Budoucnost patří akumulátorům

V současné době existuje celá řada způsobů, jak energii uskladnit. Většina technologií se však s výjimkou lithiových článků v praxi často potýká s technickou nevyzrálostí a finanční náročností. Většina z nich navíc představuje zátěž pro životní prostředí.

Akumulátory na bázi lithia jsou v současné době nejpoužívanější. Existuje sice více druhů, nejvíce se však používají bateriové články typu li-ion. Jejich vývoj za poslední roky urazil velice dlouhou cestu. Ještě v roce 2011 technologii odborníci odmítali jako nezralou pro široké průmyslové využití. Dnes ji najdeme běžně v elektromobilech, slouží ale také jako zásobník energie pro mobilní telefony, notebooky i celé domácnosti či továrny. Velkokapacitní úložiště od Tesly, nedávno dokončené v Austrálii, funguje také na bázi li-ion.

Každý z článků baterie má pozitivní elektrodu z lithiové sloučeniny a negativní z vrstveného grafitového uhlíku. Elektrolyt tvoří lithiové soli z rozpuštěných organických uhličitanů. Při nabíjení přecházejí lithiové ionty z pozitivní na negativní elektrodu a ukládají se do vrstev uhlíku, při vybíjení se vracejí zpátky do krystalické struktury pozitivní elektrody.

Mezi hlavní výhody li-ion úložišť patří vysoká hustota energie, dlouhá životnost a nízká míra samovybíjení. Cena sice zůstává vysoká, ale dle Bloomberg New Energy Finance klesá ročně o 24 % a tento trend se pravděpodobně hned tak nezastaví. Stále se nicméně nedaří vyřešit problém s náchylností na přebíjení a podvybíjení. Pokud takto s baterií zacházíme, dochází k jejímu zničení.

Olovo je už mimo hru

Předchůdci lithiových baterií byly ty na bázi olova. Od té doby se staly nejrozšířenějším úložným systémem vůbec, ačkoli s původní technologií dnes mají společný snad jen olověný základ. Používají se nejvíce jako autobaterie, ale také v nemocnicích, bankách, na letištích apod. jako záložní zdroje. Vhodné jsou i pro ostrovní systémy v místech se špatným či žádným přístupem k rozvodné síti.

Akumulátor tvoří dvě olověné elektrody s přísadami (vápník, selen). Funkci elektrolytu plní kyselina sírová. Při nabíjení reaguje síran olovnatý a voda, na kladné katodě vzniká oxid olovičitý a na záporné olovo. Elektrolyt tím zhoustne. Při vybíjení se reakce obrátí: na elektrodách se ukládá síran olovnatý, vytváří se voda a elektrolyt řídne. Podle jeho hustoty snadno určíme míru momentálního nabití.

Za hlavní výhodu lze považovat poměr cena/výkon, který je nejlepší ze všech v praxi nasaditelných technologií. Spotřebitel ocení také spolehlivost, snadnou kontrolu míry nabití a zanedbatelné samovybíjení. Širší využití komplikuje poměrně nízká energetická hustota, krátké vybíjecí časy a snižování životnosti při vybití pod 20 %. Olovo navíc silně poškozuje přírodu, je tedy nutné tento typ úložišť důsledně recyklovat.

NiCd články nejsou ekologické

Nikl-kadmiový akumulátor vznikl roku 1899 a dlouhou dobu se používal jako univerzální napájecí zdroj. Funkci elektrolytu zde vykonává hydroxid draselný rozpuštěný ve vodě, kladná elektroda je z hydroxidu nikelnatého, záporná z hydroxidu kademnatého. To ale platí pouze ve vybitém stavu. Při nabíjení se totiž aktivní látka na kladné elektrodě mění z hydroxidu kademnatého na oxohydroxid nikelnatý. Zároveň se mění i záporná elektroda (hydroxid kademnatý) na kovové kadmium. Pokud je akumulátor přebíjen, elektrolyt se rozkládá.

Nikl-kadmiové baterie mají mnoho společného s těmi olověnými, částečně tedy sdílí i jejich výhody a nevýhody. Mezi klady patří vysoká energetická hustota a dlouhá životnost, dále možnost skladování ve vybitém stavu a odolnost proti přebití či vybití. Mezi zápory se řadí toxicita kadmia a paměťový efekt, který nastane, pokud baterii nevybijeme nebo nenabíjíme úplně. Akumulátor si stav "zapamatuje" a kapacita se zmenší, jak to známe u starých mobilních telefonů.

Pokud kadmium nahradíme kovovou slitinou, dostaneme NiMH akumulátor, který je sice o něco dražší, ale ekologičtější a při stejném objemu má větší kapacitu. V současnosti se však nejvíce nadějí klade do kombinace niklu a zinku, která stojí méně peněz než obě předešlé a znamená jen malou zátěž pro životní prostředí. Navíc téměř nepodléhá samovybití. Na druhou stranu problémem zatím zůstává malá životnost (okolo 800 nabití).

Vanadové průtokové systémy jsou zatím drahé

Novým a netradičním způsobem skladování energie jsou vanadové průtokové baterie. Poprvé je použili vědci ve Walesu roku 1986, ale sériově se vyrábějí až od konce devadesátých let. Nový prototyp přitom v roce 2016 objevili vědci z Plzně a Česká republika se stala v této oblasti nejvýznamnějším trhem střední a východní Evropy.

Průtokové baterie na rozdíl od výše zmíněných neukládají energii na elektrodě, ale v kladném a záporném elektrolytu, které se skladují odděleně v nádržích s kapalinou. Při nabíjení či vybíjení je pumpa žene do reaktoru, kde je odděluje iontoměničová membrána. Průtokem vzniká reakce, při níž se vytváří nebo ukládá elektrický proud. Celková kapacita systému je přímo úměrná množství elektrolytu umístěného v externím zásobníku.

Mezi výhody patří dlouhá životnost a nízká míra samovybíjení. Akumulátorům navíc nevadí dlouhodobé vybití. Na druhou stranu vanadové systémy trpí malou energetickou hustotou a pracují jen při teplotách 10−35 °C. Zatím nevyřešeným problémem zůstává nákladný servis.

Výroba vodíku je zatím nákladná

Elektřinu lze ukládat také výrobou vodíku pomocí elektrolýzy vody. Produkt elektrolýzy se skladuje ve spe­ciálních nádržích (je extrémně výbušný) a ve druhé fázi se po reakci s oxidem uhličitým přemění na metan. Tento krok se dá vypustit a jako palivo lze použít přímo vodík.

Masové zavádění prozatím komplikuje nízká účinnost při výrobě, která konverzi prodražuje. Jde navíc o velmi výbušný prvek. Exploduje téměř okamžitě po kontaktu s atmosférou, minimální únik by tedy znamenal katastrofu. Pokud ale o technologii bude zájem a jejímu vývoji se poskytnou dostatečné finance, problémy s vysokými náklady i technickou nedokonalostí se pravděpodobně podaří vyřešit. Tento úkol by mohly splnit palivové články, které přeměňují plyny jako vodík na elektřinu nebo teplo pomocí elektrochemické reakce. Ačkoli se jedná o metodu efektivnější než spalování, stále zůstává velmi nákladnou.

Článek byl publikován v komerční příloze Hospodářských novin a týdeníku Ekonom.