Přečerpávací elektrárny jsou nezbytné pro obnovitelné zdroje

Ke snížení emisí skleníkových plynů v USA na polovinu během deseti let, což je cíl Bidenovy administrativy, budou Spojené státy potřebovat mnohem více solární a větrné energie a hodně levného skladování energie. Výkon větru a slunce se v průběhu dne mění, takže skladování energie je nezbytné pro zajištění nepřetržitého toku elektřiny. Dnešní baterie jsou však stále poměrně malé a uchovávají dostatek energie pouze na několik hodin. Aby se státy mohly více spoléhat na větrnou a solární energii, budou potřebovat také více nočních a dlouhodobých úložišť. Přečerpávací elektrárny poskytují dlouhodobé skladování energie, které je pro obnovitelné zdroje energie nezbytné

Zatímco inovacím v oblasti baterií je věnována velká pozornost, existuje jednoduchá a osvědčená technika dlouhodobého skladování, která se v USA používá již od 20. let 20. století. Nazývá se přečerpávací vodní úložiště energie. Jedná se o přečerpávání vody z jedné nádrže do druhé ve vyšší nadmořské výšce, kde se uskladňuje, a poté, když je potřeba energie, se voda vypustí, aby proudila dolů přes turbíny a cestou do nižší nádrže vyráběla elektřinu.

Přečerpávací vodní elektrárny jsou v USA často opomíjeny kvůli obavám z dopadu vodní energie na řeky. Mnoho lidí si však neuvědomuje, že většina nejlepších vodních nádrží se vůbec nenachází na řekách.

Vytvořili jsme světový atlas potenciálních lokalit pro uzavřené smyčkové přečerpávací vodní elektrárny – systémy, které nezahrnují řeky – a našli jsme 35 000 spárovaných lokalit v USA s dobrým potenciálem. Přestože se mnoho z těchto lokalit, které jsme lokalizovali pomocí satelitů, nachází v členitém terénu a mohou být nevhodné z geologických, hydrologických, ekonomických, environmentálních nebo sociálních důvodů, odhadujeme, že k podpoře 100% obnovitelného elektrického systému v USA je zapotřebí pouze několik stovek lokalit.

Analýza identifikovala 616 818 nízkonákladových úložišť přečerpávací vodní energie s uzavřeným okruhem mimo řeku s kombinovaným potenciálem skladování 23,1 milionu GWh. Kapacita je součtem akumulované energie z nepřekrývajících se párů zásobníků. Celková globální skladovací kapacita 23 milionů GWh je 300krát větší než světová průměrná výroba elektřiny 0,07 milionu GWh za den. Přečerpávací vodní zásobníky energie budou primárně využívány pro střednědobé skladování (hodiny až týdny) pro podporu variabilní výroby elektřiny z větrné a solární fotovoltaiky. Očekává se, že přečerpávací vodní elektrárny podporující systém, kterému dominuje solární fotovoltaika, budou cyklovat denně (~350 cyklů za rok), zatímco pro podporu typických větrných cyklů (50–100 cyklů za rok) může být zapotřebí skladování po dobu několika dnů až týdne. To naznačuje celkový požadavek na skladování v řádu 1 % roční poptávky po energii, což znamená, že pro podporu 100 % obnovitelné elektřiny je třeba vybudovat podstatně méně než 1 % míst v atlasu.

Matthew Stocks, Ryan Stocks, Bin Lu, Cheng Cheng, Andrew Blakers,
Global Atlas of Closed-Loop Pumped Hydro Energy Storage,
Joule, Volume 5, Issue 1, 2021, Pages 270-284, ISSN 2542-4351,
https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.11.015. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435120305596)

Proč větrná a solární energie potřebuje dlouhodobé skladování

Aby energetické sítě správně fungovaly, musí být schopny v reálném čase přizpůsobit dodávku vstupující elektřiny poptávce po elektřině, jinak hrozí její nedostatek a nebo přetížení. Existuje několik technik, které mohou správci sítí použít k udržení této rovnováhy s proměnlivými zdroji, jako je větrná a solární energie. Patří mezi ně sdílení energie v rozsáhlých regionech prostřednictvím mezistátních vysokonapěťových přenosových linek, řízení poptávky – a využívání skladování energie.

Baterie umístěné v domácnostech, elektrárnách a elektrických vozidlech jsou preferovány pro skladování energie po dobu až několika hodin. Jsou schopné řídit nárůst solární energie v poledne, kdy je slunce nad hlavou, a uvolňovat ji, když poptávka po elektřině vrcholí večer.

Přečerpávací vodní elektrárny naproti tomu umožňují větší a delší skladování než baterie, a to je v elektrizační soustavě s převahou větru a slunce nezbytné. Pro noční a dlouhodobé skladování jsou také levnější.

Přečerpávací vodní elektrárny mimo vodní toky

V roce 2021 bylo v USA v provozu 43 přečerpávacích vodních elektráren s celkovým výrobním výkonem přibližně 22 gigawattů a kapacitou pro skladování energie 553 gigawatthodin. Tvoří 93 % skladování energie v zemi. V celosvětovém měřítku je podíl přečerpávacích vodních elektráren na skladování energie ještě vyšší – přibližně 99 % objemu skladování energie.

Projekty přečerpávacích vodních elektráren mohou být kontroverzní, zejména pokud zahrnují přehrady na řekách, které zaplavují půdu za účelem vytvoření nových nádrží a mohou ovlivnit ekosystémy.

Vytváření uzavřených systémů, které místo řek využívají dvojice existujících jezer nebo nádrží, by se vyhnulo potřebě nových přehrad. Například projekt plánovaný v okrese Bell v Kentucky využívá starý uhelný důl. Kromě přenosových linek je potřeba jen málo další půdy.

Přečerpávací vodní systém mimo řeky se skládá z dvojice nádrží vzdálených od sebe několik mil s výškovým rozdílem 200-800 metrů a propojených potrubím nebo tunely. Nádrže mohou být nové nebo mohou využívat stará důlní díla či stávající jezera nebo nádrže. Za slunečných nebo větrných dnů se voda čerpá do horní nádrže. V noci voda proudí zpět dolů přes turbíny, aby se získala nahromaděná energie zpět.

Dvojice nádrží o rozloze 250 akrů = 1 km2 s výškovým rozdílem 600 metrů a hloubkou 20 metrů dokáže uložit 24 gigawatthodin energie, což znamená, že systém by mohl dodávat 1 gigawatt energie po dobu 24 hodin, což by stačilo pro milionové město.

Voda může kolovat mezi horní a dolní nádrží po dobu sta let nebo déle. Tlumiče odparu – malé předměty plovoucí na vodě, které zachycují vlhký vzduch – mohou pomoci snížit odpařování vody. Celkově je množství vody potřebné k zajištění 100% obnovitelného systému elektrické energie asi 3 litry na osobu a den, což odpovídá 20 sekundám ranní sprchy. To je jedna desetina vody, která se denně odpaří na osobu v chladicích systémech tepelných elektráren.

Skladování pro podporu 100% obnovitelných zdrojů energie

V posledních letech se v USA stavělo málo přečerpávacích elektráren, protože nebyly příliš potřeba, ale to se mění.

V roce 2020 tvořily přibližně tři čtvrtiny všech nově vybudovaných energetických kapacit solární fotovoltaika nebo větrná energie. Jejich náklady klesají, takže jejich výstavba je v mnoha oblastech levnější než výstavba fosilních paliv.

Austrálie instaluje solární a větrnou energii v přepočtu na obyvatele třikrát rychleji než USA a již nyní se potýká s potřebou hromadného skladování. Ve výstavbě jsou dva systémy, které mají mít větší kapacitu pro ukládání energie než všechny baterie pro veřejné služby na světě dohromady; o dalších tuctech se vážně uvažuje. Žádný z nich nezahrnuje nové přehrady na řekách. Roční provozní náklady jsou nízké a pracovní kapalinou je voda, nikoliv chemické látky v bateriích.

Přechod na obnovitelné zdroje energie a následná elektrifikace vozidel a vytápění mohou eliminovat většinu emisí skleníkových plynů způsobených lidskou činností. Spojené státy mají obrovský potenciál pro přečerpávací vodní elektrárny mimo řeky, které tomu napomohou, a budou ho potřebovat, protože se rozšíří větrná a solární energie.

Autoři:

Andrew Blakers
Profesor inženýrství, Australská národní univerzita

Bin Lu
Výzkumný pracovník, Australská národní univerzita

Matthew Stocks
Výzkumný pracovník, ANU College of Engineering and Computer Science, Australian National University