Portugalsko zahájilo první aukci na právo instalovat plovoucí solární parky na vodách sedmi přehrad v zemi s celkovou výrobní kapacitou 263 megawattů.

Plovoucí fotovoltaické panely se testují po celém světě. Portugalský ministr pro energetiku Joao Galamba pro agenturu Reuters uvedl, že tato technologie má nejen výhody pro životní prostředí, ale je také energeticky účinnější. Často doplňují výrobu elektřiny ve vodních elektrárnách, znovu využívají stávající zařízení a zabraňují využívání dalších pozemků.

Aukce bude standardní: o výběru vítězů rozhodující cena, za kterou se uchazeči zaváží vyrobenou energii prodávat.

Portugalsko plánuje instalovat solární parky o výkonu až 100 MW na vodách jižní přehrady Alqueva, největšího umělého jezera v západní Evropě, a také 50 MW na přehradě Castelo de Bode, která se nachází v centrální oblasti země. Podle Galamby budou plovoucí solární parky Alqueva a Castelo de Bode největší z celkem sedmi projektů, které by měly být uvedeny do provozu do roku 2023.

Největší portugalská energetická společnost EDP se na rozšíření tohoto druhu obnovitelné energie připravuje a v roce 2017 instalovala pilotní plovoucí solární elektrárnu na přehradě Alto Rabagao, aby technologii otestovala. Instalace s 840 panely nemá valný energetický smysl, jde pouze o experimentální zařízení.

“Jsme si jisti, že o tuto aukci bude obrovský zájem,” řekl pro Reuters Galamba a dodal, že zájemci musí své nabídky předložit do 4. dubna, aby 19. dubna mohlo být přijato konečné rozhodnutí.

Portugalsko uspořádalo v letech 2019 a 2020 dvě aukce pro solární parky na pevnině. V obou případech bylo dosaženo velmi nízkých cen: méně než 300 korun za megawatthodinu (MWh). Tak nízko ovšem cena klesla díky kombinaci faktorů, neodráží skutečnou cenu fotovoltaických elektráren v této chvíli.

Kontrakt byl uzavřen na 15 let a firmy počítají s odloženou návratností po několika letech. Některé velké subjekty – například vítěz jednoho kola, korejská společnost Hanwha Q-Cells, nízkými cenami dává najevo, že se chce na iberijském trhu udržet dlouhodobě.

Zelený sen

Portugalsko, které je celoročně zalité sluncem a omýváno Atlantským oceánem, je mnohými odborníky a analytiky v oblasti obnovitelných zdrojů energie považováno za ideální místo pro získávání energie z koktejlu přírodních zdrojů: slunce, větru a vody.

Solární parky a větrné turbíny se staly součástí portugalské krajiny již před lety, ale přestože přibližně 70 % vyrobené elektřiny pochází z obnovitelných zdrojů, země je stále závislá na dovozu fosilních paliv, aby uspokojila své energetické potřeby.

Portugalsko zkoumá inovativní způsoby, jak zvýšit využití obnovitelných zdrojů energie, od kolosální větrné farmy plovoucí uprostřed rozbouřených vln oceánu až po stovky solárních panelů na hladině přehradní nádrže.

Nemylme se – zatím jsou podobné novinky příliš drahé. Průkopníci typu Portugalska a portugalských zkušeností mohou mít náskok, až náklady klesnou na konkurenceschopnoou úroveň.

Evropa se potýká s prudkým nárůstem cen elektřiny v důsledku své závislosti na využití zemního plynu, který celosvětově zdražuje. Přesto se Portugalsko – kde se téměř 20 % obyvatelstva potýká s nějakou formou energetické chudoby – se nevzdává svého “zeleného” snu. Plovoucí elektrárny by v tom mohly sehrát svou roli.

Další soutěžící

Vývoj plovoucích fotovoltaických elektráren není samozřejmě omezen na Portugalsko. Výhody by měly být stejné všude: elektrárny by nevyužívaly jinak využitelnou plochu, v horkém klimatu by se díky tomu mohly panely chladit a tedy fungovat efektivněji. A podle některých by panely mohly snižovat i výpar vody z nádrží.

Celkem pochopitelně se pokusy v tomto směru zaměřují dnes především na oblasti s nejvhodnějšími podmínkami. Nedávno jsme například psali o zahájení komerčního provozu plovoucí solární elektrárny v Albánii. Za projektem stojí výrobce obnovitelné energie Statkraft ve spolupráci s norským dodavatelem Ocean Sun.

Zařízení “plove” na vodní nádrži Banja, kde společnost Statkraft provozuje elektrárnu Banja o výkonu 72 MW. Tvoří ji 1 536 solárních panelů, které mají dohromady instalovaný výkon 0,5 MWp z plochy téměř čtyř tisíc metrů čtverečních. Součástí projektu je porovnání výkonů s menší elektrárnou (160 stejných panelů) na souši. V uplynulých týdnech se měl k první plovoucí jednotce přidal tři další s celkovým dodatečným výkonem 1,5 MWp.

Plovoucí elektrárna na albánské přehradní nádrží Banja (foto Statkraft)
Plovoucí elektrárna na albánské přehradní nádrží Banja (foto Statkraft)

Projekt využívá patentovanou membránovou technologii společnosti Ocean Sun, která je určena pro dobře chráněné a klidné vodní plochy, jako jsou jezera, fjordy ńebo vodní nádrže. Solární moduly jsou namontovány na hydroelastických membránách, které údajně nabízejí proti jiným řešením výhody v ceně i výkonu. Systém tvoří disková plovoucí platforma ukotvené ke dnu pomocí čtyř kotevních bodů a dvanácti lan.

Design je do značné míry inspirován zkušenostmi s velkochovem ryb v moři. “Rozdíl oproti rybí farmě spočívá v tom, že pod kruhem nejsou žádné klece pro ryby, takže hmotnosti systému je soustředěna na hladině, kde jsou rozmístěny moduly,” řekl před časem pro web PV-Magazine šéf firmy Sun Ocean Børge Bjørneklett.

Každá jednotka se skládá z plovoucího prstence potaženého tenkou membránou z polyetylenu s vysokou hustotou (HDPE). Přestože je membrána silná jen několik milimetrů, snadno unese jak váhu solárních panelů, tak váhu personálu provádějícího instalaci nebo údržbu.

Díky tomu, že membrána je tak tenká, mohou být panely podle společnosti mohou účinně chladit od vody z vodní plochy pod nimi. To by logicky mělo zvyšovat účinnost panelů především v parných dnech. Šéf společnosti Ocean Sun neuvedl podrobnosti o chemickém složení použitého materiálu, který označil za umělý polymer.

Uvedl, že membrána by mohla pojmout přibližně 600 kW výrobní kapacity fotovoltaického modulu, přičemž velikostní limit závisí na tom, že jedna membrána zabere celý 40stopý kontejner a větší membrány zatím nelze do zámoří přepravovat. “Když vyvíjíme projekty o velikosti megawattů, jsou rozděleny na dílčí jednotky o výkonu 600 kW, přičemž každou jednotku představuje jeden vztlakový kruh,” řekl Bjørneklett.

Lithium-iontové baterie spustila věk elektroniky do kapsy, a elektromobilů. Od svého uvedení na trh před třemi desetiletími naprosto radikálně zlevnily. Ale proč?

Když se dnes mluví o bateriích, často se opakuje, že jsou stále příliš drahé. Ovšem na začátku 90. let, kdy se na trhu poprvé objevily dnes dominantní “li-onky”, byly přímo nekřesťanské drahy. Více než třicekrát dražší dnes. Podle nedávné studie totiž cena lithiových akumulátorů za poslední tři desítky let klesla zhruba o 97 procent. Co za tímto rychlým poklesem cen stálo?

Na to se pokusila odpovědět v nové práci skupina odborníků z MIT. Podle nich byly zdaleka nejsilnějším faktorem úspěšné investice do výzkumu a vývoj, zejména v oblasti chemie a materiálových věd.

Jejich přínos byl větší než úspory z rozsahu – tedy úspory dané tím, že se baterie začaly vyrábět skutečně ve velkém v optimalizovaných závodech (ovšem úspory z rozsahu přispěly ke snížení cen druhým největším dílem). Nová zjištění byla zveřejněna v článku, který vydal odborný časopis Energy and Environmental Science.

Zjištění by mohlo údajně pomoci i při dalším plánovaní firem i států v této oblasti. Profesorka Jessika Tranciková (skutečně se píše s “k”) se nechala slyšet, že i další výhledy jsou poměrně optimistické, alespoň tedy podle analýzy, kterou udělal její tým. V technologii elektrochemických baterií jsou prý stále ještě značné rezervy a tedy prostor pro další pokles cen.

Jak na to

Podobné cenové analýzy bývají obtížné, protože většina relevantních informací se skládá z přísně chráněných obchodních údajů. “Prošli jsme akademické články, průmyslové a vládní zprávy, tiskové zprávy a specifikační listy. Dokonce jsme se podívali na některá právní podání. Museli jsme dát dohromady data z mnoha různých zdrojů, abychom získali představu o tom, co se v oboru vlastně děje,” příblížil práci týmu Micah Ziegler z MIT v tiskové zprávě.

Říká, že tým nakonec shromáždil “přibližně 15 tisíc kvalitativních a kvantitativních datových bodů v tisícovke záznamů (zpráva, dokumentů. článků atp.). Podle týmu byly nejméně spolehlivé (a také nejhůře dostupné) údaje z prvních let po uvedení tohoto typu baterií na trh. Nejistoty dokáže potlačit porovnání různých zdrojů dat ze stejného období, ale pouze do jisté míry.

Mnoho týmů, mnoho přístupů

Nakonec autoři dospěli k závěru, že více než polovina z celkového poklesu ceny je důsledek úspěšného výzkumu a vývoje. Tam autoři zahrnuli veškerý výzkum a vývoj bez ohledu na zdroj a formu financování: patří tam R&D v soukromém sektoru, tak ve státních či veřejně financovaných institucích. Dritvá část tohoto poklesu nákladů v rámci této kategorie výzkumu a vývoje byla důsledek pokroku v chemickém a materiálovém výzkumu.

To není samozřejmě. Odobrníci se pokoušeli v minulosti přistupovat v k problému z různých úhlů a různých stran. Vylepšovala se konstrukce samotných bateriových článků, výrobní zařízení a postupy, docházelo (a dochází) k neustálé optimalizaci dodavatelských řetězců atd.

První "gigatovárna": závod společností Tesla a Panasonic v Nevadě (kredit Tesla)
První “gigatovárna”: závod společností Tesla a Panasonic v Nevadě (kredit Tesla)

Byť za práci na vývoj lithiových baterií byla v roce 2019 oceněna Nobelovým výborem trojice vědců (více o nich v boxu na konci článku), inovace vedoucí k pokles ceny nejsou podle autorů nové studie dílem jednotlivců. Podle nich jde o plod dlouholetého úsilí mnoha lidí a mnoha týmů z různých pracovišť.

Z hlediska strategie podpory výzkumu a vývoje je zajímavé i to, že pokles ceny byl z velké části výsledkem investic realizovaných až po komercializaci technologie lithium-iontových baterií. Tedy ve fázi, kdy se někteří analytici domnívali, že přínos výzkumu bude méně významný. Ve skutečnosti hrál ovšem tento vliv ve snížování ceny hlavní vliv ještě téměř čtvrt století po uvedení baterií na trh.

Nejen pro baterie

Studie využila analytický přístup, který Tranciková a její tým původně vyvinuli pro analýzu podobně prudkého poklesu nákladů na výrobu křemíkových solárních panelů v posledních několika desetiletích. A využili ho také k analýze růstu nákladů na jadernou elektrárny ve Spojených státech. “Naše práce míří k pochopení základním mechanismům technologických změn,” říká Tranciková.

Jednou z výhod metodiky, kterou Tranciková a její kolegové vyvinuli, je podle ní to, že pomáhá roztřídit relativní význam různých faktorů, když se mění mnoho proměnných najednou – právě to se totiž obvykle při zdokonalování technologií děje. “Nejde o prosté sečtení vlivu těchto proměnných na náklady,” vysvětluje Tranciková, “protože mnoho z těchto proměnných ovlivňuje mnoho různých složek nákladů. Je to taková složitá síť závislostí.”

Práce by podle autorů mohla být vodítkem při schvalování veřejných výdajů na výzkum a vývoj, ale posloužit by mohla i soukromým investorům. Které faktory z těch, jenž mohou ovlivnit, skutečně mají ovlivňovat? Na co vynaložit dostupné zdroje?

John Goodenough slaví 95. narozeniny (foto UoT)
John Goodenough slaví 95. narozeniny (foto UoT)

Jak to bylo s vytvořením “lionek”

Když byli 9. října 2019 oznámeni nositelé Nobelovy ceny za chemii, málokdo byl překvapený. Medaili a s ní spojenou prémii dostali John B. Goodenough, Stanley Whittingham (oba USA) a Akira Jošino (Japonsko). V podstatě by se dalo říci, že cena byla očekávána. Proč? Protože všichni tři zcela zásadně přispěli k vývoji materiálů, které najdete v bateriích, jež pohánějí nejen všechny možné druhy elektroniky, ale také elektromobily. Cynicky řečeno se udělení ceny se očekávalo nejen kvůli významu objevu, ale také proto, že John Goodenough je ve velmi požehnaném věku (97 let), a Nobelova cena se neuděluje posmrtně (Dodejme, že John Goodenought stále žije a je dokonce i ještě vědecky aktivní, byť jeho některé nedávné výsledky nejsou příjimány úplně kladně.)

Z laického hlediska jsou současné „lithium-iontové“ baterie v principu poměrně jednoduchá zařízení. Tvoří je samozřejmě dvě elektrody oddělené membránami a tekutým elektrolytem, který představuje „dálnici“ pro nabité ionty putující od jedné elektrody ke druhé. Když se baterie nabíjí, kladná elektroda (katoda) ze slitiny lithia uvolňuje ionty. Ty se přesunují k záporné anodě, která je obvykle tvořena uhlíkem. Ionty z katody se skryjí v uhlíkových vrstvách anody, kde čekají, až bude energie v baterii zapotřebí. Pak začne celý proces probíhat opačně: ionty z anody putují na katodu, kde se setkají s elektrony přicházejícími z druhé strany sepnutého obvodu. Může se zdát nepochopitelné, proč trvalo tak dlouho, než taková baterie vznikla.

Už nejméně století víme, že lithium je díky svým vlastnostem ideální surovinou pro výrobu baterii. Ale v praxi byl tento kov nepoužitelný. Po téměř celé 20. století si tak lidstvo vystačilo s bateriemi, které z velké části vznikly ještě ve „století páry“. Například klasický olověný akumulátor byl poprvé postaven v roce 1859. Situace se začala měnit díky práci laureátů a mnoha dalších vědců zhruba od 70. let.

První krok udělal Stanley Whittingham, který vytvořil funkční baterii s jednou lithiovou elektrodou. Jak to občas ve vědě bývá, k výsledku dospěl dosti velkou náhodou: věnoval se výzkumu vhodných supravodičů (tedy látek, které vedou elektřinu zcela beze ztrát). Experimentoval se sulfidem titaničitým. Zjistil, že to sice není materiál supravodivý, ale mohl by velmi dobře fungovat jako elektroda v baterii. V podstatě si ho lze představit jako plástev s mnoha vrstvami, mezi které se schovávají ionty lithia. Baterii tedy stále „pohání“ lithium, ale může ho obsahovat méně a v méně nebezpečné formě.

Výsledek byl ovšem polovičatý: Whittingham postavil baterii s katodou ze svého nově objeveného zázračného materiálu a anodou z čistého lithia. Vznikla tak dobíjecí baterie s na svou dobu vysokou hustotou energie a vhodným rozsahem pracovních teplot. To se pozdávalo i managementu společnosti Exxon, která během tehdejší ropné krize po jediné čtvrthodinové schůzce další vývoj zafinancovala. Ovšem zároveň byl jeho výrobek dosti nebezpečný.

Požáry v Whittinghamově laboratoři byly údajně tak časté, že mu místní hasiči začali účtovat použití speciálních směsí nutných pro hašení lithia. Výkony baterie se i tak dařilo zlepšovat. V roce 1976 Whittingham veřejně oznámil svůj vynález a začal baterie vyrábět v malých sériích pro hodinářský průmysl. Ale rozšířit řady zákazníků se dařilo jen pomalu. Navíc na začátku 80. let klesla cena ropy, Exxon začal šetřit a financování vývoje ukončil.

Výzkum pak převzal John Goodenough. Jako materiálový vědec měl pocit, že jeho předchůdce plně nevyužil potenciál své baterie. Jeho znalosti mu napovídaly, že kdyby se podařilo nahradit sulfid nějakým vhodným oxidem, mohlo by se výrazně zvýšit napětí baterie. Jeho tým se nakonec setkal s velkým úspěchem. Zjistili, že při využití katody z oxidu lithia a kobaltu (tzv. oxid kobaltolithný LiCoO2) stoupne napětí baterií na dvojnásobek původní hodnoty, zhruba na 4 V. LiCoO2 je od té doby jeden z nejpoužívanějších materiálů v bateriích. A také to není jediný Goodenoughův důležitý objev.

Jeho skupina například jako první přišla s další podobou lithiových akumulátorů, dnes stále rozšířenějších lithium-železo-fosfátových akumulátorů (tedy s katodou z LiFePO4).

Při povídání o práci posledního z oceněných, Akira Jošiny (angl. transkripcí Akira Yoshino), se dostávám už do 80. let. V Japonsku výrobci elektroniky hledali nové typy „pohonu“ pro spotřební elektroniku, kterou vyváželi do celého světa. Jošino pracoval s baterií vylepšenou podle receptu obou spolunositelů letošní ceny za chemii, ale pokoušel se ji učinit ještě praktičtější a bezpečnější.

Chtěl se například zbavit kovového lithia. Katodu vyrobil z Goodenoughem objeveného oxidu lithia a kobaltu a zkoušel k ní anody z různých uhlíkatých materiálů, které by sloužily jako „klec“ na lithiové ionty. Předchozí výzkumy ukázaly, že to by mohla být slibná cesta, jak zcela nahradit elektrody z klasického kovového lithia, které se ukázaly tak nebezpečné například pro Whittinghamovu laboratoř.

Jošino experimentoval s různými materiály, průlomu ovšem dosáhl, když sáhl po tzv. ropném koksu. To je velmi křehký materiál, který vzniká za vysokých teplot z těžších složek ropy. Při vhodném zacházení a úpravách vznikne materiál složený téměř výhradně z čistého uhlíku s malým podílem dalších příměsí (obsah uhlíku u „vyčištěného“ ropného koksu je až 99,5 %). Jošino tak dokázal z baterie zcela odstranit čisté lithium a učinit ji výrazně méně hořlavou.

Lithiové baterie tak byly po desetiletích teoretických úvah a pokusů připraveny ke každodennímu využití. Uvedení do praxe se dočkaly v roce 1991 a od té doby jejich význam jen a jen roste – a cena klesá.

Rychlý přechod k elektrifikované letecké přepravě má těžký probléem. Dnešní baterie nestačí požadavkům, která se na dopravní stroje kladou.

Všichni dobře víme, že změny nebývají jednoduché. Byť jsou ve výsledku třeba pozitivní, málokdy je snášíme bez skřípění zubů. Není tak divu, že proponenti změn dělají vše pro to, aby naše obavy zmírnili a dopředu nás utěšili.

Přesně to se dnes děje v oboru elektrického létání, upozorňuje v nedávném sloupku pro časopis IEEE Spectrum Václav Smil, v Kanadě působící odborník českého původu a autor mnoha knih, které s oblibou doporučuje například Bill Gates.

Opakovaně se nám dostává ujištění, že potenciál komerčního elektrifikované letecké dopravy je ohromný a tato nová kategorie letadel zcela změní náš život. Skutečnost je ovšem podstatě skromnější, vysvětluje Smil.

Nepovedené starty

Kdyby měly pravdu všechny zprávy, elektrická letadla by byla už dávno mezi námi. V roce 2017 společnosti Boeing a JetBlue financovaly americkou společnost Zunum Aero, která neslibovala nic menšího než proměnu letecké dopravy pomocí elektrických letadel na krátké vzdálenosti schopných přepravit 12 osob, a to do roku 2022. O dva roky později společnost Boeing odmítla pokračovat ve financování projektu.

Na pařížském leteckém veletrhu v červnu 2019 představil generální ředitel společnosti Eviation Alici, devítimístné příměstské letadlo, které mělo dva tlačné motory na koncích křídel – což je velmi pochybná konstrukce – a řekl: “Tohle není nějaké hypotetické letadlo… Už funguje.” Nefungovalo. První let se neuskutečnil, jak bylo oznámeno, a v roce 2021 byly motory přemístěny na záď trupu.

Čím větší nároky, tím rychlejší ústup. První elektrické letadlo na světě, Sun Flyer, letělo v červenci 2017 v Oshkoshi ve Wisconsinu půl hodiny ve výšce 1 000 stop. Konstruktér, společnost Bye Aerospace, uvedl, že postaví větší model schopný přepravit čtyři osoby na vzdálenost 300 mil – skutečný převrat. FAA tvrdí, že do roku 2020 povolí provoz elektrického letadla. Sun Flyer má však problémy s naplněním očekávání.

Sun Flyer 2 vzlétl v říjnu 2018 a poprvé přeletěl kanál La Manche, ale pouze se dvěma lidmi – ne se čtyřmi. Letadlo bude nyní rozšířeno, aby se do něj vešli čtyři lidé. Větší verze, Sun Flyer 4, měla vzlétnout v roce 2019, aby byla připravena k certifikaci v roce 2020. Nyní však není stanoveno žádné datum prvního startu.

Pravda, existuje Pipistrel Velis Electro, první elektrické letadlo, které získalo letovou certifikaci Evropské unie. Je schopen přepravovat pouze dvě osoby, a má zhruba hodinovou výdrž. Nejrychlejším elektrickým letadlem vůbec je zatím pouze sportovní Rolls-Royce Spirit of Innovation (Duch Inovace), který žádné cestující nevozí a vozit nikdy nemá.

Většina nových technologií nastupuje pomalu a lopotně, to se dá očekávat. V případě elektrifikace letectví nejde ovšem jen o to, že část příliš ambiciózních výrobců či kladla nerealistické cíle a dočkala se logického neúspěchu. Problém je mnohem zásadnější. Či možná by bylo lepší říci širší.

Tisíce, miliony, miliardy

Celý světový letecký průmysl – včetně nákladních, charterových a firemních letů – přepraví ročně 6 miliard cestujících a 2 miliardy tun nákladu. Pokud by všech 11 000 komerčních letadel (a 100 000 soukromých tryskáčů), která jsou dnes v provozu, bylo nahrazeno elektrickými letadly, ušetřilo by se 4,4 milionu tun paliva ročně, což by mohlo odpovídat zhruba částce kolem 50 miliard dolarů.

 Celosvětová flotila letadel pro přepravu cestujících však roste o více než 8 % ročně. Očekává se, že do roku 2030 se roční růst zpomalí na 5 %, což stále znamená zdvojnásobení celosvětové flotily letadel každých 15 let.

Letecká doprava vzrostla z 28 miliard osobokilometrů v roce 1950 na 2,8 bilionu osobokilometrů v roce 2000, což představuje stonásobný nárůst. Před pandemií pak dosáhl roční objem přepravy téměř 9 bilionů osobkilometrů.

Biliony osobokilometrů mohly tak rychle přibýt díky nástupu širokotrupých letadel přepravujících 300 až 500 cestujících na jedno letadlo mezi kontinenty. Jak připomíná Smil, rychlý nárůst objemu přepravy byl možný díky letům na dlouhých, a přitom velmi frekventovaných trasách. Mezi Evropou a Severní Amerikou je zapotřebí překonat zhruba šest tisíc kilometrů. Na cestě mezi Evropou a východní Asií je zapotřebí překonat vzdálenost kolem osmi tisíc kilometrů. A mezi Severní Amerikou a Asií leží zhruba 11 tisíc kilometrů širého oceánu.

Proti tomu nárůst přepravy na kratší vzdálenosti byl podstatně méně výrazný. Pokud k němu došlo, tak především ve větších zemích a na delších trasách. Na menších vzdálenostech letadla tak dobře jiným typům dopravy konkurovat tak účinně nemohou. Příkladem ostatně může být nedávné ukončení provozu letecké společnosti Alitalia. Ta v nezvykle vysoké míře spoléhala na domácí linky, kde se ovšem ukázaly populárnější levnější, pohodlně a prakticky stejně rychlé vlaky (pravda do jisté míry dotované státem).

Mimochodem, příklad Itálie ukazuje, že “elektrifikace letectví” někdy může proběhnout v podstatě uzemněním letadel. Došlo k výměně jednoho dopravního prostředku za jiný. To je možné u regionálních linek, zatím ale nemáme dopravní prostředek, který by letadla dokázal takto jednoduše nahradit na delší vzdálenosti. Může na nich tedy proběhnout přímočará výměna letounů na fosilní paliva za letadla na baterie?

Problém paliva

Motory dnešní dopravních strojů jsou poháněny leteckým petrolejem, který poskytuje energii téměř 12 000 watthodin na kilogram. Naproti tomu nejlepší současné komerční li-ion baterie poskytují méně než 300 Wh/kg, tedy jednu čtyřicetinu (1/40) energetické hustoty petroleje. Dokonce i když vezmeme v úvahu vyšší účinnost elektromotorů, klesne efektivní hustota energie přibližně na pět procent hodnoty petroleje, tedy jednu dvacetinu (1/20). Tuto výkonností propast mohou baterie v příští dvou desetiletích těžko překonat.

Za posledních 30 let se maximální hustota energie baterií zhruba ztrojnásobila. I kdyby elektrochemici tento výkon zopakovali a v roce 2050 nám poskytli baterie s kapacitou 1 000 Wh/kg, stále by to zdaleka nestačilo na to, abychom mohli letět letadlem bez mezipřistání z New Yorku do Tokia, což už léta dělají letecké společnosti All Nippon Airways, Japan Airlines a United Airlines s Boeingem 777. A zatímco letadla na kerosin jsou cestou k cíli pouze lehčí a lehčí, elektrická letadla budou s sebou musí vždy nést obrovské baterie.

Neměli bychom se nechat zmást analogií s elektrickými vozy. Jak automobily, tak letadla musí sice překonávat v pohybu především odpor vzduchu. Ovšem síly, kterým jsou vystaveny, jsou velmi rozdílné. Elektromobil dosahuje maximální rychlosti přibližně 160 kilometrů za hodinu. Typický elektromobil o hmotnosti dvou tun musí při této rychlosti vyvinout k překonání odporu vzduchu sílu řádově stovek Newtonů. To si v podstatě můžete představit jako sílu, kterou Země přitahuje objekt o hmotnosti řádově několika desítek kilogramů.

Ovšem větší dopravní letadlo musí překonat odpor vzduchu o několik řádů vyšší, obvykle ve stovkách tisíc Newtonů. Při současné hustotě baterií si takový stroj vůbec těžko představit. Baterie by rozhodně tvořily velkou část jeho celkovou hmotnosti, i kdyby byly výrazně výkonnější než dnes.

Na papíře samozřejmě existují způsoby, jak si s problémem poradit. Baterie nemusí být umístěny v samotném letadle. Baterie by se mohly například vyměňovat za letu, čímž by se snížila potřeba letadla schopného pojmout tisíce kilowatthodin lithium-iontových baterií. Tento scénář by však musel zahrnovat flotilu elektrických letadel, která by cestovala v tandemu. Kromě toho by elektrické letadlo muselo nést další komponenty, včetně motorů, převodovek, vrtulí, motorů. Jinak řečeno, jde zatím o sci-fi.

Existuje trh, na kterém se elektrické stroje mohou uchytit: je to doprava menšího počtu osob na menší vzdálenosti: v podstatě tedy „aerotaxi“. V této oblasti jsou technické překážky nejmenší a nejsnáze překonatelné, Jak jsme ale uváděli, podíl takových letadel na celkovém trhu je velmi malý.

Elektrifikace letů na krátké vzdálenosti by i tak samozřejmě mohla mít svoje výhody a mohla by zlepšit život a zpříjemnit cestování milionům, které žijí v odlehlejších částech světa. V řadě případů by mohla možná i dopravu zlevnit, třeba díky snížení nákladů na dopravu paliva na odlehlejší letiště (samozřejmě by bylo nutné vybudovat v takových místech zdroje elektřiny, ale to má i další přidružené pozitivní efekty). Ovšem zavedení malých vrtulových letadel na elektrický pohon svět letecké dopravy nezmění.

Stroj Alice v barvách společnosti DHL (foto DHL)
Elektrické letadlo Alice společnosti Eviation. Letoun se má dodávat jak v nákladní verzi, tak i verzi pro přepravu osob. K ovládání stroje stačí jeden pilot, nosnost je poměrně skromných 1200 kilogramů. Doba nabíjení na jednu letovou hodinu je přibližně 30 minut. Maximální dolet je 815 kilometrů. Tucet těchto strojů předběžně objednala společnost DHL. (foto DHL)

Peníze, peníze

Letecký průmysl navíc vyžaduje obrovské investice. Odhady před začátkem epidemie nemoci covid-19 uváděly, že v letech 2018 až 2038 se bude kombinovaný trh s novými letadly spolu s náklady na jejich údržbu, opravy a související výcvikové služby pohybovat v řádu 16 bilionů amerických dolarů. Takto obrovské výdaje vyžadují dlouhé plánovací horizonty, zakotvené v závazcích ke konkrétním projektům a objednávkám letadel.

Letecký průmysl si je vědom rozdílu mezi svými potřebami a technologií baterií. Mezinárodní asociace leteckých dopravců (IATA), která zastupuje 275 leteckých společností, uvádí, že “do doby, než se elektrická letadla stanou realitou, zbývá ještě nejméně 20 let”. Očekává se, že do roku 2037-38 se rozdíl zmenší natolik, že umožní “rychlý nárůst” počtu elektrických letadel.

IATA se v tomto případě řídí historickým precedentem. Pokud se podíváme na historii nasazení nejdůležitějších leteckých motorů, zjistíme, že většina z nich byla zavedena až po 20 letech, a některým dokonce trvalo téměř 40 let, než dosáhly svého plného potenciálu.

Vyvinout a zkonstruovat nový významný letecký motor, který může pohánět širokou škálu letadel, a nejen několik modelů, trvá dlouho. Dlouhou dobu trvá také vybudování infrastruktury a vyškolení inženýrů pro podporu provozu a údržby tohoto nového motoru a modelů letadel a flotil, které bude pohánět.

To znamená, že o příštích několika desetiletích v tomto odvětví je již rozhodnuto. Vzhledem k tomu, že průměrná životnost dopravních letadel je něco málo přes 20 let, nadcházející nákupy nových letadel rozšíří stávající flotilu nejméně o polovinu. A všechna tato nová letadla budou spoléhat na motory poháněné kerosinem.

Skladování elektřiny z léta do zimy je dnes sice možné, ale velmi neprakticky drahé. V příští dekádě to chce změnit velmi ambiciózní plán amerického ministerstva energetiky.

Vysoké ceny elektřiny v letošní zimní sezóně všem připomněly, že v případě této klíčové suroviny je velmi důležité mít vyrovnanou spotřebu a výrobu. Sebevětší kapacita je k ničemu, pokud nemůže vyrábět kvůli nepříznivému počasí (například proto, že málo fouká) nebo nedostatku či přílišné drahotě používaného paliva.

Řešení mohou být různá, od stavby stabilních zdrojů po zvyšování kapacit pro skladování, tedy akumulaci, elektřiny. Ceny akumulace, tedy chemických baterií, stále klesají, a pro některá využití mohou být už dnes i na evropských trzích najít i finančně zajímavé uplatnění.

Vždy jde ale o skladování krátkodobé – a například tedy současné problémy chemické (tedy hlavně lithium-iontové) baterie vyřešit nepomohou. Levný způsob, jak skladovat elektřinu po dobu týdnů, či dokonce měsíců dnes v podstatě není. 

Dnes pracují na různých nápadech na takzvané “dlouhodobé skladování energie” stovky společností po celém světě. Žádné řešení ovšem alespoň zatím není tak levné, aby bylo prakticky použitelné.

Po změně touží kdekdo. V řadě případů jde o jednotlivce či subjekty, jejichž prohlášeními nemá smysl ztrácet čas. “Skladování elektřiny” je dnes módní pojem a nepřesností, záměrně či kvůli neznalosti zavádějících tiskových zpráv a prohlášení je všude dost. Ale protože případný úspěch by mohl výrazně změnit největší průmyslové odvětví současnosti, tedy energetiku, velké “hráče” má smysl sledovat. 

Ten největší hráč

Proto je zajímavá iniciativa amerického ministerstva energetiky. Ta letos oznámila spuštění programu, který chce do roku 2030 snížit náklady na dlouhodobé skladování energie o 90 % pod cenu dnešních lithium-iontových baterií. Ministerstvo pověří odborníky ve svých národních laboratořích, aby se zaměřili na zdokonalování těchto technologií. 

Zároveň bude usilovat o financování prvních demonstračních projektů ze strany Kongresu – v USA totiž státní rozpočet je pevně v rukou zákonodárců, nikoliv administrativy. Normálně by to byl důvod k pochybnostem, v posledních letech ovšem Kongres je k požadavkům na navyšování rozpočtu na výzkum a vývoj velmi vstřícný. 

I Republikáni odmítli výrazné krácení těchto kapitol, které navrhovala administrativa Donalda Trumpa. Nelze vyloučit, že v tomto případě se možná nějaký odpor objeví, protože iniciativa je součástí programu Energy Earthshots, jejímž cílem je urychlit zavádění nově vznikajících technologií v boji proti změně klimatu. 

Není hotovo

Spuštění programu je v podstatě uznáním toho, že Spojené státy ještě nemají k dispozici technologie, které potřebují ke splnění Bidenova cíle: dosažení vyrovnané bilance emisí skleníkových do roku 2050.

Je to vidět i na výzkumných programech. Ministryně energetiky Jennifer Granholmová letos mimo jiné oznámila cíl snížit o 80 % náklady na čistá vodíková paliva, která by mohla pomoci omezit emise z továren, nákladních automobilů nebo elektrické sítě. Oba programy jsou vytvořeny podle vzoru Obamovy iniciativy Sunshot, která se zasloužila o snížení nákladů na solární energii v průběhu roku 2010.

Bidenova administrativa počítá, že se stále levnější solární a větrnou energií, aby splnil svůj cíl, že Spojené státy budou do roku 2035 získávat 100 % elektřiny z elektráren, které nevypouštějí oxid uhličitý. Bílý dům se v současné době snaží přesvědčit Kongres, aby přijal normu pro čistou elektřinu, která by po energetických společnostech v celé zemi vyžadovala splnění tohoto cíle.

Odvětví elektřiny je zodpovědné za čtvrtinu emisí skleníkových plynů ve Spojených státech. Zhruba 60 % elektřiny se stále vyrábí spalováním fosilních paliv, především zemního plynu a uhlí (USA tedy mají o něco podíl nižší vyrobené elektřiny z jaderných zdrojů než Česko). Bidenova administrativa považuje omezení emisí z elektřiny za ústřední bod svých klimatických plánů, protože se také snaží přesvědčit Američany, aby si kupovali více elektromobilů a tepelných čerpadel, která se budou připojovat do sítě.

Podle odborníků však vyčištění energetického sektoru bude vyžadovat více než jen nové zákony. Představuje také velké technologické výzvy s nejistým výsledkem. 

Na co vsadit

Několik modelů a studií z posledních let dospělo k závěru, že energetické společnosti by se mohly pravděpodobně dostat na 80 % čisté elektřiny pomocí dnešních technologií. Není to samozřejmě zadarmo: zapotřebí by bylo především instalovat většího počtu větrných turbín a solárních panelů, ale jinak by se dalo spoléhat na stávající vodní elektrárny a jaderné reaktory.

Ovšem úplně odstranění posledních 20 % emisí je i podle optimistů velký problém. Nespolehlivé obnovitelné zdroje vyžadují záložní plynové nebo uhelné elektrárny. V USA a jiných zemích (v Česku prakticky ne) se stále častěji budují lithium-iontové baterie řádově o kapacitách až stovek megawatthodin. V praxi ovšem slouží k akumulaci po dobu v průměru čtyř až šesti hodin. Přitom některých oblastech země může například bezvětří trvat několik dní nebo týdnů.

Existují řešení, ale každé má své větší či velmi velké nevýhody – je tedy těžké na jedno z nich vsadit všechny karty. 

Jednou možností je stavba lepších a lépe provázaných rozvodných sítí. A to podle teorie “někde vždycky fouká”. Ale stavba nových liniových staveb, včetně vedení, je v rozvinutých zemích pomalá a naráží velmi často na pevný odpor místních obyvatel. Alternativou je i vývoj a stavba nových typů bezuhlíkových elektráren: jaderných reaktorů, geotermálních elektráren nebo fosilních zdrojů, které mohou zachycovat a ukládat emise pod zem. 

Další potenciálně užitečnou možností je dlouhodobé skladování. Desítky společností experimentují s různými zařízeními, která by mohla uchovávat elektřinu po delší dobu.

Různé přístupy

Možnosti jsou různé, jak jsme ovšem uváděli na začátku, zatím všechny příliš drahé. Podle zprávy amerického ministerstva energetiky je potenciálně slibnou technologie například využívání stlačeného vzduchu.

Koncept je to jednoduchý. Levná elektrická energie se má využívat pro pohon kompresoru. Nasátý atmosférický vzduch je stlačen a uložen pod tlakem (5–7,5 MPa) v podzemní jeskyni. Když poptávka převýší nabídku energie, vzduch se z jeskyně vypouští a přivádí se na turbínu, která vyrábí elektrickou energii.

V praxi ovšem fyzikální zákony princip komplikují. Hlavní komplikací je vznikající odpadní teplo, které vzniká při stlačování každého plynu a které je z hlediska skladování elektřiny jen ztracenou energií. Během stlačování se kvůli tomu vzduch ochlazuje, aby nedošlo buď k přehřátí „nádrže“, nebo stěn případného podzemního zásobníku.

Po vypuštění ze zásobníku se při expanzi naopak zchladí natolik, že se před vypuštěním do turbíny raději ohřívá spalováním fosilních paliv. Ohřev má několik důvodů: zvyšuje výkon turbíny a také brání zařízení před poškozením. Stlačený vzduchu se totiž při expanzi stlačený vzduch ochlazuje na tak nízké teploty, že to materiálům (tedy především kovům) příliš nesvědčí.

Další možností je využití vodíku. Proces je ovšem neúčinný, drahý. Určitě ho lze zlepšit, otázkou je, jak rychle to půjde. Ale třeba i některé české firmy na tento nápad hodně sází.

Vzdálený cíl

Výzkumníci v oblasti ovšem tvrdí, že k praktické aplikaci je velmi daleko: a to hlavně z hlediska ceny. Je to zcela pochopitelné: jde o zařízení, která by se zapínala – a tedy vydělávala – doslova jen několikrát ročně, a tak cena musí být extrémně nízká. 

Nedávný odborný článek v časopise Nature Energy odhaduje, že náklady na kapacitu by musely klesnout pod 50 dolarů za kilowatthodinu, tedy na méně než třetinu nákladů na dnešní lithium-iontové baterie pro rozvodné sítě, než začnou distributoři ve větší míře dlouhodobé skladování využívat. 

To přitom mluvíme pouze o využívání v těch finančně nejvýhodnějších případech a na nejpříhodnějších trzích: pokud by mělo toto řešení být opravdu na trhu dominantním, bude možná muset cena klesnout na 1 až 10 dolarů za kilowatthodinu.

Už je asi jasné, proč z finančního hlediska je i přes vysoké ceny povolenek výrazně jednodušší a levnější spalovat zemní plyn.

Evropská Unie, USA, Čína a další země chtějí zavázat výrobce automobilů, aby se zavázali k minimální životnosti baterií instalovaných do svých elektrických a hybridních automobilů. Předpis má zaručit kvalitu článků. Není však příliš ambiciózní.

Země se na tom v zásadě dohodly na Světovém fóru pro harmonizaci předpisů pro vozidla, které se konalo v Ženevě v rámci Evropské hospodářské komise OSN (EHK OSN). “V zásadě dohodnuto” následně znamená, že zatím neexistuje žádné závazné rozhodnutí. Podle plánu se má o návrhu závazného nařízení hlasovat v březnu 2022.

Následně budou muset země, které s návrhem souhlasí, požadavek EHK OSN přenést do vnitrostátního práva. Podle sdělení EHK OSN by tak nařízení mohlo platit od roku 2023.

Pokud bude současný návrh přijat na jaře příštího roku, budou platit následující požadavky na odolnost baterií: Po pěti letech nebo ujetí 100 tisíc kilometrů smí baterie ztratit méně než 20 % své původní kapacity. Po osmi letech nebo 160 000 kilometrech nesmí ztráta přesáhnout 30 procent.

Podle EHK OSN je cílem zabránit používání “nekvalitních baterií”. To má zásadní význam “pro posílení důvěry spotřebitelů a zlepšení ekologických parametrů elektromobilů nad rámec jejich nízkých emisí”.

Pro samotné automobilky je nařízení ve své současné podobě pravděpodobně nepředstavuje žádnou velkou výzvu. V záručních podmínkách řady výrobců lze dnes najít záruku 70 procent kapacity po osmi letech nebo 150 tisíc najetých kilometrech lze již nyní nalézt velmi často. V některých případech výrobci zaručují tyto výkony i při vyšším počtu najetých kilometrů. Pokud by byl tedy přijatý návrh v současné podobě, v podstatě by se přenesl do práva faktický status quo.

Kromě EU, USA a Číny podporují iniciativu také Japonsko, Kanada, Jižní Korea a Velká Británie. Takové nařízení by pak platilo jednotně na dosud největších trzích s elektrickými vozidly.

V jednom ohledu by však nařízení šlo ještě dál: spotřebitelé by mohli získat jakési právo na informace. “Podle navrhovaného nařízení budou přesné informace o stavu a zbývající kapacitě baterie volně dostupné majiteli vozidla,” říká André Rijnders, předseda pracovní skupiny pro znečištění a energii (GRPE). “To poskytne cenné informace pro transakce s ojetými / použitými elektromobily a jiné změny majitele vozidla.”

Firma Rolls-Royce založila novou odnož zaměřenou na vývoj menších jaderných reaktorů. Ta dostala do začátku 400 milionů liber (cca 12 mld. Kč), napůl od soukromých investorů, napůl od britské vlády. Nové typy reaktorů mají zemi pomoci splnit cíl snižování emisí.

Nová “divize” společnosti ponese název Rolls-Royce SMR. Tři písmena v názvu jsou zkratkou anglické podoby výrazu “malý modulární reaktor” (“small modular reactor”). To je označení pro reaktory, které by měly mít menší výkon než dnešní kolosy a zároveň by se měly stavět do jisté míry “sériově”: z modulů, které se staví ve výrobním závodě, a pak se relativně jednoduše skládají na místě, kde má stát samotná elektrárna.

Nejde přitom rozhodně o exkluzivní nápad společnosti Rolls-Royce, podobné projekty vznikají prakticky po celém světě. Ale jejich realizace vázne, a to hlavně z ekonomických důvodů. Jak to chce změnit známá britská společnost?

Od ponorek k elektrárnám

Firma Rolls-Royce rozhodně není žádný jaderný nováček. Její konstruktéři navrhly tři generace reaktorů pro ponorky britského královského loďstva, její inženýři a dělníci je pak staví.

Navíc na projekt není sama: vede konsorcium osmi dalších firem, které mají zkušenosti z jiných aspektů výstavby jádra. Do konsorcia tedy patří například společnosti stavební, které mají zkušenosti mimo jiné i s velkými infrastrukturní veřejnými zakázkami. Rolls-Royce je ovšem hlavním účastníkem projektu: ve výsledku by měla vlastnit cca 80 procent nově vzniklé společnosti.

Jejím hlavním úkolem bude vyvinout nový typ jaderné elektrárny postavené kolem malého reaktoru využívající osvědčené technologie tzv. lehkovodních reaktorů. Jde tedy v podstatě o zařízení s velmi podobnými výkony a na stejném principu jako jaderné reaktory v Dukovanech (V Temelíně stojí již reaktory výrazně výkonnější). Výkon reaktorů Rolls-Royce by měl být cca 470 megawattů (MW), dukovanské měly původně 440 MW (dnes 505 MW po instalaci lepších turbín). Tento údaj mimochodem také znamená, že striktně řečeno nejde o „malý modulární reaktor“, protože ty podle klasifikace Mezinárodní agentury pro atomovou energie (IAEA) mají výkon do 300 MW.

Hlavní výhodou nového reaktoru by ovšem neměly být rozměry, ale cena. Po rozjezdu výroby by měla jedna jednotka stát méně než dvě miliardy liber (tedy méně než 60 miliard Kč) při výkonu zhruba kolem 470 MW elektrického výkonu.

Pro srovnání: v Británii se dnes staví velké, “tradiční” reaktory v elektrárně Hinkley Point. Ty vyjdou podle všeho na více na 20 miliard liber (asi 600 miliard korun), přičemž budou mít zhruba třikrát větší výkon než připravovaný reaktor Rolls-Royce.

Velkou roli v tomu hrát sama velikost projektu. Cenu velkých atomových elektráren do značné míry určuje, kolik investor zaplatí na úrocích z peněz, které si na stavbu musel půjčit. Proto dnes velké jaderné elektrárny na běžném komerčním finančním trhu nemají prakticky šanci – objem půjčených peněz by musel být tak veliký, že splácení úvěru se extrémně protáhne a prodraží.

Ze stejného, tedy finančního důvodu, bude projekt malých reaktorů Rolls-Royce poměrně technicky konzervativní. Čím je projekt větší nebo náročnější z technického hlediska, tím riskantnější se může zdát bankám, vysvětlují své rozhodnutí Rolls-Royce a jeho partneři. Pokud by nová jednotka stále méně než dvě miliardy liber, rozhodně by se tím usnadnilo shánění financování.

Zednické inovace

Třetím faktorem, který o finančním úspěchu rozhoduje (a je spjatý s náročností projektu i jeho celkovou velikosti) je čas. Cílem je, aby se stavba nové “malého reaktoru” Rolls-Royce dala zvládnout do čtyř let – a to od určení a schválení místa až ke schválení k provozu.

Schvalování místa firma nepočítá, protože v první fázi předpokládá, že se bude stavět hlavně na místech, která jsou vyčleněna na stavbu jaderných reaktorů. Například v České republice jsou v podstatě připravená „volná místa“ jak v areálu elektrárny Dukovany, tak Temelín, a na obou by se výhledově měly stavět další bloky.

Harmonogram stavby by pak měl být zhruba následující: zhruba rok a půl až dva roky by měly trvat přípravné práce, při nichž se kopou základy, připravuje se staveniště a tak dále a tak podobně. Tato fáze představuje zhruba 15 % celkových nákladů na elektrárnu. V druhé fázi se na místo dopravují moduly vyrobené ve specializovaném závodě a montují se dohromady.

Právě v této fázi se britské konsorcium chce pokusit přijít s hlavními inovacemi. Jde spíše o záležitosti provozní, které mají zajistit, že zakázka půjde podle plánu a bude hotova přesně na čas.

Jednou takovou inovací má být, že stavba by měla probíhat pod střechou. Půdorys navrhované elektrárny je poměrně malý. Má tvar nepravidelné elipsy o maximální délce zhruba 180 metrů a šířce v nejširším bodě kolem 70 metrů. Tu celou plány Rolls-Royce SMR navrhují ukrýt pod lehkou, ale samozřejmě poměrně odolnou střechou. Má jít o vícenásobně použitelnou konstrukci, která se tedy má přemisťovat ze stavby na stavbu.

Stavba pod střechou má mít celou řadu výhod, ale v případě klasických jaderných elektráren je nepraktická: používají se tam příliš velké díly. Konstrukce například stavbu oddělí od okolí, takže ta méně znečišťuje a obtěžuje okolí. Během stavby není nutné ohlížet se na počasí, které třeba v britských podmínkách v některých částech roku poměrně výrazně omezuje možný rozsah stavebních činnosti. Celá konstrukce také má být funkční: pod střechou se nachází pojezdové jeřáby, které mají zjednodušit práce na staveništi.

Vizualizace možné podoby budovy malé jaderné elektrárny společnosti Rolls-Royce SMR (foto Rolls-Royce SMR)
Vizualizace možné podoby budovy malé jaderné elektrárny společnosti Rolls-Royce SMR (foto Rolls-Royce SMR)

Aby nehyzdila

Když byl návrh nové britské malé elektrárny před několika lety poprvé představen, zaujal také svým vzhledem. Samotná elektrárna je pak rozdělena do několika budov, které jsou ovšem všechny překryty lehkým krytem. Na starších vizualizacích byl často k vidění jako průhledný, na těch současných se spíše objevuje střecha pokrytá (alespoň na pohled) fotovoltaickými panely.

Celý komplex je navržen údajně s ohledem na to, aby elektrárna byla co poměrně málo nápadná, a to hlavně při pohledu z úrovně terénu. Pozorovatel by měl vidět malý pahorek s budovou, která připomíná spíše koncertní halu než průmyslovou budovu. Spodní, zelenou část “pahorku” tvoří násyp obsahující obsahuje některé pomocné budovy a systémy. Nemá tedy funkci čistě estetickou.

Stavba by tedy neměla rušit, naopak by měla působit pokud možnost nenápadně. Což může jistě být zajímavý způsob, jak se pokusit oblomit odpor alespoň části odpůrců dalšího rozvoje jádra.

Dodejme ovšem, že Rolls-Royce si pečlivě vybíral, co veřejnosti prezentovat. Na jeho vizualizacích například nejsou nikdy vidět chladící věže. Ty skutečně nejsou nutné, pokud v blízkosti leží nějaká dostatečně velká vodní plocha, kterou lze využít k chlazení elektrárny. Ve Velké Británii to často nebývá daleko k moři, ovšem v případě vnitrozemských lokalit, včetně třeba celé České republiky, by ovšem musela stavba obsahovat ještě mohutné chladící věže. A ty nenápadné ani při nejlepší vůli být nemohou.

Nejen na britský trh

První nové “atomové rollsrojsy” by měly nepochybně vzniknout ve Velké Británii, cílem společnosti je ovšem prodávat pokud možno po celém světě. Jednání o tom, kde přesně by to mohlo být, jsou zatím v rané fázi. V britském případě přichází ovšem v úvahu zhruba pět lokalit, na kterých by mohlo stát celkem maximálně 16 bloků.

Společnost má alespoň zatím ambiciózní časový harmonogram. První z nových bloků by měl stát v roce 2030. Ovšem již v roce 2035 by firma ráda viděla v provozu 10 svých malých reaktorů.

Na druhou stranu, Rolls-Royce SMR by mohl mít zajištěný odbyt. Ve Velké Británii totiž platí zákon o zajištění uhlíkové neutrality do roku 2050. Stát tedy musí tlačit na snižování emisí oxidu uhličitého v elektroenergetice. Jaderné zdroje přitom jsou osvědčenou možností, jak uhlíkovou stopu snížit.

Ovšem modulární stavba reaktorů je nejen pro Rolls-Royce skutečně novinkou. Bez zajištění dostatečného počtu zakázek, a tedy v podstatě “sériové” výroby modulů, se tento ekonomický model nikdy nemůže vyplatit. Jinak bude naopak na jednotku výkonu výrazně dražší než tradiční velké jaderné zdroje. A jak jsme připomněli i my, ty jsou dnes dost drahé na to, aby to alespoň v západních zemích celkem spolehlivě pohřbilo šance na nějakou “renesanci” těchto velkých zdrojů.

Budou malé lepší?

Malé reaktory se “papírově” v posledních letech těší stále větší pozornosti. Mezinárodní agentura pro atomovou energii ke konci roku 2020 registrovala 70 konkrétních návrhů malých modulárních reaktorů. Nejdále v jejich vývoji pokročily firmy z jaderných mocností, jejichž vlády pokrok v oblasti jaderných technologií různými způsoby přímo podporují. Týká se to USA, Ruska, Číny, Francie i Velké Británie. Technologie SMR vyvíjí rovněž Kanada, Jižní Korea, Indonésie, Argentina a Saudská Arábie.

V dubnu 2021 schválila první projekt SMR o výkonu 125 MW například čínská vláda. Modul, který vychází z domácí technologie ACP 1000 má být v jaderné elektrárně Čchang-ťiang v provincii Chaj-nan uveden do provozu dokonce už v roce 2026.

Rusko má jako tradičně velké ambice, ale slabší reálné výkony. Ovšem v oblasti malých reaktorů si nevede tak špatně. Na konci roku 2019 připojilo k síti plovoucí jadernou elektrárnu Akademik Lomonosov se dvěma reaktory s celkovým výkonem 70 MW. Prakticky všichni ostatní o podobných zdrojů zatím jen mluví.

Situace se ale snad pomalu mění. A to i na Západě, který se aktivně snaží omezovat emise oxidu uhličitého, přitom mu však stále chybí spolehlivý a předvídatelný bezemisní zdroj.

Ukázka malé elektrárny se dvěma reaktory ACP100 (foto CNNC)
Ukázka malé elektrárny se dvěma malý připravovanými čínskými reaktory ACP100 (foto CNNC)

Kapka ke kapce

Na jaře roku 2020 udělilo ministerstvo energetiky USA kalifornské společnosti Oklo povolení k zahájení testů rychlého neutronového mikroreaktoru Aurora s výkonem 1,5 MW.

V srpnu 2020 se SMR další americké firmy NuScale Power stal prvním a zatím jediným projektem tohoto druhu na světě, který obdržel osvědčení národního úřadu pro jadernou bezpečnost, že splňuje všechny jeho bezpečnostní požadavky. NuScale Power předpokládá, že první elektrárnu složenou z dvanácti samostatných modulů, z nichž každý bude mít výkon 77 MW, spustí v Idahu v roce 2027.

Letos v březnu slíbila kanadská vláda 45 milionů USD (téměř jednu miliardu korun) na podporu vývoje 300 MW solného reaktoru společnosti Moltex Energy Ltd. a kanadský federální regulátor v současné době přezkoumává zhruba deset dalších návrhů SMR.

Kanada je každopádně z různých důvodů v poměrně dobrém postavení, aby podobný systém dotáhla do praxe. Tamní firmy nemají sice kapitálové možnosti například amerických protějšků, mají však poměrně výraznou politickou podporu a dlouholetou tradici domácího jaderného průmyslu.

Kanadský trh je velmi specifický a v jiných podmínkách by sázka na rozvoj malých modulárních reaktorů měla zřejmě menší naděje na úspěch. Nedávná analýza jejich zavedení v českých podmínkách, kterou vedl František Hezoučký, dospěla k závěru, že tato technologie by byla v důsledku nejméně několikanásobně dražší než klasické, velké reaktory chlazené a moderované lehkou vodou.

V Kanadě to ovšem na řadě míst nemusí platit, protože tam stále řeší budování zdrojů energie v odlehlejších oblastech. Výstavba velkých reaktorů je v takových oblastech z praktických důvodů nesmyslná, ať již proto, že mají příliš veliký výkon, nebo by doprava dílů do takových oblastí byla prakticky nemožná. Ekonomické výhledy mohou také samozřejmě změnit i dodávky tepla z reaktoru, zvláště pokud se podaří dodržet slibované parametry. Jak jsme již ale uvedli, jde zatím o nevyzkoušenou technologii. Nasazení musí předcházet demonstrace takového systému.

Francouzský energetický gigant EDF je lídrem národního francouzského konsorcia, které vyvíjí lehkovodní reaktor 170 MW navržený tak, aby se mohl stát náhradou středně velkých elektráren na fosilní paliva. EDF podle vedoucího její divize nových jaderných projektů Xaviera Ursata očekává, že po roce 2030 bude řada zemí potřebovat nahradit ropné, uhelné a případně plynové elektrárny, jejichž areály budou ideálním místem pro instalaci SMR. Základní konstrukce francouzského reaktoru má být dokončena příští rok a mezitím chce EDF přesvědčit vládu, aby už do roku 2030 umožnila výstavbu pilotního zařízení, které se stane referenčním vzorkem a odrazovým můstkem k obchodní expanzi.

Na vývoji SMR pracuje také české Centrum výzkumu Řež, které je součástí skupiny ČEZ. V lednu loňského roku získal jeho projekt malého modulárního reaktoru s označením Energy Well patent Úřadu průmyslového vlastnictví a nyní probíhá příprava na výstavbu experimentální jednotky. Cesta k případné realizaci bude ovšem ještě velmi dlouhá, a jiné společnosti a subjekty mají veliký náskok.

Společnost Helion Energy, technologický start-up zaměřený na využití termojaderné fúze k výrobě elektřiny, získala v novém kole financování od investorů 500 milionů dolarů. Hodnota celé společnosti byla v tomto kole naceněna na tři miliardy dolarů.

Firma vznikla v roce 2013 skupinou odborníků, kteří hledají novou cestu k využití procesu, který dodává energii hvězdám: tedy slučování jader atomů za vysokých teplot. Zjednodušeně řečeno chce postavit jakousi obdobu naftového motoru. Do speciální komory se „vystřelují“ malé obláčky rozžhaveného plazmatu, obvykle dva proti sobě, které se srazí, a pak ještě stlačí silným magnetickým polem. V obláčku mají vzniknout tak extrémní podmínky, aby docházelo ke slučování jader ve větším měřítku. V komoře se tak bude uvolňovat energie, která se má využít k výrobě elektřiny.

Tento princip nikdy nebyl na větším zařízení využit. Většina odborníků z oboru dnes za nejslibnější princip považuje reaktory, ve kterých plazma delší či kratší domu mají udržet silné magnety (celý princip se nazývá obecně „magnetické udržení“). Nejčastějším reaktorem tohoto typu jsou tzv. tokamaky, které se staví již zhruba 70 let, a na celém světě jich vzniklo větších či menších cca 250.

Proti tomu zařízení Helion Energy je z velké v podstatě nové a unikátní. Těžko si tedy představit, že by společnost při jeho stavbě nemusela řešit nečekané problémy, které mohou zhatit i ty nejlépe připravené plány.

Firma první větší zařízení teprve staví. S konstrukcí začala v červenci roku 2021 poblíž města Everettu ve státě Washington, kde má sídlo. Mělo by jít o zařízení, které bude z jaderné fúze podstatně více energie, než se spotřebuje na ohřátí plazmatu (nevíme, jestli více, než se spotřebuje na všechny ostatní systémy). Takový „energeticky ziskový“ fúzní reaktor zatím ještě nikdo nepostavil.

I když nemá „mnoho v ruce“, firma je zatím velmi optimistická i co se týče časových výhledů. Podle jejich odhadů by své velké zařízení měla zprovoznit v roce 2024, a prakticky okamžitě ukázat, že je použitelné k výrobě většího množství energie, potažmo elektřiny. Během několika dalších let by pak chtěla vyvinout demonstrátor skutečné elektrárny.

Je asi zbytečné říkat, že dodržení tohoto harmonogramu by bylo ohromným překvapením. O zvládnutí jaderné fúze se lidstva snaží již téměř 100 let. A výsledky zatím vždy zaostávaly za očekáváními.

Největší investor

Půl miliardy dolarů by byla významná pomoc pro drtivou většinu mladých společností, v oboru jaderné fúze je to zcela mimořádné. Soukromé fúzní snahy získaly od 90. let 20. století finanční prostředky v celkové výši nízkých jednotek miliard. Nejlepší, byť neúplný odhad, zhruba 1,8 miliardy dolarů, uvádí zpráva o stavu fúzního průmyslu, kterou letos – a to vůbec poprvé – zveřejnily Asociace fúzního průmyslu (FIA) a britský Úřad pro atomovou energii (UKAEA).

Největším investorem v tomto kole byl Sam Altman, známá postava Silicon Valley. Altman byl v letech 2014 až 2019 prezidentem startupové dílny Y Combinator v Silicon Valley a nyní je generálním ředitelem organizace Open AI, která se zabývá výzkumem umělé inteligence a kterou spoluzaložil s Elonem Muskem a dalšími. (Musk od té doby odstoupil s odvoláním na střet zájmů v souvislosti s aktivitami společnosti Tesla v oblasti umělé inteligence). Altman byl také velkým zastáncem univerzálního základního příjmu, tedy myšlenky, že by vláda měla každému občanovi poskytnout základní životní minimum jako kompenzaci za technologické poruchy, které činí některá pracovní místa irelevantními.

Před lety si Altman údajně sestavil seznam technologií, do kterých by se chtěl zapojit, a umělá inteligence a energetika byly na prvním místě tohoto seznamu. Do Helion Energy poprvé investoval v roce 2015, tehdy to bylo 9,5 milionu dolarů.

Hvězdné sliby

Zmíněná zpráva o stavbu „fúzního oboru“ ukazuje, že Helion není zdaleka jedinou společností, která tvrdí, že její úspěch je za rohem. Většina autory zprávy oslovených soukromých fúzních společností údajně očekává (či alespoň autorům řekla), že fúzní energie bude dodávat elektřinu do sítě v roce 2030.

Zpráva uvádí, že na světě existuje nejméně 35 soukromých společností zabývajících se jadernou fúzí. Většina z nich je soustředěna v USA a Evropě. Z těchto 35 společností se jich tucet prohlásil za společnosti v rané fázi vývoje nebo fungující „v režimu utajení“, a proto odmítly poskytnout bližší informace. U zbývajících 23 společností 12 z nich uvedlo, že zahájily činnost teprve v posledních pěti letech.

Ačkoli ne všechny společnosti uvedly výši finančních prostředků, které obdržela, 18 společností, které tak učinily, do dnešního dne nashromáždilo téměř 1,8 miliardy dolarů plus dalších 85 milionů dolarů v grantech a jiných finančních prostředcích od vlád. Čtyři z největších hráčů na poli soukromé fúze – Commonwealth Fusion Systems, General Fusion, TAE Technologies a Tokamak Energy – se na tomto objemu podílí velkou většinou: 85 procenty.

Podle zprávy je nejoblíbenější technikou fúze, kterou společnosti využívají, magnetické udržení, při němž se k zadržení vysokoteplotního plazmatu používají magnetická pole. Zatímco výroba elektřiny je hlavním cílem soukromých společností zabývajících se jadernou fúzí, téměř polovina firem vidí využití této technologie také v pohonu pro vesmírné lodě (jak jsme říkali, jsou to optimisté) a na dalších trzích včetně lodního pohonu, vodíkového paliva a průmyslového tepla.

Ambiciózní cíle

V nadcházejícím desetiletí bude největším experimentem v oblasti jaderné fúze tokamak ITER, který se v současné době staví ve Francii a jehož spuštění se očekává koncem roku 2020. Jedná se o výzkumný reaktor, v jehož plazmatu má vznikat zhruba 10krát více energie, než kolik je zapotřebí k jeho ohřevu.

ITER je ovšem stále experimentální zařízení, které nikdy nebude dodávat elektřinu do sítě. Ve fúzním výzkumu se obecně předpokládá, že výrobu elektřiny poprvé vyzkouší další generace zařízení, která by mohla začít pracovat někdy kolem poloviny 21. století. Například Velká Británie v současné době projektuje prototyp zařízení STEP, které by mělo být v provozu ve 40. letech 21. století. Řada států Evropské unie zase předběžně spolupracuje na přípravě projektu známého jako DEMO.

Navzdory tomuto časovému horizontu se podle zprávy většina soukromých společností domnívá, že tohoto cíle mohou dosáhnout dříve – i když v menším měřítku. Více než dvě třetiny společností oslovených pro účely zprávy se domnívají, že elektřina vyrobená z jaderné fúze by se mohla dostat do sítě v roce 2030, zatímco 20 % si myslí, že to bude spíše ve 40. nebo 50. letech tohoto století.

“Tato zpráva ukazuje, jak se soukromý fúzní průmysl, převážně mimo zájem veřejnosti, přibližuje ke komerčnímu využití fúzní energie,” říká ředitelka komunikace FIA Melanie Windridgeová. “Ambiciózní časové plány, na které upozornil náš první průzkum, ukazují, s jakým zápalem a odhodláním se toto rostoucí odvětví rozvíjí.” Další možností samozřejmě je, že společnosti přeceňují obtíže spojené s dosažením deklarovaného cíle, nebo nechtějí odradit investory.

Windridgeová řekla časopisu Physics World, že pokud má mít fúze významný dopad na cíle v oblasti změny klimatu, pak bude první výroba elektřiny nutná v roce 2030 a komerční zavádění se rozběhne v roce 2040. To však nebude jen výsledkem činnosti soukromých firem.

“Společnosti si uvědomují význam spolupráce veřejného a soukromého sektoru, zejména v oblasti technologií, jako je šlechtění tritia a nové materiály,” dodává Windridge. “Vyzýváme k větší podpoře partnerství veřejného a soukromého sektoru, abychom jim pomohli realizovat jejich ambice.”

Spojením k energii

  • Jaderná či nukleární fúze je typ jaderné reakce, při které dochází ke slučování atomových jader lehčích prvků v jádra těžších prvků a zároveň k uvolnění energie. Termojaderná fúze probíhající za vysokých teplot je zdrojem energie většiny hvězd včetně Slunce. Jaderná fúze je v principu opakem štěpení jader těžkých prvků.
  • Proti slučování jader působí odpudivá elektrická interakce (obě jádra jsou kladně nabitá). Dostanou-li se však lehká jádra dostatečně blízko k sobě, aby překonala Coulombovu bariéru, převládne nad elektrickou silou přitažlivá jaderná síla a obě jádra se sloučí. Rozdíl mezi klidovými hmotnostmi jader před a po sloučení se uvolní ve formě energie.
  • Jedním ze způsobů, jak může fúze probíhat, je působení vysoké teploty a tlaku, kdy do sebe jádra mohou narazit s dostatečnou energií k překonání coulombovské bariéry. V tom případě mluvíme o termonukleární fúzi.
  • V jádru Slunce a dalších menších hvězd hlavní posloupnosti probíhá takzvaný proton-protonový cyklus, kdy se slučují samotné protony (jádra vodíku) na helium. U větších hvězd ke stejné proměně dochází cyklem C-N-O.
  • Ve starších hvězdách dále dochází k 3-alfa reakci, kdy se protonovým cyklem vytvořené helium přeměňuje na uhlík. Ve větších hvězdách pak fúzemi vznikají i další prvky jako je neon, kyslík nebo křemík. Nejtěžší prvek vznikající ve hvězdách termonukleární fúzí je železo, které má příliš silné vazby (fúze energii neprodukuje, ale spotřebovává) a při jeho nahromadění dochází ke gravitačnímu kolapsu a explozi supernovy. Těžší prvky ve vesmíru vznikají jinými typy nukleosyntézy, například při této explozi.
  • Snaha po využití jaderné fúze jako zdroj energie je předmětem bádání, jehož cílem je vytvořit fúzní reaktor. K tomuto zkoumání slouží zejména tokamaky a stelarátory.
  • Jednorázovou jadernou fúzní reakci není těžké vyvolat (lze jí dosáhnout např. elektrickým výbojem[1]), je ale obtížné udržet ji v reaktoru po delší dobu a zajistit kladnou bilanci získané energie ku dodané.
  • Reakce teoreticky použitelná pro výrobu energie na Zemi je syntéza deuteria a tritia:
  • D + T4He + n
  • Deuterium je v přírodě běžně se vyskytující izotop vodíku. Ve svém jádře obsahuje jeden proton a jeden neutron. Tritium je izotop vodíku, který oproti deuteriu obsahuje ještě jeden neutron navíc. Vyskytuje se velmi vzácně, protože jeho poločas rozpadu je 12 let.
  • Ovšem Helion Energy se snaží využít jiné fúzní reakce, konkrétně slučování izotopu helia-3 a již zmíněného deuteria. Mělo by se jednat o tzv. „bezneutronovu fúzi“. Velká část energie uvolněná třeba při slučování deuteria a tritia se totiž uvolňuje v podobě neutronů. Ty je zapotřebí zachytit, aby se energie dala využít, ale je to poměrně složité, a navíc tyto částice mají dost energie, aby neustále narušovaly a poškozovaly materiál reaktoru. Neutrony jsou tedy problém, na druhou stranu „bezneutronová“ fúze je zatím jen velmi málo prozkoumána a ozkoušena. A podmínky nutné k jejímu dosažení jsou ještě extrémnější než třeba právě u slučování deuteria a tritia. Jinak řečeno, využití tohoto typu fúze je skok do neznáma.

Oprava: V článku bylo chybně uvedeno, že zařízení STEP má být uvedeno do provozu ve 40. letech 20. století, místo správného 21. století. Za omyl se omlouváme.

Pevnou a vlastně nezbytnou součástí výrobního cyklu baterií by měla být i recyklace. Mohou ovšem recyklované materiály a baterie z nich být dostatečně kvalitní?

Srdce dnešních elektrických vozů – lithium-iontové baterie – nejsou tak šetrné a ekologické, jak si často představujeme. Obsahují velké množství kovů, které musíme nějak získat. Odhadovaná poptávky je tak veliká, že velkou bude v dohledné době nutné zřejmě vytěžit.

Postupně by se však měl narůstat význam recyklace těchto materiálů. Ta by mohla minimalizovat sociální a environmentální dopady těžby, zabránila by skládkování milionů tun baterií a snížila by spotřebu energie a emise vznikající při výrobě baterií.

Přestože se však odvětví recyklace baterií pro elektromobily již pomalu začíná rozbíhat, přimět výrobce automobilů k používání recyklovaných materiálů je stále obtížné. “Lidé mají obecně dojem, že recyklovaný materiál není tak kvalitní jako původní,” řekl pro časopis IEEE Spectrum Yan Wang, profesor strojního inženýrství na Worcester Polytechnic Institute. “Výrobci baterií s využitím recyklovaného materiálu ve svých produktech stále váhají.”

Wang si myslí, že pro to není důvod – a své závěry má podložené fakty. Studie jeho týmu, který zahrnoval i odborníky ze společnosti A123 Systems, která vyrábí baterie, naznačuje, že výrobci baterií a automobilů by se nemuseli recyklovaných produtků obávat. Podle závěrů studie zveřejněné v časopise Joule mohou být baterie s recyklovanými katodami stejně dobré nebo dokonce lepší než baterie využívající nově vytěžené materiály.

Tým testoval baterie s recyklovanými katodami NMC111, což je nejběžnější druh katody obsahující po třetině niklu, manganu a kobaltu. Katody byly vyrobeny pomocí patentované recyklační techniky, kterou nyní komerčně využívá startup Battery Resourcers, který Wang spoluzaložil.

Recyklovaný materiál měl trochu jiné vlastnosti než nový. Na mikroskopické úrovni poréznější, a tedy propustnější pro lithiové ionty. Výsledkem jsou baterie s podobnou hustotou energie jako baterie vyrobené z komerčních katod, které však zároveň vykazují až o 53 % delší životnost.

Recyklované baterie sice nebyly testovány v automobilech, ale testy byly provedeny v průmyslově relevantním měřítku. Výzkumníci vyrobili standardní články o kapacitě 11 ampérhodin. Většinu testů provedli odborníci ze společnosti A123, tvrdil Wang novinářům.

Používali přitom protokol navržený USABC pro splnění cílů komerční životaschopnosti plug-in hybridních elektromobilů. Výsledky podle něj dokazují, že recyklované katodové materiály jsou životaschopnou alternativou k “panenským” materiálům.

Zlato v katodě

Baterie pro elektromobily jsou ovšem složitá zařízení, a jejich recyklace není snadná. Zahrnuje buď jejich spalování s využitím velkého množství energie, nebo rozmělňování a rozpouštění v kyselinách.

Většina velkých recyklačních společností, které se zabývají především recyklací baterií pro spotřební elektroniku, a také většina start-upů, které se v této budoucnosti chtějí prosadit v blízké budoucnosti, jednoduše řečeno “rozloží” s pomocí těchto a dalších metod baterie na základní suroviny. Ty prodávají společnostem vyrábějícím materiály pro baterie, které následně vyrobí vysoce kvalitní materiály pro výrobce automobilů a baterií.

Největší část ceny elektromobilové baterie se však skrývá v katodě, upozorňuje Wang. Katodové materiály bývají patentovanými sloučeninami několika různých kovů, včetně niklu, manganu a kobaltu. Mají pečlivě navrženou strukturou, a skládají se ze zrn o specifické velikosti.

Battery Resources tvrdí, že její recyklační proces by mohl produkovat katodové NMC materiály přesně podle požadavků dané automobilky. Což by mohlo výrazně zvýšit prodejní cenu, a tedy zvýšit ziskovost celého procesu. “Jsme jediná společnost, která poskytuje výstup, který je katodovým materiálem,” tvrdí Wang a dodává: “Ostatní společnosti vyrábějí prvky. Takže jejich přidaná hodnota je nižší.”

Firemní postupy zahrnují drcení baterií a odstraňování ocelových pouzder, hliníkových a měděných drátů, plastů a materiálů pouzder určených k recyklaci. Zbývající hmota se rozpustí v rozpouštědlech a grafit, uhlík a nečistoty se odfiltrují nebo chemicky oddělí. Pomocí patentované chemické techniky se pak nikl, mangan a kobalt smíchají v požadovaném poměru a vytvoří se katodový prášek.

Technologii přímé recyklace vyvíjí i několik dalších výzkumníků a organizací, jako je ReCell Center, výzkumná spolupráce v oblasti recyklace baterií podporovaná americkým ministerstvem energetiky. V dohledné době však pravděpodobně velké objemy recyklovaného katodového materiálu patrně nikdo jiný produkovat nebude.

Společnost Battery Resourcers zatím prodává své recyklované materiály výrobcům baterií také v malých objemech, před konkurencí se však zdá mít náskok. Společnost plánuje otevřít svůj první komerční závod, který bude schopen zpracovat 10 000 tun baterií, v roce 2022. V září získala 70 milionů dolarů, za které plánuje do konce roku 2022 spustit další dvě zařízení v Evropě.

Společnost Tesla během hovoru oznámila, že její vozy Model 3 a Model Y budou mít v základu “lidové” články typu LFP. Tento úspěšný typ článků se tak zřejmě vydá ve větším měřítku z Číny do světa.

Společnost Tesla tento týden ve zprávě o hospodaření za třetí čtvrtletí nenápadně oznámila i změnu v tom, jaké články budou dostávat její vozy. Nově budou všechny tři nejlevnějšíh Modelu 3 a také Modelu Y vybaveny články technologie “lithium železo fosfát”, které se označují anglickou zkratkou LFP.

Tyto “železité” akumulátory mají sice nižší energeetickou hustotu a poskytují tedy při stejných rozměrech baterie kratší dojezd, ale jsou výrazně levnější, protože používají železo namísto dražších materiálů, jako je nikl, mangan nebo kobalt.

Jak již asi víte, kobalt se používá v katodě baterií, obvykle v kombinaci s niklem a manganem v podobě materiálu známého jako NMC, který tvoří základ většina dnešních lithiových článků. Kobalt je z těchto materiálu nejdražší, navíc je dnes jeho produkce vázána na problematickou těžbu v Kongu.

I proto se většina výrobců snaží zbavit v první řadě právě kobaltu. (V minulosti byly v NMC ve stejném poměru 1 : 1 : 1 nikl, mangan a kobalt. V nových bateriích ovšem tvoří velkou část materiálu pouze nikl (někdy téměř 90 procent) a kobaltu je cca 5 procent nebo méně.)

Pro varianty “Long Range” nebo “Performance” se budou nadále instalovat baterie NMC, ale s již zmíněným sníženým obsahem kobaltu. V závislosti na konstrukci modelu budou použity katody s vysokým obsahem niklu nebo manganu. Vzhledem k tomu, že poptávka po niklu roste mnohem rychleji než těžební kapacity, mohly by nedostatky v dodávkách a rostoucí ceny omezit výrobu velkoobjemových modelů – proto je kladen důraz na články LFP pro vozidla se standardním dojezdem.

Otevře jim cestu na západ?

Krok to není neočekávaný. Elon Musk oznámil záměr zaměřit se více právě na baterie LFP již během “Bateriového dne” v září 2020 . Týká se to především modelů “Standard Range”, v nichž mají být použity robustní a odolně baterie toho typu.

K tomu je zapotřebí ovšem tyto baterie dostat ve větším měřítku z Číny. Tato země dominuje výrobě baterií na bázi železa díky řadě klíčových patentů, které jí umožnily vyrábět 95 % světových LFP článků. Na čínském trhu jsou tedy zdomácnělé. Ostatně nejprodávanější čínský elektromobil, Wuling Mini za 4 500 dolarů (tedy zhruba 100 tisíc korun), používá balíčky LFP od výrobců, jako je Hefei.

Jinam do světě se ovšem příliš nemohly, protože byly považovány za klíčovou technologii, která se má vyrábět výhradně na čínské půdě. To by se teď mělo změnit, protože celá řada klíčových patentů v této oblasti končí.

Společnost Tesla uvedla, že plánuje celosvětově používat baterie LFP ve své flotile vozidel standardního dojezdu a přesunout výrobu baterií blíže ke svým továrnám. “Naším cílem je lokalizovat všechny klíčové části vozidel na kontinentě,” řekl investorům Drew Baglino, senior viceprezident pro pohonné jednotky a energetické inženýrství ve společnosti Tesla. Tesla staví továrny ve Spojených státech a v Německu. “Interně spolupracujeme s našimi dodavateli, abychom tohoto cíle dosáhli, a to nejen na úrovni konečné montáže, ale co nejdále po proudu.”

Tesla v tomto případě není samozřejmě sama, kdo si uvědomuje výhodu levnějších baterií. Řada výrobců automobilů, včetně General Motors ši Volkswagenu, používají pro vozy s delším dojezdem nebo vozy sportovní baterie s vyšším obsahem niklu (a případně dalších dražších surovin). A pro levnější, základní modely používají baterie levnější.

LFP čili Lithium železo fosfát

Tyto články s vysokým obsahem železa byly jednu dobu považovány alespoň co se elektromobility týče tak trochu za “slepou uličku” kvůli nízké energetické hustotě. Na začátku roku 2021 stále tvořily méně než 10 % všech dodaných li-ion článků. Ovšem podle analytiků se množství do výrobků článků v druhé polovině roku 2020 meziročně zvýšilo několikanásobně, a další růst bude jen následovat. Mají totiž zásadní výhodu v ceně.

Tento typ článků nabízí kvůli použitým materiálům tedy nižší měrnou hustotu energie (100-160 Wh/kg) než články využívající dražší materiály. Na druhu stranu, mají vysoký měrný výkon. Nominální napětí je nižší a činí 3,2 V a nabíjí se na napětí 3,6 V. Mohou tedy poměrně přímočaře posloužit jako náhrada za klasické olověné akumulátory. Dnes je populární volbou pro uložiště energie, UPS a trakční použití obecně.

Jde o velmi stabilní baterii. Rozkládá se při teplotách kolem 270 stupňů Celsia. Při přebíjení, nadměrném vybíjení, zkratu, propíchnutí cizím objektem a podobně nezačíná rychle, jako tomu bývá u řady jiných dnes používaných typů. Ještě větší výhodou než zvýšená bezpečnost je ovšem malé zastoupení drahých materiálů a tedy nízká cena. To je hlavní důvod, proč její zastoupení na trhu neustále roste. Životnost se počítá na tisíce (2000-5000) cyklů a stárnutí probíhá za běžných teplot pomalu.

Lepší článek

Tesla během stejného hovoru poskytla také velmi skromné informace o postupu v případě nového, vylepšeného článku 4680. Ten by měl dodat “šťávu” Muskovům sny o milionůch elektromobilů ročně. Dojezd vozů by se měl zvýšit o více než 50 %, 16 % z toho díky vyšší energetické hustotě nového článku, a náklady na baterie by měly klesnout na polovinu. Díky tomu by se v prodeji měla v příštích letech objevit Tesla za 25 tisíc dolarů, tedy zhruba půl milionu korun.

Drew Bagliano uvedl, že články by se měly poprvé montovat do vozů na začátku příštího roku. Ale i když je podle něj společnost zatím spokojená s tím, jak práce postupují, nikdo si podle něj nemůže být jistý tím, že vše půjde i nadále podle plánu. Jde o článek s novou architekturou, a tak se mohou stále objevit nečekaná nepříjemná překvapení, “nezámé neznámé”, jak řekl Bagliano.

Člány by měly obsahovat několik novinek. Jedna spočívá ve způsobu odvodu a přívodu elektřiny ze samotného aktivního materiálu na póly baterie. To mají na starost v článcích malé vodivé prvky – anglicky nazývané „tabs“ – obvykle vyrobené z niklu, hliníku, případně mědi. „Tabs“ jsou jedním ze slabších míst baterie. Když se baterie rychle nabíjí či vybíjí, právě v těchto kovových prvcích vzniká velké množství tepla – což je pro lithiovou baterii samozřejmě velký problém.

Tesla si v roce 2020 podala patent na baterie, které se bez těchto vodivých prvků mají zcela obejít (baterie s „tabless“ elektrodami). Změna by měla údajně výrazně zjednodušit výrobu. Umísťování a připevňování „tabů“ totiž podle Muska i Baglina výrazným způsobem zdržovalo výrobu článků. Proces není okamžitý, a tak se kvůli němu musí článek na své cestě linkou zastavit. Bez těchto prvků se údajně může linka pohybovat v podstatě kontinuálně. Můžeme si ji údajně představit jako například plnicí linku na nápoje.

Odstranění kovových prvků by také mělo údajně velmi výrazně snížit množství odpadního tepla, které vzniká při rychlém nabíjení baterií. Což v důsledku může vést k nabíjení většími proudy a tedy zkrácení zastávek na dobíjecích stanicích.

Samozřejmě to je spíše hypotetická úspora. Rychlost dobíjení do značné míry záleží na parametrech samotných nabíječek, které provozovatel z pochopitelných důvodů nemůže měnit každý rok. Doma také tak velkými proudy těžko bude někdo dobíjet. „Tabless“ baterie by však mohly mít například zvýšenou životnost. Vyšší teploty bateriím rozhodně neprospívají.

Novým typem baterie by měla do jisté míry i dohánět konkurenci. Ještě v Modelu 3 totiž používá systém chlazení, který není úplně efektivní. Mezi řadami článků má kanálky na odvod odpadního tepla, které vlastně nejsou zapotřebí. Většina tepla totiž vzniká na obou koncích článků. Dělat mezi nimi místo na kanály je podle jiných výrobců znalců oboru v podstatě zbytečně.

Samozřejmě, znalcům nemusíte věřit. V případě Tesly se už mnohokrát mýlili. V tomto případě ale v podstatě uznává svou chybu i Tesla sama. Nové “balení” baterie kanálky mezi články mít nebude, místo toho budou články umístěny na kapalinou chlazené desce. Velmi podobně jako to je u elektromobilů GM, Fordu, Volkswagenu, Porsche a tak dále a tak podobně.

Místo by se mělo uspořit i jinak. Konstruktér a konzultant Sandy Munro, který proslul svým YouTube kanálem, kde rozebíra elektromobily, nedávno odhadl, že Tesla dokáže zvýšit výkon bateriových celků o více než 50 procent při zachování stejných rozměrů. Do rozměrů baterie pro Teslu 3, která má kapacitu 72 kWh, by se podle něj mohla vejít nová baterie s kapacitou cca 130 kWh.

Kromě zmíněné úspory vzniklé změnou chladícího systému by k tomu měly významně přispět i další změny v konstrukci. Více dílů by mělo být slepeváno, a také svařované části konstrukce se dají udělat efektivněji. Celkem by tam nové bateriové celky podle něj mohly obsahovat o 30 až 40 procent méně oceli.

Floridské Miami instaluje do městských popelnic “chytré” kamery, které měří a třídí odpad. Tato iniciativa by mohla snížit náklady na svoz odpadu o předpokládaných 30-40 % a zvýšit míru recyklace.

Údaje z tohoto počátečního nasazení budou základem pro návrh individuálního programu měření odpadu pro všechny městské budovy a soukromé podniky v Miami, uvádí se v prohlášení města.

Kamery společnosti Compology budou několikrát denně snímat vnitřek popelnic v městských budovách, na policejních a hasičských stanicích a v parcích a měřit, kolik odpadu se v nich nachází a jakého druhu.

Analýza snímků pomocí umělé inteligence (AI) ukáže, jak je popelnice plná, jak je plná při svozu a jak se její naplnění v čase mění. To by mělo umožnist efektivnější svoz odpadu. Dále systém identifikuje odpad, který by neměl být v recyklaci, nebo odpad, který byl nesprávně uložen – například nerozložené krabice. To může městu umožnit, aby lépe cílilo vzdělávací či osvětové kampaně či informovalo občany jinak.

Systém by měl také pomoci nejen v Miami, ale i ve zbytku Spojených států zvýšit poměrně mírou recyklace. Podle americké Agentury pro ochranu životního prostředí (EPA) bylo z 292,4 milionu tun tuhého komunálního odpadu vyprodukovaného Američany v roce 2018 recyklováno 69 milionů tun a 25 milionů tun bylo kompostováno, což odpovídá 32,1% míře recyklace a kompostování (v ČR se vytřídí cca 75 % obalového odpadu a necelých 40 % komunálního odpadu). Mnoho recyklovatelných odpadů se znečistí, když jsou předměty umístěny do nesprávného kontejneru, a musí být odeslány na skládku.

Kromě snížení nákladů si město slibuje od zavádění chytrých kamer také snížení emisí oxidu uhličitého (kvůli úspoře cest popelářů), snížení dopravní zátěže, hluku a černého skládkování.

Šablona pro města

“Technologie společnosti Compology snižuje počet kilometrů, které musí popelářské vozy ujet, a pomáhá zlepšit množství materiálu, který lze recyklovat – aby se nedostal na skládky,” řekl komisař města Miami Ken Russell, který vedl iniciativu za zavedení společnosti Compology v Miami. “Modernizací našich procesů sběru odpadu můžeme snížit ekologickou stopu města a zároveň ušetřit peníze daňových poplatníků. Je to výhra pro všechny.”

“Přijetí inovativní technologie městem Miami slouží jako vzor pro to, jak mohou obce efektivněji nakládat s odpadem a dosáhnout tak udržitelnosti i úspory nákladů,” dodal Jason Gates, generální ředitel společnosti Compology. “Společnost Compology je odhodlána udělat vše, co je v našich silách, abychom podpořili komisaře Russella, starostu Suareze a město Miami v jejich vizi chytrého a ekologického hospodaření tím, že snížíme provoz kamionů a pomůžeme odklonit odpad ze skládek, které jsou třetím největším zdrojem emisí metanu ve Spojených státech.”

V květnu společnost Compology vyhlásila program Clean and Green City Grants, v jehož rámci poskytuje 25 městům bezplatný 90denní pilotní provoz své technologie. Zatím se to týká jen měst v USA, ovšem.

Načíst další