, s. r. o.

Úvod Akumulace energie je důležitou součástí problematiky nejen obnovitelných zdrojů energie (OZE). Nevýhodou velkých elektráren je velmi omezená možnost regulace výkonu. Uhelná elektrárna najíždí na plný výkon až půl dne, jaderná elektrárna několik týdnů. Nevýhodou využívání solární či větrné energie je nerovnoměrnost slunečního svitu a věvybitý akumulátor

chemické energie. Jejich výhodou je dobře zvládnutá technologie výroby, operativní použití kdekoliv, možnost mnohonásobného opětovného nabíjení a relativně nízká cena. Nevýhodou je samovybíjení a citlivost na hluboké vybíjení, při kterém nastávají nevratné změny na elektrodách s následkem snižování kapacity akumulátoru. Rovněž poměr akumulované energie ke hmotnosti akumulátoru činí tento způsob akumulace málo efektivní.

nabíjení akumulátoru směr proudu

Pb

hem nabíjení. Při vybíjení je zde redukován reaktant a volné elektrony reaktant přijímá z kladné elektrody. Elektrické napětí elektrochemických člán­ků se pohybuje podle typu akumulátorů v hodnotách 1,1 až 2 V. Pro technické účely se proto běžně využívají akumulátory sestavené sériově do baterií. Většina akumulátorů je schopna opětovného nabití ve stovkách až tisících cyklů. Jako příklad lze uvést nejběžnější olověný akumulátor s olověnými elektrodami. Elektrolytem je zředěná kyselina sí**VZOREC1** rová, která v roztoku disociuje na kladné vo**VZOREC1**  díkové H 2SO4 ionty  2Ha záporné  SO2 síranové ionty. Toto H22SO44  2H   SO24244 probíhá podle rovnic: **VZOREC1**

vybíjení akumulátoru směr proudu

**VZOREC1** H 2SO4  2H   SO24 **VZOREC2** **VZOREC2** H SO 2 2H  SO2

**VZOREC1**

Pb2  4Pb 2   2e  4 Pb  Pb 2   2e  H 2SO4  2H   SO24**VZOREC2** 2– SO Během vybíjení nastává na záporné elektro**VZOREC2** Pb  Pb 2   2e  **VZOREC3** dě reakce: + 2  **VZOREC3** H  Pb  2e  **VZOREC2** Pb Pb  SO 2224  PbSO 4  2e  2– SO Pb  SO 44  PbSO 44  2e Pb  Pb 2   2e  **VZOREC3** a dva volné elektrony se předají elektrodě. Na **VZOREC3** Pb  SO 24   PbSO 4  2e  2– 2– **VZOREC4** PbSO4 + 2e– → Pb + SO Pb + SO  → PbSO +2e– PbSO4 kladné elektrodě nastává reakce: 2 **VZOREC4** Pb  SO 4  PbSO 4  2e  **VZOREC3** PbO  2H  H SO  2e  PbSO  H O  + – + – PbSO4 + 2H2O → PbO2 + 2H + H2SO4 + 2e PbO2 + 2H + H2SO4 + 2e → PbSO 4 + 2H2O PbO 2  2H   H 222SO444  2e  PbSO444  H 222O Pb  SO 2   PbSO  2e 22 H+

4

H+ +

H

4

PbSO4

4

4

4

**VZOREC4**

**VZOREC4** → PbSO4 + 2H2O **VZOREC4** PbO 2  2H  H 2SO4  2e   PbSO4  H 2O **VZOREC5**   **VZOREC5** PbO 2H elektrony H 2 SO  PbSO 2 4 elekPbO volné 2 H SO Pb4 2e  2 Hz  OH2O PbSO a  dva sePbSO přijmou

**VZOREC5**

**VZOREC5** 2 2 4 4 2 4 **VZOREC6** **VZOREC6** PbO  2 H SO  Pb  PbSO  2 H O  PbSO

4

Obr. 1. Schéma olověného akumulátoru

tru. Částečně tyto výkyvy mohou vyrovnávat vodní elektrárny či připravované „inteligentní rozvodné sítě“, ale to vždy nemusí stačit. Proto v době přebytku energie je třeba ji akumulovat pro pozdější využití v době jejího nedostatku, a tak vyrovnávat rozdíly mezi špičkovým a mimošpičkovým odběrem a vykrývat energetické špičky v distribuční síti. Ještě potřebnější je akumulace energie v  oblasti ostrovních systémů (systémů nepřipojených k elektrorozvodné síti), neboť zde je rozhodujícím faktorem efektivita celého systému. Existuje mnoho způsobů akumulace energie. Vždy se jedná o její přeměnu na jinou formu, ve které může být efektivněji uskladněna a v případě potřeby znovu přeměněna na energii elektrickou (či podle potřeby i jinou). Tyto způsoby akumulace se liší především oblastí výkonů, při kterých jednotlivé akumulační systémy pracují, účinností, dobou, po kterou jsou schopny udržet akumulovanou energii s  přijatelnými ztrátami, životností apod. V tomto článku autoři přinášejí přehled několika nejdůležitějších způsobů akumulace energie.

Elektrochemické akumulátory Elektrochemické akumulátory či akumulátorové baterie akumulují energii ve formě

6

4

PbO222  2 H 222SO444  Pb  PbSO444  2 H 222 O  PbSO444 trody. lze tedy vyjádřit PbO 2  2H   H 2SO4  2e Celkovou PbSO4  Hreakci 2O **VZOREC5** rovnicí: PbO  2 H SO  Pb  PbSO  2 H O  PbSO

21 2 4 4 2 W  1 CU 222  345 J PbO 2  2 H 2SO 4  Pb **VZOREC6**   2 H O  PbSO W PbSO  2 CU  345 J 4 2 4 2 **VZOREC6** 1 2 W Na CU elektrodách 345 J vzniká síran olov12 obou **VZOREC6** **VZOREC7** W  Schéma CU 2  345 J **VZOREC7** natý. olověného akumulátoru je na W p 2 elektromotorické mg h 1 2 obr. 1, napětí jednoho na W  mg  h W  CU  345 J pp **VZOREC7** bitého článku olověného akumulátoru je při2 2 V. Například v  automobilové bližně W p  U mg **VZOREC7** e =h **VZOREC8** baterii U = 12 V pro osobní vozy je sériově **VZOREC8**  W  mg  h  **VZOREC7** Obr. 2. Akumulátory určené pro ostrovní fotoH 2 p O222 šest  Htakových 2 O  2e  článků. zapojeno H  O  H O  2e 2 2 voltaické systémy 2 2 W p  mg h **VZOREC8** Kromě olověných akumulátorů jsou zná2  Ni-MH, Li-ion a Limy např. akumulátory **VZOREC8** H  O  H O  2e 2 2 **VZOREC9** 2 pol, Ni-Cd, Ni-Zn, Ag-Zn. Vybitý akumulátor se nabíjí tak, že re- **VZOREC9** **VZOREC8** H1 2  O  H 2 O2  2e  Jejich princip je analogický. Nabíječky akumulátorů běžně akční produkty se převedou elektrickým 2 1 O 2  2e   O22 Během H 2 O  2e**VZOREC9** O 2 O 22  2e 2 O existují a používají se od malých jednoduproudem opět na původníHreaktanty. 2 chých s  výkony nabíjení nabíjecím proudem z jiného zdroje **VZOREC9** 1  2 několik wattů až po velO  2e  O i  se senzory teplose dodávaná elektrická energie mění na che- **VZOREC10** 12 2řízené počítačem **VZOREC9** ké, Os výkony O 2  kilowattů kontrolující 2  2e  ty několik mickou energii a během vybíjení se akumu- **VZOREC10** 2 2H  O  2H O 1 měnína elek2H O 222 i mnoho 2H 222O dalších parametrů. Na stav222  nabití lovaná chemická energie opět O 2  2e  O 2  **VZOREC10** 2 trhu jsou dostupné akumulátory s  kapacitrickou energii dodávanou do elektrického 2H O tou2až 10 000 A·h obvodu, do kterého je akumulátor zapojen. **VZOREC10** 2  2H 2 O s možností až 1 200 na**VZOREC11** **VZOREC11** 2H  O  2H bíjecích cyklů. Na Záporná elektroda je katodou během vybí2 2 2 O obr. 2 jsou akumulátory **VZOREC10** 1 2 Ek  1 Jpro  určené jení a  anodou během nabíjení. vybíje22 ostrovní fotovoltaické systémy E  J  2H 2  OPři  2H O k 2 2 2 nak výstavě v  Miláně roku 2007. Podrobní zde reaktant oxiduje a  volné elektrony **VZOREC11** 2 **VZOREC11** 1 nější předává záporné elektrodě. Kladná elektroEk  popis J 2 elektrochemických akumuláto12 2v [1]. rů da je anodou během vybíjení a katodou bě- **VZOREC12** **VZOREC11** **VZOREC12** Ek je  např. J 1 2 2 1 2 1 W  LI 2 E k  J W  2 LI 2 **VZOREC12** 2 2 ELEKTRO 2/2011 **VZOREC12** 1 W  LI 2 **VZOREC12** W  12 LI 2 2 1 W  LI 2

4

rychlé dodávky i odběr energie. Špičkové výkony při uvolnění energie ze superkapacitoAkumulace energie v  superkapacitorech ru v poměru k jeho hmotnosti jsou v řádech zažívá rozvoj teprve v  posledních několika kilowattů na kilogram (kW·kg–1). V  tab. 1 je uvedeno porovnání parametrů kondenletech. Energie je zde akumulována do elekzátoru, superkapacitoru a  elektrochemickétrického pole nabitého kondenzátoru. Napří**VZOREC1** ho akumulátoru elektrické energie. V  souklad v elektronických zařízeních se k uchová Hpaměti 2Hvýpadku  SO24napájení používají vel2SO 4  časné době je na trhu několik typů superkaní při pacitorů s kapacitami od 2 do 3 000 F s napětím na článek elektrolyt elektrolyt **VZOREC2** 2,7 V (viz obr. 4). 2  Pb  Pb  2e Vzhledem k malému vnitřnímu odporu tohoto zdroje, – – + + který je řádově v  jednotkách **VZOREC3** miliohmů, je vhodné při jeho Pb  SO 24   PbSO 4  2e  nabíjení používat napěťové měniče, které jsou schopny Al2O3 omezit velký nabíjecí proud. separátor aktivovaný uhlík **VZOREC4** Tyto měniče mohou řídit rov PbO3. 2H   H  PbSOsuperkapacitoru Obr. vnitřního uspořádání něž vybíjení superkapacitoru 2 Schéma 2SO4  2e 4  H 2O a plnit dodatkové funkce, jako kokapacitní kondenzátory na napětí U = 24 V např. funkci elektronické pojistky proti přetí**VZOREC5** s kapacitou C = 1,2 F s displejem udávajícím žení či přepětí, nebo měřit nabíjecí a vybíjecí PbO 2  2napětí H 2SO 4[2].  PbPodle  PbSO 4  2H 2 O  PbSO 4 okamžité známého vztahu proud. Blokové schéma pomocného obvodu pro energii nabitého kondenzátoru pojme tensuperkapacitoru pro řízení nabíjecího proudu to kondenzátor energii: a udržování napětí je na obr. 5.

Akumulace energie v superkapacitorech









**VZOREC6** W

1 CU 2  345 J 2

hustota energie (W·h·kg–1) měrný výkon (kW·kg–1) doba nabíjení/vybíjení (s) životnost (počet cyklů)

H 2  O 2   H 2 O  2e 

**VZOREC9** 1 O 2  2e   O 2  2

Akumulace energie v přečerpávacích elektrárnách Další možností akumulace energie je princip přečerpávacích elektráren. Je-li jedna nádrž umístěna výše než druhá a jsou-li oba rezervoáry propojeny potrubím s reverzní turbínou, je možné v době přebytku energie čerpat

Tab. 1. Porovnání parametrů elektrochemického akumulátoru elektrické energie, kondenzátoru a superkapacitoru (zdroj: firemní dokumentace ECOM, s. r. o.) Parametr

Tento vztah platí i  pro superkapacitory. **VZOREC7** Využití superkapacitorů je nyní běžné přeW p  mg h devším v  hybridních automobilech a  elektromobilech, kde jsou určeny k rychlé akumulaci energie při rekuperaci během brzdění **VZOREC8**

Výhodou superkapacitorů je poměrně vysoká účinnost akumulace (až 95 %). Nevýhodou je závislost napětí na uloženém náboji, což lze minimalizovat použitím napěťových měničů. Rovněž cena je zatím poměrně vysoká, ale s  objemem zavedení v  průmyslu a  s nárůstem sériovosti výroby lze předpokládat její pokles. Superkapacitory se jeví vhodné pro použití v  oblasti fotovoltaiky, především jako vyrovnávací akumulátory elektrické energie pro menší systémy spojené se sítí, kde mohou kompenzovat krátkodobé výkyvy výkonu. Jejich použití se rovněž předpokládá v ostrovních fotovoltaických systémech, kde by mohly časem konkurovat klasickým elektrochemickým akumulátorům.

Akumulátor Kondenzátor Superkapacitor (olověný trakční) (elektrolytický velkokapacitní) (Maxwell HC) 100 0,2 10 1 500 10 18 000 0,001 10 1 000 1 000 000 1 000 000

blok superkapacitoru pomocné obvody

kondenzátor

rozhraní řídicí část

**VZOREC10** 2H 2  O 2  2H 2 O

Obr. 5. Blokové schéma pomocného obvodu superkapacitoru pro řízení nabíjecího proudu a udržování napětí

Obr. 4. Modul superkapacitoru

**VZOREC11**

a k rychlému 1 2 dodání energie pro akceleraci. Ek  dobré J perspektivě je vývoji superkapaDíky 2 citorů věnována značná pozornost i  finanční prostředky pro výzkum a vývoj. Lze pro**VZOREC12** to očekávat další rozvoj tohoto způsobu aku1 energie. 2 mulace W  LI 2 Základem superkapacitorů je speciální materiál elektrod s  velkou plošnou hustotou (práškový uhlík nanesený na hliníkovou fólii o ploše v poměru k hmotnosti asi 2 000 m2·g–1), čímž se zajistí kapacita v řádu tisíců faradů (viz obr. 3). Elektrody superkapacitoru jsou odděleny polypropylenovou fólií a prostor je vyplněn tekutým elektrolytem. Při použití současných elektrolytů je napětí jednoho článku zhruba 2,5 V. Pro akumulaci energie pod vyšším napětím lze články řadit sériově. Superkapacitory se vyznačují malým sériovým odporem, jsou tedy vhodné pro

ELEKTRO 2/2011

snímač proudu

Obr. 6. Schéma malé přečerpávací elektrárny

horní nádrž

síť transformovna

reverzní turbína dolní nádrž

7

vodu do horní nádrže. Voda tak zvyšuje svou potenciální energii o ∆Wp = mg·∆h. V době nedostatku energie může voda naopak tuto energii předávat turbíně a  s ní spojenému elektrickému generátoru. Lze tak vyrovnávat nerovnoměrný odběr energie z rozvodné sítě ve špičkách a mimo ně. Vodní elektrárna může najet na plný výkon během krátké doby – přibližně 100 s. Naše velké přečerpávací elektrárny byly konstruovány hlavně pro akumulaci přebytku elektrického výkonu z  jaderných elektráren v mimošpičkové době, bylo by však možné je využít i k akumulaci energie z fotovoltaických a větrných elektráren. Rozměry nádrží, turbíny i generátoru je třeba dimenzovat podle plánovaného využívání. Schéma malé přečerpávací elektrárny je na obr. 6. V ČR jsou tři velké přečerpávací elektrárny ČEZ a stavba dalších je plánována. Největší z  nich je přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé Stráně, její důležité parametry jsou pro zajímavost uvedeny v tab. 2. Na obr. 7 je vidět víko turbíny a dno elektrického generátoru ve strojovně elektrárny a na obr. 8 je unikátní záběr vnitřku přivaděče, kde voda vstupuje do rotoru Francisovy turbíny. Na analogickém principu jako přečerpávací elektrárny pracují vzduchové elektrárTab. 2. Důležité parametry největší přečerpávací vodní elektrárny v ČR – Dlouhé Stráně Horní nádrž objem (m3) nadmořská výška (m) hloubka (m) plní se na 26 m, 4 m stále zůstávají prázdné doba vyprázdnění při plném výkonu (h) doba naplnění při plném výkonu (h) tloušťka přírodního asfaltu z Albánie (m) Dolní nádrž

2,7·106 1 350 28 6,5 8,5 0,2

nadmořská výška (m) 800 průměrný průtok říčky 0,5 (m3·s–1) minimální výtok z přehrady 0,2 (m3·s–1) Elektrárna spád (m) 550 účinnost (%) 75 turbíny 2 Francisovy výkon soustrojí (MW) 2× 325 hmotnost vody v náhonu (t) 15 000 průměr rotoru (mm) 4 540 hmotnost rotoru (t) 400 hmotnost kulového ventilu (t) 100 hltnost (m3·s–1) 2× 68,5 otáčky (min–1) 428,6 napětí generátoru (kV) 22 transformátory 325 MW – 2× 22/440 největší v ČR (kV/kV) rok zahájení stavby 1978 rok uvedení do provozu 1996 cena (mld. Kč v tehdejších 6,5 cenách) návratnost investice (roky) 6

8

ny s tlakovými zásobníky. V tomto případě je přebytečnou elektrickou energií poháněn kompresor, který stlačuje vzduch do objemných a dobře utěsněných prostor. Mohou to být jak přírodní kaverny, např. po vytěžené ropě, tak i umělé zásobníky. V případě potřeby elektrické energie se stlačený vzduch přivádí na plynovou turbínu, která pohání soustrojí s  generátorem elektrické energie. Schéma takové elektrárny je na obr. 9.

Během provozu při stlačování vzduchu se kompresor ohřívá, naopak při expanzi se ochlazuje. Odpadní teplo může být rovněž využito.

Vodíkové hospodářství pro akumulaci energie

Vodík se jako zdroj energie používá už asi 200 let a je hlavní složkou syntetických plynů vyráběných zplynováním fosilních paliv i biomasy. Nyní představuje využívání vodíku přibližně 1 % všech zdrojů energie, ale zatím většinou jde o vodík získaný z fosilních paliv. Myšlenka vodíkových energetických systémů (tzv. vodíkové hospodářství) se zkoumá od 60. let 20. století. Nejprve šlo o využití mimošpičkového výkonu zejména z jaderných elektráren, podobně jako je tomu u  přečerpávacích elektráren. Teprve v poslední době přibyla i možnost využití přebytečného výkonu solárních fotovoltaicObr. 7. Víko turbíny a dno elektrického generátoru (Dlouhé Stráně) kých systémů a větrných elektráren. U obnovitelných zdrojů energie je akumulace energie do výroby vodíku zvláště perspektivní, neboť tak by nerovnoměrnost jimi dodávaného výkonu nečinila problémy v rozvodné síti. Podstatou je využití určitého druhu energie (většinou elektrické) k  výrobě vodíku elektrolýzou vody a poté jeho jímání a  skladování pro pozdější použití. Takto akumulovaná energie může být později přeměněna oxidací vodíObr. 8. Vnitřek přivaděče k Francisově turbíně (Dlouhé Stráně) ku na jiný druh energie, např. elektrickou, mechanickou či tepelnou. K  oxidaci může docházet buď filtr přímým spalováním v  plynovém kotli či tlumič výfuku ve spalovacím motoru, nebo řízeně elektrochemickou cestou v  palivovém článku. turbína Zkapalněný vodík se používá jako palivo motor/generátor odpadní odpadní teplo chlad pro raketové motory a počítá se s ním i pro proudová letadla. kompresor K výrobě 1 kg vodíku elektrolýzou vody ventil je třeba energie asi W1 = 38 kW·h při účinnosti elektrolyzérů h  = 90 % a  ke zkapalnění 1 kg vodíku ještě asi W1 = 10 kW·h [3]. Vodík jako palivo má určité výhody. Jeho výhřevnost je nejvyšší ze všech paliv – zhruba 100 MJ·kg–1 (závisí na čistotě). Spalováním vodíku vzniká pouze vodní pára tlakové zásobníky a menší množství oxidů dusíku, nevznikají oxidy uhlíku a síry ani jiné škodliviny. Kapalný i plynný vodík lze použít i jako palivo do spalovacích motorů, ale takové motory musí být k tomu účelu zvláště konstruovány. Již existují automobily i autobusy na vodík Obr. 9. Schéma elektrárny s  tlakovými zásobníky i čerpací stanice pro ně určené.

ELEKTRO 2/2011

Vodík lze vyrobit i chemickou reakcí metanu za vysokých teplot (800 až 1 700 °C), přičemž nastávají reakce:

ho (KOH), tavenina alkalických uhličitanů buční sítě a část energie je využita na výrobu či pevný oxidický elektrolyt (Y2O3). Napěvodíku z vody v elektrolyzéru. Tento vodík tí jednoho palivového článku bývá přibližje využíván jako palivo pro palivové články ně U » 1 V, články se rovněž mohou skládat pohánějící vozidla. CH4 + H2O → CO + 3H2 sériově do baterií. Zajímavým využitím paEnergie akumulovaná do vodíku může CO + H2O → CO2 + H2 livových článků je vodíkový elektromobil, být opět přeměněna na elektrickou energii který nemá spalovací motor s přímým vstřive zmíněných palivových článcích řízenou Reakce mohou probíhat v tzv. fotochemickováním, ale palivové články a elektromotor. elektrochemickou reakcí – tzv. studenou oxikém reaktoru, kde se vysokých teplot dosahudací vodíku neboli studeným spalováním. je koncentrací slunečního záření. Palivové články jsou elektrochemická zaříAkumulace energie v mechanických Ke skladování vodíku jsou určeny speciálzení přeměňující chemickou energii v pali- **VZOREC1** akumulátorech ní tlakové zásobníky vyrobené z materiálů nevu během oxidačně-redukční reakce přímo H 2SO4  2H   SO24 **VZOREC1** Mechanické akumulátory akumulují enerreagujících s vodíkem. V mnoha materiálech na generaci elektrického proudu za vzniku 2 H 2SO4 množství 2H   SOtepla. gii v  podobě kinetické energie. K  tomuto menšího 4 účelu se používají setrvačníky. Využití setrKontinuálně musí být při- **VZOREC2** **VZOREC1** 2 vačníků váděno palivo i okysličoPb  Pbk akumulaci  2e  energie je časté ve spa 2 **VZOREC2** vadlo k elektrodám a odH SO  2H  SO 2 4 4 fotony E = hν 2 váděny spaliny. Pb  Pb  2e  11 Nejjednodušší a  nej- **VZOREC3** **VZOREC1** 10 **VZOREC2**  2 pa2  propracovanější jsou H 2SO4 22H  SO4 Pb  SO 4  PbSO fotovoltaické panely rozvodná síť 4  2e  8 **VZOREC3** livové články na Pb  Pb  založené 2e   slučování s kyslíPb  SO 24 vodíku  PbSO 4  2e 9 kem. Jejich schéma je na **VZOREC4** **VZOREC2** 12 měniče DC **VZOREC3** 2  Porézní   obr. 11 [2]. elektransformátor Pb  Pb2   2e PbO 2  2H  H 2SO4  2e   PbSO4  H 2O **VZOREC4** trody jsou odděleny elek-  Pb  SO AC 4  PbSO 4  2e AC  voda DC trolytem, oblasti PbO 2  2Hv   H 2SO4pórů  2e   PbSO4  H 2O vzniká třífázové rozhra2 **VZOREC3** **VZOREC5** 7 AC **VZOREC4** ní,kde k elektro2  PbO  2 H SO  Pb  PbSO 4  2 H 2 O  PbSO 4 lokální síť Pb SOdochází  PbSO  2e 2 2 4 elektrolyzér 4  4  **VZOREC5** chemické paliva 6 PbO 2  2Hoxidaci  H 2SO 4  2e  PbSO 4  H 2O PbOredukci a k O2 H2 2  2 H okysličovadla. 2 SO 4  Pb  PbSO 4  2 H 2 O  PbSO 4 1 Pórovitá elektroda umož- **VZOREC6** **VZOREC4** 5 4 3 **VZOREC5** ňuje elektrolytu vzlínat   1 2 O zásobník PbO PbSO H  J 2  2H  H 2SO4  2e W 4CU 2 345 **VZOREC6** Obr. 12. Schéma setrvačníkového akumulátoru PbOpórů,  PbSO 4  22 H 2 O  PbSO 4 do ale tlak plynu 2  2H 2 SO 4  Pb energie vodní 1 za elektrodou nedovoluemise W CU 2  345 J 1 kryt setrvačníku s vakuem uvnitř, 2 kompozije kapalině póry pronikat. 2 **VZOREC5** tové těleso setrvačníku, 3 víceosé magnetické **VZOREC6** **VZOREC7** Elektrody bývají z ušlechvozidlo na palivové články uložení, 4 mechanické uložení pro případ PbO  2 H SO  Pb  PbSO  2H 2O  PbSO 4 2 2 4 či kapalný vodík 1 materiálů 4W p  mg h tilých (např. 2 defektu magnetického uložení, 5 čidla vyosení W  CU  345 J Obr. 10. Schéma fotovoltaického systému (část elektrické energie **VZOREC7** v  horizontálním směru, 6 čidla vyosení ve platiny) 2 a  fungují i  jako W p  mg hchemických je dodávána do distribuční sítě, část energie je využita pro výrobu katalyzátory vertikálním směru, 7 optický snímač otáček,

**VZOREC6** reakcí. 1 Na2 záporné elek**VZOREC7** W  nastává CU  345 J trodě reakce: **VZOREC8** W p2 mg h

vodíku)

e–

elektrický proud

–

e

H 2  O 2   H 2 O  2e 

e–

e–

**VZOREC7** **VZOREC8**  W p volné mg helektrony se a dva  **VZOREC9** H 2  O 2 elektrodě.  H 2 O  2eNa předají

e– –

e

1  kladné elektrodě O  2e  O 2  nastá-

e– H H

–

O O O

e– O e–

kladná elektroda

e O e–

e– e– O e–

elektrolyt

O e–

H+ H

H

O

H H

záporná elektroda

Obr. 11. Schéma palivového článku

totiž vodík difunduje do krystalické mřížky a  působí křehnutí materiálu. Vodík lze vázat i na kovové prášky, s nimiž tvoří hydridy kovů. S vodíkem je nutné při jeho skladování zacházet velmi opatrně, podle přísných bezpečnostních norem. Již malé množství vodíku ve vzduchu tvoří výbušnou směs. Na obr. 10 je schéma systému s fotovoltaickým zdrojem energie, kde je část produkované elektrické energie dodávána do distri-

ELEKTRO 2/2011

e–

H

2 **VZOREC8** 2 reakce: vá **VZOREC9** 2

H H

palivo

okysličovadlo

O

O

H H

H 2  O  H 2 O  2e  1 O 2  2e   O 2  **VZOREC10** 2 2H 2  O 2  2H 2 O

**VZOREC9** 1 dva volné a  elektrony se **VZOREC10** O 2  2e   O 2  přijmou elektrody. **VZOREC11** 22H  Oz   2H 2 O Cel2 2

kovou1reakci lze tedy vyEk  rovnicí: J 2 jádřit 2 **VZOREC10** **VZOREC11** 2H 2  O 2  2H 2 O 1 E k  J 2 **VZOREC12** 2 1 Existují palivové články různých kon**VZOREC11** W  LI 2 strukcí, rozměrů a maximálních výkonů. Po­ 2 1 pracovat **VZOREC12** dle konstrukce a typu mohou při tepE J 2 k  21 jako lotách od 60 do 1 000 °C, 2 palivo mohou W  LI používat kromě vodíku 2např. metan (CH4), hydrazin (N2H4) apod., metanol (CH3OH), **VZOREC12** elektrolytem může být1např. roztok kyseliW 4), hydroxidu LI 2 draselnény fosforečné (H3PO 2

8 permanentní magnety, **VZOREC8**

9 elektrické vinutí (motor/generátor), 10 víceosé magnetické 2 H 2  O 11mechanické H 2 O  2e uložení pro případ uložení, selhání magnetického uložení, 12 příruba pro čerpání vývěvou

**VZOREC9**

1 lovacích motorech pro vyrovnávání nerovO 2  2e   O 2  noměrných sil. V praxi byl testován autobus 2 poháněný energií akumulovanou ve velkém setrvačníku. Některé firmy (např. Phoenix**VZOREC10** -Zeppelin) nabízejí systémy záložního na2H 2  O 2  2H 2O pájení (UPS) s mechanickým akumulátorem energie. Pro kinetickou energii akumulovanou v setrvačníku platí:

**VZOREC11** Ek 

1 2 J 2

kde **VZOREC12**

J  je 1moment setrvačnosti, W LI 2 rychlost setrvačníku. ω  úhlová 2 Používají se dva typy setrvačníkových akumulátorů. Jeden typ využívá setrvačníky velké hmotnosti uspořádané do takového tvaru, aby bylo dosaženo co největšího momentu setrvačnosti. Pracují při otáčkách do 8 000 min–1. Druhý typ naopak používá lehčí setrvačníky pracující při vysokých otáčkách až 100 000 min–1. Pro tak vysoké otáčky

9

The energy accumulation is an important problem of the present time. It is necessary to balance the energy import in the distribution network. The essential principles of the energy accumulation are described in this paper. musí být rotor uložen ve vakuu, aby se zamezilo tření o vzduch. Často bývá uložen ještě v magnetických ložiskách s magnetickou levitací. Tyto setrvačníky jsou dílem špičkové techniky, kterou dokáže vyrobit jen několik firem na světě, a tomu odpovídá i jejich cena. Proto se zatím používají jen ve velmi speciálních aplikacích. Schéma takového setrvačníku (motor/generátor) je na obr. 12. K roztáčení (dodávání energie) a brzdění (odběr energie) jsou používány elektromag**VZOREC1** nety. Vysokootáčkové setrvačníkové akumuH 2SO4  2H   SO24

**VZOREC2** Pb  Pb 2   2e 

**VZOREC3**

Pb  SO 24   PbSO 4  2e 

**VZOREC4** 

ky je nutné udržovat cívku na nízké teplotě, obyčejně bývá chlazena kapalným héliem. Na obr. 14 je schéma akumulátoru energie se supravodivou cívkou. V součastné době odborníci pracují na vývoji systému se supravodivou cívkou se schopností akumulovat až 1 800 MJ energie.

Závěr Otázka akumulace energie je důležitá zejména pro její využití v terénu daleko od rozvodných sítí a u samotných rozvodných sítí k vyrovnání nerovnoměrného odběru během dne. Vývoj se těžko odhaduje, lze ale předpokládat, že všechny popsané způsoby akumulace energie budou v budoucnu používány a dále zdokonalovány. V oblasti vodíkového hospodářství se začíná vytvářet infrastruktura čerpacích stanic

6

2

4

1



PbO 2  2H  H 2SO4  2e  PbSO 4  H 2O 7

**VZOREC5**

PbO 2  2 H 2SO 4  Pb  PbSO 4  2 H 2 O  PbSO 4

**VZOREC6**

1 CU 2  345 J Obr. 2 13. Vysokootáčkový setrvačníkový aku-

W

mulátor energie (foto NASA)

**VZOREC7**

W p využívá mg h pro akumulaci energie např. látory NASA ve vesmírném programu, kde je vy­ užit i gyroskopický efekt setrvačníku pro po**VZOREC8** lohovou stabilizaci (obr. 13). H 2  O 2   H 2 O  2e 

Akumulace do magnetického pole cívky **VZOREC9** První pokusy s akumulací elektrické ener-

1 do supravodivých gie O 2  2e   O 2  cívek začaly ve Spojených státech amerických v 80. letech 20. sto2 letí. Princip akumulace energie do magnetického pole je založen na stejnosměrném **VZOREC10** elektrickém proudu protékajícím cívkou. Cív2H 2  O 2  2H 2 O ka tohoto akumulátoru musí být konstruována pro velké proudy ze supravodivého materiálu, tj. s nulovým odporem vodiče. Jinak by **VZOREC11** se elektrická energie na odporu cívky trans1 Ek  J 2na teplo. Energii akumulovanou formovala 2 do cívky o indukčnosti L protékané proudem I lze vyjádřit vztahem:

**VZOREC12** W

1 2 LI 2

Cívka musí mít odpovídající tepelnou izolaci. Pro zachování supravodivého stavu cív-

10

6

3

8

Obr. 14. Schéma akumulace energie v magnetickém poli supravodivé cívky

pro vozidla na vodík. Přestože je v  dnešní době využíván především vodík získaný z ropných uhlovodíků, zajištěním dostatečných výrobních kapacit pro získávání vodíku ze solární či větrné energie elektrolýzou vody by mohl být takto získaný vodík konkurenceschopný a  mohl by nahradit vodík vyráběný z ropy. Předpokládá se i výstavba nové přečerpávací elektrárny v  souvislosti s  výstavbou nových bloků jaderné elek­ trárny Temelín. Publikace byla podpořena výzkumným záměrem MSM 6046070905. Literatura: [1] CENEK, M. a  kol.: Akumulátory od principu k  praxi, FCC PUBLIC, s. r. o., Praha, 2003, ISBN 80-86534-03-0. [2] LIBRA, M. – POULEK, V.: Zdroje a  využití energie. Česká zemědělská univerzita v Praze, 2007, ISBN 978-80-213-1647-8. [3] LIBRA, M. – POULEK, V.: Fotovoltaika, teorie i  praxe využití solární energie. ILSA, Praha, 2009, ISBN 978-80-904311-0-2.

prof. Ing. Martin Libra, CSc., vystudoval Fakultu jadernou a  fyzikálně inženýrskou ČVUT v  Praze. Působil ve  Fyzikálním ústavu AV ČR, v Tesle Holešovice, na Fakultě strojní ČVUT v  Praze. Nyní působí na  Technické fakultě ČZU v Praze jako proděkan pro vědu a výzkum. Zabýval se fyzikou plazmatu, vakuovými technologiemi depozice tenkých vrstev, plazmovými zdroji záření a solární energií. V Jednotě českých matematiků a fyziků je předsedou komise na propagaci matematiky a  fyziky. Pracuje rovněž v  redakčních radách časopisů Jemná mechanika a optika a Energie kolem nás, ve vědeckých radách Technické fakulty a  Provozně ekonomické fakulty, v  oborové radě pro energetiku a v mnoha odborných komisích. Ing.  Vladislav Poulek, CSc., vystudoval Fakultu elektrotechnickou ČVUT v  Praze. Působil ve  Fyzikálním ústavu AV ČR, v roce 1992/93 získal jednoroční post-doc. stipendium na  Limburgs University Centre (L.U.C.) v Belgii. Zabýval se fyzikou plazmatu, vakuovými technologiemi depozice tenkých vrstev a solární energií, zejména vývojem zařízení pro sledování Slunce. V r. 1994 založil firmu na vývoj, výrobu a instalaci solárních fotovoltaických systémů, kterou od té doby řídí. Ing. Jan Mareš vystudoval Technickou fakultu České zemědělské univerzity v  Praze. Na této fakultě nyní absolvuje doktorandské studium na katedře fyziky v oboru Energetika. Zabývá se využitím solární energie, konstrukcemi fotovoltaických systémů a jejich zařazením do struktur automatizace.

Letní škola fotovoltaiky 2011 Technická fakulta ČZU v Praze pořádá letos opět: Letní školu fotovoltaiky 2011, a to v termínu: od 23. do 27. května 2011. Veškeré informace mohou zájemci získat na internetové adrese: http://tf.czu.cz/~libra/lspv

ELEKTRO 2/2011