Snaha nahradit fosilní paliva alternativními zdroji energie nevyplývá jen z obav o životní prostředí: zásoby plynu i ropy ubývají, jsou na planetě rozmístěné nerovnoměrně a stávají se nástrojem politického vydírání. Teoreticky je energie ze slunce, větru a dalších obnovitelných zdrojů k dispozici více, než potřebujeme, ale prakticky ne tehdy a tam, kde potřebujeme. Jenže politické rozhodnutí prosadit zelené energie poněkud předběhlo technologický vývoj, protože chybí ekonomicky efektivní technologie pro skladování energie. Podle odhadů agentury Bloomberg bude mít světový trh skladování energie do roku 2040 objem 620 miliard dolarů, a tak zbývá jen maličkost. Vymyslet, jak to dělat.
Problémové akumulátory
Někteří výrobci už dnes nabízejí pro akumulaci elektrické energie systémy složené z lithium‑iontových (li‑ion) článků, které momentálně představují nejvýkonnější akumulátory na trhu. Jde jak o velké průmyslové baterie pro větrné nebo fotovoltaické farmy, tak i skromnější systémy pro obytné domy a malé firmy. Příkladem těch druhých může být PowerWall Elona Muska s kapacitou až 10 kilowatthodin, určený pro „zelené“ domácnosti vybavené ostrovním systémem (fotovoltaickými panely, větrným generátorem atd.), díky němuž jsou nezávislé na rozvodné síti. PowerWall se nabíjí z alternativních zdrojů, když svítí slunce nebo fouká vítr, a zásobuje dům, když je o zelenou energii nouze. Jenže verze s kapacitou 10 kilowatthodin stojí 3500 dolarů (momentálně asi 75 600 Kč), takže návratnost je v nedohlednu i při rostoucích cenách elektřiny.
Ve skutečnosti je to ještě horší: energetická hustota lithium‑iontových akumulátorů na trhu (okolo 250 watthodin na kilogram) není žádný zázrak, mají malou životnost a vydrží omezený počet nabíjecích cyklů. Kromě toho jsou citlivé na chyby při nabíjení (někdy až tak, že vzplanou) a jejich kapacita klesá při nízkých teplotách. A aby nebylo problémů dost, jsou zdroje lithia na planetě rozdělené nerovnoměrně a jeho získávání je energeticky náročné. Vědci sice pracují na článcích s lepšími parametry, do praktického využití však mají daleko.
Jinou dnes používanou technologii ukládání energie představují přečerpávací elektrárny, které jsou ovšem extrémně drahé, negativně zasahují do životního prostředí a nejde je stavět všude. Někteří konstruktéři a podnikatelé se proto zaměřují na méně tradiční způsoby ukládání energie. Leckdy sice působí dojmem, že jejich otcem byl Jára Cimrman, ale teprve budoucnost ukáže, kudy vede cesta.
S energií do ostravských šachet
Pokusy s jedním takovým neortodoxním řešením ukládání energie se odehrávají v ostravských dolech. Skotský start‑up Gravitricity pracuje na vývoji systému, v němž se elektřina mění na potenciální energii (energii polohy) těžkých závaží. Konkrétně to vypadá tak, že když je elektřiny přebytek, elektrický naviják vytáhne závaží do výšky. Když je pak elektřina zase potřeba, klesající závaží roztočí dynamo nebo generátor. Proces má řadu výhod: není nutné vyvíjet žádné nové technologie, není drahý a postup lze spustit kdykoliv, třeba i mnohokrát za den, aniž by s časem klesal výkon.
Firma Gravitricity už úspěšně vyzkoušela experimentální věž vysokou 16 metrů ve skotském přístavu Leith, jenže aby získala smysluplnou kapacitu, musela by být vysoká stovky metrů – a to už by bylo drahé. Konstruktéry ale napadlo, že by šlo problém doslova obrátit na hlavu, a místo věží se začali zajímat o opuštěné důlní šachty. Těch je ve Skotsku sice hodně, tamní úřady ale pro jejich energetické využití neměly pochopení. V Ostravě byli vstřícnější, a tak se Gravitricity přestěhovala do Česka k uzavřenému Dolu Paskov, jehož nejhlubší jáma má dno 1155 metrů pod povrchem.
Skotský start‑up chce v Dole Paskov vybudovat systém s několika závažími o celkové hmotnosti až 12 tisíc tun. Podle tvrzení šéfa společnosti Charlese Blaira by mohl zásobovat až 63 tisíc domů více než hodinu a řešit tak případné blackouty nebo vypomáhat při energetických špičkách. Podobné systémy by také mohly být součástí konstrukce mrakodrapů. I tak ale nebudou moci být všude, navíc zatím není příliš jasná energetická účinnost, investiční a provozní náklady a ekonomická efektivnost.
Úložiště v moři
Šachty a mrakodrapy nejsou všude, hledají se proto i jiné cesty. V přímořských oblastech a na ostrovech zkouší několik společností postavit princip akumulační věže vzhůru nohama. Jde o systémy BEST (Buoyancy Energy Storage Technology), kdy místo závaží klesajícího dolů roztáčí dynamo plovák stoupající k hladině od kotvy upevněné na mořském dně. Jinak to ale funguje úplně stejně: při přebytku elektřiny stahuje naviják poháněný elektromotorem plovák ke kotvě do mořské hlubiny; když je takto uložená energie potřeba, změní se motor v dynamo roztáčené plovákem stoupajícím k hladině.
Odborníci z Mezinárodního institutu pro aplikovanou systémovou analýzu (IIASA) vypočítali, že zatímco u akumulátorových úložišť z lithiových článků se dnes náklady na jednu kilowatthodinu pohybují okolo 150 dolarů, technologie BEST je může srazit na 50 až 100 dolarů. Nejlepší šanci na uplatnění mají zejména jako součást větrných farem stavěných na mořském pobřeží nebo přímo v moři. Julian Hunt z IIASA ale upozorňuje, že akumulátorové úložiště nenahradí, protože – na rozdíl od nich – pomalu nabíhají na vysoký výkon. Proto bude nutné oba systémy kombinovat.
Jelikož plováky musí být dost objemné, lze efektivnost systému zvýšit tak, že se do nich vhání vzduch nebo vodík kompresory poháněnými z energetických přebytků. Když je energie zase potřeba, roztáčí stlačený plyn dynama. Současně i sám uskladněný vodík vyrobený pomocí přebytků energie z alternativních zdrojů představuje uloženou energii.
Ale nejen to: vodík by mohla tato přebytečná energie vyrábět z vody přímo na mořském dně. Nebylo by ho nutné stlačovat kompresory, protože by volně stoupal do zásobníků otevřených na spodní straně (na způsob potápěčských zvonů) a byl by od počátku stlačený díky hydrostatickému tlaku v hloubce. BEST doplněný výrobou a skladováním vodíku by sice vyžadoval výrazně vyšší investiční náklady, přesto ale ne tak vysoké, jako kdyby se pro
stlačování vodíku používaly drahé kompresory. Jeho provoz by byl mnohem efektivnější, přičemž účinnost systému by se blížila 90 procentům.
Jeskyně místo baterií
Zoufat nemusejí ani země, které nedisponují hlubokými šachtami opuštěných dolů nebo mořským pobřežím. Jednou z cest je ukládání přebytečné energie stlačováním plynů nebo jejich zkapalňováním do rozměrných zásobníků, nejlépe podzemních, jako jsou přírodní jeskyně nebo lidmi vytěžená ložiska. Pokud jde pouze o stlačování, nazývá se metoda CAES (Compressed Air Energy Storage), v případě zkapalňování jde o LAES (Liquid Air Energy Storage). Pro stlačování a zkapalňování se používá přebytečná elektřina, pro její výrobu v časech potřeby rozpínající se plyn roztáčí dynama nebo generátory.
Problémem tohoto způsobu ukládání energie je, že plyn se stlačováním zahřívá a toto teplo je nutné odvádět pryč. Naopak ve fázi výroby energie je nutné rozpínající se vzduch zase ohřívat, jinak by zařízení zamrzlo. To snižuje účinnost procesu na pouhých 40 až 50 procent. Společnost Siemens proto vyvinula systém, který při stlačování teplo odvádí do tepelného zásobníku (tzv. adiabatic CAES), z něhož se ve fázi výroby energie zase odebírá pro ohřívání plynu.
Stáhněte si přílohu v PDF
Al Hyeng z Ohio State University se svým týmem zase rozpracoval metodu, při níž se teplo uvolňované při stlačování vzduchu ukládá termochemickou cestou do vhodné látky obklopující chlazení kompresoru (například oxid baria). Dochází přitom k oxidačně‑redukčním reakcím zachycujícím teplo pro pozdější ohřátí vzduchu, díky nimž se podařilo zvýšit účinnost ukládání energie na 60 procent a dobu udržení tepla na 20 hodin.
Jinou možností ukládání nevyužité energie jsou setrvačníky. Jde o válce či disky s velkou hmotností, které roztočí elektromotor do vysokých otáček, aby v případě potřeby poháněly generátory. Zatím se používaly spíš ve výzkumných laboratořích nebo v jiných speciálních aplikacích, kdy je potřeba na krátkou dobu získat vysoký výkon. Některé firmy testují jejich nasazení u větrných generátorů v Kalifornii.
Výhodou mechanických a chemických úložišť je to, že není třeba vyvíjet nic zásadně nového a mohou se v energetice uplatnit v poměrně krátké době. Oproti akumulátorům však jsou většinou složitější, méně účinná, náročnější na prostor, instalaci, údržbu a investice. Ve vzdálenější perspektivě se dá předpokládat, podaří‑li se vyvinout elektrické články vyhovujících parametrů, stanou se mechanická a chemická úložiště spíše jejich doplňkem.
Článek byl publikován ve speciální příloze HN Chemický průmysl.
