technologie

Řada automobilek se v současnosti velmi usilovně snaží navrhnout takový elektromotor, který by ke svému fungování nepotřeboval žádný permanentní magnet. Děje se tak částečně proto, že k výrobě magnetů jsou potřeba vzácné kovy a jejich těžba způsobuje ekologické škody. Z části je to ale také proto, že velká část této těžby – zhruba 90 % – se uskutečňuje v Číně, a v západním světě dnes převládá snaha ekonomickou závislost na této východoasijské zemi co nejvíce omezit.

Většina elektromotorů, které byly dosud vyvinuty, je založena na otáčejících se zařízeních, která kontaktně přenášejí elektřinu na měděné cívky v rotoru. V novém typu elektromotoru, s nímž nedávno přišla německá firma Mahle, však žádná kontaktní místa nejsou. Prostřednictvím cívky se totiž indukuje proud přímo v přijímací elektrodě uvnitř rotoru, a ten pak napájí měděná vinutí, čímž vytváří potřebné elektromagnetické pole.

„K přenosu elektřiny v tomto motoru nejsou třeba žádné kontakty, takže nemůže dojít k abrazi, zanášení prachem nebo jinému mechanickému opotřebení,“ uvedl o novince Martin Berger, který ve společnosti Mahle vede výzkum. „Výhodou je také to, že pokud je nutná oprava rotoru, není nijak obtížné jej celý vyměnit,“ doplnil.

Výroba tohoto elektromotoru bez použití vzácných kovů by měla být i levnější. Jeho konstrukce navíc umožňuje i následné ladění a změnu parametrů rotoru. To znamená, že celkovou účinnost motoru půjde velmi dobře optimalizovat podle jeho konkrétní aplikace – od využití v subkompaktních automobilech až po malé nákladní automobily. Podle Martina Bergera se motor naopak příliš nehodí pro ultrakompaktní vozidla, jako jsou třeba elektrokola, nebo pro velká nákladní vozidla, která obvykle pracují při stálém zatížení. „Velmi rychlá nebo těžká vozidla potřebují převodovku, ale ve většině případů použití, například v osobních automobilech, stačí jeden převodový stupeň,“ vysvětluje Berger.

Jak během testů vývojáři Mahle zjistili, účinnost tohoto nového elektromotoru je mimořádná: dosahuje až 95 %. Takovéto hodnoty se dosud dařilo dosahovat pouze závodními vozy Formule E. Testy ukázaly také to, že dobré účinnosti lze dosáhnout při vysokých i nízkých točivých momentech, což by ve výsledku mělo přispět k větší výdrži baterie vozidla.

Výroba tohoto elektromotoru by podle prohlášení Mahle měla být zahájena přibližně za dva a půl roku, což dává tušit, že společnost Mahle již navázala spolupráci s některou z automobilek zabývajících se výrobou elektromobilů.

Vědcům z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), výzkumného centra spadajícího pod americké ministerstvo energetiky, se podařilo výrazně prodloužit životnost lithium-kovové baterie. Pro další rozvoj elektromobility se jedná o důležitý krok, protože razí cestu k lehčím, levnějším a trvanlivějším bateriím pro elektromobily budoucnosti. O úspěchu informoval na konci června časopis Nature Energy.

Vědci v současné době zkoumají celou škálu možností., jak zvýšit kapacitu bateriových článků pro elektromobily. Jedním z řešení, které je již takříkajíc na obzoru, jsou lithium-kovové baterie. Tyto baterie by měly dodávat téměř dvojnásobnou energii, než jakou poskytují jejich dnes běžně používané lithium-iontové protějšky, a navíc by měly být i lehčí. Při laboratorních testech, které se až doposud prováděly, však vždy nastaly vážné technické potíže a lithium-kovové baterie tak dosahovaly pouze zlomku životnosti lithium-iontových baterií.

Nyní se však týmu vědců z PNNL povedlo vytvořit lithium-kovovou baterii, která vydrží 600 cyklů, což je mnohem déle, než se dosud podařilo dosáhnout. I když je to stále výrazně méně, než kolikrát lze nabít klasické lithium-iontové baterie – ty totiž obvykle mají životnost nejméně 1 000 cyklů –, je třeba vzít v úvahu, že tento rozdíl by do značné míry mělo kompenzovat to, že vozidla s lithium-kovovou baterií by měla dojet na jedno nabití výrazně dále.

Životnost překvapivě prodlužují tenké lithiové proužky

Tým vědců z PNNL přišel na poměrně překvapivý způsob, jak prodloužit životnost baterie. Místo anod obsahujících větší množství lithia použil jeho velmi tenké proužky – o tloušťce pouhých 20 mikronů, což je mnohem méně než tloušťka lidského vlasu.

„Mnoho lidí si myslelo, že delší životnost baterie zajistí silnější vrstva lithia,“ uvedla k závěrům výzkumu Jie Xiao, která je spolu se svým kolegou Jun Liu, ředitelem konsorcia Battery500, jež spadá pod PNNL, autorkou výše zmíněného článku. „Není to ale vždy pravda. Každá lithium-kovová baterie má totiž svou optimální tloušťku v závislosti na její energetické hustotě a designu,“ dodala.

Lithium-kovová baterie vytvořená týmem Battery500 má hustotu energie 350 watthodin na kilogram (Wh/kg) – tedy velmi vysokou, ale nijak extrémně. Hlavním přínosem reportovaného výzkumu je především životnost baterie. I po 600 cyklech si totiž baterie uchovala 76 procent své původní kapacity. Před čtyřmi lety přitom dokázala experimentální lithium-kovová baterie zvládnout pouze 50 cyklů a ještě před dvěma lety to bylo jen 200 cyklů.

Proč je důležitá tloušťka

Rozhodnutí týmu vyzkoušet tenčí lithiové proužky padlo poté, co se mu podařilo detailně porozumět molekulární dynamice anody. Vědci zjistili, že silnější proužky se významně podílejí na selhávání baterie, a to v důsledku složitých reakcí probíhajících ve filmu na anodě označovaných jako pevná elektrolytická mezifáze neboli SEI (Solid Electrolyte Interface). Tato SEI je výsledkem vedlejších reakcí mezi lithiem a elektrolytem. Působí jako důležitý usměrňovač, který umožňuje určitým molekulám přejít z anody do elektrolytu a zpět, přičemž ostatní molekuly drží odděleně. Primárním cílem výzkumníků tedy bylo snížit nežádoucí vedlejší reakce mezi elektrolytem a lithným kovem a ty žádoucí co nejvíce podpořit.

Vědci zjistili, že tenčí lithiové proužky jsou schopny vytvářet něco, co nazvali dobrá SEI, zatímco u silnějších proužků je větší pravděpodobnost, že vznikne škodlivá SEI. Vědci pro tyto jevy začali používat výrazy „mokrá SEI“ a „suchá SEI“. Mokrá varianta udržuje kontakt mezi kapalným elektrolytem a anodou a umožňuje tak vznik důležitých elektrochemických reakcí. V suché verzi kapalný elektrolyt nedosahuje kontaktu s celým lithiem. Dochází k tomu proto, že lithiové proužky jsou silnější a elektrolyt tak musí pronikat do hlubších vrstev, ostatní části lithia pak osychají nebo zůstanou suché. Ŕízením těchto procesů lze podle vědců účinně zabránit výskytu těch reakcí, které podstatným způsobem přispívají k předčasnému konci životního cyklu baterie.

Transformace energetiky směrem k trvalé udržitelnosti je pro energetickou infrastrukturu, či spíše pro ty, kteří ji vytvářejí a spravují, velkou výzvou. Vítr a slunce jsou, jak známo, velmi kolísavé zdroje energie a složitost a propojenost energetické infrastruktury se neustále zvyšuje. Zároveň vzrůstá i význam kybernetické bezpečnosti, protože stále více komponentů této infrastruktury je digitálně propojených, a tím i zranitelných. Tyto skutečnosti dělají provozovatelům přenosových soustav spoustu starostí a problémů. Někteří z velkých hráčů na poli energetiky v nedávné době přišli s konceptem, který by měl řadu těchto problémů odstranit. Tento koncept se nazývá internet energie (Internet of Energy – IoE) a v mnohém navazuje na již dříve vytvořené technologické koncepty internet věcí (Internet of Things – IoT), průmyslový internet věcí (Industrial Internet of Things – IIoT) a Průmysl 4.0 (Industry 4.0).

Hlavním cílem IoE je stručně řečeno to, aby se s pomocí již poměrně zavedené technologie IoT vytvořily monitorovací sítě čidel, nad kterými může běžet řada smart grid aplikací. Ty by pak umožňovaly například podrobné monitorování aktuálního stavu sítě, řízení spotřeby elektřiny, správu distribuovaných úložišť nebo začleňování obnovitelných zdrojů do elektrické sítě.

Nový typ sítě

První řešení pro IoE se začala objevovat zhruba před čtyřmi roky. Do této doby se také datuje řešení od společnosti GE Power – platforma Predix. Vzhledem k tomu, že GE je v oblasti energetiky opravdu velkým hráčem, není divu, že jeho projekt kromě specialistů rychle vzbudil značnou pozornost i u široké veřejnosti. O co v tomto projektu šlo? V zásadě o využití technologie IoT, strojového učení a big data k budování nového typu sítě, který umožní nahradit tradiční model dodávek elektrické energie. Pokud by se totiž podařilo každému elektronu přiřadit jeden informační bit, bylo by pak možné tato data, resp. elektrony detailně sledovat a usměrňovat podle momentální potřeby.

GE k tomuto účelu již vytvořil i speciální operační systém – platformu Predix, která podporuje celý proces datové analýzy od cloudového úložiště dat až po „edge“ řešení. To jsou taková řešení, v jejichž rámci výpočetní algoritmy běží na surových datech nebo strojových datech co nejblíže místu, kde byla sebrána. Výhodou tohoto řešení je, že se tak výrazně zvyšuje rychlost zpracování a eliminuje šum. Data se přitom nemusejí sbírat pouze na vlastních zařízeních GE, ale mohou pocházet i od jiných dodavatelů.

Součástí platformy Predix jsou také pokročilé funkce založené na strojovém učení, například prediktivní údržba nebo optimalizace výkonu sítě. Výsledky, kterých se podařilo v praxi dosáhnout, jsou velmi výmluvné: neplánované prostoje se podařilo snížit o 5 %, počet falešných poplachů poklesl o 75 % a náklady na provoz a údržbu byly nižší o 25 %.

Digitální transformátor jako změna paradigmatu

Do rozvíjení konceptu internet energie se zapojil i další průmyslový gigant – německá společnost Siemens. Ta v roce 2018 představila Sensformer – první digitální transformátor na světě, a tím zahájila cosi jako změnu paradigmatu.

Sensformer je zařízení, které obsahuje čidla, jež trvale sledují nejdůležitější provozní parametry, jako je hladina oleje, teplota, napětí transformátoru nebo aktuální souřadnice GPS. Komunikace probíhá přes GSM nebo přes ethernet, není tedy potřeba žádná sekundární IT infrastruktura.

Siemens rozšířil vlastnosti chytrých transformátorů a rozvaděčů o vrstvu edge computingu (foto: Siemens)

Každý takovýto transformátor má také své digitální dvojče, které v reálném čase simuluje chování svého fyzického předobrazu. Díky tomu lze předvídat a rychle reagovat na chvilková přetížení a nezkracovat tím životnost transformátoru. Stejně tak účinně lze kontrolovat i provozní teplotu, předcházet poruchám a mít trvalý přehled o zbytkové životnosti zařízení.

V roce 2019 přišel Siemens s chytrým rozvaděčem Sensgear. Zabudovaná čidla tohoto zařízení podobně jako v případě Sensformeru trvale monitorují vnější parametry, jako je počasí v daném místě a souřadnice GPS, i parametry vnitřní, jako je hustota plynu, teplota nebo vypnutí obvodu.

Přeřadit na vyšší rychlost

V letošním roce Siemens povýšil svou rodinu chytrých rozvaděčů a transformátorů tím, že je vybavil tzv. edge computingem. Zařízení Edgeformer a Edgegear, která Siemens představil na průmyslovém veletrhu Hannover Messe 2021, jsou první vysokonapěťová zařízení na světě, která mají tuto funkci.

Dosud většina digitálních řešení pro zařízení rozvoden využívala jen připojení ke cloudu. Zapojení edge computingu ale nabízí možnost připojení zařízení přímo v rozvodně. Výhody cloudových řešení, jako je třeba analýza dat nebo centralizovaná správa zařízení a aplikací, lze využívat nadále, ale díky edge computingu je zařízení “upgradováno” na vyšší výpočetní rychlosti, které umožňují rychlejší rozhodování, ukládání a zpracování dat přímo na místě.

V případě edge computingu jsou data v rozvodně uložena offline, aniž by byla ohrožena bezproblémová, bezpečná a snadná integrace do stávajícího IT prostředí zákazníků. Výsledkem je systém s vysokou mírou kybernetické bezpečnosti. Do budoucna se plánuje doplnění edge transformátorů a edge rozváděčů o aplikace pro datové analýzy a asset management.

„Internet energie nabízí obrovské příležitosti k tomu, jak úspěšně zvládnout výzvy stále složitější energetiky. V roce 2018 jsme uvedli na trh první digitální transformátor na světě, čímž se nám v oblasti distribuce energie podařilo změnit paradigma. Uvedení našich produktů Edge znamená další technologický průlom, který povede k efektivnějšímu přenosu elektřiny,“ zhodnotila prezentaci společnosti Siemens na hannoverském veletrhu Beatrix Natter, výkonná viceprezidentka společnosti Siemens Energy.

Evropská unie se rozhodla ještě více zpřísnit emisní limity a tlak na automobilky tak dále roste. Nová norma Euro 7/VII (7 pro osobní a lehká užitková vozidla, VII pro nákladní vozidla a autobusy), kterou nyní chystá Evropská komise, sice podle neoficiálních informací zřejmě nakonec nebude tak nekompromisní, jak se původně plánovalo, ale požadavky zůstávají i nadále velmi přísné. Evropská komise by návrh nové emisní normy měla předložit do konce letošního roku s tím, že platit začne v roce 2025.

Zástupci automobilového průmyslu se obávají, že pokud norma projde schvalovacím procesem EU, reálně hrozí konec spalovacích motorů. Podle původní unijní představy, která unikla na veřejnost, se emise CO2 měly snížit ze současných 80 mg/km na 30 mg/km. To je však podle automobilek technicky zcela nesplnitelný požadavek. Spotřeba paliva by se totiž v takovém případě musela pohybovat kolem 1,2 litru nafty na 100 km nebo 1,4 litru benzinu na 100 km.

I pokud nakonec bude návrh nové emisní normy mírnější, je třeba počítat s nežádoucími efekty. Nové emisní nařízení totiž bude de facto znamenat zákaz prodeje nových automobilů se spalovacími motory a řada lidí si nový vůz, který by byl v souladu s novou normou, zkrátka nebude moci z finančních důvodů dovolit. Bude tedy dále jezdit ve svém starém autě. Vždyť ceny elektromobilů stále výrazně přesahují ceny běžných aut se spalovacím motorem a nelze příliš očekávat, že se tento stav v příštích několika málo letech výrazněji změní. V úvahu je třeba vzít i to, že v mnoha evropských zemích je nezbytná elektromobilní infrastruktura teprve v úplném zárodku. Tímto vynuceným prodloužením průměrného stáří evropských vozidel se tak ekologický záměr nové normy nepochybně oslabí a je jen otázkou, jak velký tento efekt bude.

Dalším nechtěným efektem normy Euro 7/VII pravděpodobně bude nárůst nezaměstnanosti, který způsobí omezování výroby v automobilovém průmyslu.

Výrobci aut pod tlakem

 „Automobilový průmysl je pod obrovským tlakem regulací a technologického vývoje, zároveň jsou firmy vlivem pandemie koronaviru výrazně oslabené, ať již propadem poptávky, či výpadky v dodavatelském řetězci. Současně platné limity škodlivin v rámci Euro 6/VI i pro spotřebu paliva, respektive emise CO2 přitom již dnes výrazně zasahují do modelové nabídky automobilek. Jakkoliv autoprůmysl bere svou zodpovědnost vůči životnímu prostředí vážně, případné drastické zpřísňování podmínek v tak krátké době je pro evropské páteřní průmyslové odvětví nerealistické,“ komentoval plány Evropské komise Zdeněk Petzl, výkonný ředitel Sdružení automobilového průmyslu.

Aktuálně platné normy stanovují limity oxidu uhelnatého, uhlovodíků, oxidů dusíku a pevných částic a metodiku pro měření těchto škodlivin. Chystané normy Euro 7/VII nejenže zpřísňují současné limity a rozšiřují seznam sledovaných škodlivin, ale do hry vstupují rovněž přísnější metody či dokonce sjednocení limitů pro měření v laboratořích i v reálném provozu. První návrhy také počítaly se zařazením extrémních podmínek testování, tedy například při tzv. studeném startu, jízdě do kopce s přívěsem ve vysokých nadmořských výškách nebo za velmi nízkých teplot. Tato kritéria ale fakticky znamenají zákaz spalovacích motorů. „Výrazně nižší emisní norma se nemůže vztahovat na všechny mezní podmínky, a zejména ne na extrémní jízdní podmínky,“ namítá Milan Šlachta ze společnosti Bosch Česká republika.

„Pro výrobce to vše pochopitelně znamená nutnost dalšího vývoje jak samotného spalovacího motoru, tedy např. zvyšování termodynamické účinnosti, tak jeho aftertreatmentu a další senzoriky na motoru či výfukovém potrubí. Zároveň s tím existuje potřeba v co nejširší míře využívat rekuperaci energie pro zlepšení energetické bilance dopravního prostředku. V praxi to přinese další elektrifikaci pohonů u všech kategorií vozidel. Nelze však opomenout ani využití „nových“ perspektivních a relativně čistých paliv, nutných např. pro těžkou dálkovou dopravu – rozšíření využití LNG nebo jiných, synteticky vyráběných uhlovodíkových paliv,“ vysvětluje Luboš Trnka z renomované certifikační společnosti TÜV SÜD.

Příliš málo času

Podle automobilek je zásadním problémem rovněž velmi krátká doba na implementaci takto rozsáhlých opatření. Obvyklá délka vývoje nového typu vozidla je totiž 5 až 7 let, norma Euro 7/VII by však měla začít platit již v roce 2025.

„Nové emisní požadavky by měly být proveditelné a kontrolovatelné, pokud jde o měření a testování. Vyvinout v tak krátké době nová technologická řešení k dosažení takto nastavených limitních hodnot není technicky možné anebo by to bylo za enormní cenu, která by neodpovídala celkovému přínosu,“ varuje Milan Šlachta a dodává: „K dosažení klimaticky neutrální mobility je třeba vzít v úvahu také ostatní možná řešení. Vedle elektromobility také syntetická paliva pro stávající spalovací motory a dále pracovat na jejich vylepšování. Nevytlačovat je nepřímo novou normou z trhu.“

Celý proces implementace nových norem tedy nakonec nemusí nutně znamenat výraznější pozitiva pro životní prostředí. To tvrdí i studie AERIS Europe zveřejněná na webu Evropského sdružení výrobců automobilů (ACEA). Podle ní by sice nové normy jistý pozitivní účinek mít mohly, ale ten by byl jen omezený, i s ohledem na to, že velmi výrazných pozitiv pro kvalitu ovzduší, například v rovině snížení emisí oxidů dusíku, přinesou již nová vozidla podle normy Euro 6/VI. Automobilky navíc mohou využít i jiných možností, jak snížit emise spalovacích motorů, například s pomocí syntetických paliv, která se vyrábějí z obnovitelných zdrojů. Pro klima totiž není největším problémem spalovací motor, ale fosilní paliva.

Automobilky stále častěji používají alternativní, snadno dostupné materiály šetrné k životnímu prostředí. Jedná se o plasty a polymery s využitím přírodních materiálů, které mají příznivější uhlíkovou stopu než fosilní plasty. V autech se tak objevují materiály s mnohdy až překvapivým původem.

Nejnovějším příkladem toho, kam jde vývoj, může být nový elektromobil Hyundai Ioniq 5. Ten má sedadla potažená ekologicky zpracovanou kůží, která je obarvena a ošetřena extrakty rostlinného oleje z lněného semínka. I další komponenty v jeho kabině se skládají z textilií získaných z udržitelných vláken, jako jsou biosložky z cukrové třtiny a vlny, jakož i materiálu tkaného z vláken vyrobených z recyklovaných PET lahví.

Povrchy, jako je palubní deska, spínače, volant a panely dveří, jsou potaženy polyuretanovou bio barvou složenou z oleje z květů řepky olejky a z kukuřice. V Ioniqu 5 se tak koncentrují řešení, která jsou použitá i u jiných aut současné produkce.

Čalounění stále více z „petek“

Stále rozšířenějším recyklátem v autech jsou PET lahve. Vyrábějí se z nich přístrojové desky, izolační materiály, tlumicí díly, výplně dveří, ale míra jejich využití stále roste. Vznikají z nich nejen podlahové rohože a podlahy zavazadlových prostorů, ale stále i čalounění sedadel.

Po rozemletí se plastové lahve rozemelou na drť, která se roztaví, a vytvoří se z nich vlákna, později sloužící k výrobě látek. Jako příklad může sloužit Audi A3, u něhož je z recyklovaných PET láhví téměř devadesát procent použitých textilií. Čalounění jednoho sedadla vznikne z pětačtyřiceti 1,5litrových PET. Dalších 62 plastových lahví se zužitkuje na koberečky.

Kabina Hyundaie Ioniq 5 má sedadla potažená ekologicky zpracovanou kůží a další komponenty z textilií získaných z udržitelných vláken, jako jsou biosložky z cukrové třtiny a vlny. (foto Hyundai)
Kabina Hyundaie Ioniq 5 má sedadla potažená ekologicky zpracovanou kůží a další komponenty z textilií získaných z udržitelných vláken, jako jsou biosložky z cukrové třtiny a vlny. (foto Hyundai)

Výmluvně hovoří i symbol na štítku předního sedadla Fiatu Panda Cross se symbolem sedmi „petek“. Renault navíc u modelu Zoe využívá recyklovaných mykaných vláken, které zčásti pocházejí ze zbytků bezpečnostních pásů.

Pro koberečky aut se ale stále více používají i odpadní ústřižky látek z textilních továren. Velkou módou a z hlediska propagace vděčným „soustem“ se v poslední době staly vyřazené rybářské sítě. Z nich vyrobené koberečky a další komponenty v interiéru se dostaly např. do Volva V90 Cross Country Ocean Race. Modernizované Fiaty 500 a Panda v Launch Edition zase mají sedadla čalouněná materiálem Seaqual, který z jedné desetiny tvoří recyklované plasty vylovené z moře.

Že se recyklují plasty ze starých vyřazených aut, není nic nového. Pro ně ale platí, že ne vše se dá stále znovu použít pro stejný účel. Plasty totiž postupně ztrácejí svoje vlastnosti. Ze starých nárazníků tak například vyrábí obložení podběhů kol.

Materiál Piňatex vytvořený z ananasových listů se ukazuje, jako možná alternativa ke koženému čalounění sedadel. (foto ananas-anam)
Materiál Piňatex vytvořený z ananasových listů se ukazuje, jako možná alternativa ke koženému čalounění sedadel. (foto ananas-anam)

Auta plná přírodních vláken

Stále významnější roli hrají v automobilových konstrukcích materiály rostlinného původu. Výplně sedadel moderních aut se dosti často vyrábějí s využitím sójové pěny místo té na bázi ropných derivátů.

Do automobilů si hledá cestu rovněž plast získaný z kukuřice či cukrové třtiny, který nachází uplatnění mj. v prvcích zavazadlového prostoru. Mikroskopicky tenkými přírodními vlákny, a to ať již jsou z kokosu, ananasu, banánů, ale i fíků a agáve, vyztužené plasty jsou až o třetinu lehčí a přitom tři- až čtyřikrát pevnější než dnešní materiály.

Hojně používanými přírodními vlákny pro vyztužení polymerů jsou i konopí a len. Výjimkou není ani plast vyztužený pšeničnou slámou. A velkou budoucnost prý mají plasty s příměsí sisalu či bambusových vláken. Podíl obnovitelných materiálů má šanci zvýšit i tzv. tekuté dřevo (kombinace dřeva a plastu). Jednou z využívaných rostlin je ale i ibišek konopovitý, neboli kenaf, jak se jeho vlákno označuje. Experimentuje se ale i se slupkami od rýže, a to mj. pro výrobu podlahy zavazadlového prostoru.

Tradičně aktivní v hledání nových materiálů je Ford. Již ve 40. letech experimentoval Henry Ford se sójou, když si z tohoto materiálu dokonce nechal patentovat karoserii. Nejnověji tento výrobce šokoval tím, že začal využívat kávové slupky, které se oddělují od zrn při procesu pražení u McDonald’s, pro výrobu konstrukce světlometů Fordu Mustang. Před časem zase ve svých autech začal používat recyklované džíny a rozemleté dolarové bankovky. V minulosti si navíc ověřil, že při výrobě některých součástek lze využít například i materiál jako vaječné skořápky, rýžové a rajčatové slupky či kokos.

Ford využívá kávové slupky, které se oddělují od zrn při procesu pražení u McDonald’s, pro výrobu konstrukce světlometů Fordu Mustang. (foto Ford)
Ford využívá kávové slupky, které se oddělují od zrn při procesu pražení u McDonald’s, pro výrobu konstrukce světlometů Fordu Mustang. (foto Ford)

Nástup veganství

Rychlý nástup přírodních materiálů do aut má na svědomí i rychle se šířící trend veganství. Kožené čalounění ustupuje tomu umělému a například kabiny Audi e-tron GT, VW ID.3, Fordu Mustang Mach-e, ale i Tesel, Range Roverů a dalších modelů již neobsahují živočišné materiály. U Range Roveru Evoque zase můžete zvolit buď luxusní náhražku kůže z recyklovaných plastových lahví, nebo látku vyrobenou z udržitelně pěstovaného eukalyptu. Cestu do aut si hledá i materiál Piňatex vytvořený z ananasových listů, který se již hojně využívá zejména v módě.

Prověřuje se i udržitelná alternativa k uhlíkovým vláknům. Základem materiálu Amplitex od švýcarské společnosti Bcomp jsou lněná vlákna v kombinaci s epoxidovou pryskyřicí. Má podobné vlastnosti jako karbon, ale přitom menší uhlíkovou stopu. Pilně ho testuje Porsche, které ho již v podobě kompletního bodykitu vyzkoušelo v závodním modelu 718 Cayman GT4 Clubsport MR ve 24hodinovém závodě na Nürburgringu.

Nelze v tomto směru nevzpomenout na dnes již legendární trabanty, které se proslavily duroplastovými díly karoserie. Východoněmecká automobilka používala kvůli nedostatku plechu směs bavlněného odpadu a pryskyřice, přičemž každý díl se lisoval při teplotě 170 °C přibližně 10 minut. S recyklací to ale bylo již složitější, po nehodch ovšem zase bylo vždy hodně materiálu na trsátka…

Celkem 108 milionů dolarů (cca 2,3 mld. korun) získala od investorů společnost Heliogen, která chce uvést do praxe první dostupný systém na výrobu tepla ze slunečního světla pro výrobu elektřiny. Má být levnou variantou například nejen pro produkci tepla, ale také výrobu elektřiny, či vodíku.

Ovšem právě možnost produkce bezuhlíkového tepla vysvětluje zájem některých investorů. Mezi ně se kromě některých tradičnějších rizikových investorů zařadil také ArcelorMittal, přední světová ocelářská a těžební společnost.

Jak to funguje

Heliogen byl založen již v roce 2013, ale veřejně se o něm začalo intenzivněji mluvit v roce 2019. Tehdy si získala pozornost tiskovým prohlášením, ve kterém nezapomněla zmínit, že mezi prvními investory do společnosti byl i Bill Gates. Díky němu jsme se dozvěděli o technologii Heliogenu více.

Firma se věnuje oboru, který není podstatou nijak nový: vývoji solárně-termálních elektráren. To jsou zařízení, ve kterých zrcadla soustředí odrážené světlo do jediného místa, z praktických důvodů na vyvýšeném místě, charakteristické věži uprostřed elektrárny. Vznikající teplo pak slouží k vytváření páry pohánějící turbínu. Heliogen se od jiných systémů liší ovšem v jednom důležitém ohledu, totiž dosažené teplotě. V roce 2019 společnost uváděla, že na „terči“, kde se soustředí paprsky odrážené zrcadly, tepolta těsně přesahovala 1 000 °C. Od té doby se mluví až o 1 500°C.

Při takových teplotách by se podle firmy dá uvažovat o efektivní a levné výrobě syntetických paliv. Myslíme konkrétně rozklad vody pro výrobu vodíku. V souvislosti s Heliogenem mluví nejčastěji o produkci tzv. syntézního plynu, tedy směsi vodíku a oxidu uhelnatého (CO), která může také posloužit jako náhrada řady fosilních paliv. Výchozími surovinami by byl oxid uhličitý a voda.

Koncept solární termální elektrárny společnosti Heliogen (foto Heliogen)
Koncept solární termální elektrárny společnosti Heliogen (foto Heliogen)

Jinak řečeno, postup by pak mohl sloužit k ukládání energie z obnovitelného zdroje do dobře skladovatelné podoby klasického paliva pro pohon motorů či turbín. Ovšem podobně jako v případě technologie výroby paliv z CO2 zachyceného ze vzduchu, o kterém jsme psali před časem, podobná technologie by v blízké budoucnosti mohla dávat finanční smysl pouze za specifických okolností, kdy běžná paliva budou znevýhodněna například zatížena uhlíkovou daní.

Firma toho ho dosáhla nasazením velmi přesného řídícího systému zrcadel. Kolem cílové plochy na věži jsou umístěny čtyři fixní kamery zaostřené každá na jiný pomyslný bod. Počítač vyhodnocuje v reálném čase, zda a jak se odraz mění, a podle toho určuje nastavení zrcadel. Šéf Bill Gross na serveru Vox tehdy řekl, že kamery nesledují přímo zrcadlo, ale zaostří na čtyři různé, ale stejně vzdálené body vedle zrcadla. Poté se jejich obraz vzájemně porovná, a pokud se na obrazu všech kamer objeví stejná „stopa“ rozptylu světla v atmosféře, tak je zrcadlo správně nastavené. Pokud ne, software určí nutnou korekci. Systém dokáže udržet paprsky zrcadel soustředěné na oblast o průměru zhruba 50 centimetrů.

Společnost je tedy stejně tak energetická, jako softwarová. Počítačová analýza obrazu se softwarovým inženýrům dlouhá desetiletí nedařila, změna přišla v posledních méně než 10 letech. Heliogen tvrdil, že cca před rokem 2015 neměli k dispozici prakticky použitelný systém, který by mohla firma využít. (V astronomii se používal přesnější systémy i v dříve, ale možná pro Heliogen byly až příliš “prototypové” a málo robustní. To je ovšem z naší strany spekulace.)

Kam s ní

Zvyšování teploty přitom má podle Heliogenu rozšířit možnosti využití solární energie k jiným účelům než výrobě energie. Zpráva konkrétně zmiňuje výrobu stavebních materiálů, v tisku se často objevovaly zmínky o možném využití při výrobě oceli. Má to ovšem svá omezení.

Z pohledu některých zmiňovaných aplikací (výrobu oceli či stavebních materiálů) je nevýhodou omezená pracovní doba zdroje. Tavicí pec či výrobu stavebních materiálů, která bude fungovat pouze část dne není z dnešního pohledu příliš praktická. Samozřejmě, teplo lze do jisté míry akumulovat či doplňovat z jiných zdrojů, ale to vše zdroj samozřejmě prodražuje.

Solárně-termální elektrárna pracuje jen na přímém slunci, a prakticky tedy jen na suchých a slunných místech (například ve Španělsku ano, u nás prakticky vůbec). Ostatně své o tom ví i zakladatel Heliogenu, již zmínný Bill Gross. V roce 2007 založil Gross společnost eSolar, která fungovala do roku 2016, a také se pokusila o rozvoj solární elektrárny soustřeďující světlo z mnoha zrcadel do jednoho bodu. Základní nápad byl také stejný: vzít poměrně levná zrcadla, ale vybavit je velmi dobrým řídícím systémem.

Solární termální elektrárna (foto Heliogen)
Solární termální elektrárna společnosti eSolar v nevadské poušti před demolicí (foto Heliogen)

Společnost eSolar dotáhla svou elektrárnu až k praktické demonstraci. V roce 2009 spustila v Kalifornii solární elektrárnu o výkonu 5 MW (stojí poblíž města Lancaster, tedy zároveň nedaleko od zkušebního provozu Heliogenu). Elektrárna se skládala ze dvou „jednotek“, tedy de facto dvou věží, kolem kterých stálo celkem 24 tisíc zrcadel. Světlo se soustředilo poblíž vrcholku věží, kde v potrubí vytvářelo páru pohánějící připojenou turbínu.

Jak se ovšem ukázalo, v praxi bylo zařízení ekonomicky neudržitelné. Podle údajů, které provozovatel nakonec po naléhání některých zájemců a aktivistů zveřejnil, pracovala elektrárna minimálně v prvních letech provozu zhruba čtyři až pět dní v měsíci, a to pouze během poledních hodin. Proč ne každý den, když oblast je velmi slunná a jasno je většinu roku? Dalo by se spekulovat, že provoz se vyplatil ve dnech, kdy byla cena elektřiny na trzích zvýšená.

Mezi červencem 2009 a 2010 vyrobila cca 552 megawatthodin (MWh), odhady před zahájením provozu, na jejichž základě se dělala i ekonomická analýza, uváděly odhad výroby zhruba 4 300 MWh. A nebyly to vlivem „dětských nemocí“ – během následujících dvanácti měsíců byla výroba prakticky totožná, cca 539 MWh. V roce 2015 tak byl provoz ukončen a elektrárna postupně rozebrána. Věže například zmizely v roce 2018.

Zkušenost eSolaru je tedy dobrým příkladem praktických obtíží zavádění solárně-termálních elektráren do praxe. Obor byl na přelomu první dekády 21. století plný nadějí, ale dnes jde o zcela okrajovou záležitost omezenou v podstatě na pár zemí na světě. Výkon všech elektráren tohoto typu je něco přes šest gigawattů, což je z globálního hlediska zcela zanedbatelná hodnota.

Zrcadla solární termální elektrárny společnosti Heliogen (foto Heliogen)
Zrcadla solární termální elektrárny společnosti Heliogen (foto Heliogen)

Výroba elektřiny ze slunečního záření, tedy fotovoltaické systémy, jsou praktičtější, protože vyžadují obecně řečeno jednodušší údržbu a fungují i při zamračené obloze a slabším světle. A co je samozřejmě ještě důležitější, jsou dnes jednoznačně levnější. Jejich cena také nadále klesá, a minimálně z technologického hlediska se jeví oprávněná naděje, že trend by mohl pokračovat i v blízké budoucnosti.

Uvidíme, jak se Heliogen s těmito problémy popere. Získané prostředky totiž firma použije jak na další vývoj své “Sunlight Refinery”, jak systém nazývá, a jednak na realizaci několika skutečných instalací, které by fungovaly v reálných výrobních procesech ve velkém měřítku.

Jedno z těchto pilotních pracovišť bude v Boronu v Kalifornii, kde společnost Rio Tinto provozuje důl na boráty. Podle memoranda o porozumění podepsaného v březnu zahrne technologii společnosti Heliogen do svých obvyklých procesů na místě. Další memorandum o porozumění se společností ArcelorMittal “zhodnotí potenciál produktů Heliogen v několika ocelárnách společnosti ArcelorMittal”. Plánují se zařízení v USA, v Asii a Tichomoří.

Pokud vám uši již úplně neslouží, a přesto dobře slyšíte, dost možná za to vděčíte i zinku. Přesněji malým zinkovým bateriím ve tvaru mince, které jsou oblíbeným zdrojem energie pro naslouchátka a další podobná zařízení.

Zinkové baterie se ovšem z těchto skromných poměrů chtějí vypracovat dál. Na velké sítové systémy, které by mohly být připojeny k elektrické síti a uchovávat solární nebo větrnou energii pro noční dobu nebo v době, kdy vítr nefouká. Zdá se, že potenciál na to mají.

S tím, jak přibývá start-upů a laboratorních studií, “zinkové baterie se stávají hitem,” řekl pro časopis Science Chunsheng Wang, odborník na baterie z Marylandské univerzity v College Parku.

Alternativy letí

Lithium-iontové baterie – obří verze baterií, které se používají v elektromobilech – jsou v současné době jedničkou v ukládání energie z obnovitelných zdrojů, ale příslušné komponenty mohou být drahé. Zinkové baterie jsou šetrnější k peněžence i k planetě – a laboratorní pokusy nyní ukazují, jak obejít jejich hlavní nevýhodu: skutečnost, že je nelze opakovaně dobíjet po celá desetiletí.

Potřeba bateriových úložišť v rozvodné síti roste s tím, jak se zvyšuje množství energie ze slunce, větru a dalších obnovitelných zdrojů. Jak všichni víme, obnovitelné zdroje už nejsou žádnou okrajovou technologií, nebo jen “bruselským výmyslem”. Letos se například prezident Joe Biden zavázal, že do roku 2035 bude americká elektrická síť bezemisní. Aby se vyrovnaly výpadky v dodávkách, bude třeba velkou část energie z obnovitelných zdrojů skladovat po dobu několika hodin nebo dnů, než se znovu vrátí do sítě.

Lithium je dnes stále relativně špatně dostupný kov, který se zatím těží jen v několika málo zemích. Zájemci o jeho využití v bateriích pro rozvodnou síť také budou muset v nejbližších letech o něj soutěžit s automobilkami, které sví produkty prodávají s vyšší marží, než jaká vzniká na výrobě elektřiny.

Lithium-iontové baterie také obvykle používají hořlavý kapalný elektrolyt. To znamená, že megawattové baterie musí mít drahé chladicí a protipožární technologie. Není tedy divu, že se intenzivně hledají alternativy k lithiu.

Levnější, ale se špatnou “zpátečkou”

Na scénu přichází zinek, stříbřitý, netoxický, levný a hojně rozšířený kov. Nenabíjecí zinkové baterie jsou na trhu již desítky let. V poslední době se na trhu objevily i některé zinkové dobíjecí baterie, které však mají obvykle omezenou kapacitu akumulace. Významně se rozvíjí i další technologie – zinkové průtokové baterie. Její provoz však vyžaduje složitější ventily, čerpadla a nádrže. Výzkumníci proto nyní pracují na zdokonalení dalšího typu, zinkovzdušných článků.

V těchto bateriích odděluje elektrolyt na bázi vody s příměsí hydroxidu draselného nebo jiného alkalického materiálu zinkovou anodu a katodu z jiných vodivých materiálů, často z porézního uhlíku. Během vybíjení reaguje vzdušný kyslík s vodou na katodě za vzniku hydroxidových iontů, které migrují k anodě, kde reagují se zinkem za vzniku oxidu zinečnatého. Při reakci se uvolňují elektrony, které proudí z anody ke katodě přes vnější obvod. Dobíjení baterií znamená obrácení toku proudu, což způsobí, že se na anodě znovu vytvoří kovový zinek.

Skladování elektřiny by měl být gigantický byznys i technický problém (foto Tesla)
Skladování elektřiny by měl být gigantický byznys i technický problém (foto Tesla)

Zinkové baterie však těžce snášejí dobíjení. Nepravidelnosti na povrchu anody způsobují, že elektrické pole je na určitých místech intenzivnější, a to má za následek další usazování zinku, které elektrické pole dále zesiluje. Jak se cyklus opakuje, rostou drobné hroty zvané dendrity, které nakonec baterii proděraví a zkratují. Stejně nepříjemné je, že voda v elektrolytu může na anodě reagovat a štěpit se na kyslík a plynný vodík, což může vést k roztržení článků.

V rozletu

Vědci začali tyto nedostatky řešit a ročně publikují téměř 1000 článků z této oblasti. V roce 2017 například Debra Rolison s kolegy z americké Námořní výzkumné laboratoře (NRL) a její kolegové v časopise Science oznámili, že anodu přepracovali na 3D síť z kovového zinku posetou drobnými dutinami. Elektroda tak měla extrémně velký povrch, což snižovalo intenzitu lokálního elektrického pole. Tím se omezoval vznik dendritů a snižovala se pravděpodobnost štěpení molekul vody. NRL poskytla licenci na tuto technologii společnosti EnZinc.

V květnu 20201 zase v úvodu zmíněný Chunsheng Wang a jeho kolegové v časopise Nature Nanotechnology uvedli, že když do svého elektrolytu přidali sůl obsahující fluor, reagovala se zinkem a vytvořila kolem anody pevnou bariéru z fluoridu zinečnatého. Ionty se skrz tuto vrstvu během nabíjení a vybíjení stále mohly dostat, bariéra však bránila růstu dendritů a odpuzovala molekuly vody. Ty se tedy nemohly dostat k anodě, rozkládat se a poškodit baterii. (Vylepšení má tu nevýhodu, že články se vybíjí poněkud pomalu. Tým zkouší přidat na katodu katalyzátory, které urychlí reakci mezi kyslíkem a vodou.)

Stejnou strategii používají i korejští výzkumníci pod vedením Jung-Ho Lee z univerzity Hanyang. V časopise Nature Energy z 12. dubna informovali o vytvoření vláknité a vodivé katody ze směsi mědi, fosforu a síry, která zároveň slouží jako katalyzátor a výrazně urychluje reakci kyslíku s vodou. Díky tomu a dalším vylepšením vznikly baterie, které lze rychle nabíjet a vybíjet a které mají vysokou kapacitu: 460 watthodin na kilogram (ve srovnání s přibližně 75 Wh/kg u standardních zinkových článků s katodami z oxidu manganičitého a nějakých 100-150 Wh/kg u velkých lithium-iontových systémů). Baterie byly stabilní po tisíce nabíjecích a vybíjecích cyklů.

Tyto úspěchy vzbuzují naději, že zinko-vzdušné akumulátory se jednoho dne budou moci vyrovnat lithiovým. Díky nízkým cenám použitých materiálů by zinko-vzdušné baterie pro síťové použití měly – alespoň podle dnešních analýz – stát méně než 100 dolarů za kilowatthodinu. Alespoň teoreticky tedy mají potenciál být cenově konkurenceschopné i v situaci, kdy lithiové baterie už jsou de facto zavedenou technologií. A mají tedy značnou výhodu v objemu investic, které do nich už byly vloženy, a to především ve výrobě. Úspory z rozsahu cejsou totiž hlavním zdrojem zlevňování této technologie v posledních letech.

Právě oblast výroby je dnes Achillovou patou této technologie. Dnes se zinkové články často vyrábí ve velikosti mincí pro naslouchátka či jiné podobné přístroje. Dotáhnout výrobu k systémů o velikosti kontejneru při zachování jejich příznivých charakteristik a výkonů, bude pravděpodobně trvat roky.

Nevýhodou je pak samozřejmě i nedůvěra zákazníků. Než elektrárenské společnosti začnou nakupovat velkokapacitní baterie nějakého typu, chtějí nejprve vidět údaje z roků provozu. Chtějí mít jistotu, že baterie nefunguje jen na papíře nebo v laboratoři. A z ní zatím zinkové – a především zinko-vzdušné – baterie i přes obdivuhodné výsledky zatím nevykročily.

Čína představila první datové centrum nového typu, který se má stát páteří její IT infrastrukutury v následujících letech. nové datacentrum bude ležet pod hladinou moře v přístavu Ču-chaj. Podvodní datacentra nebudou čínskou specialitou, výhody jsou příliš veliké.

Ponorná datacentra by totiž měla mít výrazně nižší spotřebu energie: “Největší překážkou rozvoje datových center je spotřeba energie. Spotřebovává příliš mnoho energie a nelze ji zastavit ani na vteřinu. Mořskou vodu lze využít ke snížení spotřeby energie přibližně o 30 procent,” uvádí se ve zprávě státní zpravodajské agentury China News Service, která cituje Xu Tana, viceprezidenta společnosti Highlander, která má první podmořské čínské datacentrum provozovat.

Nižší účet za elektřinu

Byť naše data se zdají být nehmotná, jejich fyzický protějšek je hmotný více než dost. Datacentra se dnes podílejí zhruba necelými dvěma procenty na celosvětové spotřebě energie. A je to vlastně veliký technologický ústav, protože ještě nedávno se zdálo, že to může být mnohem více.

První generace velkých datacenter spotřebovávala i 40 % energie na chlazení počítačového vybavení – to znamená, že chlazení vlastně spotřebovávalo téměř stejně energie jako provoz samotných počítačů. Všechny velké společnosti ovšem postupně začaly zavádět různá opatření, která měla spotřebu snížit.

Opatření byla někdy téměř humorná. Například Google změnil svůj dress-code a dovolil technikům chodit do práce v krátkých rukávech a šortkách – a i díky tomu si mohl dovolit zvýšit teplotu v centrech o několik stupňů, a ušetřit několik procent na elektřině. Důležitější byly ovšem technologické změny. Začalo se například používat tzv. volné chlazení (i v češtině se často používá anglický výraz free-air cooling), při kterém se k chlazení využívá nižší teploty vnějšího vzduchu.

Energetická úspora je daná tím, že se v takovém systému nepoužívají kompresory, ale vzduch volně proudí přes výměník s od počítačů ohřátou chladicí kapalinou a odvádí přebytečné teplo pryč. Tento postup samozřejmě je podstatně úspornější. Podle zkušeností společnosti Microsoft umožňuje snížit náklady na chlazení na 10 až 30 procent z celkových provozních nákladů – rozptyl je daný z velké části tím, v jakém podnebí provoz stojí.

V tom také může být kámen úrazu. Datová centra by v řadě případů měla stát blízko uživatelům, aby se zrychlila jejich odezva. Ne vždy je to samozřejmě nutné, v některých případech je to uživateli vlastně jedno, za kolik milisekund dokáže jeho počítač navázat spojení s „cloudem“, ale přibývá aplikací, u kterých to roli může hrát (jednou z nich mohou být i různé „umělé inteligence“ typu virtuálních asistentek). A stejně tak je stále více náročných uživatelů, kteří prostě pomalou odezvu nevidí rádi. Pokud ale máte postavit provoz s volným chlazením v horkém podnebí, může to být velký technický problém.

Pokud se postaví datacentrum v horkém podnebí, jeho provoz pak může často vyžadovat poměrně hodně vody, která se používá k ochlazení venkovního vzduchu na vstupu. Voda ovšem obvykle něco stojí, v některých místech pak úřady či místní obyvatelé na podobné využití koukají vysloveně nelibě. To je třeba případ samotného Silicon Valley, protože Kalifornie má dlouhodobě problém najít pro všechny uživatele tolik vody, kolik by si přáli. (Nemluvě o tom, že provozovatelé se ochlazeného vzduchu, který má vyšší vlhkost, dosti obávají kvůli zvýšenému riziku koroze.)

Pokusný server společnosti Microsoft, který v rámci projektu Natick byl ponořený více než dva roky u Orknejí (foto Microsoft)
Pokusný server společnosti Microsoft, který v rámci projektu Natick byl ponořený více než dva roky u Orknejí (foto Microsoft)

Vzhůru pod vodu

Tento a další problémy mají možná jedno společné řešení, uvědomila si skupina výzkumníků z Microsoftu. Šéfům se jejich nápad natolik líbil, že jim poskytli čas a prostředky, a vznikl tak „Projekt Natick“. Jeho základem je systém standardizovaných hermetických buněk uložených na dno moře. Měly by obsahovat v podstatě standardní vybavení, ale měly by se chladit v podstatě téměř výhradně pasivně díky okolní vodě.

Nápad má hned několik pozitiv. Za prvé mohou být velmi blízko spotřebitelům, protože necelá polovina světové populace žije méně než sto kilometrů od pobřeží některého z moří nebo oceánů. Samozřejmě, pro Čechy to není to nejlepší řešení, ale polovina světa, to už je zajímavý trh.

Navíc teplota vody je od určité hloubky velmi podobná, ať jste kdekoliv na světě. Mluvíme samozřejmě o hloubkách řádově stovek metrů, ne těsně pod hladinou. Prakticky všechna voda pod tisíc metrů (a tedy 90 procent veškeré mořské vody) má teplotu mezi 0–3 °Celsia. Dataservery mají být blíže hladině, ovšem i v tropických oceánech už nějakých 200 metrů pod povrchem mají vody teploty kolem 15 °C.

Méně papírování

Další výhodou je, že oceán nemá stavební vyhlášky. Pozemské stavby se musí řídit celou řadou předpisů, které se místo od místa liší. A byť velké firmy používají v provozech na různých místech světa v podstatě identické vybavení, stejně musí každý projekt připravovat zvlášť. Microsoft také tvrdí, že různé požadavky a předpisy vedou k tomu, že v podstatě identický hardware pracuje na různých místech světa s různou mírou spolehlivosti. Podmořské „serverovny“ by ovšem měly být úplně identické, a tak by se daly nejen vyrábět jako pověstné housky na krámě, ale také by měly mít v podstatě identické výkony a provozní vlastnosti.

Nemluvě samozřejmě o tom, že v některých částech světa, například v Evropě, může být problematické (nebo prostě příliš drahé) sehnat vhodné místo a také vyřídit úřední proces před zahájením stavby. Samozřejmě, ani stavba pod mořem nemusí být nic jednoduchého, ale Microsoft podle všeho tak trochu tiše doufá, že „co oči nevidí, to srdce nebolí“, a ubude minimálně opozice těch, kdo nechtějí velké datacentrum za plotem.

Zjednodušené „stavební řízení“ by spolu s výhodami masové výroby mělo společnosti umožnit, aby dokázala dodat nutné výpočetní kapacity na dané místo během šesti měsíců – takový je alespoň plán. Asi je zbytečné dodávat, že je to podstatně rychlejší než běžná stavba.

Podmořské prostředí se může zdát pro počítače dokonale nevhodné, ve skutečnosti by mělo být podle konstruktérů možné v ochranném obalu připravit elektronice snad lepší podmínky než na povrchu. Na místě nemusí být žádná obsluha, a tak nemusí atmosféra jednotlivých „buněk“ obsahovat kyslík – což znamená, že se minimalizují problémy s oxidací, tedy i korozí. Stejně tak se dá z umělé atmosféry odstranit prakticky veškerý prach a vodní pára.

Jdeme do toho

Šéfy v Microsoftu koncept zaujal a firma ho začala ověřovat. Vývojáři z Microsoftu nejprve v roce 2015 potopili jednu pokusnou jednotku na 105 dní zhruba deset metrů pod hladinu Pacifiku, kousek od kalifornského San Luis Obispo. Ponořená jednotka pojmenovaná Leona Philpot podle postavy z počítačové hry (koneckonců projekt si vymysleli „ajťáci“) během této doby spotřebovala na chlazení jen zhruba 3 procenta z celkové spotřeby elektřiny.

Výsledky byly v každém případě dost dobré na to, aby se pokus opakoval ve větším měřítku. V roce 2018 společnost potopil na mořské dno u Orknejí speciální kontejner. Ukrýval 864 serverů a podpůrné vybavení, hlavně napájení, datové síťové prvky a chlazení.

Prototyp ponorného serveru čínské společnosti Highlander (foto Highlander)
Prototyp ponorného serveru čínské společnosti Highlander (foto Highlander)

Na povrch se podíval v září 2020. Ukázalo se, že toto prostředí serverům a dalším IT technologiím velmi vyhovuje. Zařízení uchovávané v inertní dusíkové atmodféře pracovalo s výrazně nižší poruchovostí, než bývá obvyklá u datacenter na souši. Samotný nápad umístit servery pod vodu ovšem Microsoft patentovaný mít nemůže, a tak není divu, že po něm sáhnou právě i v Číně.

Síťová infrastruktura je dnes strategickou záležitostí a mnohamiliardovým obchodem. Levnější a spolehlivější servery jsou výhodou, kterou si tak ambiciózní stát jako Čína nemůže nechat ujít. V principu je ovšem čínské zařízení podobné jako to od Microsoftu. Vzduchotěsná tlaková nádoba bude obsahovat stojany se servery, napájena bude kompozitním kabelem z pobřeží, který ji zároveň připojí k internetu.

Společnost Highlander tvrdí, že v příštích pěti letech plánuje vybudovat řadu projektů podmořských datových center v pobřežních vodách, včetně přístavu volného obchodu Hainan, oblasti Velkého zálivu, ve kterém leží mimo jiné Hongkong a Macao, či oblasti delty řeky Jang-c’-ťiang.

V srpnu společnost Highlander oznámila plán na vybudování podvodních datových center v rámci rozvoje přístavu volného obchodu Hainan (FTP). Hainan FTP plánuje přeměnit celý ostrov Hainan v Jihočínském moři o rozloze 35 000 km² na největší čínskou zvláštní ekonomickou zónu s politikou nulových cel na zboží a zvláštním zaměřením na cestovní ruch a odvětví špičkových technologií. Podle projevu Dong Xuegenga, tajemníka stranického výboru a ředitele správy velkých dat provincie Hainan, ji osobně naplánoval a podpořil čínský generální tajemník Xi Jinping.

FTP bude mít velkou potřebu datových center a její tropické klima by mohlo být nevýhodou. Velká datová centra nejlépe fungují při nízkých teplotách a Hainan leží 19 stupňů severně od rovníku, má nízko položenou zemi a vysoké teploty. Datová centra na pevnině by spotřebovala mnoho energie na chlazení, zatímco teplota místní vody se pohybuje kolem 24 °C, což je pro chlazení datových center naprosto dostačující.

V současné době se podílí na výběru místa instalace pro test, který bude probíhat od června 2021 do května 2022. Systém má být do té doby nabízeným státním úřadům, vědecko-výzkumným a finančním institucím a podle informací čínských médií plně komercializován v druhé polovině roku 2023, alespoň podle informací serveru Zaotech.

Cena emisních povolenek v Evropské unii v průběhu letošního roku několikanásobně vzrostla, a citelně se začaly promítat do cen elektřiny. Jsou tak vysoké, že reálnou alternativou se začíná stávat „pumpování“ oxidu uhličitého pod zem. Pokud se skutečně tento systém prosadí, velkou výhodu budou mít na startu firmy, které k růstu CO2 přispěly nejvíce – těžební společnosti, myslí si geolog Jaromír Leichmann z Masarykovy univerzity.

Přijde mi, že pumpování oxidu uhličitého pod zem je nějaké bájné zvíře. Už jsem o něm slyšel mluvit mnohokrát, ale nikdy jsem ho neviděl na vlastní oči. Opravdu se to může změnit?
Už se o něm mluví opravdu dlouho, desítky let. Ono to v principu není nic nového, jde vlastně o samé známé technologie. Vždycky bylo ovšem příliš drahé. V tuto chvíli je ovšem zájem větší než kdykoliv předtím. Především v Evropě rychle stoupá cena za vypouštění uhlíku. Navíc by ukládání uhlíku mohl být zajímavý byznys pro těžební společnosti, které neví, jak se bude vyvíjet poptávka po fosilních palivech v blízké budoucnosti.

Co to vlastně znamená, když se mluví o ukládání CO2 pod zem?
V podstatě to, že oxid uhličitý vznikající třeba v průmyslovém podniku oddělíme od ostatních zplodin, stlačíme – obvykle do kapalné formy – a natlakujeme do geologických vrstev hluboko pod zem, do hloubek kolem jednoho kilometru. Tak pak zůstane uvězněný řádově nejméně po tisíce let. Celá metoda se označuje obvykle jako CCS z anglického Carbon Capture and Storage („Zachycení a uložení uhlíku“, pozn.red.). Teoreticky je tak možné z fosilního zdroje udělat zdroj bezuhlíkový. Pokud bychom tedy opravdu chtěli vybudovat „bezuhlíkovou ekonomiku“ a stále používat třeba uhlí či zemní plyn, jinou možnost než technologii separace CO2 a jeho ukládání nemáme.

Jak moc je tenhle postup vyzkoušený?
Jde vlastně jen o obdobu metod, které se používají už desítky let při těžbě uhlovodíků, tedy fosilních paliv. Těžaři oxid uhličitý pumpují pod zem, aby se zvýšila těžba ropy z daného naleziště. CO2 vytlačí z horniny uhlovodíky, které by jinak už kvůli poklesu tlaku v nalezišti nebylo možné vytěžit. Ani oddělení CO2 není z technického hlediska problém. Existuje několik postupů, které je možné nasazovat podle konkrétního zdroje.

Máme i nějaké praktické zkušenosti. Ve světě běželo nebo běží řada menších či větších projektů. Celá řada je z nich malých, demonstračních projektů, objevily se ovšem už i projekty průmyslových rozměrů. Můžeme zmínit v Kanadě například CCS projekt u uhelné elektrárny Boundary Dam. V Česku proběhlo také několik projektů na toto téma, ale v podstatě jde zatím o přípravu na případné reálné nasazení..

Jak takové úložiště vypadá?
Vhodný materiál jsou například pískovce, ale obecně se musí jednat o nějakou porézní horninu. Jednoduše řečeno musí mít dostatek drobných, milimetrových dutin, tedy pórů, které může CO2 vyplnit. Hornina musí být také dostatečně propustná, aby se mohl CO2 šířit. Nad úložištěm musí být dostatečně silná vrstva těsnící horniny, která funguje jako „poklička“ a brání pronikání uloženého CO2 zpět na zemský povrch.

V současnosti mají v globálním měřítku největší zájem těžařské firmy, takže se mluví o využití bývalých ložisek uhlovodíků Ta se dnes někdy používají jako sezónní zásobníky plynu, prakticky stejně by je bylo možné použít i pro skladování CO2. Rozdíl je samozřejmě v tom, že jde o jednorázové využití, oxid uhličitý pod zemí zůstane a lokalita nejde využívat opakovaně. Existují ale i další vhodné lokality, například hluboké geologické vrstvy obsahující vodu, obvykle slanou, které nemají využití v lázeňství či k jiným účelům. Vhodným místem by mohla být například Česká křídová pánev, kde jsou právě pískovcové vrstvy. Navíc tam v minulosti probíhal geologický průzkum, hledal se tam uran, takže jde o oblast poměrně dobře prozkoumanou.

Jak se ukládá oxid uhličitý (foto Lumius/SPE)
Jak se ukládá oxid uhličitý (foto Lumius/SPE)

Na jak dlouho se plyn může uložit?
My z geologie víme, že CO2 je nepochybně možné uložit na velmi dlouhou dobu. Na Zemi se najde řada geologických systémů, v nichž byl tento plyn zcela přirozeně uložen po dlouhá tisíciletí. I v těžebním průmyslu jde o proces dobře známý a zvládnutý, který se dá provádět bezpečně. V podstatě stejný proces se používá v podzemních zásobnících plynů. Například právě na jižní Moravě se to dělá pravidelně a firmy ani místní obyvatelé s tím nemají žádný problém. Zkušeností je tedy v tomto konkrétním ohledu poměrně dost a postupy dobře propracované.

V jaké podobě je tam plyn uložený? To si mám představit jako „sodovku“?
Ne, není to stejné. Úložiště se plánují v takových hloubkách – zhruba od 800 metrů pod povrchem – aby se v nich plyn měnil v superkritickou kapalinu. Je tedy stlačený na velmi malý objem, což je pro ukládání samozřejmě velmi výhodné. (Obecně řečeno mají superkritické kapaliny hustotu blízkou kapalinám a viskozitu podobnou plynům, jsou tedy relativně „těžké“ a přitom velmi „pohyblivé“, pozn.red.)

Jak by mohlo případné nasazení technologie vypadat? Bude to právě u uhelných elektráren jako v Kanadě?
To bude záležet ještě na dalších okolnostech. Například v Evropě se využití u uhelných elektráren nejeví jako příliš perspektivní. Odchod od uhlí má přijít tak brzy, že se podobná investice nevyplatí. Například v Česku není plán ještě hotov, ale z hlediska provozovatelů je v podstatě jedno, zda to bude v roce 2033 nebo 2038. Na podobnou investici je to příliš krátká doba. Za tu dobu se to nestačí vrátit.

A byl by konec uhlí v případě nástupu CCS technologie nevyhnutelný?
Já si myslím, že ani to trend nemusí změnit. Uhlí je už v tuto chvíli na ústupu, omezují se investice nejen do těžby, ale také do přípravy další těžební činnosti. V hornictví to obvykle chodí tak, že jakmile se jednou omezí či zastaví průzkum, tak se nakonec zastaví i samotná těžba. Bez průběžných investic do průzkumu a předprůzkumu se v hornické činnosti nedá dlouhodobě pokračovat. Zažili jsem to v Česku s těžbou uranu.

Jaromír Leichmann (foto J.Leichmann)
Jaromír Leichmann (foto J.Leichmann)

Pokud se tedy CCS v případě uhlí neosvědčí, kde by se technologie mohla v brzké době vyplatit?
Bude to vyžadovat souběh několika příznivých okolností. Jednou například je, aby se v blízkosti provozu, který by se měl CO2 zbavovat, vyskytovalo vhodné místo, kam by se dal plyn ukládat. Ten se může dopravovat potrubím například jako zemní plyn, ale samozřejmě by nemělo být nutné dopravovat ho na velkou vzdálenost. Zároveň samozřejmě musí být samotný zdroj dostatečně velký na to, aby se mu investice do ukládání vyplatila. Zatím to tedy může být nejen v Česku nejspíše lokální záležitost, daná místními podmínkami. Vybudování nového vrtu je investice řádově za desítky miliony korun, na většině míst se to tedy nevyplatí.

Mohl byste uvést nějaký případ?
Když jsme se tím kdysi před pár desítkami let začali zabývat, tak nám jako velmi dobrý kandidát přišla hodonínská elektrárna. Ta spalovala lignit, uhlí špatné kvality, a zároveň jsou v blízkosti těžební lokality Moravských naftových dolů, kam by se plyn dal ukládat. Elektrárna ovšem skončila nakonec velmi brzy, v 90. letech, z čistě ekonomických důvodů.

Jak je to se samotným vtláčením pod zem? To nemůže být technický problém či problém pro okolí?
My z geologie víme, že CO2 je nepochybně možné uložit na velmi dlouhou dobu. Na Zemi se najde řada geologických systémů, v nichž byl tento plyn zcela přirozeně uložen po dlouhá tisíciletí. A jak jsem už říkal, i lidé mají bohaté zkušenosti, protože CO2 se třeba v ropném průmyslu doslova pumpuje pod zem desetiletí kvůli zvýšení výtěžnosti ložisek.

Nebojíte se, že by technologie mohla ztroskotat na odporu veřejnosti?
Já si myslím, že problém s ukládáním CO2 nebo třeba vyhořelého paliva není ani tak technický, nebo geologický. Myslím, že ten hlavní problém je v komunikaci s veřejností. Technické parametry se dají nastavit tak, aby požadavkům vyhověly, ale důležité je lidem dobře vysvětlit, o co jde, jaká jsou reálná rizika a tak dále. V tomhle případě by to nemuselo být tak složité, protože jde o variaci postupů, které se používají už dlouho dobu. Jednodušší to může být samozřejmě v místech, kde lidé s těžbou mají zatím dobré zkušenosti a nebojí se neznámého. To je další výhoda zavedených těžebních společností.

Evropský parlament požaduje, aby si Evropská unie připravila plán na výrobu “zeleného” vodíku (tedy uhlíkově neutrálního) za komerčně konkurenceschopné ceny. Mezi členy parlamentu však panují neshody ohledně toho, zda a v jaké míře do té doby podporovat využívání vodíku vzniklého s pomocí fosilních paliv.

Zelený vodík je klíčovým bodem strategie EU zaměřené na dosažení uhlíkové neutrality v polovině tohoto století. K tomu, aby se stanovené cíle podařilo naplnit, však bude Evropská komise muset výrazně podpořit výzkum a stanovit jasnou investiční strategii, aby byla tato technologie komerčně konkurenceschopná, píše se v nedávné zprávě Evropského parlamentu.

Výroba zeleného vodíku, tj. dělení molekul vody na vodík a kyslík pomocí elektřiny získané z obnovitelných zdrojů, je technicky proveditelná, ale v současné době velmi nákladná, takže rozhodně nemůže ekonomicky konkurovat výrobě vodíku z fosilních zdrojů. Evropská komise ale chce podle své Vodíkové strategie, kterou zveřejnila loni, instalovat do roku 2030 v unijních zemích 40 GW elektrolyzérů na štěpení vody. Ty by měly produkovat až 10 milionů tun zeleného vodíku ročně. Do roku 2050 by se tak měl zelený vodík stát klíčovou součástí evropského energetického mixu, to si však v příštích zhruba 30 letech vyžádá investice až 470 miliard eur, tedy zhruba 12 bilionů korun.

Evropská komise proto již v příštím roce bude iniciovat založení partnerství pro čistý vodík s názvem Clean Hydrogen. Jeho hlavním cílem bude vyvinout technologii výroby, skladování a distribuce obnovitelného vodíku. EU tuto iniciativu podpoří 1 miliardou eur, dalšími masivními investicemi by měl přispět průmyslový sektor. Momentálně je v plánu vznik 6 partnerství veřejného a soukromého výzkumu, která se zaměří na dekarbonizaci konkrétních průmyslových odvětví, jako je železniční a letecká doprava či výroba oceli.

Šedomodrá fáze přechodu

Ve výrobě tzv. šedého vodíku hrají podstatnou roli fosilní zdroje a zůstává tak po ní výrazná emisní stopa CO2. Na druhou stranu je takto vyrobený vodík relativně levný, což hraje podstatnou roli při jeho prosazování do praxe. Při výrobě tzv. modrého vodíku sice vzniká výrazně méně emisí, avšak náklady na jejich redukci výrobu prodražují.

Evropský parlament podporuje tzv. zelený vodík, nevytvářející žádnou emisní stopu, současně však nezavrhuje variantu využívání šedého či modrého vodíku v přechodné fázi, kdy bude třeba vybudovat distribuční síť a celkově nastartovat trh vodíkové energetiky. Součástí tohoto scénáře však bude muset být i postupné vyřazování „nezelených“ energetických zdrojů.

Aktuálně je jedním nejvýznamnějších vodíkových projektů, a to jak v Evropě, tak celosvětově, projekt Refhyne. Výstavba tohoto 10 MW elektrolyzéru začala v roce 2019. Pro rafinerii společnosti Shell v německém Wesselingu jej buduje společnost ITM Power. Po zprovoznění letos v červenci by měl vyrábět až 1 300 tun vodíku ročně.

Španělsko aspiruje na vodíkového lídra

Skvělé podmínky pro to, stát se výhledově jedním z hlavních evropských uzlů výroby zeleného vodíku, má také Španělsko. Potvrzuje to například fakt, že velký americký výrobce motorů Cummins oznámil, že ve Španělsku postaví továrnu na výrobu elektrolyzérů na výrobu zeleného vodíku. Výroba v ní by měla být zahájena v roce 2023. Plánovaná výroba 500 MW vodíku ročně zajistí také 350 nových pracovních míst.

Velmi ambiciózní je i projekt Y Basque Green Hydrogen španělské energetické společnosti Iberdola, jehož cílem je elektrifikace španělské nákladní dopravy. Součástí projektu má být také výstavba zařízení na výrobu vodíku prostřednictvím elektřiny z fotovoltaických elektráren. Nainstalovány by měly být elektrolyzéry s celkovým výkonem 10 MW, které dokážou denně vyrobit až 4 tuny vodíku.

Do roku 2030 by se tedy i díky vodíku měly obnovitelné zdroje na španělském energetickém mixu podílet 42 % a jejich podíl na výrobě elektřiny by měl být až 74 %, uvedl nedávno španělský premiér Pedro Sánchez.

V této souvislosti stojí jistě za zmínku to, že v loňském roce se obnovitelné zdroje energie poprvé podílely na celkové produkci elektřiny v Evropské unii větším dílem než fosilní paliva. Jejich podíl byl 38,2 %, přičemž z fosilních zdrojů bylo vyrobeno 37 % elektrické energie. Z jednotlivých zemí EU dokázalo z obnovitelných zdrojů vyrobit nejvíce elektřiny Dánsko, a to 62 %.

Načíst další