Je potřeba, aby obnovitelné zdroje pokrývaly základní potřebu elektřiny?

Běžným mýtem je, že když některé druhy obnovitelných zdrojů neumějí poskytovat elektřinu trvale, potřebují ekvivalentní množství záložní elektřiny z elektráren na fosilní paliva. Jenomže to jednoduše není pravda. Jak kolísá výkon větrných elektráren, může být elektřina v případě potřeby doplňována jinými zdroji pokrývajícími základní zatížení, které se mohou rychle spustit do chodu nebo jejichž výkon se dá změnit v relativně krátkém čase. Běžně jsou pro tento elektrického zálohování používány vodní elektrárny a elektrárny na zemní plyn (AWEA 2008). Ačkoliv se jedná o fosilní palivo, při spalování zemního plynu vzniká jen 45 % oxidu uhličitého v porovnání se spalováním uhlí. A vodní elektřina je přirozeně velmi nízkouhlíkový zdroj energie.

Současná struktura elektrické produkce se skládá především z uhelných a jaderných zdrojů, které pokrývají základní zatížení, zatímco zemní plyn a elektřina z vodních elektráren zpravidla představují variabilní rezervy pro doplnění elektřiny v době špičkového zatížení. Uhlí je levné, špinavé a výkon elektrárny nelze jednoduše měnit. Vstupní náklady jsou vysoké a dlouhá je i návratnost těchto investic. Vodní elektřina je levná, čistá a vhodná jak pro pokrytí základního zatížení, tak pro doplnění potřeby v době špičkového zatížení, ale její dostupnost je omezená přírodními zdroji. Zemní plyn je méně špinavý než uhlí, je dražší a užívá se pro potřeby dodávky v době špičkové zátěže. Jaderné štěpení je zdroj nízkouhlíkové elektřiny, ale s extrémně vysokými vstupními investicemi a dlouhou dobou návratnosti těchto investic.

Obnovitelná energie se dá použít k nahrazení některých vysokouhlíkových zdrojů energie v rozvodné síti a může tak přispět k dosažení snížení celkového množství emisí skleníkových plynů z výroby elektřiny, a to i když nebude používána pro pokrytí základního zatížení. Nestálé obnovitelné zdroje mohou dodat 10-20 % naší elektřiny a navíc k tomu mohou vodní elektrárny a jiné obnovitelné zdroje dodávat elektřinu trvale. I když rychlý růst větrné elektřiny a ostatních nárazových obnovitelných zdrojů zůstane, potrvá to více než deset let, než se akumulování produkce těchto nestálých zdrojů stane nutností.

Obnovitelné zdroje pro základní elektrické zatížení

Samozřejmě, v ideálním světě by obnovitelné zdroje pokrývaly všechny naše energetické potřeby. A existuje několik způsobů, jak by obnovitelná energie mohla pokrýt základní elektrické zatížení.

Akumulované solární teplo

Jednu z nejslibnějších technologií obnovitelné energie představuje akumulování solárního tepla, při němž se využívá systému zrcadel nebo čoček k soustředění slunečního záření na kolektor. Tento typ systému dokáže získávat a skladovat energii ve formě stlačené natlakované páry, roztavené soli, fázové změny materiálů nebo purifikovaného grafitu zahřátého na velmi vysokou teplotu.

První velkou pokusnou tepelnou solární věžovou elektrárnou byla „Solar One” v Mojavské poušti v Kalifornii, vybudovaná roku 1981. Výkon elektrárny byl 10 megawattů (MW). Použilo se 1818 zrcadel, která soustředila sluneční záření na věž, jež používala kapalinu odolávající vysokým teplotám k transferu energie do boileru (kotle produkujícího páru) na zemi. Tam pára roztáčela sérii turbín. V elektrárně „Solar One” se jako médium pro tepelný zásobník používala voda. V roce 1995 byl tento systém přepracován a přejmenován na „Solar Two”, tepelný zásobník byl tvořen roztavenou směsí solí. V tomto typu systému se roztavená sůl o teplotě 290 °C pumpuje z chladnější nádrže do přijímače tepla, kde se ohřeje až na 565 °C. Zahřátá sůl se pak přesune do horké skladovací nádrže (Obrázek 1). Když je potřeba získat elektřinu, horká sůl se napumpuje do generátoru, kde se vytváří pára aktivující turbínový/generátorový systém produkující elektřinu (NREL 2001).

Obrázek 1: Systémový diagram věžové elektrárny Solar Two (NREL 2001)

Elektrárna Solar Two využívající systém roztavené soli dokázala akumulovat tolik energie, že dodávala elektřinu ještě tři hodiny po západu slunce. Používáním termální akumulace mohou věžové elektrárny potenciálně fungovat 65 procent roku bez nutnosti použití záložního palivového zdroje. První komerční solární tepelná elektrárna založená na akumulaci roztavené soli - Andasol 1- byla dokončena v roce 2009 ve Španělsku. Andasol 1 má výkon 50 MW a zásoba roztavené soli může dodávat elektřinu dalších přibližně 7,5 hodin.

Abegona Solar staví solární tepelnou elektrárnu v Arizoně (Solana Generating Station), která bude mít výkon 280 MW a jejíž spuštění je naplánované na rok 2013. Tato elektrárna bude využívat také systému roztavené soli a její zásoba akumulovaného tepla bude až na 6 hodin. Arizonský veřejný distributor elektřiny a elektrárna Solana se smluvně dohodli na odkupu elektřiny za cenu přibližně 14 centů (cca. 2,4Kč) za jednu kilowatthodinu.

Italský dodavatel Enel nedávno odhalil „Archimede”, první akumulační solární tepelnou elektrárnu, která používá roztavené soli jak pro akumulování tepla, tak pro jeho přenos. Roztavené soli mohou pracovat při vyšších teplotách než oleje, což dává elektrárně Archimede větší účinnost a elektrický výkon. Díky vyšší teplotě kapaliny a tepelného zásobníku dosažené přímým použitím solí, Archimede může prodloužit svou provozní dobu více než solární tepelné elektrárny využívající sice akumulaci do roztavené směsí solí, ale ohřívající ji pomocí horkého oleje. Elektrárna Archimede podává výkon 5 MW a její akumulační kapacita je až 8 hodin.

V jižním Španělsku byla otevřena v roce 2011 elektrárna Gemasolar. Dodává 19,9 MW, za rok to má být přibližně 110 GWh. Gemasolar uskladňuje energii v roztavených solích až na 15 hodin a je tedy schopna dodávat elektřinu po celých  24 hodin denně během minimálně 270 dní do roka (74 % roku). (Španělských solárních tepelných elektráren vůbec rychle přibývá.)

Národní laboratoř pro obnovitelnou energii (The National Renewable Energy Laboratory) poskytla kdysi dlouhý seznam akumulačních solárních tepelných elektráren, které jsou již v provozu, které jsou ve výstavbě a které se vyvíjejí; mnohé z nich využívají systému akumulace energie. Ve zkratce, solární tepelné elektrárny s akumulací v roztavených solích jsou dnes již realitou a jejich význam nadále roste.

Geotermální teplo

Geotermální systémy získávají energii z vody vystavené horkým horninám hluboko pod zemským povrchem a nečelí tak problémům nestálosti jako jiné obnovitelné zdroje energie, např. větrné či sluneční. Panel expertů zhodnotil, že geotermální zdroje by mohly do poloviny století produkovat přibližně 100 gigawattů (GW) ze základního zatížení USA, což je přibližně 10 % současného amerického instalovaného výkonu (MIT 2006). Tento panel se také shodl, že investice v hodnotě do 1 miliardy dolarů (cca 17 miliard Kč) do výzkumu a vývoje by učinily geotermální energii ekonomicky schůdnou.

Zpráva vedená MIT se soustředí na technologii nazvanou EGS – enhanced (nebo engineered) geothermal systems (volně přeloženo jako pokročilé geotermální systémy), která nevyžaduje žádné speciální podpovrchové podmínky a mohla by tedy teoreticky být použita kdekoliv. Instalování EGS elektrárny běžně vyžaduje vyvrtání jednoho 10-12 palců (25-30 cm) širokého a 3-4 km hlubokého vrtu, dále rozšíření vzniklých prasklin v hornině na dně vrtu pomocí pumpování vody pod tlakem, a následně vyvrtání druhého vrtu do takto rozšířených prasklin. Voda pumpovaná dolů teče trhlinami v hornině, ohřívá se a druhým vrtem teče zpět na povrch. Nakonec, elektrárna využívá získané teplo a opět uvádí ochlazenou vodu zpět do oběhu (MIT 2007).

V současné době je na světě k dispozici 10,7 GW geotermální elektřiny, přičemž od roku 2005 se zvýšil objem připojené geotermální elektřiny o 20 %. V produkci geotermální energie vede na světě USA, jejíž instalovaný výkon ze 77 elektráren (GEA 2010) činí 3,1 GW.

Větrnými turbínami stlačený vzduch (Compressed Air Energy Storage, CAES)

Dosud se zkoumalo mnoho různých metod, jak skladovat energii z větru, včetně využití přečerpávacích vodních elektráren, baterií, supravodivých magnetů, setrvačníků, obnovitelných palivových článků a CAES. CAES je považováno za nejslibnější technologii pro skladování dostatečně velkého objemu energie, a to díky relativně nízkým nákladům, dopadům na životní prostředí a díky vysoké spolehlivosti (Cavallo 2005). Elektrárny využívající systém CAES v současnosti fungují v Huntorfu v Německu (290 MW, od roku 1978) a v Macintoshi v Alabamě (110 MW, od roku 1991). Nedávno se zvažovalo využití tohoto typu systému k vyřešení problému nestálosti dodávek z větrných turbín. Odhaduje se, že více než 80 % území USA má geologické podloží vhodné pro podzemní skladování stlačenéo vzduchu (Gardner and Haynes 2007).

Iowa Stored Energy Park byl navržen tak, že během období s malou poptávkou po elektřině a silným větrem bude skladovat vzduch v podzemních zásobnících. Od projektu se očekává, že dokáže skladovat zásobu vzduchu, která vystačí až na 20 týdnů používání, a že jeho instalovaný výkon bude až 270 MW. Projekt by měl být v provozu v roce 2015.

Podobný systém byl navržen tak, aby vytvořil kompresor poháněný přímo větrnou turbínou (wind turbine-air compressor). Místo vytváření elektřiny bude každá větrná turbína pumpovat vzduch do CAES. Tento přístup má potenciál ušetřit peníze a zlepšit celkovou efektivnost tím, že bude eliminovat přechodné a zbytečné vytváření elektřiny mezi turbínou a vzduchovým kompresorem (Gardner and Haynes 2007).

Skladování energie přečerpáváním tepla

Další slibná technologie skladování energie využívá přečerpávání tepla mezi nádržemi, které obsahují horký a studený izolovaný štěrk. Elektrický příkon je přiváděn do systému, v němž se stačuje/rozpíná vzduch až na teplotu přibližně 500°C na horké straně a na −150°C na studené straně. Vzduch prochází dvěma haldami štěrku, které ohřívá/ochlazuje. Je-li potřeba elektřinu znovu vyrobit, cyklus se jednoduše obrátí. Výhody tohoto typu systému jsou, že by zabíral relativně málo místa, že účinnost obousměrného sytému je přibližně 75 % a že štěrk je navíc velmi levný a rozšířený materiál.

Skladování energie v opotřebovaných bateriích z elektromobilů (Electric Vehicles, EV)

S tím jak se hybridní auta s napájením ze zásuvky a elektromobily stávají stale běžnějšími, existuje možnost využití opotřebovaných baterií z EV poté, co skončí jejich automobilový život, pro ukládání energie ze sítě, pokud mají stále ještě dostatečnou skladovací kapacitu. Například General Motors provádí výzkumy týkající se této možnosti. Jestliže by se dostatečně velký počet někdejších EV baterií zapojilo do sítě, mohly by sloužit jako kapacita pro skladování produkce nestálých obnovitelných zdrojů energie.

Studie 100% zásobování obnovitelnou energií

Několik studií předložilo plány popisující, jak můžeme pokrýt 100 % globální energetické potřeby z obnovitelných zdrojů.

Energetickým poradenstvím zabývající se firma Ecophys vytvořila zprávu popisující jak můžeme do roku 2050 pokrýt téměř 100 % globální energetické potřeby z obnovitelných zdrojů. Přibližně poloviny cíle se dá dosáhnout zvýšením energetické účinnosti, aby se nejprve snížila energetická poptávka, a druhá polovina může být dosažena přejitím na obnovitelné zdroje energie pro produkci elektřiny, tepla a paliv (Obrázek 2).

Obrázek 2: Ecofys navrhl vývoj globální energetické spotřeby mezi lety 2000 a 2050

Stanfordský profesor Mark Jacobson a profesor na UC Davis Mark Delucchi (ve zkratce označovaní jako J&D) nedávno publikovali v časopise Energy Policy studii zkoumající možnost pokrytí veškerých globálních energetických požadavků pomocí větrného, vodního a slunečního (VVS) příkonu. Přišli na to, že by bylo možné do roku 2030 vytvářet veškerou nově vyráběnou energii z VVS a do roku 2050 nahradit veškerou předcházející energii VVS.

V Části I své studie J&D zkoumají technologie, energetické zdroje, infrastrukturu a materiály potřebné k získávání veškeré energie z VVS zdrojů. V Části II J&D studují nestálost VVS energií a náklady svého návrhu. J&D ukazují, že když se započítají veškeré výlohy spojené se znečištěním vzduchu a klimatickou změnou, budou všechny VVS technologie, se kterými počítají, do roku 2020 až 2030 levnější než konvenční zdroje energie (včetně uhlí). Ve skutečnosti větrná energie získávaná z elektráren na pobřežích je levnější už dnes.

Souhrn

Pro rekapitulaci, existuje několik typů obnovitelných energií, které mohou pokrýt základní zatížení. Bude to trvat více než deset let, než budeme schopni vyrobit tolik nestálého výkonu z obnovitelných zdrojů, že to bude vyžadovat vysokou kapacitu pro skladování. Ale už dnes existuje několik slibných technologií na skladování energie. Jedna studie zjistila, že energetická síť Spojeného království by bez větších problémů mohla užívat 10-20 % energie z nestálých obnovitelných zdrojů (Carbon Trust and DTI 2003). Do té doby, než obnovitelné zdroje energie začnou vytlačovat značnou část uhlovodíkové výroby, mohou do hry vstoupit nové technologie skladování. Ministerstvo energetiky Spojených států amerických ustanovilo rozsáhlé skladování energie jednou ze svých výzkumných priorit a nedávno udělilo 24,7 milionů dolarů na výzkumné granty na Grid-Scale Rampable Intermittent Dispatchable Storage (GRIDS) (volně přeloženo jako Ovladatelné opakované ukládání, které lze rozšířit, aby mělo podstatný význam pro elektrickou síť). A bylo navrženo několik plánů, jak do roku 2050 pokrýt 100 % globálních energetických potřeb z obnovitelných zdrojů.

(Verzi hesla Intermediate přeložila Kristýna Obermajerová, upravil a zveřejnil Jan Hollan.)