Nejvěhlasnějším věrozvěstem revoluce ve skladování elektřiny je Američan John Goodenough. Možná si ho pamatujete i ze stránek našeho časopisu; v roce 2019 získal Nobelovu cenu za svůj podíl na vývoji lithium-iontových akumulátorů. Ty už jednu revoluci v oboru akumulace energie přinesly, protože umožnily rozvoj přenosné elektroniky. Bez nich bychom těžko mohli po kapsách nosit výkonné počítače, kterým jsme si zvykli říkat telefony, a automobilka Tesla by rozhodně nemohla vyrábět sportovní či luxusní vozy, leda tak – možná – vysokozdvižné vozíky.

Pro Johna Goodenougha to ovšem není dost dobré. Zhruba od roku 2015 pracuje s kolegy na vývoji nového typu akumulátoru, pro který se vžil výraz „skleněná baterie“ (představili ho v této práci). Jednoduše proto, že článek by neměl využívat kapalného elektrolytu, ale elektrolytu ze skla obohaceného o malou příměs dalších materiálů, v tomto případě některých kovů.

Pevný skleněný elektrolyt by měl přinášet celou řadu výhod. Měl by být levný, nehořlavý a samozřejmě také výkonnější. Články by podle autorů nápadu mohly mít zhruba pěti- až osminásobně vyšší kapacitu než dnešní lithiové.To znamená, že by skutečně neměl být problém sestrojit elektromobil s řádově tisícikilometrovým dojezdem (nebo alespoň auto s výrazně levnější baterií). Navíc by design měl umožňovat extrémně rychlé nabíjení, o řád rychlejší než u dnešních lithiových článků.

Tým kolem Johna Goodenougha a Marie Heleny Bragové pracuje na tomto tématu roky, zatím vydal devět vědeckých prací v různých časopisech a nechal si zaregistrovat několik patentů. V roce 2019 se dokonce objevila informace, že největší energetická společnost provincie Québec – Hydro-Québec – chce investovat do komercializace celého konceptu. Vše se zdá být na dobré cestě, ale pokud byste měli možnost si proti novému akumulátoru vsadit, silně bychom vám to doporučili.

Zkoušení laboratorních článků (foto: UoT)
Zkoušení laboratorních článků (foto: UoT)

Problém

Pokud byste Goodenoughův nový vynález hledali na internetu, najdete v podstatě pouze pozitivní PR: řadu rozhovorů s autory, víceméně nadšené články v populárně-naučných časopisech, odborná komunita se však o „skleněných baterkách“ téměř nezmiňuje. Hlasů se ozvalo jen pár a nebyly zdaleka tak pochvalné, jak byste si mohli myslet.

„Kdyby to publikoval kdokoli jiný než Goodenough, neměl bych pro tu práci příliš uctivé označení,“ nechal se třeba slyšet Daniel Staingart, materiálový inženýr z Princetonu. Jeho kritika nápadu je sice uctivá – je si plně vědom Goodenoughových zásluh v oboru –, ale také nelítostná a mnohostranná. Pro laika je nejspíše nejlépe pochopitelná jeho výtka, že „skleněný“ akumulátor porušuje první termodynamický zákon, tedy zákon o zachování energie. Ten říká, že množství energie je v rámci jednoho systému konstantní.

Podle názoru Staingarta jde prostě o chybu při snaze pochopit, co se v akumulátoru děje. To totiž není úplně jednoduché zjistit – i experimentální článek je poměrně složitý, probíhá v něm celá řada chemických procesů. Výzkum také probíhá na velmi malých článcích s malými výkony, u kterých i poměrně malá chyba měření či jiná chyba v experimentu můžou naměřené výsledky snadno zkreslit.

Autoři „skleněné baterie“ ale svá měření interpretují tak, že akumulátor kvůli exotickým jevům na rozhraní obou elektrod a dalším faktorům uvolňuje energii, aniž dochází k chemické přeměně materiálů v ní obsažených. Přitom základ lithiových a dalších chemických akumulátorů spočívá právě v tom, že skladování elektřiny je v nich spojeno s nějakou chemickou reakcí. Například u lithium-iontových akumulátorů dochází při vybíjení ke sloučení lithiových iontů a materiálu katody (dodejme, že při nabíjení se ionty uvolňují a putují do anody, kde se „uhnízdí“ v materiálu, aniž by s ním chemicky reagovaly). Steingart napsal o tématu dlouhý blogový příspěvek, ve kterém si pomáhá příměrem: Goodenough a spol. podle něj „tvrdí, že palivo vlastně neustále reaguje a přitom se nespotřebovává“. Skleněný akumulátor je podle něj jakési perpetuum mobile.

Není to jediná „zvláštnost“ nového akumulátoru. Autoři objevu dále uvádějí, že podle jejich názoru v tomto zařízení dochází také ke spontánnímu dobíjení článků. Jak konkrétně, to pouze odhadují, ale akumulátor by se tak choval přesně opačně než všechny dnešní články: ty se v menší či větší míře spontánně pouze vybíjejí.

Testování nových typů článků (fot DoE)
Testování nových typů článků (fot DoE)

Stojí si za svým

Steingart je jedním z mála odborníků na tomto složitém poli, který se revolučnímu typu akumulátoru věnoval, není ovšem jediný. V odborném tisku se objevil článek týmu z univerzity v rakouském Grazu, který se pokoušel přesně napodobit práci týmu kolem Johna Goodenougha.

Na základě svých pokusů a analýz dospěl k závěru, že ve skutečnosti probíhají ve „skleněné baterii“ jiné procesy, než se autoři domnívají. Nemělo by se tedy jednat o převratný vynález, ale chybu, k jakým ve vědě čas od času dochází. V podobných případech se mluví o tzv. patologické vědě. To je terminus technicus, který označuje situaci, kdy se vědci nevědomky odchýlí od vědecké metody a nedokážou tak objektivně posoudit slabiny své práce.

Veřejně své pochybnosti v několika příspěvcích vyjádřil také například elektrochemik Matt Lacey (poslední najdete zde). Ani toho opakované publikace o vlastnost „skleněné baterie“ nijak nepřesvědčily a důkazy o tom, že funguje, považuje za velmi slabé.

Proč se o tom příliš nemluví? Zřejmě v tom hraje roli několik faktorů. Za prvé samozřejmě proto, že samotný výzkum není triviální. Chyby se v takových případech stávají, to není nic neobvyklého. Goodenough je také 98letá legenda oboru a kritizovat jeho současnou práci (i s ohledem na jeho věk) se nepochybně může zdát neslušné a bezohledné. Ve výzkumu akumulátorů je dnes tolik vzrušujících témat, tak proč se pouštět zrovna do oblasti, kde hrozí takový zbytečný konflikt…

Dalším faktorem je to, že vědci ve většině případů nedostávají „body“ za vyvrácení cizích omylů. Ověřování a případné vyvracení cizích hypotéz je sice nezbytnou součástí vědeckého pokroku, ve skutečnosti ovšem nebývá tato snaha příliš odměňována. Vědecké časopisy i grantové agentury si mnohem více cení pozitivních výsledků než těch negativních. Takových prací, jakou udělal tým z Grazu, vychází podle mnohých odborníků příliš málo.

Z hlediska vědy jako celku je to velká škoda, protože některé omyly pak přetrvávají zbytečně dlouho. V některých oborech (např. biochemii) jde podle řady názorů odborníků z oboru o relativně vážný problém. Jak je to v případě výzkumu akumulátorů, to je těžké posoudit. Ale asi lze bezpečně uvést, že ne každá „převratná inovace“ splní, co slibuje, byť má třeba dobrý původ.

Vývoj baterií se ve 21. století nezastavil, přesto mají vědci stále co dohánět. Výkony, a především cena, zatím pro celou řadu plánovaných využití nedostačují. Ale kam můžou jít dále? Jednou možností je zbavit se prvku, díky kterému se “lionky” dostaly tam, kde jsou nyní.

Malá, ale nafouklá změna

Dnešní „li–ionky“ jsou v principu poměrně jednoduchá zařízení. Tvoří je samozřejmě dvě elektrody, oddělené membránami a tekutým elektrolytem, který představuje „dálnici“ pro nabité ionty putující od jedné elektrody ke druhé. Když se baterie nabíjí, kladná elektroda (katoda) ze slitiny lithia uvolňuje ionty. Ty se přesunují k záporné anodě, která je obvykle tvořená uhlíkem.

Ionty z katody se skryjí v uhlíkových vrstvách anody, kde čekají, až bude energie v baterii zapotřebí. Pak začne celý proces probíhat opačně: ionty z anody putují na katodu, kde se setkají s elektrony přicházejícími z druhé strany sepnutého obvodu.

Uhlík se pro anody používá, protože dobře vede proud, má ovšem z fyzikálních důvodů velmi omezenou kapacitu. Na uložení jednoho lithiového iontu je zapotřebí „klece“ tvořené šesti atomy uhlíku. Kdyby se podařilo uhlík nahradit něčím účinnějším, mohla by to být výrazná změna.

Řídíčí elektronika na lithium-iontovém článku (foto Oldobelix)
Řídíčí elektronika na lithium-iontovém článku (foto Oldobelix)

Extrémně vhodným by mohl být právě křemík (který má navíc tu výhodu, že s ním jsou bohaté zkušenosti z výroby elektroniky). Jediný atom křemíku dokáže navázat čtyři atomy lithia. Tato výhoda je dlouho známá a s křemíkem se hojně experimentovalo, bohužel má také velmi nepříjemné vlastnosti. Významnou je, že po pohlcení elektronů „bobtná“ – velmi výrazně se změní jeho objem, a to několikanásobně (řekněme pro jednoduchost zhruba na trojnásobek původního).

Pokud postavíte baterie z křemíku s pomocí běžných postupů, stačí jen několik nabití, anoda se roztrhá na malé kousky a celý článek je k ničemu. Je to slepá ulička, kterou už vyzkoušela řada týmů, a jedna z hlavních všeobecně známých překážek na cestě k případné lepší baterii. Křemík se menší koncentraci, obvykle řádově jednotek procent, v bateriích používá. Kapacita tím vzroste, ale příměs musí být tak malá, aby nárůst objemu baterii nezničil. (To dělá například Tesla a další.)

Co s tím?

Řada společností a výzkumných týmů se domnívá, že dokáže problém nějak vyřešit. Například společnost Amprius chce využít toho, že v nanorozměrech se materiály leckdy chovají jinak než v makrorozměrech. Jeden důvod je třeba ten, že velká část atomů je vlastně na povrchu, a má tedy méně sousedů, kteří by je udrželi na místě v případě namáhání. Materiály tak mohou být v nanorozměrech výrazně pružnější, než jsme zvyklí. Zakladatel Ampriusu, fyzik I Cchuej už v roce 2008 ukázal, že tenké křemíkové drátky vydrží změny objemu při nabíjení a vybíjení podstatně lépe než anody z většího kusu křemíku.

Jak asi tušíte, objevily se ovšem jiné problémy. Na nanodrátech se například vytvářely „jizvy“, které poměrně rychle snížily kapacitu anody na neúnosnou míru. Tým Ampriusu ale přišel s dalším nanotechnologickým řešením: vytvořil kolem křemíkových atomů klece z vodivého uhlíku, které jim poskytly dostatek prostoru k rozpínání, ale přitom bránily roztržení nanodrátů. V roce 2012 I Cchuej s kolegy v práci pro časopis Nano Letters napsal, že takováto anoda si i po tisíci cyklech udržela 74 procent kapacity. To není dost na běžné používání, ale i tak to bylo zlepšení o nejméně o dva řády. A v roce 2014 už se dostali na 97 procent kapacity po 1000 cyklech.

Jak postavit baterii z křemíku (kredit: Svět plný energie)
Jak postavit baterii z křemíku (kredit: Svět plný energie)

Nanodráty jsou ovšem výrobně drahé a náročné. Tým Ampriusu proto přišel s jednodušším, byť trochu méně účinným řešením: obalili kousky křemíkové anody vrstvou grafenu (to je vrstva uhlíku o síle jednoho či několika atomů). Nestačí na to, aby anoda vydržela zcela pohromadě, ta se po několika nabitích roztrhá, ale to nevadí. Grafen totiž dokáže zabránit průniku elektrolytu ke křemíku, a „rozdrobená“ anoda si stále zachovává své vlastnosti a je nadále funkční.

Grafen je ovšem stále na běžné sériové baterie podle dostupných indicií příliš drahý materiál. Snad proto zatím Amprius ve velkém měřítku neprorazil. V roce 2020 se spekulovalo o tom, že firmu koupí automobilka Tesla, ale dohady se nepotvrdily.

Skutečný úspěch?

Amprius není zdaleka jediným startupem, který se poli vývoje křemíkových baterií pohybuje a doufá ve velký průlom. Po podobné trajektorii se pohybovala například společnost Enovix. Ta byla založena v roce 2007, a jejím produktem má být plně křemíková 3D anoda. Architektura baterie je podle něj navržena tak, aby se vypořádala se změnami objemu anody bez poškození. K výrobě se prý používají postupy odvozené z výroby solárních panelů, takže cena by neměla být přehnaná.

Do společnosti postupně vstoupila řada strategických investorů od Intelu přes Qualcomm po Cypress Semiconductor. Společnost se roky pohybovala ve stínu a její budoucnost byla nejistá. V únoru 2021 ovšem firma uvedla, že by měla v letošním roce spustit linku s objevem výroby cca 1,8 GWh ročně a hodlá vstoupit na burzu. Oceněna přitom má být na cca 1,1 mld. dolarů.

Společnost nechce být primárně velikým producentem, chce svou technologii lincecovat větším společnostem. Tvrdí, že výkony jejích baterií jsou několik let před konkurencí. Energetická hustota její anody by měla být cca 900 Wh/l, což je alespoň na papíře výrazně před konkurencí. Zatím víme poměrně málo na to, abychom mohli přesně hodnotit. Vývoj budeme ale určitě sledovat. Zdá se, že hodina křemíku snad konečně přichází.

Kdy se před několika tisíci lety se poprvé roztočil někde na Středním východě první hrnčířský kruh, jeho autor ho nepochybně nevnímal jako zařízení na skladování energie. Ale je to tak – když ho hrnčíř roztočí, velká část jeho námahy v něm zůstala uložena a stačilo jen průběžně „doplňovat ztráty“, aby se kruh nepřestal točit a výroba nestála.

První kruhy nepochybně byly z dnešního hlediska nejspíše dosti nedokonalá zařízení. Princip využití setrvačnosti ke skladování energie používáme dodnes. Ale díky pokroku v jiných oblastech si může uplatnit i jinde než v hrnčířských kruzích.

Menší ztráty

V 19. století páry pomáhal svou kinetickou energií překonávat mrtvé body mechanismu parních strojů a dnes je poměrně běžnou součástí vyrovnávající chod všech druhů pístových spalovacích motorů, mechanických lisů a jiných strojů. Praxe je jednoduchá: setrvačník stačí jednoduše připojit se upevní na hřídel motoru, jehož energii potřebujeme akumulovat. Když výkon poklesne, setrvačník ho udrží v pohybu a skladovanou energii jednoduše vrací do systému.

Systémy navíc mají zajímavé výhody, které jiným metodám skladování energie chybí. Kola jsou nejen rychlá, ale také dokáží svou energii rychle předat: se zpožděním pouhých zlomků sekundy. Proto například našly využití v automobilech, které zpopularizoval systém KERS ve vozech Formule 1.

Setrvačník firmy Vovlov pro využití v osobních vozech (foto Volvo)
Setrvačník firmy Vovlov pro využití v osobních vozech (foto Volvo)

Nevýhodou je, že setrvačníky nemohou skladovat nijak ohromná množství energie bez enormního nárůstu hmotnosti či rychlosti. Hodí se tedy jako krátkodobá rezerva, ale na skladování většího množství energie už jsou nepraktické.

Například ve Švýcarsku zaváděli pokusně elektrické „gyrobusy“, tedy trolejbusy s jedenapůltunovým setrvačníkem pod podlahou na hřídeli. Ve stanici se autobus připojil ke stožáru a roztočil ho natolik, aby se akumulovalo asi 10 kilowatthodin (kWh) energie. Ta trolejbusu stačila na bezpečný dojezd k další zastávce, protože dojezd činil i v nejhorších městských podmínkách přes dva kilometry. Ale mohutný gyropskop zhoršuje jízdní vlastnosti, protože se přirozeně „valí“ ve směru rotace a nerad mění svůj „směr“ (přesněji rovinu rotace). Velké systémy se tedy ve vozidlech neuplatnily.

Nové využití?

V posledních několika desetiletích se zdálo, že „setrvačníky“ by si mohly najít nové využití. Díky rozšíření a poklesu cen materiálů a technologií vhodných pro výrobu velmi pevných setrvačníků s vysokou účinností se „roztočeným kolům“ zdály nabízet nové možnosti v oboru skladování energie.

Z materiálového hlediska je zajímavý především pokles cen uhlíkových vláken, které jsou pro takto namáhané díly ideálním materiálem. Další novinkou je širší využití vakua. Pokud se setrvačník točí ve vakuu, kolo se může roztočit kola do velmi vysokých otáček, což výrazně zvýší množství skladované kinetické energie. Energie roste s druhou mocninou rychlosti, zatímco v případě hmotnosti je to jen lineárně.

Cesta do praxe ovšem je obtížná. Proč a jak, to dobře ilustruje příklad společnosti Beacon Power, asi nejslavnějšího případu snahy o nasazení „hrnčířského kruhu“ v novém hávu v 21. století.

Do roku 1805 se datuje objev fyzikálního jevu, který vám nejspíše do dnešního dne unikal, ale přitom si ho můžete snadno vyzkoušet sami. Vděčíme za něj obyčejné gumě; v době prakticky zcela novému materiálu, který v průběhu 19. století přispěl k technickému a ekonomickému pokroku podobně jako třeba ocel nebo bavlna.

Na samém začátku století, v podstatě v době prvních experimentů s ním, si fyzikové všimli nečekané zvláštnosti: pokud gumu dostatečně natáhnete, ideálně na sedminásobek její klidové délky, tak se ohřeje. Změna sice není nijak ohromná, v podstatě o jednotky stupňů, ale je zcela jasně měřitelná.

Samozřejmě platí i opak: pokud nataženou gumu pustíte, zase vychladne. Při troše snahy si to můžete vyzkoušet sami, doporučujeme přitom přikládat gumičku na ret, ten je na rozdíly teplot extrémně citlivý.

Co se to děje?

Fyzikové děj nazývají elastokalorický proces. Je poměrně dobře známý, popsaný, ale v praxi nepříliš důležitý – i materiáloví vědci přiznávají, že ho znají spíše z učebnic. Většině laiků je zcela neznámý a nejspíše je pro jejich intuici poněkud matoucí: vždyť všichni víme, že stlačovaný plyn se zahřívá. Proč se gumička naopak při natahování zahřívá, a když ji pustíte, tak se ochladí?

Zdánlivě protichůdné jevy mají stejné vysvětlení: jde o projev změny entropie. To je dnes stále trochu módní a vágní slovo, ve fyzice má ovšem samozřejmě přesný význam. V podstatě se tím označuje, jak v daném místě (systému, řečeno fyzikálním žargonem) rozložená energie. Když je energie „rozpuštěná“ po okolí zcela rovnoměrně, je takzvaná termodynamická entropie vysoká. Když je energie rozložená nerovnoměrně, je entropie nízká.

Pokud tedy, dejme tomu, vezmete kompresor a část vzduchu z vašeho okolí natlačíte to nějaké nádoby, entropie ve vašem okolí se sníží. Část plynu jste totiž „srovnali“ do tlakové nádoby – což si ovšem vesmír nechce nechat líbit. Snížení entropie si vykompenzuje tím, že se zvýší teplota plynu – všechno proto, aby celková energie systému zůstala zachována.

V natažené gumičce se děje totéž, co ve stlačeném plynu – snižuje se „chaos“, tedy entropie. Molekuly gumy za běžného stavu jsou zamotané a míří všemi směry. Po natažení se srovnají ve směru natažení, „chaos“, tedy řečeno entropie, se sníží. Stejně jako v případě stlačeného plynu se v kompenzaci zvýší teplota. Při puštění gumy se situace obrátí: entropie se zvýší, teplota tedy sníží.

Gumové vlákno, které je pro názornost natřené barvou citlivou na teplotu, se při kroucení nejprve ohřeje. Když se nechá vychladnout a uvolní se, ochladí (foto: foto: Run Wang a spol.)
Gumové vlákno, které je pro názornost natřené barvou citlivou na teplotu, se při kroucení nejprve ohřeje. Když se nechá vychladnout a uvolní se, ochladí (foto: foto: Run Wang a spol.)

Nebudeme zabíhat na tomto místě do fyzikálních podrobností, a tak nám musíte bohužel prostě věřit, že to tak je. Existují různá přirovnání, která entropii přibližují, ale žádné ji nevystihuje úplně dobře. Entropii také nemůžete zažít na vlastní kůži; nemá žádný fyzický ekvivalent; není jako teplota ani tlak, a tak je těžko představitelná.

V rovnicích ovšem vychází zcela přirozeně, funguje skvěle a výsledky měření v reálném světě pak dávají výsledky přesně podle nich. (Ostatně, s tím, že svět prostě není pochopitelný jen „selským rozumem“ bez nějaké snahy navíc, jste se asi už smířili.)

Teď se asi ovšem již ptáte, co má toto poučování společného s ledničkou z titulku. Dovolte, abychom vám předem poděkovali za trpělivost a přešli konečně k věci.

Kroucené chlazení

V tuto chvíli je vám asi jasné, jak je možné využít natahování materiálu k chlazení (či naopak zahřívání, ale to nechejme stranou). Představte si pro jednoduchost například ledničku: umísíte do ní gumičku, která se při smrštění ochladí. Tím „vytáhne“ teplo z chladící kapaliny, která pak zamíří do chladícího prostoru. „Guma“ se pak může znovu natáhnout, nechat natažená, až zchladne (a zahřeje tedy vzduch v kuchyni, jak chladící mřížka na vaší dnešní ledničce). Pak můžete cyklus opakovat: načerpáte chladící kapalinu ke gumě, pustíte ji, aby se ochladila, a tak dále. Velmi podobně může fungovat například i klimatizace, či jiné systémy.

Pokud byste si dali tu práci a takový systém postavili, není to ovšem žádné terno. Dnešní lednice s kompresorovým chlazením jsou mnohem účinnější než „chlazení na gumu“ neboli, jak říkají fyzici: elastokalorický proces.

Pokud ovšem někdo nepřijde s nějakým zajímavým novým nápadem či zlepšením. Přesně to se mělo povést mezinárodnímu (převážně ovšem čínskému) týmu vědců, kteří v září v v časopise Science vydali článek popisující chladicí zařízení založené na elastokalorickém principu s rekordní účinností.

Výzkum je to opravdu hodně raný. Mohli bychom to přirovnat k pokusům o hledání nejvhodnějšího vlákna pro tepelnou žárovku. Na přelomu 19. a 20. století vynálezci, například v Edisonových laboratořích, žhavili nejrůznějších materilů od vousů (opravdu) přes různé kovy, až po nakonec úspěšné uhlíkaté materiály, z nichž se nakonec nejvíce osvědčila bambusová vlákna. Až po několika desetiletích je postupně vytlačila kovová vlákna, která pak převládala až do konce 20. století.

Stejně tak autoři nového výzkumu elastokalorického procesu zkoušeli různé materiály od gumy přes nylon a polyetylenový vlasec až po zinkovo-titanové dráty – a především, nový způsob jejich „pohonuů. Chtěli zjistit, zda není vhodnější (energeticky, ale i také třeba z čistě prostorových důvodů) „gumou“ kroutit, než ji natahovat.

Dnešní lednice s kompresorovým chlazením jsou mnohem účinnější než „chlazení na gumu“ neboli, jak říkají fyzici: elastokalorický proces.

Zvláště u některých materiálů byl rozdíl dosti významný: zdá se, že pokud má elastokalorické chlazení nějakou budoucnost, bude zřejmě právě v kroutivém pohybu. Změna teploty na povrchu gumového vlákna byla zhruba 20krát vyšší než při natažení stejnou silou. V případě nylonu byla teplotní změna na povrchu vlákna při kroucení 50krát větší než při natahování. Nylon ovšem není nijak „výkonný“ materiál, jde tedy o významný relativní nárůst, ne ovšem absolutní rekord – ten drží právě gumová vlákna.

Z hlediska praktického využití pak dávaly zajímavé výkony zinkovo-titanové dráty, které jsou velmi odolné a mají vysokou životnost. A navíc mohou rychle předávat teplo okolnímu materiálu.

Co z toho bude?

Ovšem přes nespornou zajímavost je zatím těžko předpokládat, že by vaše příští lednice byla na „gumičku“ – byť některá média tak výzkum minimálně v titulku „prodávala“ (včetně samotného časopisu Science v jeho zpravodajském článku).

Účinnost je sice z hlediska dosavadních výsledků v oboru zajímavá, ale nedosahuje úrovně dnešních kompresorových systémů. Navíc systém chlazení založený na elastokalorickém jevu by z podstaty musel obsahovat celou řadu pohyblivých dílů a lze tedy předpokládat, že by se sotva obešel bez poruch. Což by samozřejmě případnou údržbu jen prodražilo a zkomplikovalo.

Jak si asi také dokážete představit, problém může snadno představovat i únava materiálu. Chladicí dráty by musely za dobu životnosti lednice projít ohromným počtem cyklů „zamotávání“ a uvolňování. Autoři nového výzkumu použili sice slitinu s příměsí titanu, který se za vhodných podmínek téměř „neunavuje“. Ale je otázkou, zda systém s takovým materiálem může cenově konkurovat. A zda lze případně za titan najít vhodnou náhradu.

Zajímavé by mohlo být ovšem použití, které zmiňují autoři v samotné práci. Jev by se podle nich mohl využívat v „chytrých“ textiliích, ve kterých by změna teploty zakroucených vláken mohla například vyvolat změnu barvy.

Ovšem velkou revoluci v chladicí technice těžko předpokládat. Což neznamená, že se naše ledničky nebudou měnit a do budoucna nebudou využívat nějakých nových, pro nás laiky „exotických“ jevů. V posledních několika letech se třeba zvyšuje počet prodaných ledniček a mrazáků, které využívají takzvaného magnetického chlazení (magnetokalorický jev).

Magnety vedou

Podstata je podobná jako u jevu elastokalorického. Teplota materiálu se však nemění při kroucení či natahování, nýbrž v závislosti na okolním magnetickém poli. Nějaké změny teplot se projevují prakticky na všech magnetech, ale postupně se daří objevovat nové látky, ve kterých jsou změny výraznější.

V roce 2014 byl například oznámen objev třídy materiálů, u kterých jsou změny teplot obří (to je v tomto případě terminus technicus, hovoří se o takzvaném obřím či gigantickém magnetokalorickém jevu). Jde o některé slitiny gadolinia, tedy kovu ze skupiny kovů vzácných zemin (patří mezi lanthanoidy).

Nyní se zdá v podstatě jisté, že tento typ chlazení bude stále rozšířenější a nakonec převládne. Má jasné výhody: chladicí systémy na tomto principu mohou být malé, účinné a jednoduché. To zatím „gumičkové“ chlazení o sobě rozhodně říci nemůže.

Ovšem právě příklad „magnetického chlazení“ také ukazuje, že objev nové skupiny látek s novými vlastnostmi může počty poměrně výrazně změnit, a tak v tuto chvíli nedokážeme říci, zda lednička na pružinu skutečně zůstane spíše vědeckou kuriozitou, nebo si nakonec v nějaké podobě najde do praxe.

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.

V předchozí části našeho článku jsme popsali princip „superchladivých“ materiálů, které se dokáží uchladit i na přímém slunečním světle. Také jsme popsali práci týmu, který dal nakonec vzniknout společnost SkyCool Systems.

V tomto díle se budeme věnovat jejich jiež existující i potenciální konkurenci.

V jednoduchosti je síla

Zajímavý byl především projekt skupiny z Coloradské univerzity, jehož výsledky byly zveřejněny v roce 2017. Jejich materiál byl za prvé účinnější, protože z jednoho metru čtverečního povrchu dokázal během praktického pokusu vyzářit více energie, a tedy účinněji chladil: místo 40 W/m2 vyzářil i během poledne 93 W/m2.

Především však byl použitý materiál levný, a lze ho poměrně jednoduše tisknout (roll-to-roll) s nízkými náklady. Skupina totiž pracovala s levnými materiály, plastem a skleněnými kuličkami o průměru jednotek mikrometrů, protože ty při této velikosti silně září v oblasti 8–13 mikrometrů.

Tento i další pokusy ukazují, že materiál, který sálá proti obloze i během dne, lze vytvořit z levných ingrediencí. Je to dané tím, že v žádoucí oblasti infračerveného spektra sálá molekul s relativně běžnými chemickými vazbami (například uhlík-uhlík či uhlík-fluor), které jsou běžnou součástí řady polymerů, tedy velký molekul, tzv. makromolekul.

Stejný objem dřeva v přirozeném stavu (vlevo) a po přepracování na "chladivé dřevo"
Stejný objem dřeva v přirozeném stavu (vlevo) a po přepracování na “chladivé dřevo” (foto: Liangbing Hu InventWood)

Coloradský tým toho využil k vytvoření „superchladivého“ dřeva. I to obsahuje makromolekuly, které vyzařují ve vhodné části spektra. Bylo ho „pouze“ nutné zbavit klíčové molekuly, ligninu, jež mu dává barvu, vzniklo bílé dřevo, které se ani na slunci téměř nezahřívá.

Ovšem lignin zajišťuje mimo jiné rovněž pevnost dřeva, a pak materiál je nutné ještě stlačit, aby došlo ke srovnání vláken ve dřevě a zvýšila se jeho schopnost zářit v infračerveném spektru (tj. zbavovat se přebytečného tepla).

Kdo to postaví

Hned několik výzkumných skupin v současné době spolupracuje s firmami na možné komercializaci nápadu v různých podobách, od hliníkových panelů po nátěry, které také ve zvýšené míře odrážejí světlo. Vědci dokonce založili malou firmu, která chce prosadit do praxe „superchladivé“ dřevo.

Jedním problémem „superchladivých“ materiálů na budovách je, že v chladnějším klimatu by během zimy mohly zvyšovat náklady na topení. Existují různé nápady, jak tomu čelit. Jeden start-up navrhuje vyplnit póry v materiálu izopropanolem, což v důsledku zcela změní vlastnosti materiálu, a ten začne teplo naopak pohlcovat. Ale problém i jeho řešení zatím existují pouze na papíře.

Další velkou neznámou je přístup možných zákazníků, kteří jsou leckdy k možným úsporám energie nečekaně hluší. Ani v teplém klimatu není všeobecným zvykem důsledně využívat na budovy reflexních bílých barev, které odrážejí přicházející sluneční záření. Nemluvě o případné pravidelné obnově nátěru. Pravda, sálavé materiály použitelné i v přímém slunečním světle mohou možné úspory výrazně navýšit, to samo o sobě úspěch nezaručuje.

Ovšem fyzikové mají čas. „Superchladivé“ materiály jsou stále ještě velmi mladé a nezralé. Možná že nakonec najdou zcela jiné využití, než jejich autoři původně předpokládali, ale je těžké si představit, že tak šikovný „trik“ si nenajde vůbec žádné.

Druhý, závěrečn část textu. První díl najdete na této stránce.

Na střeše obchodu Howarda Bisla v kalifornském Sacramentu už téměř tři roky stojí fyzikální zvlášnost: panely, které zůstávají chladnější než jejich okolí, dokonce i pod planoucím horkým sluncem, aniž spotřebovávají energii.

Jsou potažené tenkou chladicí fólií, pod nimi se pak táhnou desítky metrů trubek s chladicí kapalinou, kterou rozvádí do obchodu. „Ani v horkém dni nejsou horké,“ řekl Bisla na sklonku roku 2019 časopisu Nature.

Panely vznikly díky práci vědců ze Stanfordské univerzity v Kalifornii. V roce 2014 tamní tým oznámil, že vytvořil nový materiál s vlastnostmi, které v přírodě nenajdete (někdy se pro takové materiály používá označení metamateriál). Dva členové původního týmu, Shanhui Fan a Aaswath Raman, pak s dalším kolegou Elim Goldsteinem založili start-up SkyCool Systems – firmu, která nakonec Bislovi dodala jeho panely. Od té doby firma ve spolupráci s dalšími vědci vytvořila celou řadu dalších materiálů, jež s původním vzorkem sdílejí neobyčejnou vlastnost, že zůstávají v chladu i na přímém světle: speciálních „chladných“ nátěrů, barev i speciálně ošetřeného dřeva.

Panely na střeše obchodu Howard Bisla v kalifornském Sacramentu (kredit: Jyotirmoy Mandal)
Panely na střeše obchodu Howard Bisla v kalifornském Sacramentu (kredit: Jyotirmoy Mandal)

Všechny tyto materiály se spoléhají na již dlouho známý mechanismus, známý jako sálání proti obloze. Každý člověk, budova a objekt na Zemi vyzařuje teplo, ale naše atmosféra se chová jako deka, záření z velké části zachycuje, a teplo tedy zadržuje. Ovšem ne zcela všechno: Infračervené paprsky o vlnové délce 8 až 13 mikrometrů procházejí zemskou atmosférou lépe než záření v jiných oblastech. Naše atmosféra je pro ně velmi dobře průhledná, a tak snadno unikají do chladného vesmíru.

Praktické využití jevu omezuje fakt, že sálání je v případě běžných materiálů možné pouze v noci. Ve dne na povrch dopadá mnohem více slunečního světla, než kolika je možné se zbavit sáláním, a tak celková bilance vychází nepříznivě: běžné materiály se prostě na slunečním světle zahřívají.

To u nových nových – někteří vědci říkají „superchladivých“ – materiálů neplatí. Jejich podstata je přitom jednoduchá: v podstatě jde o materiály, které odrážejí co nejvíce světla ve všech oblastech spektra mimo 8–13 µm části infračerveného spektra. To jen proto, aby se na běžném světle tento materiál nezahříval příliš. Ve vybrané oblasti naopak teplo z okolí přímo „hltá“. Ovšem pouze proto, aby ho pak mohl vyzářit přímo do vesmíru, samozřejmě za podmínky, že panely jsou pod širým nebem a namířeny do vesmíru.

Díky tomu mohou zůstávat i během dne o několik stupňů chladnější než okolní vzduch (v noci je efekt je větší). V suchých a horkých oblastech může být rozdíl až 10 °C. V oblastech s vyšší vzdušnou vlhkostí (tedy třeba i v České republice) je rozdíl teplot menší, protože část unikajícího tepla zachycuje vodní pára v atmosféře.

Z opačného konce

Hledání sálavých materiálů použitelných i ve dne začalo v hlavě Aaswatha Ramana v roce 2012. Pracoval na své dizertaci o materiálech vhodných pro získávání energie ze slunce, když narazil na práce o této problematice. Když zjistil, že se tématu nikdo příliš nevěnoval, rozhodl se alespoň přibližně spočítat, jaké by musely být vlastnosti materiálu, který by dokázal vyzařovat teplo i během dne.

Zjistil, že aby více tepla ztrácel než vyzařoval, musí pohlcovat méně tepla než běžná bílá barva a odrážet alespoň 94 % dopadajícího slunečního záření v rozsahu od 200 nanometrů do 2,5 mikrometrů. Ve „vyzařovacím“ pásmu 8–13 mikrometrů musí být účinnost pohlcování i vyzařování téměř stoprocentní. Stačí jen o něco méně a materiál se bude ohřívat.

Po diskuzi s dalším budoucím kolegou ze start-upu, Shanhuiem Fanem, dospěli oba mladíci k závěru, že takový materiál je možné vyrobit. Musí být ovšem být pečlivě navržený na mikroskopické úrovni: musí mít totiž „nanostruktury“ takových rozměrů, aby umožnily průchod jen světla těch vlnových délek, které má materiál pohlcovat. Skupina teoreticky spočítala, jak by povrch takového materiálu mohl vypadat, a v roce 2013 své výsledky publikovala v odborném časopise Nano Letters.

Vědci se pokusili získat prostředky na praktický pokus a podali si projekt k agentuře ARPA-E. Jde o malou americkou státní agenturu na podporu „šílených“ nápadů v oblasti energetiky. ARPA-E nemá na poměry amerického státního rozpočtu k dispozici velké prostředky, cca kolem 360 milionů dolarů (9 mld. korun) ročně. Je ovšem ochotna financovat i velmi riskantní projekty, pokud se zdá, že by mohly mít v budoucnosti značný ekonomický či technologický dopad.

Raman a Fan narazili v agentuře na pochopení a dostali 400 tisíc dolarů a rok na to, aby materiál sestrojili. Aby se vešli do rozpočtu, vědci materiál proti původního návrhu výrazně zjednodušili a sáhli po osvědčených materiálech. Složili do sendviče materiály silně odrazivé (z oxidu hafničitého) a méně odrazivé vrstvy (ze skla). Jejich pořadí i tloušťka a množství byly nastaveny tak, aby materiál odrážel co nejvíce světla mimo danou oblast.

Prototyp skutečně fungoval: při slunečním příkonu kolem 850 W/m2 byl o 5 °C chladnější než okolní vzduch. Nejde o nijak úžasné hodnoty, protože 850 W/m2 je méně, než kolik dopadá na povrch v našich zeměpisných šířkách během letního poledne; na povrch totiž může dopadat až zhruba 1000 W/m2. Přesto šlo o důkaz, že v principu je chlazení sáláním možné i ve dne, a ARPA-E tak v následujících letech financovala ještě další podobné projekty.

O těch si můžete přečíst více v další části článku. Konec I. části.

Fotovoltaika je z hlediska svého celkového potenciálu nejslibnější obnovitelný zdrojů vůbec. V posledních dvou desetiletích se postupně potenciálu přibližuje – a to z jednoho jednoduchého důvodu: protože klesla její cena. Od roku 2000 činí pokles ceny více než 80 procent, uvedla v loňském roce Mezinárodní agentura pro obnovitelné zdroje (IRENA).

Do značné míry je díky křemíku. Ten dnes je základem prakticky všech vyráběných panelů s výjimkou některých okrajových způsobů využití (například pro družice). Věda zná v principu vhodnější a účinnější materiály, žádný z nich však tehdy tak levný, tak dobře známý a dobře prozkoumaný jako křemík. Výrobci křemíkových panelů se tak mohli opřít o dlouhá léta vědeckých i praktických zkušeností. I díky tomu se velkovýroba mohla těchto panelů rychle rozběhnout, a ceny tedy mohly rychle klesat. Pomalu je ovšem čas na náhradu.

Stará novinka

Velmi slibný nástupce se zrodil v roce 2009. Japonští vědci spíše jen tak ze zvědavosti vytvořili solární článek, ve kterém perovskit sloužil jako barvivo, tedy materiál, který pohlcuje světlo dopadající na článek. Měl mizernou účinnost, jen 3,5 procenta, a dokonce se vědcům ztrácel pod rukama. V článku byl použit kapalný elektrolyt, který postupně rozpouštěl materiál článků. Z laického pohledu to ubohý výsledek, vědce ale zaujal.

Proč? Protože základní materiál použitý pro článek byl zajímavě levný. Jednalo se o sloučeninu patří mezi tzv. perovskity. To je skupina sloučenin halogenů s kovem (jako první byly popsány sloučeniny s olovem), které lidstvo zná téměř 200 let. Mají sice nepraktické vlastnosti, ale jde o materiály, které v principu lze vyrábět levně a ve velkých množství. Už autory prvních článků napadlo, že podobné články by se daly výrbět sítotiskem, tedy podobně jako se tisknou například nálepky.

Bylo ovšem jasné, že vědce čeká ještě spousta práce. Perovskitů je celá řada. Materiáloví odborníci nimi mělo museli najít levné sloučeniny s vhodnými vlastnostmi, které by se daly vyrábět výrazně levněji než „čistý“ křemík.

Ukázka perovsktiu
Ukázka perovsktiu. V mřížce tvořené olovem a halogenem (v tomto případě chlórem či bromem) je uvězněna skupina CH3NH3+ (foto: Christopher Eames et al.)

Postupně se “perovsktiový vlak rozjel”. V srpnu roku 2012 vytvořil tým ze švýcarského Lausanne články s perovskitem s účinnosti necelých 10 procent. V červenci roku 2013 pak rekord posunuli na 15 procent. V té době vystoupil do popředí „perovsktitové scény“ jistý Henry Snaith z Oxfordské univerzity, budoucí spoluzakladatel firmy Oxford PV. Snaith představil v časopise Science první perovskitový článek, který nepotřebuje kapalný elektrolyt. Články obsahující kapalinu jsou totiž velmi nepraktické, na slunci by mohly například velmi snadno praskat.

Snaith do výzkumu nastoupil s velkým nadšením. Již před lety veřejně prohlásil, že podle něj nebude v brzké době problém s pomocí perovskitů postavit články s účinností zhruba 20 až 25 procent. Nemyslel tím články čistě perovsktitové, ale články s několika vrstvami „vyladěnými“ pro co nejlepší absorpci různých částí slunečního spektra, které by mohly umožnit rychlé zvýšení účinnosti.

Jen když nebude pršet…

Nikdo příliš nepochyboval, že perovskity by mělo být možné vyrábět levně. Jejich největší slabinou byla ovšem od začátku již zmíněná voda. Některé vhodné látky byly velmi nestabilní i za nízké vlhkosti. Někdy se dokonce rozpouštěly tak rychle, že se je po výrobě nepodařilo ani řádně změřit. Jiné se postupně rozkládaly už na světle, což je pro fotovoltaický materiál nepříjemný handicap.

Zastánci technologie tvrdí, že se problémy s trvanlivostí zveličují, a díky rokům vývoje je situace jiná. Články některých výrobců už prošly běžnými mezinárodními testy odolnosti a trvanlivosti (tj. IEC 61215), tedy testy „zrychleného stárnutí“. Automaticky to však neznamená, že by v běžných podmínkách měly fungovat zhruba stejně dlouho jako křemíkové panely, od kterých se dnes očekává životnost zhruba 25 let. Řádově roky by však fungovat měly. 

Firmě s oxfordským rodokmenem se ovšem evidentně nepodařilo vyřešit jiný problém, a to obsah jedovatých látek v článku, konkrétně olova. Není ho mnoho (údajně zhruba 0,3 gramu na metr čtvereční), ale i když si těžko představit, že v takovém množství by mohly panely způsobit nějakou ekologickou katastrofu, z legislativního hlediska (a tedy i z pohledu uživatele) by mohlo jít o problém především při vyřazování panelů z provozu.

Na světě je již několik firem, které chtějí perovskitové články zkoušet v praxi, pričemž v čele pelotonu je právě Oxford PV. Během několika málo let bychom tedy měli nejen z výsledků jejich měření, ale také z jejich finančních výkazů poznat, zda se křemík opravdu může na své pozici fotovoltaické jedničky začít cítit ohrožený.

Načíst další