Ukladanie energie

Ukladanie energie je akumulácia energie vo forme ktorú je možné neskôr čerpať na vykonávanie práce. Zariadenie, ktoré ukladá energiu sa nazýva akumulátor. Energia sa ukladá buď vo forme potenciálnej energia (gravitácia), chemickej energie, kinetickej energie, termálnej energie alebo elektrickej energie. Naťahovacie hodinky ukladajú potenciálnu energiu (mechanickú energiu) v napätí pružiny, batéria ukladá ľahko konvertovateľnú chemickú energiu, prečerpávacia vodná elektráreň ukladá energiu v rezervoároch s vodou vo forme gravitačnej potenciálnej energie. Dokonca aj jedlo je príkladom uloženia energie, v tomto prípade chemickej.

História

Ukladanie energie ako prirodzený proces je staré ako vesmír sám – energia, ktorá sa vyvinula pri vzniku vesmíru sa uložila vo hviezdach ako je Slnko, a je dnes používaná ľudstvom buď priamo (napr. prostredníctvom solárneho vykurovania) alebo nepriamo (napr. pestovaním plodín alebo premenou na elektrickú energiu v solárnych termoelektrických článkoch). Systémy na ukladanie energie, ktoré sú komerčne využívané sa môžu približne rozdeliť na mechanické, elektrické, chemické, biologické, tepelné a jadrové.
Ukladanie energie, ako cieľavedomá činnosť, existovalo už v dávnej minulosti. Príklad úmyselného ukladania mechanickej energie je používanie brvien a skál ako defenzívnych prostriedkov na starovekých bojových frontoch – brvná alebo skaly boli nazhromaždené na vrchu hory alebo steny a energia (vyvinutá ľuďmi pri vynášaní skál), ktorá sa týmto uložila, sa využívala na útok na votrelcov, ktorý sa dostali do dosahu.
Nedávny príklad aplikácie je riadenie vodných tokov s cieľom poháňať vodný mlyn na spracúvanie obilia alebo poháňať mechanické stroje. Na hromadenie a vypúšťanie vody (a potenciálnej energie, ktorá bola v nej uložená) boli budované komplexné systémy rezervoárov a priehrad kedykoľvek a kdekoľvek to bolo potrebné.
Ukladanie energie sa stalo dominantným faktorom rozvoja ekonomiky s rozsiahlym zavádzaním elektriny a rafinovaných chemických palív ako benzín, petrolej a zemný plyn koncom 18. storočia. Na rozdiel od iných bežných druhov uloženej energie používaných v minulosti (ako drevo či uhlie), elektrina musí byť používaná vtedy, keď je generovaná a nemôže byť uložená v ničom inom ako inej forme energie. Elektrina je prenášaná v uzavretom okruhu a pre praktické aplikácie nemôže byť uložená ako elektrická energia. To znamená, že so zmenami v dopyte sa nedá vysporiadať bez odpájania spotrebiteľov alebo bez vytvorenia technického zariadenia na akumuláciu elektrickej energie v inej forme.
Počiatočné riešenie problému ukladania energie pre elektrotechnické účely bolo vynájdenie batérie ako elektrochemického zariadenia na ukladanie energie. Ale batérie mali len limitované uplatnenie v elektrických silových systémoch z dôvodu malej kapacity a vysokej ceny. Podobným riešením (s podobným obmedzením) je kondenzátor.
Chemické palivá sa stali dominantnou formou ukladanie energie v oblasti generovania elektriny a prenosu energie. Bežne používané chemické palivá sú uhlie, benzín, nafta, zemný plyn, LPG, propán, bután, etanol, bionafta a vodík. V týchto palivách je akumulovaná pretransformovaná tepelná energia slnka. 
Všetky tieto chemické zdroje sú jednoducho konvertovateľné na mechanickú energiu a potom na elektrickú energiu použitím tepelným motorov (turbíny alebo iné motory s vnútorným spaľovaním, boilery alebo iné motory s externým spaľovaním). Generátory poháňané tepelnými motormi sú veľmi univerzálne, veľkostne existujú od malých strojov s výkonom niekoľko kW až po továrenské bloky s výkonom stoviek MW.
Elektrochemické zariadenia nazývané palivové články boli vynájdené približne v rovnakom období ako batérie. Ale z mnohých dôvodov neboli palivové články rozvíjané až do doby prvých vesmírnych letov s ľudskou posádkou (program Gemini), kedy vznikla požiadavka na ľahký, netepelný (a teda efektívny) zdroj energie potrebný pre raketoplány. Vývoj palivových článkov sa posilnil v posledných rokoch s cieľom zvýšiť účinnosť prevodu chemickej energie uloženej v uhľovodíkových alebo vodíkových palivách na elektrónu.
V dnešnej dobe sú tekuté uhľovodíkové palivá dominantnou formou energie pre dopravu. Nanešťastie tieto palivá majú obmedzený objem a mimo toho produkujú skleníkové plyny pri spaľovaní, keď sa používajú napríklad na pohon osobných či nákladných áut, vlakov, lodí alebo lietadiel. Bezuhoľnaté nosiče energie ako vodík alebo niektoré formy etanolu alebo bionafty, ktoré sú neutrálne, sa rozvíjajú ako odpoveď na obavy z dôsledkov emisie skleníkových plynov.
Niektoré časti sveta (Washington a Oregon v USA a Wales v Británii sú príkladom) použili geografické útvary na uloženie veľkých množstiev vody vo vyvýšených rezervoároch, pričom používajú prebytkovú energiu v dobe malej spotreby na pumpovanie vody do týchto rezervoárov, a potom v dobe špičiek dopytu nechávajú túto vodu pretekať cez turbínu, aby získali energiu v nej uloženú (princíp prečerpávacej vodnej elektrárne).
Mnohé iné technológie, ako zotrvačníky a skladovanie stlačeného vzduchu v podzemných tuneloch boli tiež skúmané, ale do dnešnej doby sa komerčne nepoužilo žiadne z týchto riešení problému ukladania energie.

Ukladanie energie z elektrizačnej sústavy

Ukladanie energie z elektrizačnej sústavy umožňuje výrobcom elektrickej energie prenášať prebytočnú elektrickú energiu cez elektrizačnú sústavu na miesta prechodného uskladnenia, ktoré sa stávajú producentmi elektrickej energie v dobách vyššieho dopytu. Ukladanie energie z elektrizačnej sústavy je dôležité pri vyrovnávaní dopytu a dodávky počas 24-hodinovej periódy.

Vodík

Vodík je nosičom chemickej energie, podobne ako benzín, etanol alebo zemný plyn. Unikátnou charakteristikou vodíku je, že je to jediný chemický nositeľ energie, ktorý negeneruje škodlivé emisie pri spaľovaní. Vodík je priemyselne široko používaná chemický prvok, ktorý môže byť vyrábaný z ľubovolného primárneho zdroja energie. Väčšina svetovej produkcie vzniká tepelnou reformáciou zemného plynu (metánu) na vodík, ktorý je hneď používaný na rafináciu ropy na benzín a podobne. Oxid uhličitý produkovaný pri procese reformácie je buď zachytávaný a spracúvaný na tekutú formu alebo vypúšťaný do atmosféry. Pretože je vodík produkovaný a distribuovaný v takých veľkých množstvách, je technológia potrebná na pokrytie veľkoobchodu a maloobchodu s energiou overená, spoľahlivá a komerčne dostupná.
Vodík môže byť použitý ako palivo pre všetky typy spaľovacích motorov. Tepelné motory poháňané vodíkom môžu byť optimalizované na väčšiu termodynamickú účinnosť ako bežné tepelné motory používajúce uhľovodíkové palivá. Zvýšená termodynamická účinnosť a znížené znečisťovanie by boli veľkým prínosom, ale zatiaľ tieto motory nie sú produkované vo veľkých množstvách pretože vodík stále nie je priemyselne dostupný.
Dostatočne čistý vodík môže byť tiež použitý v elektrochemických motoroch ako napríklad palivový článok PEM (proton exchange engine). Vodíkové palivové články môžu byť efektívnejšie ako tepelné motory poháňané vodíkom a teda aj omnoho efektívnejšie ako tepelné motory poháňané uhľovodíkovým palivom. Tieto palivové články taktiež nemajú takmer žiadne emisie. Mnoho spoločností sa snaží o vývoj spoľahlivých a lacných PEM palivových článkov. Ale návrhy nie sú dostatočne vyvinuté na to, aby ich bolo možné produkovať vo veľkých množstvách. Limitované množstvá, ktoré je možné kúpiť sú ručne vyrábané a teda omnoho nákladnejšie ako bežné spaľovacie motory.
Produkcia vodíku v množstvách potrebných na nahradenie existujúcich uhľovodíkových palív nie je možná. Takáto produkcia by vyžadovala viac energia ako sa v súčasnosti používa a boli by potrebné veľké investície do tovární na výrobu vodíka. Práve kvôli týmto vysokým nákladom doteraz vodík nie je bežne používaný. Ak by bola do trhových cien uhľovodíkových palív premietnutá cena produkcie skleníkových plynov, mohol by sa vodík stať komerčne atraktívny, poskytujúc čistú, efektívnu energiu pre domácnosti, spoločnosti a dopravné prostriedky.
Nevýhodou vodíku je nízka energetická hustota v porovnaní s tradičnými uhľovodíkovými palivami, čo sa premieta v množstve spotrebovaného paliva pri ekvivalentnom výkone. Pri mnohých metódach výroby vodíku je pomerne veľká strata energie počas výroby. Niektoré iné metódy sú efektívnejšie (napr. elektrolytická výroba vodíku z vody).

Biopalivá

Mnohé biopalivá ako napríklad bionafta, čisté rastlinné oleje, alkoholové palivá alebo biomasa môžu byť použité ako náhrada uhľovodíkových palív. Mnohé chemické procesy môžu previesť uhlík a vodík v uhlí, zemnom plyne a organickej biomase na krátke uhľovodíky vhodné ako náhrada za existujúce uhľovodíkové palivá. Tento zdroj nafty sa používal v Nemecku počas 2. svetovej vojny kvôli nedostupnosti ropy. V súčasnosti Severná Afrika produkuje väčšinu spotrebovanej nafty z uhlia z podobných dôvodov. Dlhodobá cena ropy nad 35 USD môže urobiť takéto syntetické palivá ekonomicky výhodnými pre široké použitie. Časť energie uloženej v pôvodnom zdroji je pri procese konverzie stratená. Uhlie bolo v minulosti používané v doprave bežne v parných motoroch. Stlačený zemný plyn sa tiež používa v špeciálnych prípadoch najmä vo verejnej doprave.

Syntetické uhľovodíkové palivo

Oxid uhličitý obsiahnutý v atmosfére bol experimentálne konvertovaný na uhľovodíkové palivo s použitím energie z iného zdroja. Aby tento proces bol priemyselne použiteľný, musela by pravdepodobne použitá energie pochádzať zo slnečného žiarenia s použitím možnej technológie umelej fotosyntézy. Iným alternatývnym zdrojom energie je elektrina alebo teplo zo solárnej energie alebo jadrovej energie. V porovnaní s vodíkom má väčšina uhľovodíkových palív výhodu v tom, že môžu byť použité v existujúcich motoroch a existujúcej infraštruktúre distribúcie palív. Výroba syntetických uhľovodíkových palív redukuje množstvo oxidu uhličitého v atmosfére do doby keď je palivo spálené, kedy sa rovnaké množstvo oxidu uhličitého vráti do atmosféry. Ak by došlo k masovému rozšíreniu tejto technológie, mohol by tento prístup pomôcť zmierniť z dlhodobého hľadiska nežiaduci vplyv skleníkových plynov.

Bór, kremík a zinok

Bór, kremík a zinok boli navrhované ako riešenia ukladanie energie.

Mechanické uloženie

Energia môže byť uložená vo vode, ktorá je pumpovaná na vyvýšené miesta, alebo v stlačenom vzduchu, či v točiacich sa zotrvačníkoch, ale mechanické metódy ukladania energie sú pri širokom použití nákladné a systémy na pumpovanie vody si vyžadujú značné finančné investície. Mnohé spoločnosti urobili predbežné návrhy dopravných prostriedkov využívajúcich stlačený vzduch.

Prerušovaný výkon

Mnohé obnoviteľné zdroje energie majú prerušovaný/nestály výkon (napríklad energia získavaná z vetra kolísa podľa rýchlosti vetra). Iné generátory v elektrizačnej sústave môžu byť použité na vyrovnanie meniacej sa produkcie z obnoviteľných zdrojov, ale väčšina existujúcej kapacity generátorov sa už používa na vyrovnávanie meniacej sa spotreby energie. Ďalší vývoj v oblasti výroby energie z obnoviteľných zdrojov s nestálym výkonom si bude vyžadovať určitú kombináciu ukladania energie z elektrizačnej sústavy, odozvy spotreby a okamžitej ceny. Množstvo energie z obnoviteľných zdrojov s nestálym výkon je bez týchto opatrení obmedzené na 20 – 30 % z celkovej energie dodávanej do elektrizačnej sústavy. Ak sú manažované straty a ceny prepravy elektriny, potom zdroje s nestálym výkonom pripojené v rôznych miestach elektrizačnej sústavy môžu zvýšiť celkovú spoľahlivosť elektrizačnej sústavy.
Obnoviteľné zdroje energie so stálym výkonom sú napríklad hydroelektrická energia (prečerpávacie vodné elektrárne), geotermálna energia, energia prílivu, energetické veže, využitie tepelnej energie oceánov, biopalivá a podobne. Solárne fotoelektrické články, i keď technicky nestálo, produkujú značné množstvo elektrickej energie počas špičkových periód odberu energie (napr. počas dna keď je najvyšší odber, sú najviac osvetlené) a teda redukujú potrebu výroby špičkovej energie. Ale v niektorých oblastiach je tento obnoviteľný zdroj značne nespoľahlivý, pretože je závislý od počasia.
Na strane dopytu, programy odozvy spotreby, ktoré posielajú signály o trhovom ocenení zákazníkom (alebo svojim zariadeniam) môžu byť veľmi efektívny spôsob ako zvládnuť výkyvy v spotrebe energie. Napríklad továreň produkujúca vodík, ktorá je poháňaná elektrickou energiou môže byť nastavená tak, že keď sa produkuje viac elektrickej energie ako je dopyt (a teda ceny elektrickej energie budú nižšie) zvýši svoju produkciu a naopak, ohrievače horúcej vody môžu byť nastavené tak, aby znížili teplotu keď je dopyt vysoký (a teda aj cena).