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.

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.

S tím, jak v řadě zemí dochází k ukončování provozu uhelných a jaderných elektráren, roste problém skladování energie z obnovitelných zdrojů. Výroba z těchto zdrojů je totiž značně nestabilní. V současné době tyto výkyvy stále ještě kompenzují konvenční elektrárny, pokud však tyto zdroje budou v příštích letech dále ubývat, bude třeba najít taková řešení, která zajistí spolehlivé a levné skladování velkého množství energie.

Na vývoji takovýchto systémů pracuje i mezinárodní tým vědců pod vedením Toma Weiera a Norberta Webera z Ústavu pro dynamiku tekutin při Helmholtzově centru se sídlem v Drážďanech-Rossendorfu (Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf). V rámci projektu, který nese název SOLSTICE, od letošního ledna pracují na vývoji systémů, které umožní ukládání elektřiny pomocí tekutého sodíku a tekutého zinku.

Oba vědci jsou si jisti tím, že jejich výzkum může významně přispět k transformaci celého energetického sektoru. „Předností naší koncepce je velmi jednoduchá konstrukce,“ zdůrazňuje Tom Weier. „To znamená, že takovéto baterie jsou snadno škálovatelné. Při využití levných aktivních materiálů bychom proto mohli dosáhnout výrazně nižší ceny systému, než jsou ceny jiných řešení skladování elektrické energie,“ doplňuje.

Tekuté kovy a roztavené soli zahřáté na teplotu několika stovek stupňů Celsia by v budoucnu mohly být řešením pro energeticky náročná průmyslová odvětví. „Jako aktivní materiály používáme sodík a zinek,“ vysvětluje Norbert Weber. Pro volbu těchto prvků mají vědci velmi praktické důvody. Sodík je totiž šestým nejhojnějším prvkem na Zemi. Dokládá to například fakt, že v každém litru mořské vody je coby součást solí vždy asi 11 gramů alkalických kovů, mezi něž sodík patří. Zinek je v porovnání se sodíkem v přírodě vzácnější, ale i jeho zdroje jsou poměrně značné.

Je-li tedy v současnosti poněkud nepříjemným faktem, že velmi ceněné lithium se musí do Evropy dovážet – hlavně z Číny, Austrálie nebo Chile –, situace ohledně zinku je příznivější, protože Evropa může využívat vlastní doly. Podle Webera by proto výraznější využívání zinku v energetice přispělo ke snížení závislosti evropských energetických projektů na jiných zemích.

Baterie využívající sodík pracuje při 600 stupních Celsia, přičemž elektrody i elektrolyt se nacházejí v kapalném stavu. „Naši norští partneři již s touto strukturou experimentovali a prokázali, že tento princip funguje,“ říká Norbert Weber. Tyto baterie by měly být schopny ukládat energii v rozsahu megawatthodin, což by z nich činilo velmi dobré řešení pro průmyslové aplikace.

V baterii využívající zinku je elektrolyt na rozdíl od předešlého řešení pevný. „Naši partneři ze Švýcarska již vyvinuli funkční systémy, ale pracují s chloridem nikelnatým. Ten chceme v našem projektu nahradit chloridem zinečnatým,“ pokračuje Weber. „Při jejich úložné kapacitě v rozsahu kilowatthodin budou tyto baterie vhodné zvláště pro domácnosti,“ dodává.

Během příštích čtyř let chtějí vědci rozvinout oba systémy alespoň do té míry, aby se mohla potvrdit jejich praktická uplatnitelnost. Zvláště v případě druhého systému je přitom velmi vysoká šance, že během uvedené doby by se mohl přiblížit stavu, že bude připraven k uvedení na trh. Evropská unie financuje tento projekt prostřednictvím programu Horizont 2020 částkou 8 milionů eur.

V edinburghském přístavu vyrostla v posledních letech velmi nezvyklá stavba. V podstatě jde o nekrytou výtahovou šachtu vysokou na čtyři patra. Ovšem místo výtahu v šachtě visí jen závaží: ohromné, 50tunové kovové závaží. Kabina není zapotřebí. Nejde ovšem o zařízení na dopravu nákladů, ale obří baterii.

Princip zařízení je starobylý. V podstatě jde o baterii, která ukládá energie ve formě potenciální energii v zemském gravitačním poli. Úplně stejně fungují vodní přečerpávací elektrárny. I v těch voda musí nejprve putovat vzhůru gravitačním polem Země, aby se pak ve chvíli potřeby prudce spustila dolů a roztočila připojenou turbínu. Přečerpávací jsou zatím nejúčinnějším a nejlevnějším způsobem skladování elektřiny ve velkém měřítku, ale jejich další rozvoj komplikuje především nedostatek vhodných lokalit. Nejde přitom jen o topografii, tedy vhodné výškové rozdíly, ale také problémy o to, že místní obyvatelé velmi často nechtějí vidět své hory „seříznuté“ a vybetonované.

„Gravitační baterie“ přesto představují zajímavou alternativu k chemickým bateriím, které dominují celosvětovému trhu se skladováním energie. Trhu, který v příštích letech a desetiletích nejspíše rapidně poroste ruku v ruce s nárůstem výkonů obnovitelných zdrojů energie. Ze slunečního svitu či větru vyrobená energie není dostupná vždy a poptávka po způsobech jejího ukládání tedy bude do budoucna nejspíše jen stoupat.

Zatímco na chemické baterie sází celá řada velkých korporací, několik menších společností (o jedné jsme již psali) pracuje na myšlence nového typu „gravitačních baterií“. Jedna z nich – start-up Gravitricity – je provozovatelem a majitelem zařízení v Edingburghu.

V malém

Jde zatím jen o malý demonstrátor principu s omezeným výkonem. Při spouštění závaží se z motorů „výtahu“ stávají elektrické generátory, které vysílají až 250 kilowattů energie zpět do sítě. Ovšem ten může dávat jen zhruba po dobu 11 sekund. Zařízení je schopné reagovat pružně, maximálního výkonu dosáhne s velmi malým zpožděním jednotek sekund (úplně přesné údaje k dispozici nejsou).

Koncept demonstračního zařízení společnost Gravitricity v Edinburghu (kredit Gravitricity)
Koncept demonstračního zařízení společnost Gravitricity v Edinburghu (kredit Gravitricity)

Přesto, že jde o opravdu skromný začátek, gravitační baterie má hned několik výrazných výhod. Některé jsou výhody jsou zjevné: lithium-iontové baterie například mají omezenou životnost na určitý počet nabíjecích cyklů. Ovšem komponenty gravitačních úložišť – navijáky, ocelové kabely a těžká závaží – vydrží dobře desítky let. Zavádění chemických baterií znamená také jistou ekologickou zátěž, nutnost vývoje zatím nevyzkoušených technologií recyklace a budování nové infrastruktury, výroba oceli (i její recyklace) jsou odzkoušené a velmi dobře vypilované technologie.

Gravitační baterie se tak v důsledku mohou z ekologického i finančního hlediska vyplatit, myslí si někteří. Oliver Schmidt z Imperial College London pro Gravitricity zpracoval analýzu, podle které po započtení všech nákladů – včetně výstavby, provozních nákladů a údržby – může být tento typ skladování levnější než lithium-iontové baterie. Schmidt odhaduje, že Gravitricity by mohla vyjít na 171 dolarů za každou megawatthodinu (MWh). Schmidtův výpočet celoživotních nákladů na MWh lithium-iontových baterií, 367 dolarů, tedy zhruba dvakrát vyšší. Průtokové baterie, slibná technologie pro síťová úložiště, vyjde vyjde podle Schmidta má celkové náklady 274 dolarů za MWh.

Nejdřív se musí postavit

V případě gravitačních technologií se jedná pouze o odhad, který nejdje doložit daty z praxe. Technologie je stále „neuvěřitelně nezralá“, uvedl Schmidt pro časopis Science. A zatímco ceny chemických baterií stále vytrvale klesají tempem několik procent za rok na jednotku uložené energie, vývojáři „gravitačních baterií“ (kterých je opravdu na světě jen pár), neudělaly v tomto ohledu zatím žádný pokrok.

Samozřejmě je tu ještě jeden další problém. Stejně jako všechny skladovací technologie i gravitační skladování má zatím „smrtící“ konkurenci. Na většině míst Země jsou nejlevnějším způsobem, jak se vyrovnat s výkyvy poptávky, elektrárny na zemní plyn, které mohou velmi pružně reagovat.

Gravitricity si údajně nedělá iluze o překážkách, které před firmou stojí. Nejde jen o to, že zatím se jedná o malý start-up se 14 zaměstnanci. I na samotné technologii je ještě co vyvíjet a zlepšovat, než bude opravdu použitelná, robustní a levná. V Gravitricity například měli údajně nečekaně velké problémy s kroucením ocelových lan, na kterých je závaží připevněno.

Pokud se firmě podaří překonat počáteční obtíže a zvládne projít start-upovým „údolím smrti“, plánuje do roku 2023 postavit plnohodnotnou elektrárnu. Ta už by měla mít těžší závaží, a téměř kilometr hlubokou šachtu, která by mohla produkovat až 4 MW špičkového výkonu.

Lithium-iontové baterie se zatím ani zdaleka nechystají opustit svou pozici jedničky mezi bateriemi. Ale díky zájmu o ukládání elektřiny „lionkám“ roste konkurence. Například v oboru velkých, stacionárních baterií řada odborníků vidí potenciál v tzv. redoxních průtočných bateriích.

Na úspěch těchto „sudových“ baterií sází mimo jiné i začínající český start-up Pinflow, kterou po několika letech existence v květnu začíná nabírat první zaměstnance. Firmu založili chemičtí inženýři Jaromír Pocedič, Jiří Vrána, Petr Mazúr, Jan Dundálek a Juraj Kosek, kteří se domnívají, že s vylepšeními – částečně i z jejich dílny a na základě licence z výzkumného centra NTC při ZČU – průtočné baterie mohou časem „lionky“ překonat výkonem i cenou. Jak a proč by se to mohlo stát, vysvětluje Jiří Vrána.

Jak průtočné baterie fungují a proč vám přišly tak slibné?
Průtočné baterie, a ty vanadové nejsou výjimkou, umožňují od sebe oddělit kapacitu baterie a její výkon. Výkon se vytváří v elektrochemickém reaktoru, tedy bateriovém svazku. A kapacita je dána jednoduše objemem dvojicí elektrolytů, které jsou v nádržích. To znamená, že baterii je možné zvětšovat podle potřeby přímo na místě, kde stojí. Elektrolyt je na vodné bázi a celé řešení je nehořlavé, nevýbušné, elektrolyt je prakticky nesmrtelný. Ve výsledku je tak baterie velmi trvanlivá. Délka životnosti by měla přesáhnout čtvrtstoletí.

Jiří Vrána (foto Pinflow Energy Storage)

A nejsou omezeny počtem cyklů, tedy tím, kolikrát se mohou nabít nebo vybít?
Tady zabrousím trochu do podrobností. Redoxní baterie se od konvenčních liší v tom, že reakce v nich probíhají pouze na povrchu elektrody. U lithium-iontových i dalších konvenčních baterií dochází k chemickým změnám uvnitř, v těle elektrody. Kvůli tomu se její vlastnosti zhoršují, doslova se trhá a kapacita klesá. To se v našem případě neděje, takže elektrody mají vysokou životnost. Mohou se několikrát denně nabíjet a vybíjet po dlouhé roky.

A co až nakonec doslouží?
Jednoduchá by měla být i recyklace celé baterie – konstrukční části jsou z recyklovatelných plastů, oceli a hliníku. Elektrolyt se dá znovu použít v jiné baterii nebo z něj může získat oxid vanadičný, který se používá jako legovací přísada ve výrobě oceli.

Jak jste se k práci na vanadových bateriích dostali a proč jste si je vybrali?
S nápadem přišel zhruba před osmi lety, ještě v době, kdy jsme byli studenty, profesor Juraj Kosek z pražské VŠCHT. Hledal tehdy aktuální problém, který by chemičtí inženýři mohli řešit. V té době se začal rozvíjet trh s obnovitelnými zdroji, ale bylo jasné, že jejich nasazení by bylo mnohem účinnější společně s nějakým systémem na ukládání energie. A že by se mělo jednat pokud možno o nějaké jiné řešení než lithiové baterie.

Schéma vanadové redoxní baterie (autor SuminotoElectic)
Schéma vanadové redoxní baterie (autor SuminotoElectic)

Jako nejvýhodnější se nám podle naší analýzy ukázaly průtočné baterie – a mezi nimi zase vanadové, které mají řadu výhod. Hlavní je to, že jde o systém s dlouhou životností, i proto, že na obou stranách baterie jsou stejné elektrolyty, a tak nedochází ke kontaminaci a zhoršování vlastností baterie. Tehdy také bylo jasné, že vanadové baterie mají stále ještě velký potenciál. Lithiové baterie proti nim byly výrazně pokročilejší a vyvinutější technologie.

Tušili jste od začátku, které části systému se budete věnovat, v čem chcete systém vylepšit?
Když jsme s vývojem začínali, baterie ještě nebyly tak masivně zapojovány jako v dnešních dnech. Bylo ale zřejmé, že bez stacionárních úložišť nebude možné navyšovat neustále podíl obnovitelných zdrojů v energetickém mixu. Zdálo se nám, že jako chemičtí inženýři bychom měli k řešení problému přispět.

Zvolili jsme si pro další rozvoj redoxní průtočné baterie, které byly v té době na přelomu laboratorního výzkumu a prvních aplikací. Líbil se nám jejich potenciál v oblasti ukládání energie ve větším měřítku. Oproti jiným bateriovým technologiím nám také přišly průtočné baterie jako pro nás poměrně dobře srozumitelný systém. Bateriový svazek, tedy ta část, kde se vytváří výkon baterie, je v podstatě průtočný chemický reaktor.

Začínali jsme v malém, vylepšováním vnitřních částí právě bateriového svazku. Začali jsme prototypovat první malé články, na kterých jsme experimentovali. Věnovali jsme se přípravě elektrolytu, vylepšení vlastností elektrod a rozvodu elektrolytu. Po několika letech jsme pak zkonstruovali první větší bateriové svazky.

Laboratorní jednočlánek vanadové redoxní průtočné baterie (foto Pinkflow)
Laboratorní jednočlánek vanadové redoxní průtočné baterie, jeden z komerčních produktů Pinflow (foto Pinflow)

A co jste za tu dobu jste vy jako Pinflow dokázali vylepšit?
Největší pokrok je v bateriovém svazku, který má vyšší proudové hustoty – zcela laicky řečeno, naše baterie při stejných rozměrech vyvine větší výkon při zachování účinnosti. Je to možné díky tomu, že jsme vyvinuli systém s velmi malým vnitřním odporem, kde jsme využili nové membránové materiály a podařilo se nám i vhodně upravit povrch elektrod a design rozvodu elektrolytů.

Jak vypadají elektrody takové baterie?
Vyrábí se z grafitizované plsti široké několik milimetrů. Elektrolyt protéká skrz tuto plstěnou strukturu a reakce v podstatě probíhá na každém vlákně této uhlíkové plsti. Plocha elektrody tedy není dána pouze obdélníkovým rozměrem elektrody, ale v úvahu musí být brána i vnitřní struktura v plsti. Pouhý gram uhlíkové plsti má plochu typicky kolem 0,5 m².

Přejděme ke konkurenci. Jak chcete „lionky“ porazit, kdy mají na své straně tu hlavní a rozhodující výhodu – nižší cenu?
Ne vždy, v některých případech už dnes mohou vanadové baterie být levnější.

V kterých případech?
Jedná se o opravdu velké systémy s výkonem desítek megawattů. Cena je vždy závislá na velikosti baterie. I velké instalace bateriových úložišť na bázi lithia jsou vždy složeny z jednotlivých malých článků, které mají svou elektroniku, cena systému v závislosti na kapacitě roste prakticky lineárně. V případě průtočných baterií nárůst ceny zvolňuje s velikostí systému, protože systém je technologicky jednodušší. Od určité velikosti můžou být průtočné baterie levnější.

Ve velkém měřítku, řekněme od desítek megawattů výše může být navíc plocha bateriemi zastavěná menší než u systémů na bázi lithia. Z požárního hlediska jsou totiž vanadové baterie bezpečnější, a tak zjednodušeně řečeno mezi nimi nemusí být rozestupy. Redoxní baterie přitom ještě mohou výrazně zlevňovat. Neprojevují se u nich úspory z rozsahu, tedy z výroby ve velkých objemech, které v posledních letech zlevňují lithiové baterie.

Detail 5kW svazku redoxní průtočné baterie firmy Pinflow (foto Pinflow)
Detail 5kW svazku redoxní průtočné baterie firmy Pinflow (foto Pinflow)

Z toho všeho plyne, že tento typ baterií v elektromobilech těžko bude…
Vanadové baterie jsou opravdu vhodné spíše pro stacionární užití: na objem se v nich nedá skladovat tolik energie. Ovšem velkou výhodou vanadových baterií je škálovatelnost. A tak i my míříme na širokou škálu aplikací od malých, cca pětikilowattových systémů jako zálohy třeba telekomunikačních zařízení, jako jsou věže pro mobilní vysílání, nebo i jako záložní systém k bytovému domu až po velké energetické systémy s kapacitou v řádu megawatthodin.

Ale ať má systém jakýkoliv výkon, obecně platí, že u průtokových baterií je výhodnější stavět baterie, které mají vysoký poměr mezi výkonem a celkovou v nich uskladněnou energií. Jinak řečeno, je lepší stavět baterie, které vydrží v provozu několik hodin na maximální výkon. Zhruba od pěti hodin výše, tedy výkon: kapacita 1:5 nebo i víc.

To jsou plány do budoucna. Co můžete reálně nabídnout teď?
Pinflow má z našeho pohledu tři pilíře. Za prvé prodáváme zařízení do laboratoří na experimenty s materiály do průtočných baterií. To pro nás jako výzkumníky byl takový přirozený přechod k byznysu. Řadu těchto systémů sami používáme, navíc jsou průtokové baterie docela velké výzkumné téma, systémy si chce „osahat“ a experimentovat s nim řada laboratoří, takže je poměrně velká poptávka. To je to, co teď tedy reálně prodáváme. Už jsme po celém světě instalovali asi 70 takových systémů.

A ty další „pilíře“?
Pak jsme aktivní i ve výzkumu – jsme tedy stále výzkumná laboratoř, byť pod svou značkou, ne značkou univerzity. Účastníme se třeba evropských vývojových projektů HIGREEW a HYFLOW, konkrétně právě tématům kolem vylepšení průtočných baterií. Třetí pilíř je start-upová linie výroby vanadových redoxních průtočných baterií. Zatím jsme postavili několik systémů s výkonem jednotlivých modulů 5 kilowattů.

Laboratorní testovací stanice se dvěma články redoxní průtočné baterie společnosti Pinflow (foto Pinflow)
Laboratorní testovací stanice se dvěma články redoxní průtočné baterie společnosti Pinflow (foto Pinflow)

Jak vypadají?
Jsou to takové velké „skříně“, zhruba s necelými dvěma metry na výšku, metr hluboké a dva metry široké. Kapacita je 30 kilowatthodin, uvnitř jsou až dva stejnosměrné svazky s napětím 48 V. Vyvíjíme i větší systémy, o výkonu řádově desítek kilowatt, které vlastně budou skládačka z těch vyzkoušených pětikilowattových modulů. Pro nás se zkušenostmi hlavně z laboratoře to byla nová záležitost, design nám zabral dost času, ať už šlo o potrubí, nádrže nebo konstrukční prvky nebo vývoj v průmyslových standardech.

Takže už je chystáte, nebo přímo stavíte?
Teď finalizujeme baterii napájenou z obnovitelného zdroje o výkonu 15 kW a kapacitě 70 kWh, která by mohla provádět dva až tři cykly denně. A máme několik další želízek v ohni, znovu jde o systémy s výkonem v řádu nižších desítek kW a vybíjecím časem kolem pěti hodin. Zatím to ovšem šlo pomalu, i proto, že nestíháme plnit zakázky na laboratorní moduly. Od května ale nabíráme první tři zaměstnance z přidružených technických oborů, tak se to snad více rozjede.

Jaká je cena a energetická hustota takových baterií?
Cena závisí na celkové velikosti systému. U malých systémů (5kW/30kWh) v aktuální fázi výroby vychází přibližně na 1100 EUR/kWh včetně výkonové elektroniky. U velkých systémů (měřítko MWh) cena klesá asi na 500 EUR/kWh. V 50 litrech elektrolytu uložíme 1kWh.

A dál?
U baterií s výkony řádově desítek kilowattů nemůžeme skončit, to je nám jasné. Musíme se s našimi úložišti dostat na úroveň desítek megawattů výkonu. Zatím se ale budeme držet všech tří pilířů: budeme dál rozšiřovat produktovou linii našich produktů pro výzkumníky. Také doufáme také, že se nám v rámci výzkumných projektů podaří další průlom v oblastech chemie elektrolytů pro průtočné baterie a zlepšení výkonové složky svazků. Obojí by totiž dost zásadně mohlo snížit cenu technologie.

My jsme to zatím moc nezmínili, ale vanadové baterie zatím nejsou nijak velký trh. Kdy odhadujete, že by se mohl trh s vanadovými redox bateriemi skutečně rozběhnout?
Situace už je na to podle nás z technického hlediska de facto zralá, ale samozřejmě bude chvíli trvat, než si zákazníci získají důvěru a budou ochotní ocenit výhody vanadových průtočných baterií. Podle nás bude zlomová chvíle, kdy se začne ukazovat problém s životností lithiových systémů. Ty mají sice spoustu jiných výhod, ale dlouhá životnost mezi nimi není. Navíc ani otázka recyklovatelnosti není z ekonomického pohledu zcela vyřešena. My jsme jako chemičtí inženýři přesvědčení, že dokážeme nabídnout systém cenově srovnatelný, ale s výrazně vyšší životností. A jsme přesvědčení, že zákazníci se nakonec nechají přesvědčit.

Když Tomáš Kazda popisuje svou práci, zní to vysloveně nebezpečně: „Každou chvíli zjistíte, že obrazně řečeno padá z ostří na jednu stranu, a když se to snažíte kompenzovat, začnete padat na stranu druhou.“

Rizika a nebezpečí jsou v jeho případě ovšem spíše intelektuální. Český vědec působící na VUT v Brně se věnuje bateriím, konkrétně výzkumu elektrochemických problémů spojených s akumulací energie. Bezprostřední nebezpečí mu tedy nehrozí, což neznamená, že by šlo o problémy jednoduché. Jde skutečně o delikátní balancování mezi různými požadavky a omezeními.

Kazdovi a jeho kolegům se ovšem podařilo mezi snad úspěšně prokličovat k novému řešení. Před dvěma lety získali evropský patent na řešení problémů velmi slibné technologie pro vývoj další generace bateriových článků. Měly by být na kombinaci jednoho již osvědčeného a jednoho v bateriích nezvyklého materiálu – lithia a síry.

Proč, jaké by měly mít výhody a s kterými zádrhely ve vývoji by práce českých vědců měla pomoci, to už nechejme vysvětlit Tomáš Kazdu samotného:

Proč jste se věnovali vývoji lithium-sirných baterií?
Mají obrovský potenciál. Velmi jednoduše řečeno by teoreticky mohlo jít o výkonné a levné baterie s velkým potenciálem z pohledu recyklace.

Jak přesně je to s jejich kapacitou?
Kladnou elektrodu tvoří prakticky čistá síra. V současnosti používané aktivní materiály kladné elektrody se skládají nejčastěji z oxidů kovů a lithia, tedy sloučenin lithia, kyslíku a dalších, někdy vzácnějších či dražších kovů, jako je kobalt. Takže místo nich využíváme jen jeden prvek, a to síru, která je schopna na sebe navázat dva atomy lithia. To je dvojnásobek, než dokáží nyní používané materiály. Energetické hustota takové baterie by mohla několikanásobně převyšovat stávající lithno-iontovou technologii. (Tomáš Kazda nerad používá výraz lithium-iontový, protože to může evokovat mylný dojem, že v dnešních elektrodách se používá čisté lihium, pozn.red.)

Z hlediska zákazníka nic zvláštního. Ukázka prototypové lithium-sirné baterie (v tomto případě z australského Melbourne. (foto University of Melbrourne)
Z hlediska zákazníka nic zvláštního. Ukázka prototypové lithium-sirné baterie (v tomto případě z australského Melbourne. (foto University of Melbrourne)

I když vezmeme v potaz, že sírová elektroda pracuje s nižším napětím, tak by mohla mít kapacitu kolem 3 000 watthodin na kilogram (Wh/kg). Dnes používané katodové materiály mají stejný parametr někdo kolem 500-600 Wh/kg. Ty pokročilejší mají teoretické limity kolem tisíce. I kdyby se tedy nešlo na sto procent teoretické maxima materiálu, ale třeba jen 50 procent, tak je to pořád lepší výsledek než teoretické maximum materiálů, jejichž využití je možné dnes.

A co cena?
Síra je velmi dobře dostupný a levný materiál. Vlastně je to odpad z mnoha dnes používaných průmyslových procesů. Samozřejmě, článek nebude tvořený výhradně a jen sírou, nepochybně bude obsahovat i nějaké další příměsi, například kovy. Už proto, že čistá síra je izolant, takže v elektrodě musí být nějaký vodivý materiál. Ale podíly příměsí by měly být spíše malé. Z technického hlediska je výhodné mít zastoupení síry co nejvyšší, protože jednoduše řečeno čím více síry je v baterii, tím vyšší je její kapacita. To by mělo být výhoda i při případné recyklaci baterií.

A proč to v praxi nejde?
Ono to do jisté míry to jde.. Jednou překážkou je fakt, že síra během nabíjení či vybíjení mění svoje skupenství. Začíná a končí jako pevná látka, ale mezitím prochází tekutou fází, změní se tedy na kapalinu. Baterie tak může snadno ztrácet aktivní materiál a její výkony a kapacita pak bude rychle klesat což zkracuje její životnost. Články se velmi rychle ničí, rychle degradují. Což je do značné míry je to dáno i tím, že síra při nabíjení poměrně výrazně mění svůj objem, zhruba o 80 procent. Při nabíjení a vybíjení se elektroda de facto roztrhá.

Což není problém pouze síry, ale například i jinak slibných křemíkových elektrod?
Ano, podobné je to i u křemíkových elektrod, kde jsou změny objemu ještě výrazně větší. Křemík mění svůj objem zhruba o 270 procent, takže tam jsou změny ještě výraznější. Ale ani v případě síry nejde o triviální problém – změna objemu o 80 procent je výrazná. Konstrukce elektrody to musí brát v potaz a zatím se nenašlo dobré řešení. Na trhu je dnes jedna jediná firma, která vyrábí lithium-sirné baterie, britská OXIS Energy. Jak to sleduji, u jejích baterií se postupně zvyšuje energetická hustota, ale nedaří se zatím prodlužovat životnost, tedy počet nabíjecích a vybíjecích cyklů, které baterie může podstoupit, než její výkony příliš klesnou nebo úplně přestane fungovat. U OXISu je životnost zatím příliš nízká, někdo kolem stovky cyklů. (Pro srovnání, současné lithno-iontové akumulátory některých výrobců mají mít zaručenou životnost v řádech jednotek až desítek tisíc cyklů, samozřejmě za poklesu kapacity zhruba řečeno tak o pětinu, někdy méně, někdy více, pozn.red.)

Ukázka jednoho „mincového“ článku založeného na lithium-sirné technologii. Jde o v podstatě standardizovaný rozměr pro experimenty. Ovšem převod i dobře fungujícího malého článku do rozměrů běžné baterie není vůbec přímočarých a řada slibných výsledků právě na tom ztroskotala.
Ukázka jednoho „mincového“ článku založeného na lithium-sirné technologii. Jde o v podstatě standardizovaný rozměr pro experimenty. Ovšem převod i dobře fungujícího malého článku do rozměrů běžné baterie není vůbec přímočarých a řada slibných výsledků právě na tom ztroskotala. (foto DOE)

Vy máte od roku 2018 podaný evropský patent, který má problém řešit a životnost lithium-sírových baterií zvýšit. Jak?
Je to kombinace různých řešení. Řešila se struktura samotné síry pro výrobu. V rámci výzkumu a pak patentu jsme se například zabývali výběrem a zkoušením různých pojiv pro materiál elektrody. Tedy materiálů, které síru drží pohromadě a přitom jí dávají takovou pružnost, aby se mohla vyrovnat se změnami objemu. Tedy aby se neroztrhla. A pak jsme hledali způsoby, jak velmi zjednodušeně vytvořit kolem aktivního materiálu ochranný obal.

Jak to vypadá? Jaké materiály se na to například používají?
Jde převážně o uhlíkové materiály. Vlastně bychom mohli říci, že jde o saze. Ale musí jít o materiál s přesně danými vlastnostmi a parametry, ne obyčejné saze. Jde o materiály, které se už dnes používají k výrobě baterií.

Jakých výsledků jste dosáhli?
Nejlepší článek, který jsme vytvořili – je to maličký článek o velkosti mince – vydržel zhruba 350 cyklů a přitom přišel zhruba o osm procent své původní kapacity. To byl náš nejlepší výsledek z těch mnoha pokusů, které jsme dělali.

To se blíží vlastnostem některých článku na trhu. A pokud se článek nezničil, zdálo by se, že vydrží i více. Proč jste neměřili dále?
S měřením jsme přestali, abychom nezabírali naše omezené testovací kapacity. Podobné zkoušky jsou časově dost náročné a já musím myslet i na kolegy. A musím znovu upozornit, že šlo skutečně o malinký článek s plochou pár centimetrů čtverečních. Ten výsledek neznamená, že by stejně vyrobený článek s plochou elektrody řádově stovek čtverečních centimetrů, jaké se používají pro elektromobily, vydržel také tolik. Tak jednoduše škálovatelné baterie nejsou. Na velké ploše se například snadno může objevit projevit nerovnoměrnost v rozložení materiálu, anomálie, kvůli které se pak celá baterie zničí. Spousta věcí, které se dají udělat v laboratoři, ve výrobě jsou nepoužitelné či nepraktické, a tak tomu bylo i u nás.

Nemáte nějaký konkrétní příklad toho, co v laboratoři funguje dobře, ale ve výrobě se nepoužije?
My jsme například pracovali v rámci jednoho experimentu se sírou, která byla připravena za velmi nízkých teplot, v systému chlazeném tekutým dusíkem (tedy teplot kolem cca -196°C, pozn.red). Probíhalo to tak, že ji kolegové v Parubicích roztavili, pak ji dali do tekutého dusíku, aby se při prudkém podchlazení měnila na sklo a rozemlela ve speciálním mlýnku. Vznikl tak velmi jemný prášek, který měl tak dobré vlastnosti, že jsme mohli v elektrodě mít 80 procent síry místo běžných 60. Za běžných teplot totiž v materiálu vznikaly hrudky, které zhoršují vlastnosti baterie. Při zpracování za nízkých teplot se dařilo ten problém do značné míry odstranit.

Jinak řečeno, elektroda pak udržet mnohem více energie…
Ano, přesně tak. Ale bylo to náročné. Celá příprava, včetně mé práce na přípravě pasty pro elektrodu musela probíhat za nízkých teplota, tedy v mrazáku. Vzniklá elektroda pak měla dobré výsledky, ale samozřejmě ve výrobě je něco takového nemožné.

Proč je patent tak široký? Tím myslím, proč zmiňuje nejen síru, ale i další materiály?
Protože existují i jiné relativně slibné materiály, u kterých jsou základní problémy v podstatě stejné jako u lithium-sirné baterie. Například by bylo možné použít místo lithia například sodík. Takový systém má nižší teoretický výkon než lithium-sirné akumulátory, ale vyšší než lithium-iontové akumulátory. A sodík je přitom velmi snadno dostupný a tedy i levný. Takže takový systém by mohl mít výhodu v ceně. Podobné by to mohlo být v případě použití hořčíku.

Tomáš Kazda v laboratoři
Tomáš Kazda v laboratoři VUT v Brně (foto Tomáš Kazda)

V jak fázi je realizace patentu?
Evropský patent jsme podali ve spolupráci s norskou firmou Graphene Batteries. Ta se stala součástí projektu, v rámci kterého by se na jihu Norska, v příštím roce měla zahájit výstavbu továrny na klasické lithno-iontové akumulátory. Podobných závodů se staví dnes řada, plánovaná produkce této továrny by měla být nakonec až 32 GWh baterií ročně. První část stavby má být hotová v roce 2024, pak se postupně mají přistavit tři další moduly, než se dosáhne zmíněné úrovně výroby. Ale to se pořád bavíme o klasických lithno-iontových akumulátorech. Pro nás je důležité, že součástí má být i zkušební provoz na výrobu lithium-sirných akumulátorů na základě našeho patentu. Nebudou se tam tedy vyrábět baterie přímo pro zákazníky, jde pořád o výzkum a vývoj. Pokud se zkušební linka a na ní vyrobené lithium-sirné baterií osvědčí, bude v rámci továrny následně zahájena i jejich komerční sériová výroba, která v současnosti nikde na světě neprobíhá. Na vývoji je tedy ještě spousta práce, kterou mi ani dělat nemůžeme. V České republice není jediná linka, kde by se daly vyrábět podobné experimentální baterie. Například články s našimi elektrodami si norská strana nechala vyrábět a kompletovat v německém výzkumném ústavu. U nás nic takového není možné.

Jak je nastavená případná dělba zisku během výroby?
Můžete si představit, že to je podobné jako v případě léků profesora Holého. Pokud dojde na výrobu, dostaneme část ceny z každé prodané baterie.

A kdy by se mohly prodávat?
Opakovaně se ukazuje, že technologické novinky v bateriích se do praxe zavádí po zhruba 10 až 12 letech. Já nechci tvrdit, že to tak musí být, ale takové jsou zhruba zkušenosti. I v tomto případě zbývá ještě spousta práce, náš patent neřeší zdaleka všechno. Na lithium-sirové baterie musíte mít jinou výrobní linku než na lithno-iontové, ta se musí postavit, vyzkoušet a vyladit.

Doc. Ing. Tomáš Kazda, Ph.D., (*1986) vystudoval Fakultu elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně, obor elektrotechnologie. V Ústavu elektrotechnologie, elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Brno se věnuje výzkumu technologie bateriových článků. Před dvěma lety podal evropský patent na přípravu elektrody lithium-sirové baterie, která by mohla nabízet v mnoha ohledech výrazně lepší parametry než současná lithno-iontová technologie.

Lithium-iontové baterie se zatím ani zdaleka nechystají opustit svou pozici jedničky mezi bateriemi. Ale díky zájmu o obor jim v dílčích oblastech využití baterií rychle dorůstá konkurence, včetně baterií, které využívají kombinace dvou “S”: sodíku a síry.

Co slibují?

Jde o robustní typ baterie využívající anorganických elektrolytů. Během vybíjení záporná sodíková elektroda oxiduje na oxid sodný a na rozhraní elektrody a elektrolytu se vytváří sodíkové ionty. Ty putují přes membránu z oxidu hlinitého (Al2O3) na kladnou elektrodu, kde se redukují za vzniku sulfidu sodného (Na2S4). Při nabíjení probíhá pak proces opačný.

U sodíko-sírových baterií a dalších podobných typů, jako jsou třeba vanadové průtokové baterie, určuje celkovou kapacitu do značné míry velikost „nádrže“ na kladný a záporný elektrolyt, které jsou samy o sobě poměrně levné. Stejně jako u jiných průtokových baterií, například vanadových redox baterií, je tedy poměrně levné navýšit kapacitu úložiště, naopak je relativně drahé zvyšovat jejich výkon, jinak řečeno velikost aktivní plochy a počet článků v bateriovém svazku.

Tento typ bateriá by měl být podstatně odolnější vůči provoznímu opotřebení než lithium-iontové baterie. Ovšem technologie se v praxi příliš nepoužívá, a tak jsou zatím podobné údaje založené na velmi omezeném množství reálných dat. Ale několik komernčních společností přesto už chce začít, nebo začíná s komerčními dodávkami.

Prototypový článek společnosti Natron Energy (foto Natron Energy)
Prototypový článek společnosti Natron Energy (foto Natron Energy)

Mají své výhody

V září 2020 udělila americká agentura pro podoru rizikových technologií v energetice ARPA-Epro grant zhruba 20 dolarů kalifornské společnosti Natron Energy. Peníze mají urychlit komercializační úsilí společnosti. Baterie firmy se nyní vyrábí v malých, ověřovacích sériích, uvedli zástupci společnosti pro server IEEE Spectrum. Prvními zákazníky Natronu jsou datová centra a telekomunikační společnosti.

Energetická hustota vanadových baterií nesnese přímo srovnání s klasickými lithiovými bateriemi. Lithium-iontové baterie mají hustotu o řád vyšší, řádově v nižškých stovkách kilowatthodin na metr krychlový (kWh/m3). Sodíko-sirné baterie udrží obvykle řádově desítky kWh/m3.

Sodíkové baterie by však mohly lithium-iontovým konkurovat ve stacionárních aplikacích, například při skladování elektřiny buď pro domácnosti, podniky či přímo jako velké baterie v rámci rozvodné sítě. Tedy u aplikací, kde rozměry nejsou na překážku a rozhoduje především cena. Na základě aktuálně dostupných informací dnes totiž někteří analytici odhadují, že náklady na sodovo-iontové baterie mohou být v rámci životního cyklu o 10-20 procent nižší než na lithium-iontové baterie.

Hlavní výhodou sodíkových baterií je, že využívají dostupných, levných a nejedovatých materiálů. V zemské kůře je více než tisíckrát více sodíku než lithia. I jeho těžba a zpracování jsou levnější. Exotické nejsou ani materiály pro elektrody: katody mohou vyrobeny z hojných kovů, jako je železo a mangan. Anody uhlíkové stejně jako u lithium-iontových baterií.

Sodíkové baterie mají ještě jednu výhodu z provozního hlediska, že dobře snáší velký rozsah teplot. A i když během provozu u nich jen těžko hrozí vznícení jako u lithium-iontových baterií, na druhou stranu obshaují čistý sodík, který musí opravdu bezpečně oddělen od vnějšího prostředí. To konstrukci prodražuje.

Kdo další?

Natron je jen jedním ze start-upů, které se snaží v oboru uchytit. Společnost má vlastní technologii: katodu i anodu vyrábí z pigmentu známého jako pruská či pařížská modř, pigmentu používaného v barvách a barvivách (hexakyanoželeznatan železitý (Fe4[Fe(CN)6]3). Jde o levný materiál, který ochotně přijímá uvolňuje ionty sodíku, takže baterie je schopná rychle vyvinout značný výkon.

Elektrody z tété látky jsou údajně také trvanlivější než tradiční elektrody uhlíkové či kovové a mají vydržet až 50 tisíc nabíjecích cyklů, tvrdí Natron. Protože samotný elektrolyt má také v podstatě neomezenou životnost (pokud bateirie těsní), rýsuje se tu možnost, že by šlo baterii schopnou pracovat dlouhá desetiletí. A to by samozřejmě výrazně mohlo zlepšit ekonomiku provozu pro uživatele, kteří mohou dosáhnout na levné peníze.

Další zajímavou společnosti v oboru je Faradion se sídlem ve Velké Británii, která si již našly odbyt v Austrálii a Indii. V loňském roce společnost oznámila, že obdržela první objednávku od investiční skupiny ICM Australia pro použití na australském trhu, kde výrazně roste poptávka po skladování baterií pro rezidenční, komerční a síťové aplikace.

Společnost v Indii také údajně pracuje na vývoji svých baterií pro užitková vozidla. To by mělo být možné díky tomu, že prototypy článků nové generace firmy údajně mají udrží načekaně velké množství energie: 140 Wh/kg. To je pouze zhruba polovina hustoty energie současné generace li-on baterií společnosti Tesla.

Společnost koncem února 2021 oznámila, že spolupracuje s houstonskou energetickou společností Phillips 66 se sídlem v Texasu na vývoji levných a výkonnějších anodových materiálů pro baterie. Experti to hodnotí jako dobrý krok, protože nové materiály by mohly posunout výkony sodíko-sirných baterií o něco výše, možná až na hodnoty kolem 200 Wh / kg.

Slibný výzkum v tomto směru probíhá Poukazuje mimo jiné na slibný probíhající výzkum v USA (v Pacific Northwest National Laboratory), ve francouzském CNRS i jinde. Tak s napětím čekjme na další vývoj.

Skladování energie, a ještě lépe elektřiny, je dnes v módě. Baterie všeho druhu dnes zkouší celá řada start-upů z celého světa. Některé z nich jsou na špici technologického vývoje a nabízejí řešení, která nepochybně ještě dlouhé roky (a možná nikdy) nedozrají. A některé zase sázejí na jednoduchost. Mezi ně patří i švýcarský Energy Vault.

Nápad jeho zakladatelů je zcela směšně jednoduchý. Inspirovali se u toho nejúčinnějšího způsobu skladování energie, který dnes známe: přečerpávacích vodních elektráren. V nich se elektřina skladuje v potenciální energii vody přečerpané v době nižší poptávky na nějaké vysoké místo. Ovšem vhodných lokalit ke stavbě přečerpávacích elektráren není tolik, kolik bychom si přáli. Navíc jde také o kapitálově poměrně náročnou stavbu, kterou hlavně ve vyspělých zemích ještě prodraží zdlouhavé schvalovací řízení podobných projektů (a v jiných třeba korupce či politická nejistota).

Vault Energy proto chce postavit umělý kopec. Ve středu její myšlenky je jednoduše jeřáb, či přesněji věž s několika automatizovanými jeřáby s velkou zásobou těžkých bloků rozesetých okolo. V době nižší poptávky by jeřáby automaticky braly jednotlivé „kostky“ a kladly je na sebe. V době zvýšené poptávky by dělaly přesný opak – a při spouštění závaží by pak motory jeřábů vyráběly elektřinu pro síť.

Příklady "ukládání" energie do zařízení firmy Enegy Vault
Příklady “ukládání” energie do zařízení firmy Enegy Vault (foto Energy Vault)

Takový proces samozřejmě nemůže být bez ztrát. Autoři nápadu ve svých prezentacích tvrdí, že celková účinnost je kolem 85 procent. To není daleko od lithiových baterií, jejichž celková účinnost se pohybuje nad 90 procent. A jde také o hodnotu srovnatelnou s účinností přečerpávacích elektráren. Zní to až nereálně, na druhou stranu, Vault Energy má tu velkou výhodu, že pracuje s velmi dobře osvědčenou a propracovanou technologií; jeřáby nejsou žádná novinka a jsou odladěné tak, aby byly maximálně spolehlivé a účinné.

Za kolik a pro koho?

Demonstrační jednotka společnosti Energy Vault ve Švycarsku (foto Enegy Vault)
Demonstrační jednotka společnosti Energy Vault ve Švycarsku (foto Enegy Vault)

Nápad má samozřejmě své slabé stránky. Především energetická hustota takového systému není nijak veliká. Jinak řečeno, betonová „baterka“ musí být extrémně veliká, aby měla nějaký význam. Podobný problém mají i přečerpávací elektrárny, ale voda se v krajině dá „skladovat“ méně nápadně než betonové bloky.

Abychom byli konkrétnější. Vault Energy počítá, že postaví zhruba 120metrovou věž s šesti jeřáby, která bude skladovat třímetrové betonové kostky prakticky v několika řadách. Okolo bude zapotřebí také dostatek místa. Můžete si to představit jako kruh o průměru zhruba sto metrů, tedy něco přes 30 tisíc metrů čtverečních. Na takové ploše se dá uskladnit maximálně zhruba 20 megawatthodin elektřiny. Pokud byste použili lithiové baterie ve standardizovaných přepravních kontejnerech, stačilo by vám na stejné úložiště nějakých 200 metrů čtverečních – a to samozřejmě mluvíme o kontejnerech postavených na zemi, ne na sebe.

Byť se to také možná nezdá, materiál pro podobné elektrárny není nejlevnější. Firma navrhuje vytváření betonových závaží z nekvalitního a částečně odpadního materiálu, i tak odhaduje, že náklady na stavbu podobného zařízení se budou pohybovat velmi zhruba kolem 150 dolarů na kilowatthodinu (cena se samozřejmě bude lišit podle lokality, protože beton se musí vyrobit na místě). To není o mnoho levnější než lithiové baterie, jejichž cena se pohybuje někde v rozmezí od 250 do 300 dolarů za kWh.

„Betonová“ elektrárna má proti bateriím výhodu podstatně delší životnosti, ale to je tak asi jediné. Její reakční doby budou nepochybně pomalejší a nemůže tedy sloužit jako lukrativní rychlá záloha. A jak jsme říkali, vyžaduje poměrně dost místa a jde o gigantický objekt.

Vault Energy se domnívá, že si na trhu najde malou niku, nehodlá měnit svět (to je vítaná změna proti většině start-upů). Jde také o projekt jednoduchý a levný, takže tvůrci nepotřebují podobné elektrárny stavět jako na běžícím pásu.

Zatím má firma postavenou jedinou demonstrační jednotku ve švýcarském kantonu Ticino, která začala fungovat v létě 2020. Tvoří ho věž vysoká cca 110 metrů, na jejímž vrcholu najdete jeřád se šesti rameny. Jeřáb v případě nadbytku energie vytahuje do výšky těžké betonové bloky o hmotnosti 35 tun, které skládá na sebe do podoby betonové věže. Celkem se takto dokáže uložit okolo 35 MWh energie. Jsme zvědavi, jestli ještě někdy postaví další.

Jedním z nejlepších nabízejících se řešení otázky, jak uložit elektřinu na pozdější použití, je stlačený vzduch. Problémem je ovšem vznikající „odpad“.

Pfff! Hlasitý zvuk nafouknutého balónku, který vypustíte ze svých prstů, není jen zábava, ale možná také pozvánka do blízké energetické budoucnosti. Energie skrytá ve stlačeném plynu by možná mohla sloužit ke skladování jinak nevyužitelné elektřiny.

Stejně jako nafukovací balónky, není ani nápad na využití téhle „baterie“ 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. V případě “aut na vzduch” je ovšem problém ještě výrazně větší, nádrže u těch několika mála postavených vozů stačí sotva na pár desítek kilometrů jízdy.

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.

První elektrárna se stlačeným vzduchem vznikla v Německu i kvůli nastartování jaderných elektráren, v případě úplného výpadku proudu.

Vzduch ve velkém

Stlačený vzduch se téměř určitě nestane hlavním pohonným systémem automobilů. Spíše může v kombinaci s jinými pohony posloužit jako doplňková, podpůrná technologie, která pomůže snížit spotřebu a emise.

Slibnější budoucnost by vzduch mohl mít ve větším měřítku, kde nehrají takovou roli rozměry a hmotnost nádrží. Elektrárny nikam nejezdí, a tak je těžké nádrže neomezují. Na některých místech se dokonce nabízejí vhodné skladovací prostory za poměrně nízké ceny – opuštěné doly.

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, je vzduch vypouštěn z jeskyně 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 před poškozením zařízení příliš nízkými teplotami, na něž se při expanzi stlačený vzduch ochlazuje.

Takhle by měl vypadat provoz schopný uskladnit 250 MWh energie ve zkapalněném vzduchu
Takhle by měl vypadat provoz schopný uskladnit 250 MWh energie ve zkapalněném vzduchu (kredit: Highview Power)

Zatím neoslnila

První elektrárna využívající stlačeného vzduchu na světě byla uvedena do provozu roku 1978 v německém Huntorfu poblíž Brém. Tato 290MW elektrárna byla postavena, aby poskytovala energii při úplných výpadcích sítě jaderným elektrárnám poblíž Severního moře (black-start funkce) a aby byla zdrojem levné špičkové energie.

Původně byla elektrárna navržena se skladovacím objemem, který zajišťoval dodávku plného výkonu po dobu dvou hodin. Postupně byla elektrárna provozně upravena, aby poskytovala výkon 290 MW po dobu tří hodin, a čím dál víc byla používaná ke kompenzaci výkyvů dodávek elektrické energie z větrných elektráren umístěných na severu Německa.

Elektrárna má nejjednodušší oběh bez rekuperátoru, takže vysoká teplota spalin za turbínou zůstává nevyužita. Projevuje se to na nízké celkové účinnosti provozu, která činí jen něco málo přes 40 %. Více než polovina elektřiny vyrobené v době přebytku tak přijde vniveč. Rekuperátor tepla není součástí designu, protože bez něj je elektrárna rychleji připravena najet do provozu, a lépe tedy plní funkci rychlého záložního zdroje.

Druhou dnes používanou elektrárnou tohoto typu je provoz ve státě Alabama ve městě McIntosh, fungující od roku 1991. Elektrárna má oběh s rekuperátorem a dodává do sítě výkon 110 MW po dobu 26 hodin. Účinnost skladování se pohybuje těsně nad 50 %.

Ani jeden z provozů neměl tak úžasné výsledky, aby koncept dokázal, že už je připravený k nástupu do praxe. Ale ukázaly alespoň, že nějaký rekuperační systém je při dnešním stavu techniky zapotřebí, jinak je účinnost celého procesu příliš malá, než aby se dalo uvažovat o jeho ekonomickém využití.

Přesto se našlo několik společností, které se pokouší v oboru prorazit. To je ovšem téma na jisté texty.

Ve Spojených arabských emirátech od roku 2019 funguje největší „virtuální“ baterie světa s obřím výkonem a úctyhodnou kapacitou. Zařízení by dokázalo napájet velké okresní město českého formátu po dobu několika hodin. Baterie má mimo jiné omezit používání naftových agregátů.

Název „virtuální baterie“ neznamená nic jiného než, že z pohledu sítě se baterie chová jako jeden celek, i když fyzicky to jeden celek není. Je odvozený od vzoru v energetice již dlouho zavedeného tzv. „virtuálního bloku“, což je skupina menších zdrojů, které se řídí dohromady jako celek. (V Česku se bohužel trochu pletla s nabídkou pro majitele fotovoltaiky, kteří v jejímž rámci mohou dostávat platby za přebytky dodané do sítě.)

Rozházená po okolí

Celý projekt se skládá z 15 úložišť na deseti různých lokalitách hlavního města Abú Zabí, která se stavěla během posledních několika let. Tucet z nich má maximální výkon 4 MW, doplňují je pak tři větší 20MW baterie. Provozovatel je postupně propojoval tak, aby se dala všechna úložiště řídit společně jako jedna „velká baterka“, řečeno zavedeným názvoslovím jde tedy o tzv. „virtuální“ baterii s celkovým výkonem 100 MW a kapacitu 648 MWh. Velmi zhruba řečeno by tak mohla pokrýt spotřebu 20 tisíc domácností na 6 hodin.

Přehled jednotlivých provozoven zapojených do virtuální baterie v Abú Zabí
Přehled jednotlivých provozoven zapojených do virtuální baterie v Abú Zabí (foto NGK)

Konstruktéři nesáhli po známých „lionkách“, jaké používá například velké úložiště postavené firmou Tesla v Austrálii. V Emirátech byly použity systémy japonské firmy NGK, která se snaží dlouhodobě prosadit s tzv. sodíko-sírovými bateriemi.

Jde o robustní typ baterie využívající anorganických elektrolytů. Během vybíjení záporná sodíková elektroda oxiduje na oxid sodný a na rozhraní elektrody a elektrolytu se vytváří sodíkové ionty. Ty putují přes membránu z oxidu hlinitého (Al2O3) na kladnou elektrodu, kde se redukují za vzniku sulfidu sodného (Na2S4). Při nabíjení probíhá pak proces opačný.

I když baterie používá na rozdíl od lithiové konkurence téměř výhradně laciné a snadno dostupné materiály, samozřejmě není levná. Konstrukce musí být poměrně pevná a kvalitní, především kvůli přítomnosti velmi reaktivního kovového sodíku.

Navíc vysoké pracovní teploty zhoršují problém s korozí, a konstruktéři s tím musejí počítat. Sodíko-sírové baterie konstruují jako víceplášťové vzduchotěsné nádoby z nerezové oceli. Jednotlivé články (řazené obvykle do sériově paralelního pole) musejí být rovněž hermetické a jsou od sebe odděleny ještě navíc vrstvou izolačního materiálu, často písku, který mimo jiné slouží i jako protipožární izolace.

Snadný upgrade

Proč volba padla na sodíko-sírový systém? Asi už jste uhodli sami: klient chtěl baterie s větší kapacitou, tedy schopnou dodávat špičkový výkon po delší dobu, v tomto případě alespoň šest hodin. Postavit takový systém z lithiových baterií by bylo podstatně dražší.

U sodíko-sírových baterií a dalších podobných typů, jako jsou třeba vanadové průtokové baterie, určuje celkovou kapacitu do značné míry velikost „nádrže“ na kladný a záporný elektrolyt, které jsou samy o sobě poměrně levné. Stejně jako u jiných průtokových baterií, například vanadových redox baterií, je tedy poměrně levné navýšit kapacitu úložiště, naopak je relativně drahé zvyšovat jejich výkon, jinak řečeno velikost aktivní plochy a počet článků v bateriovém svazku.

Síť Spojených arabských emirátů ovšem údajně nepotřebuje úložiště s větším výkonem než 100 MW. Takové lithiové baterie již ve světě stojí a jejich stavba v podstatě není nic náročného. Ovšem žádná z nich nedokáže takový výkon dodávat po dobu delší než zhruba hodinu a půl, pak musí naskočit jiné záložní zdroje. V emirátech se ovšem chtěli zbavit nutnosti takové zdroje stavět a udržovat, a tak se rozhodli pro větší baterii, která by dokázala pokrýt spotřebu v nouzovém případě až po šest hodin.

Zda jde skutečně o schůdné a ekonomicky výhodné řešení, to nelze zcela objektivně posoudit, protože neznáme podrobnosti smlouvy. Nepochybně jde o kapitálově velmi náročný projekt s dlouhou návratností. Nejdůležitější veličinou je tedy „cena peněz“ pro stavbu použitých.

Dá se ovšem předpokládat, že země tak chtěla přispět k naplnění svých cílů na navýšení výroby z bezuhlíkových zdrojů, které by v roce 2050 by měly dodávat šedesát procent celkově vyrobené elektřiny. Velká baterie by také měla okamžitě omezit nutnost používání dieselagregátů, které se v zemi s velmi levným benzínem a naftou používají k vykrytí špiček, a také výrazně usnadnit a zjednodušit řízení celé sítě. A samozřejmě fosilní palivo, které se takto ušetří, může jít na export.

Sodíko-sírové bateriové systémy japonské firmy NGK. Systém, který se vejde do čtyř kontejnerů, má maximální výkon 0,8 MW a celkovou kapacitu 4,8 MW (kredit NGK)
Sodíko-sírové bateriové systémy japonské firmy NGK. Systém, který se vejde do čtyř kontejnerů, má maximální výkon 0,8 MW a celkovou kapacitu 4,8 MW. (foto NGK)

Horké baterie

Další výhodou proti lithiovým bateriím jsou poněkud netradiční provozní parametry sodíko-sírových baterií. Jejich provozní teplota je kolem 300 až 350 °C. Nevyžadují tak důkladné chlazení, které je v pouštním prostředí větším problémem než například v našich zeměpisných šířkách.

Energetické hustoty podobných baterií nejsou špatné, pohybují se i nad 150–170 Wh/kg, tedy zhruba pětkrát vyšší než u „klasických“ olověných baterií. Účinnost v cyklu nabití/vybití se pohybuje někde nad sedmdesáti procenty, což není úplně úžasná hodnota. Nízká účinnost by ovšem nebyla problémem, pokud by byla nízká také cena.

Výrobce, japonská společnost NGK, slibuje, že by baterie pro instalaci ve Spojených arabských emirátech měly fungovat se zhruba 90% účinností alespoň 15 let, což by mělo představovat zhruba 4 500 stoprocentních vybití a nabití. To jsou lepší výkony než u lithium-iontových baterií, jiné průtokové baterie slibují v tomto ohledu ovšem ještě lepší parametry. Ovšem technologie se v praxi příliš nepoužívá, a tak jsou zatím podobné údaje založené na velmi omezeném množství reálných dat.

Uvidíme, zda se skutečně podaří tento slib splnit. Degradace materiálů, a tím i kapacity baterií, u nich obecně vždy představovala problém. V každém případě se ukazuje, že ani v ukládání energie neexistuje jediné řešení, které by vyhovovalo všem. Tesla a další výrobci lithiových baterií nebudou moci v ceně za jednotku uložené energie konkurovat jiným technologiím, a NGK zase svoje sodíko-sírové baterie do elektromobilu nedostane.

Zdá se také jisté, že „virtuální“ energetické celky spojující nejen baterie, ale často i menší výrobny, jako jsou například solární elektrárny, budou trendem blízké budoucnosti.

Načíst další