Jižní Korea plánuje do konce tohoto desetiletí investovat do posílení výroby baterií pro elektromobily 40,6 bilionu wonů (35 miliard USD). Chce si tak upevnit pozici velmoci v tomto výrobním odvětví a zvýšit konkurenční tlak na dosud dominantní Čínu a Japonsko. Hlavními investory tohoto ambiciózního plánu budou především velké korejské technologické společnosti LG Energy Solution (LGES), SK Innovation a Samsung SDI.

„Cílem tohoto plánu je zajistit, aby společnostem byly poskytovány náležité pobídky k investicím do výzkumu a vývoje, které jim pomohou stát se na trhu s bateriemi světovými lídry,“ uvádí se v prohlášení korejské vlády. Podle vládního dokumentu se totiž jedná o odvětví, které se má stát životně důležitou součástí budoucí ekonomiky země.

Jihokorejští výrobci baterií pro elektromobily jsou jedni z největších na světě. Svědčí o tom například to, že v první polovině letošního roku jim patřila třetina celosvětového trhu. Korejské firmy navíc stále expandují – budují výrobní závody po celém světě, aby dokázaly uspokojit stále rostoucí poptávku po elektromobilech. Jejich výrobní kapacita se za posledních pět let téměř zečtyřnásobila na stávajících 217 GWh.

Aktuální vedoucí pozici Číny dokládá podle korejské poradenské společnosti SNE Research například to, že čínská společnost Amperex Technology letos sama dodala na světové trhy 31 % baterií. Potenciál dalšího rozvoje je však značný a SNE Research očekává, že globální trh s bateriemi vzroste do roku 2030 ze současných 46 miliard dolarů na zhruba 352 miliard dolarů. „Další investice a podpora jsou v tomto okamžiku naprosto zásadní, protože očekáváme, že tento trh dlouhodobě poroste,“ zdůraznil Yoon Joon-won z korejské investiční společnosti DS Asset Management.

Masivní podpora od státu i firem

Ze tří zmíněných technologických firem zatím nejaktivněji vystupuje společnost LGES, která se již nechala slyšet, že do roku 2030 plánuje investovat do rozvoje bateriových technologií 15,1 bilionu wonů, z toho téměř dvě třetiny – 9,7 bilionu wonů – do výzkumu a vývoje. Vedle toho chce tato firma podpořit i oblast vzdělávání – v Jižní Koreji hodlá v roce 2023 otevřít institut zaměřený na školení v oblasti bateriových technologií.

LGES zásobuje bateriemi velké automobilky, jako je Tesla, General Motors nebo Volkswagen, a poptávka po jejích produktech je tudíž značná – v současné době má nevyřízené zakázky na baterie v hodnotě přes 180 bilionů wonů. Do roku 2023 proto plánuje zvýšit výrobní kapacitu na 260 GWh, díky čemuž by do automobilového provozu mohlo v dohledné době vyjet dalších 3,7 milionu elektromobilů.

Společnosti SK Innovation a Samsung SDI své investiční plány v rámci tohoto vládního projektu zatím nezveřejnily, očekává se však, že Samsung SDI do roku 2030 vloží celosvětově do výzkumu a vývoje více než 9 bilionů wonů. SK Innovation plánuje investovat v příštích pěti letech do výzkumu a výroby doma i v zahraničí kolem 18 bilionů wonů.

Skromněji přispěje korejská vláda, která hodlá do roku 2028 tuto iniciativu podpořit částkou 306,6 miliardy wonů, především pak projekty zaměřené na vývoj baterií příští generace, jako jsou baterie založené na technologiích all-solid-state, lithium-síra a lithium-kov.

Do celé záležitosti se vložil i korejský prezident Moon Jae-in, který oznámil, že státem by měly být podporovány především firmy vyvíjející produkty nové generace, včetně bateriových technologií. Malým a středním firmám by měl vypomoci speciální fond dotovaný 80 miliardami wonů. Ten by měl těmto firmám usnadnit nákup materiálů a komponentů potřebných pro výrobu baterií. Do fondu by měly přispět jak vláda, tak různé finanční instituce a již zmínění tři velcí výrobci baterií, kterým byly od vlády na oplátku přislíbeny daňové úlevy ve výši až 50 %.

Že však poměry mezi korejskými technologickými firmami nejsou tak harmonické, jak by se na první pohled mohlo zdát, dokládá nedávný a stále živý spor mezi LG a SK Innovation na americkém trhu. Společnost LG tam obvinila SK coby konkurenta, že jí ukradl některá obchodní tajemství. Americká komise pro mezinárodní obchod dala LG za pravdu a na deset let zakázala dovoz většiny lithium-iontových baterií od SK na americký trh.

Rychlejší rozvoj brzdí surovinová závislost

Určitým problémem korejských výrobců baterií je, že většinu polotovarů musejí dovážet ze zahraničí, hlavně z Číny a Japonska. Podle společnosti B3 Intelligence, která se zabývá průzkumem trhu, například v loňském roce Čína a Japonsko ovládaly 70,2 % trhu s katodami. Na trhu s anodami byla jejich dominance ještě větší: 91,7 %. S dalšími nezbytnými ingrediencemi pro výrobu baterií – se separátory a elektrolytem – to bylo velmi podobné: tyto dvě země měly tržní podíly 80,3 %, resp. 87,9 %. Pro srovnání: Korea měla na trhu s katodami podíl pouze 19,5 %, v případě anod to bylo 8,3 %, 19,7 % u separátorů a 12,1 % u elektrolytů.

I přes tuto velkou ekonomickou rivalitu se Jižní Korea v loňském roce připojila k Číně a Japonsku, aby si společně stanovily rok 2050 jako nejzazší termín, kdy se stanou uhlíkově neutrálními. Korea plánuje vynaložit na svůj vlastní „Green New Deal“ 42,7 bilionu wonů. Cílem těchto investic by měla být především podpora nízkouhlíkových zdrojů energie a ztrojnásobení výroby obnovitelné energie již do roku 2025.

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.

Startup Ample, který se zabývá výměnou baterií pro elektromobily, uzavřel tento měsíc dvě partnerství, která mu po letech práce na této technologii pomohou expandovat do Japonska a New Yorku. Startup byl založen v roce 2014, od té doby do něj vstoupila například i společnost Shell, veřejnosti se však podrobněji představil až letos v březnu. 

Během června pak firma oznámila dvě důležitá partnerství. První bylo se společností Sally, newyorskou společností pro pronájem elektromobilů pro spolujízdu, taxislužbu a dodávky na poslední míli. Společnosti mají do čtvrtého čtvrtletí tohoto roku postavit pět až deset stanic v New York, v roce 2021 plánují rozšíření na trhy v dalších amerických městech. 

Jen o několik dní později pak Ample oznámil dohodu  s japonskou ropnou a energetickou společností Eneos, aby společně zavedli a provozovali infrastrukturu pro výměnu baterií v Japonsku. Během příštího roku budou obě společnosti pilotovat plně automatizovanou technologii výměny baterií společnosti Ample se zaměřením na společnosti zabývající se spolujízdou, taxislužbou, komunálními službami, pronájmem a doručováním na poslední míli.

Společnosti Ample a Eneos také vyhodnotí, zda nemohou výměnné stanice najít i další využití, například jako záložní zdroj energie pro energetickou síť. Podrobností ovšem bylo zveřejněno minimum; společnost Ample například nesdělila, kdy pilotní program začne a kde v Japonsku bude zpočátku spuštěn. Zájem obou společnosti by však mohl signalizovat, že neobvyklý přístup Amplu k elektromobilitě by mohl najít své příznivce. 

Kus za kus

Ample nabízí totiž netradiční řešení dobíjení elektromobilů. Baterie na jejich stanicích se nedobíjí, roboty na jejich stanicích během několika minut vymění prázdné modulární baterie ve voze za plně nabité. Proces by měl zabrat zhruba stejně dlouhou dobu jako natankování plné nádrže. 

Na rozdíl od předchozích pokusů o praktickou implementaci systému výměny baterií by Ample měl být levnější, flexibilnější. Především je určen pro komerční flotily a taxislužby, nikoli pro běžné řidiče. Společnost Ample uvádí, že uzavřela partnerství s pěti významnými dodavateli pro automobilový průmysl, kteří by jejich speciální modulární baterie mohli používat, nebo pro ně alespoň vozy uzpůsobit. Na firemních videích se objevuje Mercedes, Nissan Leaf a Kia Niro. Ample by měl také spolupracovat se společností Uber.

Celkově je však přístup spíše opatrný. Všichni v oboru si pamatují příběh společnosti Better Place, která se snažila se stejným principem uspět v Izraeli a Nizozemsku, ovšem rychle zkrachovala s obrovskou ztrátou pro investory. 

To nutně neznamená, že jde o úplně špatnou myšlenku. V Číně se jí evidentně přikládá důležitost a země má již svůj “výměnný standard”. Better Place také přišel velmi brzy, možná předčasně (v roce 2012) a roli v pádu firmy hrály zřejmě i zásadní chyby a přílišný optimismus managementu. A možná i to, že problém obav z nízkého dojezdu, který chtěla společnost svým řešením odbourat, vlastně takový problém není. 

Řidiči, kteří používají elektromobily na každodenní delší cesty, prostě nabíjejí každý večer doma. Nabíjení je nestojí vůbec žádný čas, protože ho zaspí. Elektromobily tak rozhodně nejsou dnes pro každého, ale ti, kdo si je pořídí, mají otázku dojezdu předem rozmyšlenou a vyřešenou. 

Ample ovšem není Better Place: zaměří se totiž na flotilové vozy. Taková vozidla jezdí každý den stejný počet hodin. Pokud je těch hodin více, nemusí mít dost energie na celý den, takže potřebují buď rychlé nabíjení (což stále zahrnuje 30minutové prostoje), nebo superrychlé nabíjení (které ještě prakticky dostupné není), nebo výměnu baterie. To platí i pro nákladní automobily, které spotřebují při provoz umnohem více energie než vozy osobní, a proto je méně pravděpodobné, že budou jezdit celý den na jedno nabití. Podobné firemní vozy navíc jezdí v nějaké dané oblasti, často se vracejí na základnu a majitel si je kupuje pro jasně určenou roli. 

Naproti tomu soukromí majitelé automobilů chtějí obvykle jezdit a nabíjet pokud možno všude a velmi často prakticky vůbec nepotřebují nabíjet během dne. Podle některých analytiků je tak snaha nabízet výměnu baterií soukromníkům “neandrtálské myšlení” – snaha aplikovat na jednu technologii postupy zažité z používání jiné technologie. 

Dalším zajímavým trhem pro Ample by mohly být dálkové kamiony. Elektrické nákladní vozy jsou dnes nepraktické, protože hmotnost baterií nutných k dosažení vyššího dojezdu je prostě příliš veliká. Možnost výměny baterií by tady skutečně mohla pomoci vyřešit reálný technologický problém. 

Bez jámy

Na rozdíl od společnosti Better Place, která stavěla drahé bateriové stanice s jámou, přes kterou auto přejíždělo, společnost Ample instaluje stanici do prostoru o šířce dvou parkovacích míst. V tomto prostoru je štěrbina, do které auto vjede, se zvedákem, který ho zvedne. Roboty pak vyjmou standardizované moduly o kapacitě 2,5 kWh a nahradí je nabitými. 

Ample uvádí, že výměna 20 modulů (kapacita 50 kWh), které by měly stačit na nějakých 250 kilometrů podle typu vozidla a jízdy zabere asi 10 minut. Firma také slibuje, že za rok to bude 5 minut. To je sice několikrát déle, než kolik zabere rychlé tankování, ale nemusí se jednat o zásadní problém. Řidiči si obvykle stejně potřebují, či chtějí odpočinout. 

Robot pro výměnu baterie společnosti Ample (foto Ample)
Robot pro výměnu baterie společnosti Ample (foto Ample)

Ample uvádí, že jeho výměnné stanice jsou levné. Podle jeho údajů vyjdou na desetinu až třetinu ceny vysoce výkonné stejnosměrné rychlonabíjecí stanice, u které ovšem zmíněných 50 kWh obvykle nabije spíše za 30 minut, než za 5 nebo 10. (Dobíjecí výkon se v průběhu dobíjení mění podle toho, jak “plná” baterie je.) 

Stanice Ample mají určitě ekonomickou výhodu v tom, že nepotřebují vysoké špičkové výkony. Mohou výměnné baterie dobíjet pomaleji, a tak nemusí platit distribuční firmě platit, aby jim tento výsoký výkon garantovala. Pomalejší nabíjení menšími výkony vyjde v tomto ohledu výrazně levněji. A stanice samozřejmě by zřejmě také mohly často dobíjet v dobách, kde je energie levnější. 

Pomalé nabíjení také méně poškozuje baterie. Články dobíjené pomalejším tempem by měly mít delší životnost. Společnost Ample bude svým zákazníkům slibovat, že jejich celkové náklady na baterie a energii budou lepší než náklady na benzín. Což možná zní jako poměrně nízká laťka, ale vzhledem k tomu, že elektromobily jsou stále relativně mladou technologií, to není tak špatné. Společnost Ample předpokládá, že provozovatelé flotil na nabídku “stejně rychlého tankování jako u benzinu, ale levnější a ekologičtější a se všemi dalšími výhodami elektromobilů” uslyší.

Přebytečnou kapacitu ve stanicích by také mělo být možné využít jako síťové úložiště, jinak řečenou jakou velkou baterii pro potřeby elektrické sítě (tedy pokud to regulátoři trhu s elektřinou a připojení v daném místě umožní). Spotřeba flotil bývá poměrně dobře předvídatelná, což by mohlo umožnit efektivně využívat volnou kapacitu k zajímavým přivýdělkům. 

Jak uspěje? 

O Ample bohužel nevíme v tuto chvíli dost, abychom nápad mohli pořádně hodnotit ze všech možných pohledů. Například vůbec není jasné, jak to bude s cenou. Bude firma účtovat jen za dobíjení nebo i za pronájem baterie? To jsou klíčové otázky, na které ale zatím prostě neznáme odpověď. 

Otázkou je, kdo vlastně k takové stanici bude moci zajet? Ample by rád, aby vozy měly moduly na určitém místě, kde k nim bude dobrý přístup. Výrobci, včetně dnes dominantní Tesly, ovšem plánují, že bateriový blok bude nosným konstrukčním prvkem, aby se ušetřila hmotnost a náklady.

JInak řečeno, jistého teď není nic. Ovšem myšlenka je to zajímavá a pokus Ample bude s napětím sledovat řada pozorovatelů.

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.

Zatímco ještě před rokem 2020 se podíl elektromobilů a vozidel s hybridním pohonem na trhu zvyšoval sice poměrně rychlým, ale konstantním tempem, dnes již automobilky masivně investují převážně jen do elektromobility. Ruku v ruce s tímto trendem jde trvale sílící tlak na automatizaci výroby – elektromotorů, elektroniky a baterií.

S narůstajícím objemem výroby elektromobilů roste také poptávka po bateriích. V roce 2020 se prodej strojů a systémů pro výrobu bateriových článků zvýšil zhruba o 40 %, uvedla nedávno společnost společnost Festo, která je předním světovým dodavatelem v oboru průmyslové automatizace, 

Výroba baterií je velmi složitá. Festo nabízí celou řadu produktů a řešení pro výrobu strojů a systémů, které jsou určeny speciálně pro toto průmyslové odvětví. Uplatňují se v celém procesním řetězci výroby bateriových článků: od komponent pro procesní automatizaci nasazené při zpracování surovin přes produkty v plně automatizované výrobě bateriových článků, které neobsahují měď, zinek ani nikl a jsou vhodné do suchých a čistých prostor, až po montážní systémy určené pro instalaci bateriových modulů do vozidel. 

Postup se od klasické montáže motoru v mnohém liší. Zatímco výroba motoru vyžaduje „pouze“ vysoce přesnou instalaci mechanických součástí, výroba bateriových modulů se neobejde bez manipulace s drahými a potenciálně nebezpečnými elektrochemickými součástkami. Uchopení a přeprava těchto komponent tedy musí být nejen přesné, ale především bezpečné.

Na systémy pro montáž a demontáž bateriových modulů a bateriových se tedy kladou poněkud jiné požadavky. Dokumentuje to například zařízení, které na letošním (stále ještě digitálním) veletrhu Hannover Messe představila právě společnost Festo. Pracuje na principu zajišťovací mechanismus, který se pomocný otočného systému umístí pod bateriový článek, se kterým se manipuluje, a účinně brání nechtěnému pádu. Mechanický zajišťovací systém brání pádu i v případě nečekaného výpadku proudu. 

Mechanické vyrovnání článku během pohybu sledují optická čidla. V průběhu montáže se současně měří i elektrická polarita článku. Pokud není napětí na článku správné, okamžitě je ze systému vyřazen. Důležité je i to, aby byly články umístěny do krytu modulu ve správné orientaci. Kdyby došlo k instalaci baterie s nesprávně orientovanými póly, v modulu by mohlo dojít ke zkratu.

Podvozek elektromobilu s integrovanou baterií (foto Festo)
Podvozek elektromobilu s integrovanou baterií (foto Festo)

Podle současných průmyslových standardů je manipulátor také vybaven zařízením na sběr dat z výroby, která se vyhodnocují a na jejich základě se zjišťuje, jestli se některá součástka neblíží ke konci své životnosti, jestli se neblíží čas na servis apod.

Modulární montážní systém pro bateriové moduly a bateriové sady od Festo umí také baterie v opačném pořadí kroků demontovat. To je velmi užitečné, poněvadž recyklace baterií bude z hlediska udržitelnosti v budoucnu čím dál tím důležitějším prvkem.

Velké baterie se pomalu, ovšem zřejmě nevyhnutelně, stávají součástí energetiky. V Česku ovšem “stacionárním úložištím”, jak se bateriím tohoto typu říká, situace příliš nepřeje. Proč a co by bylo zapotřebí změnit, vysvětluje Jan Fousek, ředitel Asociace pro akumulaci energie AKU-BAT.

Jan Fousek (foto Jan Fousek)
Jan Fousek (foto Jan Fousek)

O využití velkých baterií v rozvodné síti se mluví jako o velkém trendu posledních let. Jak se tomu daří u nás?
I v České republice už stojí několik baterií (např. v Plané nad Lužnicí, pozn.red.), se kterými máme provozní zkušenosti. A ty jsou velmi dobré. Skeptici před dvěma, třemi lety říkali, že jde o neověřenou technologii, ale to je dnes už neudržitelná pozice. Ukazuje se, že jde o spolehlivý nástroj, který lze využít k celé řadě různých účelů.

Existují projekty, které už při dnešních cenách baterií mají návratnost někde v rozmezí pěti až sedmi, maximálně deseti let. Technologie je ve všech režimech otestována i provozovatelem české přenosové soustavy, společností ČEPS, takže technicky jsme připraveni opravdu plnohodnotně. Klíčové energetické instituce jako provozovatelé přenosové a distribučních soustav, či Energetický regulační úřad, po úpravě legislativy rovněž volají.

Můžete jmenovat konkrétní příklad nějakého projektu a na co slouží?
Jeden konkrétní příklad od jednoho z členů naší asociace je využití bateriového úložiště k odstranění mikrovýpadků ve výrobě. Firma má na lince několik robotů, které manipulují s nahřátými plechy. Pravidelně, dokonce i několikrát denně, se stávalo, že citlivé roboty se odstavovaly kvůli malým výkyvům v dodávkách elektřiny, takzvaným mikrovýpadkům, které sice pro většinu zařízení a strojů nepředstavují žádný problém, ale některé nové drahé stroje jsou na toto velmi citlivé. Linka se celá zastavila a nebyla spuštěna, dokud materiál nevychladl, aby se mohl odklidit. Vznikaly tak škody na materiálu a drahé prostoje.

Úložiště tenhle problém vyřešilo, protože baterie dokáže dodávky vyhladit tak, aby k výpadkům už nedocházelo. Dále finanční návratnost většinou znatelně zlepšuje např. snížení plateb za rezervovaný příkon. Chci tím demonstrovat, že vzniká poptávka zdola, od podniků, které pro baterie nacházejí nová a nová využití. Od podobného vyhlazování dodávek k pokrývání špiček či snižování lokální zátěže, třeba v souvislosti s elektromobilitou.

Myslíte tedy převážně v nabíjecích stanicích?
Ano, přesně tak. Úložiště umožňuje propojit dobíjení elektromobilů s obnovitelnými zdroji v daném místě, konkrétně nejčastěji s fotovoltaikou u samotné dobíjecí stanice, například na její střeše. To je dobrý způsob, jak snížit nároky na rozvodnou síť, například vyhladit odběrové špičky (tzv. peak-shaving). Přes den se k nabíjení zčásti může použít elektřina z fotovoltaiky, přes noc se může baterie nabít levnějším nočním proudem. Navíc baterie mají tu výhodu, že umožňují stavět nabíjecí stanice i v místech, kde by bylo obtížné najít v síti dostatečný výkon.

Co využití pro energetické účely, například pro regulaci sítě?
Z technického hlediska je to ideální technologie. Už i zkušenosti z České republiky ukazují, že úložiště jsou rychlá a spolehlivá, s reakčním časem do jedné vteřiny, a mohla by tak plnit roli té nejrychlejší zálohy v rámci sítě. Zatím ale jejich možnosti výrazně omezuje česká legislativa. Ta dnes říká, že samotná baterie nemůže být zapojena ani do distribuční, ani do přenosové soustavy. Baterie mohou být používány prakticky pouze v součinnosti se zdrojem, doposud v drtivé většině případů pouze v rámci uhelné či plynové teplárny nebo elektrárny, protože u obnovitelných zdrojů k tomu zatím není business case. Energetický regulační úřad ale dnes jednoduše nemá možnost vydat licenci na provozování baterie pro akumulaci energie v rámci sítě.

Skládání bateriových souborů pro vozy Audi
Skládání bateriových souborů (kredit Audi)

Je zapotřebí změna zákona?
Ano, změna energetického zákona je v tomto případě nevyhnutelná. My doufáme, že se to podaří v rámci novely energetického zákona, která je nyní před třetím čtením v Poslanecké sněmovně. Námi iniciovaný pozměňovací návrh k akumulaci, předkládaný panem poslancem Marianem Jurečkou, by zavedl licenci na akumulaci a umožnil tak provoz i samostatně stojícím bateriovým úložištím. Pokud by však pozměňovací návrh ve třetím čtení schválen nebyl, oblast akumulace by byla upravena až v novém energetickém zákoně, ke které musí tak jako tak dojít kvůli povinné transpozici legislativy EU. To by ale znamenalo dalších několik let legislativního vakua.

Proč se nedaří novelizaci prosadit? Proč u nás nejde to, co například v Polsku?
Těch důvodů je více. Obecně lze říct, že oproti ostatním vyspělým státům ještě stále nejsou Češi příliš nakloněni obnovitelným zdrojům, se kterými je samozřejmě úzce spojena i akumulace. Zároveň zde existuje jakýsi hon na čarodějnice v podobě tzv. solárních baronů, kterými jsou často označováni všichni provozovatelé solárních elektráren, včetně těch poctivých, kterých je samozřejmě drtivá většina. Stává se tak, že jsme analogicky označováni za tzv. baterkové barony, jejichž cílem má být především čerpání dotací ze státního rozpočtu, které ale paradoxně námi iniciovaný pozměňovací návrh vůbec neobsahuje. Naším cílem je pouze odstranění existujících bariér a zkrátka umožnit každému vstup na trh s akumulací, samozřejmě při splnění základních podmínek. Pak ať technologie ukáže sama, jestli se na trhu prosadí. Zkušenosti ze zahraničí však ukazují obrovské přínosy ukládání energie.

Možná využití baterií určuje především cena. Kolik dnes baterie vlastně stojí?
Přesných cen je těžké se dobrat, každý si své ceny brání (smích). Závisí také na konkrétních parametrech zakázky, ale podle informací od našich členů se u velkého úložiště pohybují ceny zhruba kolem 20 tisíc korun za kilowatthodinu, tedy 20 milionů za megawatthodinu. Jako všude jinde, i tady fungují úspory z rozsahu, takže cena za menší, například domovní bateriové systémy se pohybuje výše, tedy zhruba kolem 30 tisíc korun za kilowatthodinu.

Což mimo jiné s sebou nese v poslední době i zajímavé trendy, samozřejmě spíše v západní Evropě, či konkrétně v zemích, kde má akumulace energie v rámci sítě více možností využití. Někde se totiž domácí úložiště řeší na úrovni větších celků, třeba municipalit. Vzhledem k rozdílu v ceně dává větší smysl postavit velkou baterii pro jeden blok či velký bytový dům, tedy na nějaký větší celek, než pro jeden konkrétní byt či rodinný dům. To otevírá nové možnosti na celém trhu s energiemi, umožní to zákazníkům aktivně se na něm podílet. A to i u nás, protože v návrhu nového českého energetického zákona, který by měl být přijat během několika let, budou již plnohodnotně ukotveny pojmy jako aktivní zákazník, energetické komunity, akumulace, agregace flexibility apod.

Velkokapacitní baterie v areálu elektrárny Tušimice
Velkokapacitní baterie v areálu elektrárny Tušimice (foto ČEZ)

Ale abych se vrátil k ceně baterií: ta v posledních letech klesá, za poslední zhruba tři roky činí pokles něco mezi 10 a 20 procenty. Na druhou stranu, nepadá ve skutečnosti tak rychle, jak se někdy může zdát z médií. Je důležité si uvědomit, že cenu baterie netvoří pouze samotné články, ale jsou tam i další složky. Cena článků padá dosti rychle a často se bohužel zaměňuje s cenou za celý systém. Například hojně citovaná studie agentury Bloomberg uvádí, že ceny baterií klesly za poslední dekádu o 87 procent až na nějakých 150 dolarů za kilowatthodinu, ale ve skutečnosti jde z převážné části o ceny jednotlivých článků. Cena celku klesá pomaleji, ale klesá.

Podívejme se na cenu ještě z jiného úhlu: drtivá většina baterií se vyrábí v Asii, kde je výroba nejlevnější. Pro Evropskou unii je to ale strategický obor. Může se přestěhovat ve větší míře k nám?
Bohužel si nedokážu představit, že bychom v Evropě dokázali pokrýt celý výrobní řetězec. Myslím, že vždy budeme závislí na dovozu alespoň části surovin z jiných částí světa. Nicméně určitě je důležité podíl Evropy na výrobě navýšit, což se ve velkém již děje. Nejen z Bruselu už přicházejí různé iniciativy, které mají vytvoření takového řetězce, od těžby přes výrobu po recyklaci či opětovné využití, podpořit. Asi nejznámějším takovým projektem v Evropě je tzv. Evropská bateriová aliance.

Zároveň to není jednoduché, protože trh s bateriemi je dnes do jisté míry etablovaný. Existuje celá řada asijských, především čínských výrobců, kteří dodávají standardizované bateriové „packy“ v podstatě v libovolném množství, ze kterých si pak můžete postavit systém od jednotek kilowatthodin až po stovky megawatthodin. Mají tedy náskok, navíc mají i jistou „výhodu“ v přístupu svých vlád, které na otázku životního prostředí příliš nehledí. Já osobně bych si raději připlatil za baterii vyrobenou udržitelným způsobem v Evropě, ale o finální podobě globálního trhu s bateriemi stejně rozhodnou zákazníci. Evropa ale pro úspěch na tomto poli dělá opravdu hodně.

Jan Fousek
je výkonným ředitelem Asociace pro akumulaci energie AKU-BAT, předsedou dozorčí rady Solární asociace a členem představenstva Svazu moderní energetiky. Na energetických trzích se pohybuje od roku 2007. V letech 2011-2016 byl spolumajitelem a jednatelem jednoho z největších evropských obchodníků s emisními povolenkami a elektřinou, společnosti Virtuse Energy. V minulosti pomáhal také rozbíhat trh s emisními povolenkami v Číně.

Většina řidičů elektromobilů je bohatá a většina elektromobilů je luxusních. Lidový elektromobil je zatím trochu jako jednorožec, nebo jiné mytické zvíře. Hodně se o něm mluví, ovšem nikdo ho nikdy neviděl. 

Sní o něm údajně – a zatím marně – například i firma Tesla, ale zatím jejím hlavním prodejním tahákem je drahý model S. General Motors vstupuje na pole elektromobility novou verzí už i tak drahého vozu Hummer. Škodě zatím zřejmě poměrně dobře vychází sázka na “elektrifikovaný Kodiaq”

Cíle zastánců rychlého rozšíření elektromobility jsou přitom zcela opačné. Aby bylo možné účinně bojovat proti změně klimatu, elektromobily se musí stát cenově dostupnými a široce atraktivními, aby si je mohly a chtěly kupovat i běžní spotřebitelé. Teprve masové rozšíření elektromobilů může vést k výraznému poklesu emisí oxidu uhličitého v odvětví, které je dnes v České republice i v dalších velkých ekonomikách, včetně například USA, hlavním producentem skleníkových plynů.

První, bohatí a dotovaní

Na stereotypním obrazu bohatých Kaliforňanů vozících se v nablýskaných Teslách, není podle ekonomů v tuto chvíli nic špatného, dodejme hned. Je to součást cyklu zavádění nové technologie. Bohatí řidiči pomáhají snižovat náklady na nové technologie elektromobilů tím, že jsou schopni a ochotni být prvními uživateli těchto vozidel. 

Na druhou stranu je nutné připomenout, že bohatí motoristé prakticky na všech trzích, kde se elektromobily dnes ve větší míře prodávají, využívají státních dotací (někdy přímých, někdy nepřímých v podobě například daňového zvýhodnění). Důležitost dotací v zavádění nových technologií je značná. Morální a politické důsledky toho, že tyto dotace směřují především na nákup luxusních vozů pro vyšší střední třídu, jsou ovšem samozřejmě značné. Averze k takové formě podpory časem pouze poroste a i část fanoušků elektromobility si evidentně uvědomuje, že nejde o postup dlouhodobě udržitelný. 

“Jsme v bodě, kdy je technologie k dispozici, a musíme začít přemýšlet o tom, jak zajistit, aby z přechodu k ní měli prospěch všichni,” řekl nedávno pro americký zpravodajský server Axios Scott Hardman, odborný výzkumník z Institutu dopravních studií na Kalifornské univerzitě v Davisu. “A já si nemyslím, že by se v této chvíli ubíraly správným směrem,” dodal.

Jaký přesně je ten správný směr, na to mohou být jistě názory různé, statistiky ovšem vcelku jasně říkají, že elektrické vozy zatím míří spíše “od lidovosti” k exkluzivitě. Z jedenácti nejnovějších bateriových elektromobilů uvedených na trh v USA v letech 2018 až 2020 je osm luxusních vozidel. 

Prodejní cena elektromobilu se za posledních osm let zvýšila, přestože náklady na baterie prudce klesly. Podle analýzy agentury Bloomberg průměrná cena celých “zabalených baterií” pro automobilky klesla mezi lety 2012 a 2020 klesla zhruba na pětinu. Z přibližně 700 dolarů za kilowatthodinu na necelých 140 dolarů na kilowatthodinu. (Dodejme, že v případě největšího výrobce elektromobilů, byl zřejmě pokles ceny méně dramatický, protože ta měla dlouhodobě levnější baterie, ale i tak byl výrazný a Tesla dnes má ve svých vozech podle odhadů baterie za cenu kolem někde poměrně těsně 100 dolarů za kilowatthodinu.)

Podíl samotných článků (“cells”) a jejich “balení” do hotových baterií (“pack”) na ceně bateriových souborů pro automobilový průmysl (graf: Bloomberg NEF)
Podíl samotných článků (“cells”) a jejich “balení” do hotových baterií (“pack”) na ceně bateriových souborů pro automobilový průmysl (graf: Bloomberg NEF)

Ačkoliv cena nejdražšího komponentu elektromobilu tedy tak výrazně poklesla, průměrná cena nového elektrického vozu v roce se mezi lety 2012 a 2020 zvýšila. Například v USA vyšel v roce 2012 nový elektromobil v průměru na 39 tisíc dolarů, v roce 2020 vyšel na 52 tisíc dolarů. Analytická společnost JATO Dynamic to ilustruje konkrétními čísly ze své databáze. Například maloobchodní cena modelu Renault Zoe ve Francii (verze Intens s výkonem 80 koní) v roce 2012 začínala na 22 500 euro. V roce 2019cena vzrostla na 26 580 euro, byť v zájmu spravedlnosti dodejme, že nový model dostal větší baterii.

Ceny rostou

Dodejme, že cena vozů na benzinový pohon má obecně také rostoucí tendenci. Důvodů bude řada, nepochybně však významnou roli hraje tlak na snižování emisí a zavádění dalších povinných prvků výbavy. Růst ceny automobilů v poslední dekádě je tedy výraznější než v desetiletích předcházejících. 

Například v Nizozemsku byla podle zprávy tamní asociace automobilového průmyslu v roce 1990 (po přepočtu na měnu z roku 2020) průměrná cena nového vozu 14 240 euro. V roce 2000 to bylo 19 367 euro. V roce 2010 to bylo 24 096 euro. Ale v roce 2020 už to bylo 37 053 euro, tedy v podstatě necelý milion korun. Za poslední dekádu se tedy průměrná cena zvýšila o více než 50 procent, přičemž tento rozdíl lze asi těžko připsat na vrub jen rostoucí zálibě evropských řidičů ve větších vozech. 

V každém případě je zřejmé, že elektromobily jsou prakticky všude na světě “hračka pro bohaté”. Ukazují to data z relativně rozvinutého trhu v Kalifornii. Průměrný plat majitele elektromobilu v Kalifornii je 174 tisíc dolarů, což je více než dvojnásobek celostátního průměru. Tesly, které v Kalifornii tvoří více než 70 % trhu s elektromobily, mají ještě bohatší řidiče s průměrným příjmem přes 300 tisíc dolarů. Ono není divu, i “nejlidovější” a do počtu kusů nejprodávanější model firmy, Tesla 3, je zhruba o pětinu dražší než průměrný nový vůz na americkém trhu. 

Tesla Model Y
Tesla Model Y (kredit Tesla)

Dotace pro všechny? 

Řešení jsou samozřejmě možná různá. Jednou možností je nechat trh, jak je, a počkat, zda skutečně elektrické vozy mohou být levnější než vozy s klasickým motorem. Řada zemí ovšem patrně čekat nebude a půjde elektromobilitě naproti. 

Tím teď nemyslíme pouze Evropskou Unii a její emisní předpisy a jednoznačné protežování vozů s alternativním pohonem. Z globálního hlediska by časem mohlo stejnou roli sehrát plánovanání stratégů v Pekingu. I když v roce 2021 došlo k poklesu daňového zvýhodnění na elektromobily, stejně je značné: průměrná cena daňového kreditu by se letos měla pohybovat někde kolem 60 tisíc korun. V Číně dnes sice elektromobily nejsou levnější než vozy se spalovacím motorem, ale cenový rozdíl díky pobídkám a zvýhodnění není tak velký jako například na českém trhu. 

Díky tomu se země v posledních stala zdaleka nejrychleji rostoucím trhem s elektromobily. Dnes se v Číně prodává zhruba 50 procent všech elektromobilů na světě. Není jasné, jak dlouho ještě podpora vydrží. Podle původních plánů již měla být zrušena zcela, pak ovšem přišla koronavirová pandemie. 

Důležité ovšem je, pro Peking nejsou elektromobily pouze otázkou ekologickou, ale strategickou. Země doufá, že se jí podaří díky “restartu” automobilového průmyslu do nové, elektrické doby, ukrojit si výrazně větší část z tohoto průmyslového odvětví. Čínské elektromobily tedy nejsou určeny zdaleka pouze pro tamní trh, mají ambice světové. V důležitém ohledu, ve výrobě baterií, mají tamní výrobci nad evropskými a americkými v tuto chvíli zcela zjevnou výhodu. Čínský stát je bude chtít alespoň do jisté míry nejspíše podpořit, a dá se očekávat, že nějaké formy podpory se asi elektrické vozy i proto dočkají. 

Podobná situace dost možná nastane s příchodem Bidenovy administrativy i v USA. Ta navrhuje investovat 174 miliard dolarů do elektromobilů a souvisejících nabíjecích zařízení. Součástí balíčku má být i sleva na nákup elektromobilů americké výroby pro běžné spotřebitele. Stávající federální daňová úleva pro elektromobily (kterou Biden rovněž navrhuje prodloužit), obecně zvýhodňuje bohatší zákazníky. Ti mívají obvykle vyšší daňovou povinnost, a také si mohou dovolit, až se jim peníze vrátí s dalším daňovým přiznáním. 

Evropský trh je samozřejmě pestřejší a různorodější. V Česku se pro rok 2020 žádné dotace na elektrická auta nechystají. Jak to bude dále, to naznačí nejspíše až říjnové parlamentní volby. 

Cena na prvním místě

Přímá podpora má rozhodně tu velkou nevýhodu, že nikdo dopředu neví, kolik bude stát. Není jasné, kdy by se skutečně mohla cena elektrických vozů srovnat s cenou vozů klasických. Mohlo by to být v horizontu několika příštích let, ale jisté to samozřejmě není. 

Kolika řidičům tedy by měly státy přispět, pokud opravdu chtějí, aby se elektrické vozy uchytily? Kdy programy ukončit, aby splnily svůj cíl a přitom se neprodražily více, než je nutné? Už tak budou ostatně dosti drahé.

Dobrým příkladem je stát Kalifornie. Ta chce dostat na své silnice do roku 2030 pět milionů elektrických vozů. Zatím se jich po nich nepohybuje ani milion, ovšem její 11 let starý program na podporu “čistých vozů” na začátku letošního roku vyschl. Na vině byla kombinace popularity programu, tak rozpočtové nouze státu, který do programu v roce 2020 nevložil žádné nové prostředky. Kalifornie měla v roce koronaviru dost jiných problémů a dost jiných finančních priorit. 

Jak jsme přitom uváděli, stát má ke splnění svých cílů velmi daleko. Minimálně tak daleko jako má většina motoristů hluboko do kapsy na koupi elektromobilu.

Oprava: V článku byla chyba v údajích o ceně elektromobilů v USA v roce 2020. Za omyl se omlouváme.

Společnost Highview Power plánuje ve Španělsku instalovat velkokapacitní systémy skladování energie v kapalném vzduchu (LAES). Měly by být schopné dodávat do sítě nezanedbatelné množství energie po dobu několika hodin.

Společnost uvedla, že připravuje projekty LAES o kapacitě až 2 GWh ve čtyřech španělských regionech: Asturie, Kantábrie, Kastilie a León a Kanárské ostrovy. Celkem se uvažuje až o sedmi projektech, přičemž každý z nich by měl mít jmenovitý výkon přibližně 50 MW a kapacitu 300 MWh.

Společnost uvedla, že zavedení 2 GWh bude představovat investice ve výši přibližně 1 miliardy USD. Pro práci na vývojovém plánu bylo vytvořeno konsorcium, jehož součástí je španělský vládní veřejný výzkumný orgán CIEMAT, který se zaměřuje na překlenutí rozdílu mezi technickým a vědeckým výzkumem a vývojem a širšími sociálními cíli. V konsorciu je také inženýrský partner TSK, s nímž společnost Highview v roce 2019 vytvořila společný podnik (JV), který bude spolupracovat na vývoji projektů v různých světových teritoriích.

Toto oznámení navazuje na zahájení výstavby prvního velkého komerčního projektu společnosti Highview Power, systému o výkonu 50 MW/250 MWh (tedy výkonu 50 MW a kapacitě 250 MWh) v severní Anglii, který by měl být uveden do provozu a komerčně využíván v roce 2022. Společnost Highview má také několik velkých projektů ve vývoji v USA a v říjnu 2020 vytvořila další společný podnik, tentokrát ve spolupráci s chilskou energetickou společností Enlasa za účelem rozvoje projektů v Chile a dalších latinskoamerických zemích.

Jak to funguje?

Snímek pilotního provozu na skladování energie firmy Highview Power v anglickém Slough. Systém nevyužívá stlačený, ale přímo zkapalněný vzduch
Snímek pilotního provozu na skladování energie firmy Highview Power v anglickém Slough. Systém nevyužívá stlačený, ale přímo zkapalněný vzduch. (kredit Highview Power)

Samotný koncept elektráren na stlačený vzduch je jednoduchý. V době přebytku elektrické energie, tedy třeba v noci či během větrných a slunečných dnů s malou spotřebou (např. o víkendech), se levná elektrická energie využije pro pohon kompresoru. Vícestupňovými kompresory je nasátý atmosférický vzduch 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.

Společnost Highview Power, která nedávno získala od investorů celkem 70 milionů USD na podporu rozšíření svých aktivit, vyvinula vlastní systémovou technologii nazvanou CRYOBattery. Ta je založena na zkapalňování vzduchu při teplotě -196 °C, jeho skladování při nízkém tlaku a následném ohřevu pro pohon turbín a výrobu energie. Vzduch tedy není ani tak stlačován jako spíše chlazen.

Úložiště energie využívajícího stlačeného či zkapalněného vzduchu mohou poskytovat stejné tzv. systémové služby pro zajištění hladkého provozu přenosové soustavy, jaké dnes poskytují především fosilní zdroje. Tedy například může sloužit jako tzv. výkonová záloha. Může tedy naskočit v případě, že je v síti málo výkonu. A také může samozřejmě energii ukládat, pokud je to zapotřebí.

Společnost Highview tvrdí, že mezi výhody její technologie patří možnost zvýšovat kapacitu a tedy i zvýšit “kapacitu” systémů vybudováním větších zásobníků kapalného vzduchu. Z technologického hlediska je podle ní výhodou, že její systém využívá řadu osvědčených technických řešení (ba přímo celých jednotlivých segmentů zařízení) z jiných průmyslových odvětví.

Solární elektrárna Gemasolar ve španělské Andalusii, mezi městy Sevilla a Córdoba (foto Tony Hisgett)
Solární elektrárna Gemasolar ve španělské Andalusii, mezi městy Sevilla a Córdoba. Španělsko má pro fotovoltaiku vynikající podmínky a má tolik slunečných dní, že tu lze alespoň uvažovat o stavbě podobných “koncentrátorových elektráren”, které například v Česku vzhledem k častým mrakům vůbec nedávají smysl. (foto Tony Hisgett)

Španělský boj

Španělsko přijalo agresivní opatření v oblasti boje proti změně klimatu, včetně snížení emisí skleníkových plynů o 23 % do roku 2030, a jako člen Evropské unie je také vázáno společným cílem úplné dekarbonizace svého hospodářství do roku 2050.

Ke splnění těchto cílů se plánuje více než 50 GW nové kapacity obnovitelných zdrojů energie, včetně 20 GW větrné energie a 30 GW solární energie, zatímco jaderné a uhelné elektrárny mají být postupně vyřazeny. Španělsko si také v národní strategii pro skladování energie stanovilo cíl nasadit do roku 2030 20 GW skladování elektrické energie, což je největší cíl pro skladování energie na světě.

Přibližně 9 GW z toho by měla být elektrochemická zařízení, uvedl Luis Marquina, prezident španělské asociace pro skladování energie AEPIBAL, v nedávném rozhovoru pro nadcházející vydání našeho čtvrtletníku PV Tech Power (Vol. 27). Zbývá tedy přibližně 11 GW pro mechanické úložiště, vodík a další typy úložišť, přičemž důraz bude pravděpodobně kladen na dlouhodobá úložiště energie toho typu, která mohou umožnit velmi vysoký podíl obnovitelných zdrojů v národní elektrické síti.

Marquina, který je rovněž ředitelem pro institucionální záležitosti solární společnosti Gransolar Group, uvedl, že cíl v oblasti obnovitelných zdrojů energie je “naprosto dosažitelný”, neboť v posledních dvou letech Španělsko každoročně instalovalo přibližně 4 GW fotovoltaických elektráren. S rostoucím podílem obnovitelných zdrojů a s úbytkem fosilních paliv a jaderné energie poroste nebezpečí bezpečnosti, kvality a množství dodávek elektřiny. Skladování energie tyto problémy řeší, uvedl Marquina. Španělsko vzhledem k jeho dalekosáhlým plánům na budování kapacit pro skladování energie označil za trh, kde firmy z oboru “musí být”.

Společnost Highview Power prohlásila, že její projekty vytvoří ve Španělsku dobře placená pracovní místa jak v oblasti jejich provozu a údržby (O&M), tak i během výstavby, a že jsou rozvíjeny v oblastech, kde by technologie LAES pro dlouhodobé skladování byla strategicky nejvhodnější, a v oblastech, kde byly odstaveny elektrárny na fosilní paliva.

“Jak Španělsko bude připojovat více obnovitelných zdrojů energie do sítě, úložiště energie s dlouhou dobou trvání budou hrát stále větší roli při zajišťování stability sítě a pomáhat zemi dosáhnout cílů dekarbonizace stanovených v Národním plánu pro energetiku a klima,” uvedl generální ředitel a prezident společnosti Highview Power Javier Cavada. “Španělsko si jasně uvědomuje naléhavost řešení klimatických změn a my věříme, že CRYOBattery společnosti Highview Power budou důležitou součástí jeho strategie uhlíkové neutrality.”

Fotovoltaický potenciál Evropy (kredit Solargis)
Fotovoltaický potenciál Evropy. Roční průměrná výroba z instalovaného výkonu fotovoltaických panelů (kWh/kWp) (kredit Solargis)

Stará myšlenka
Nápad na využití “vzdušné baterie” není nijak nový. Experimentovalo se s ním už na konci 19. století. Ale byť byla energie tehdy velmi drahá a například cena elektřiny byla v přepočtu na kupní sílu nejméně o dva řády vyšší než dnes, skladování energie ve vzduchu se ale nakonec neukázalo být ve velkém měřítku ekonomicky výhodné. Z fyzikálního hlediska má potenciál, ale stávající technologie ho pro energetické potřeby nedokázala použít.

Protože má technologie zdravý fyzikální základ, řada odborníků si na ni vzpomněla, když se v posledních letech začalo mluvit znovu o možnostech „nových“ systémů skladování energie. Jejím ztělesněním se stala například auta „na vzduch“, tedy vozy s nádržemi a motory na stlačený vzduch.

Myšlenka to není sama o sobě zcela nesmyslná, podobné vozy mají stejný problém jako dnešní elektromobily: mají malý dojezd, sotva několik desítek kilometrů. Dnes je technologie na úrovni demonstračních kusů a laboratorních kusů například pro studentské projekty, včetně třeba studentských závodů. Nejlepší závodní speciály mají dojezd kolem deseti kilometrů na vzduchovou láhev s objemem deset litrů a jezdí rychlostí až kolem 50 kilometrů v hodině.

Čínský výrobce baterií EVE Energy by se mohl stát po společnosti CATL druhým dodavatelem článků LFP společnosti Tesla. Podle zpráv médií jsou jednání mezi společnostmi Tesla a EVE Energy již v pokročilé fázi.

Rozhovory mají být údajně uzavřeny ve třetím čtvrtletí roku 2021. Rozhovory se údajně týkají dodávek pro šanghajskou továrnu Gigafactory. Jak uvedl jeden z odkazovaných insiderů, EVE je již v závěrečné fázi testování produktů pro Teslu. Společnost Tesla ani EVE Energy na dotazy o komentář nereagovaly. EVE Energy se specializuje na vývoj a výrobu článků LFP, tedy lithium-železo-fosfátových článků.

Baterie pro masy?

Během “Bateriového dne” v září 2020 oznámil generální ředitel společnosti Tesla Elon Musk záměr zaměřit se více právě na baterie LFP. Týká se to především modelů “Standard Range”, v nichž mají být použity robustní a odolně baterie toho typu. Tyto “železité” akumulátory mají sice nižší energeetickou hustotu a poskytuí 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. 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. Tesla tedy znovu není jediná, je v podstatě ilustrací obecného trendu, který by měl zjednodušit a zlevnit výrobu baterií obecně. Tesla možná bude, možná nebude první, důležité je, že vývoj pokračuje.

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.

Zvyšování cen se však nevyhýbá ani článkům LFP: o víkendu Tesla zvýšila vstupní cenu pro Model 3 Standard Range v Číně (s články LFP od společnosti CATL) o 1 000 jüanů (128 eur) na 250 900 jüanů – podle agentury Reuters byl tento krok odůvodněn kolísáním nákladů.

V loňském roce byly některé vozy Model 3 Standard Range+ vyrobené v Číně dodány také do Evropy. Zatímco samotné vozy přesvědčily svým kvalitním zpracováním, objevily se četné zprávy o horším výkonu při nabíjení (zejména v chladném počasí) a o případech zablokování některých vozidel, kdy se vůz vypnul i přes to, že baterie byla stále nabitá. Krátce poté Tesla vydala aktualizaci softwaru, která optimalizovala správu baterie.

Polští politici odstranili právní a regulační překážky bránící rozvoji “skladování elektřiny” v zemi.

Polský parlament přijal novelu vnitrostátního energetického zákona týkající se zacházení s ukládáním energie a jeho definice. Pro návrh zákona hlasovalo 443 poslanců, pouze tři byli proti a nikdo se nezdržel hlasování.

Komplexní úprava “otevírá možnost využití zařízení pro ukládání energie v různých oblastech energetické soustavy,” uvedla pro server Energy-Storage.news Barbara Adamska, prezidentka Polské asociace pro ukládání energie. Nová pravidla zahrnují licencování systémů pro ukládání elektřiny, což Adamska označila za “racionální” způsob, a odstraňují tarifní povinnosti pro “dvojí účtování” za připojení systémů pro ukládání energie k síti.

Nová pravidla jako taková motivují skladování energie nikoliv čerpáním dotací nebo podpůrných finančních prostředků z veřejných rozpočtů, ale naopak snížením poplatku, který mají vlastníci a provozovatelé zařízení pro skladování energie platit za připojení k síti. Podle prezidenta PSME nová pravidla vytvářejí pro Polsko příležitost k vytvoření širokého odvětví skladování energie, od vývoje technologií a produktů až po vytváření pracovních míst.

„Novela energetického zákona, která dává zelenou rozvoji skladování energie v Polsku, je pro polské společnosti příležitostí vyvinout inovativní řešení a zapojit se do globálního odvětví v rané fázi jeho rozvoje,“ uvedla Adamska.

Konec dvojího nabíjení

Vzhledem k tomu, že možnost rychlého nasazení skladování energie pro rozvodnou síť je relativně novým fenoménem. Řadda zemí a jurisdikcí – včetně Česka, nutno podotknout – stále nemá skladování elektřiny jasně definováno ve svých regulačních režimech.

To vedlo k takzvaným “dvojím poplatkům”, kdy jsou zařízení pro skladování elektřiny považována buď za spotřebitele, nebo za výrobce, přičemž obě činnosti musí provozovatelé aktiv připojených k síti hradit jako síťové nebo distribuční poplatky – i když ve skutečnosti technicky nejsou ani jedním z nich.

Německá asociace pro skladování energie BVES a evropská skupina EASE se dlouhodobě zasazují, aby skladování elektřiny bylo zařazeno do vlastní definiční kategorie. Velká Británie zavedla definici v loňském roce, ale ta byla považována za “provizorní” opatření k úpravě stávajících pravidel namísto vytvoření nových pravidel, která by se přizpůsobila novějším technologiím a zařadila skladování energie do podmnožiny výroby.

Zdá se, že polským zákonodárcům se podařilo tuto aktivitu přerušit, když hlasovali pro zavedení jednotných definic pro “skladování elektrické energie” a “zařízení pro skladování elektrické energie”, které lze použít ve všech dalších právních předpisech. Tím se také odstraní další nesrovnalosti v různých regulačních rámcích.

Nová pravidla zahrnují zařízení pro skladování energie o výkonu nad 10 MW, která vyžadují licenci, aby bylo zaručeno, že mohou poskytovat služby polské národní energetické soustavě, zatímco zařízení o výkonu 10 MW a menším licenci nevyžadují. Každý systém s výkonem nad 50 kW se však musí registrovat u provozovatele přenosové soustavy nebo provozovatele distribuční soustavy pro svou oblast.

Samospotřebitelé, kteří mají nainstalovány vlastní baterie a výrobny (i v češtině se dnes pro ně občas prosazuje výraz „prosumeři“), budou muset o svém záměru informovat provozovatele distribuční soustavy a sdělit mu, jaký typ skladovacího systému mají.

Existují také nová pravidla pro vydávání smluv o připojení k síti a podmínek pro připojení: podmínky pro připojení by měly být vydány pro akumulační zařízení připojená k síti se jmenovitým napětím nejvýše 1 kV do 30 dnů, ti s vyšším jmenovitým napětím dostanou podmínky pro připojení stanoveny do 150 dnů. Poplatek za připojení k síti vybíraný za akumulační systémy bude stanoven ve výši poloviny nákladů na připojovací práce.

Důležitá jsou podle Barbary Adamské také nařízení, která umožňují provozovatelům distribučních soustav zahrnout skladování elektřiny do svých investičních plánů, aby bylo možné pokrýt náklady z tarifů: investice musí být odůvodněné, aby byla zajištěna spolehlivá dodávka elektřiny, včetně analýzy nákladů a přínosů, která prokáže, že skladování energie je ekonomicky nejvýhodnější možností, kterou má provozovatel distribuční soustavy k dispozici.

Státní veřejná energetická společnost PGE uvedla, že v rámci cíle uhlíkové neutrality do roku 2050 plánuje do roku 2030 nasadit nejméně 800 MW zařízení na skladování energie, zatímco počet prosummerů v Polsku vyskočil z přibližně 4 000 na konci roku 2015 na více než 450 000 na konci roku 2015.

Země také zavede aukce pro hybridní zařízení na obnovitelné zdroje energie – zařízení kombinující nejméně dva systémy obnovitelné energie a zařízení na skladování energie, které musí mít koeficient využití nejméně 60 %. V letošním roce se očekává, že v pilotní aukci bude vysoutěženo přibližně 5 MW zdrojů o výkonu do 1 MW a 15 MW větších zařízení.

Načíst další