Stejně jako ve většině vyspělých zemí i ve Švýcarsku rychle roste počet vozidel, která zcela, nebo alespoň z části pohání elektřina. Stejně tak se zvyšuje i podíl elektřiny, který se v této alpské zemi získává z obnovitelných zdrojů. Mladá švýcarská start-upová firma sun2wheel se rozhodla spojit oba tyto vývojové trendy a vyvinula nabíjecí stanici, která umožňuje použít baterie elektrických vozidel i jako úložiště energie.

Je dobře známou skutečností, že vozidla po většinu času nikam nejedou, nehýbají se, ale jsou někde zaparkovaná – doma v garáži, na parkovišti v místě zaměstnání, u supermarketu či leckde jinde. To samozřejmě neplatí jen pro auta na fosilní paliva, ale i pro elektromobily. Jejich baterie mají přitom mnohem větší úložnou kapacitu, než jaká je potřeba pro každodenní ježdění. Zakladatelé společnosti sun2wheel si tento fakt uvědomili a vytkli si za cíl využít potenciál této velké kapacity k domácímu nebo i firemnímu skladování energie.

Tento švýcarský start-up vyvinul nabíjecí stanici, pomocí které lze elektromobily nejen nabíjet, ale také z nich uloženou energii jednoduše získávat zpět. Elektřina vyrobená například s pomocí fotovoltaických panelů umístěných na střeše domu tak může být po určitou dobu uložena v elektromobilu parkujícím v garáži a následně znovu použita přímo v tomto domě. Takto uloženou solární energii lze použít například v noci, kdy fotovoltaické panely nepracují, k provozu důležitých elektrických spotřebičů, které musejí být neustále v činnosti, nebo třeba i k vytápění budovy tepelným čerpadlem.

Přednosti nabíjecího systému sun2wheel zde ale nekončí. Jeho dalším zajímavým rysem je jeho modularita. Lze jej totiž rozšířit o další baterie, které již třeba svou službu elektromobilitě splnily a nyní čekají na likvidaci. Systém lze v podstatě neustále rozšiřovat. Tuto možnost zvláště ocení například větší bytové domy nebo kancelářské budovy. Pro ně vyvinula sun2wheel speciální novou technologii V2G, aby rezidenti či firmy mohli vlastními silami vyrobenou solární energii co nejlépe využít a zvýšit tak svou energetickou soběstačnost. V komerčním kontextu skýtá tento ukládací systém ještě další výhodu: tzv. peak shaving. Díky němu je možné v jisté míře korigovat výkyvy v síti, resp. zátěžové špičky, a přispět tak k usměrňování ceny elektřiny.

Ke svému nabíjecímu systému vyvinula firma sun2wheel i vlastní software, který umožňuje optimalizovat všechny energetické toky mezi vozidlem, fotovoltaickým systémem, akumulátorem, budovou a veřejnou elektrickou sítí. Celý systém tak lze ovládat, jak je to dnes obvyklé, i prostřednictvím mobilu.

Ve Švýcarsku dosáhl v polovině letošního roku podíl elektromobilů a plug-in hybridů na veškerém tamním vozovém parku 23 procent. Je však třeba mít na paměti, že přesun k elektromobilitě má smysl pouze tehdy, když budou elektromobily využívat především energii získanou z obnovitelných zdrojů. A právě o to společnosti sun2wheel jde. Díky svému novému nabíjecímu/vybíjecímu řešení navíc rozšiřuje možnosti využití elektromobilních baterií, což v kontextu stále rostoucích nároků na energetickou infrastrukturu hraje a bude hrát nemalou roli.    

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.

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.

Využití setrvačnosti je starý nápad, který se v posledních desetiletí podařilo významně vylepšit. Zdálo se dokonce možné, že by si mohly najít jako svébytný druh baterie i v energetice. To byla myšlenka za založením společnosti Beacon Power.

Velké naděje

Beacon Power vznikla v roce 1997 jako dceřinná technologické společnosti SatCon. V roce 2000 vstoupila na burzu. Tehdy se ještě profilovala jako firma, která měla poskytovat energetickou zálohu pro různé podniky či provozy. Setrvačníků, které by sloužila k vyrovnání dodávek elektrického proudu například pro citlivá zařízení, jimž vadí krátkodobé výpadky či jen výkyvy frekvence.

Firma využívala možností, které skýtaly technologické pokroky posledních desetiletí 20. století. Jejím produktem jsou vakuové komory, ve kterých velmi rychle točí setrvačníky z uhlíkových vláken na speciálních ložišcích s velmi nízkým odporem. Setrvačníky se mohou točit frekvencí několika řádově desítek tisíc otáček za minutu.

Postupně ale změnila zaměření. Začala se zaměřovat na regulaci frekvence a další síťové služby. Nemohla sloužit jako dlouhodobá záloha, na to setrvačníky nemají dostatečnou kapacitu, ale zato mohou velmi rychle reagovat na výkyvy v síti, krátkodobě je pomoci regulovat, než naskočí (nebo se odstaví) výkonnější zdroje s delší reakční dobou.

Beacon Power nakonec mohla své vize realizovat díky pomoci americké vlády. Získala grant ze stejného programu jako výrobce solárních článku Solyndra, která pak velmi neslavně zkrachovala (a tím dosti pošramotila pověst programu, který ale ve skutečnosti jako celek nebyl vůbec neúspěšný).

Průřez systémem Beacon Power
Průřez systémem Beacon Power. Válec z uhlíkových vláken s ocelovým jádrem vyplňuje prakticky celý objem zařízení. (foto Beacon Power)

Vzestup a pád

V roce 2009 společnost získala 43 milionů grantových dolarů a začala ve státě New Yorkstavět velkou „farmu“ se setrvačníky o celkovém maximálním výkonu 20 MW. Stavba se zpožďovala, a když byla hotova, americký trh s elektřinou byl jiný. Krize výrazně snížila poptávku po elektřině, ceny šly dolů, klesla cena paliv (v USA hlavně zemního plynu).

Na trh také přišly nové plynové turbíny s kombinovaným cyklem, které byly schopny reagovat výrazně rychleji na požadavky po změně výkonu. Ceny regulace frekvece a dalších tzv. podpůrných služeb v USA prudce klesly. Když firma konečně provoz spustila, byla v podstatě na desetině toho, co firma předpokládala ve svém finančím plánu.

Beacon Power měla potíže s realizací svého provozu, který se proti plánu výrazně prodražil, pád cen za její produkty jí pak podrazil nohy úplně. Firma mezi lety 2004 a 2011 prodělal celkem 174 milionů dolarů a v říjnu 2011 vyhlásila bankrot. Zdálo se, že další Solyndra je na spadnutí. Beacon Power Půjčka byla sice podstatně menší než na panely (cca 43 milionů proti cca 540 milionům), ale také šlo o politicky stejně „výbušný“ případ.

Nakonec však nebylo – alespoň pro politiky – tak zle. Firmu za několik měsíců koupila soukromá investiční společnost Rockland Capital, která se zavázala splatit 70 % dlužné částky. Dokonce poskytla kapitál na stavbu další farmy o stejném výkonu v Pennsylvánii.

Ovšem setrvačníky jsou stále lepší na papíře než v praxi, jak zjistil i Rockland Capital. Ceny za regulace frekvence zůstaly tak nízko jako po krizi. V roce 2018 se i Rocklad setrvačníkových farem zbavil a prodal je společnosti Convergent Energy + Power, a pak po dalších akvizicích skončily v portfoliu fondu Energy Capital Partners.

V provozu jsou podle posledních informací stále obě farmy, každý o maximálním výkonu 20 MW (ten ovšem mohou poskytovat jen po dobu několika minut). O dalším rozvoji se nemluví, firma podle všeho v podstatě pokračuje v provozu v podstatě… inu, setrvačností.

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.

Pokud dojde k masovému přechodu na elektromobily, budeme potřebovat výrazně více zdrojů elektřiny. Zvládne si všem naše rozvodní síť s takovými toky poradit? Bližší pohled nám ukáže, že v principu ano, bez jistých změn to ovšem nepůjde.

V rozvaze musíme uvažovat nejen o celkovém množství energie, které by k nabíjení bylo zapotřebí, ale především o tom, jak budou spotřeba a výroba rozloženy v čase. Při dimenzování sítí nejde jen o celkovou spotřebu, ale i o výkonové špičky. A ty v případě masové rozvoje elektromobility mohou potenciálně být velmi výrazné.

Všichni najednou!

Představme si to na záměrně velmi zjednodušeném výpočtu. Průměrný domácí automobil jezdí pouze jednou týdně. Pokud by byly osobní automobily všechny elektrické a každý sedmý majitel chtěl svůj vůz po příjezdu domů nabít, náhle by se poptávka během večera zcela drasticky zvýšila.

Když měli počítat, že by uživatelé v průměru nabíjeli nízkým výkonem 5 kW, celkový odběr by se zvýšil o 4 GW. To je zhruba polovina průměrné spotřeby celé ČR ve špičce. Kdybychom měli spoléhat jen na tradiční řešení, možná elektromobilová špička by byla ohromná a velmi drahá komplikace pro všechny spotřebitele. Zřejmě by vyžadovalo by stavbu nových zdrojů, které by ji musely pokrýt – a zbytek dne by stály a spotřebovávaly by peníze.

Nabízí se ovšem řešení chytřejší. Masový rozvoj elektromobility je zvládnutelný s rozšiřováním chytrých prvků, které umožňuji harmonizaci poptávky a výroby. Například systémů, které dokáží dobře a spolehlivě sladit poptávku po nabíjení v danou chvíli s možnostmi sítě v reálném čase.

Řešení jistě existují. Například použití menších baterií. Například v garáži v budově ČSOB v pražských Radlicích společnost Siemens nainstalovala šest AC wallboxů a dvě 50kW rychlonabíjecí stanice Siemens. Systém je nastaven tak, že v jeden okamžik lze nabíjet současně osm vozů výkonem 22 kW a dva výkonem 50 kW. Všechny nabíječky jsou připojeny k řídícímu systému, který zajišťuje management energií budovy, který může pružně reagovat na různé situace. Pokud například hrozí nedostatek příkonu, nabíječky, které jsou tak důležité jako například klimatizace, omezí výkon či v případě wallboxů přestanou nabíjet úplně.

Dobíjecí stanice v budově ČSOB na pražské Radlické (foto: Siemens)
Dobíjecí stanice v budově ČSOB na pražské Radlické (foto: Siemens)

Řada firem ve spolupráci také vyvíjí systémy umožňující užší spolupráci mezi baterií a sítí, takzvané V2G (vehicle-to-grid, tedy „vůz-síť). Díky by mělo být možné baterii vozu využívat například pro vyrovnání výkonu v síti, samozřejmě za úhradu pro majitele vozu, jehož baterie se takto ve zvýšené míře opotřebovává.

Co teď?

Ale tato řešení nemusí být dostupná hned zítra. Je čas se připravit. Budeme mít možnost si řešení přechodu k elektrickému pohonu vyzkoušet v malém. Modelování ukazuje, že i při poměrně malé úrovni elektrifikace – když elektromobily budou řádově jednotky procent všech vozů – mohou vznikat v lokálních sítích k obtížím (samozřejmě závisí na parametrech lokální sítě). Problémem může být například přetěžování některých transformátorů, které snižuje jejich životnost.

Na úrovni místní sítě ovšem může způsobovat obtíže, které bude nutné řešit. Bezpochyby se najdou slabá místa, která bude nutné posílit. V případě stavby nových dobíjecích stanic může být například nutné vyměnit trafostanici. Jinde možná bude kapacita dostatečná; například u většiny obchodních center by dobudování nutné dobíjecí infrastruktury nemuselo ve většina případů vyžadovat velký zásah.

Tyto malé obtíže a bolesti ovšem mají svou výhodu. Nepředstavují velké riziko z hlediska provozu celé sítě, přitom ovšem umožní vyzkoušet řešení, která pak lze použít ve větším měřítku. Samozřejmě, distributoři a další se musí postarat, aby se to nedělo na úkor zákazníků.

Nejlepším řešením podle odborníků v tuto chvíli dává největší smysl připravovat řešení a kroky, kterých „nebude třeba litovat“. Jedním z nich je například příprava sítě pro rychlý sběr dat v co nejkratším časem a vytváření přesnějších modelů jak sítě, tak modelů předpovídajících vývoj spotřeby, či například výroby (v případě obnovitelných zdrojů). Ať už se vývoj v budoucnosti vydá jakýmkoliv z mnoha možných směrů, s pružněji reagujícími a řiditelnými sítěmi se po ní půjde všem lépe.

Ceny baterií pro elektromobily klesly od roku 2010 o 90 procent. A klesat mají i nadále, alespoň podle pravidelné roční analýzy agentury Bloomberg NEF.

Přispívá k tomu jak snižování nákladů na výrobu, tak rovněž synergicky postupné zvyšování kapacity článků. Díky němu lze pro tedy pro stejný účel využít menší baterie. Automobilový průmysl je dnes hlavním tahounem poptávky po bateriích. Má největší podíl na jejich cenu i pro další obory.

Blíží se paritě

V loňském roce se podle analýzy Bloomberg NEF průměrná cena za celé bateriové soubory (ne pouze samotné články) napříč elektromobilovým odvětvím pohybovala mezi 135–140 dolary za kilowatthodinu ($/kWh). V roce 2010 byla průměrná cena za takové komponenty podle stejné analýzy 1 100 $/kWh.

V Číně se v jednom konkrétním sektoru – bateriových sestav pro autobusy – cena dostala dokonce údajně na úroveň jen těsně nad 100 $/kWh. Právě ta se považuje zhruba za hranici, na které by se ceny vozů se spalovacím motorem a elektromobilů měly přibližně vyrovnat.

Průměr by se měl dostat na tuto “magickou” hodnotu kolem 100 $/kWh kolem roku 2023, odhaduje agentura. Dlouhodobější předpověď říká, že v roce 2030 by se cena mohla pohybovat někde kolem 60 $/kWh.

Samotné články, ze kterých se baterie skládájí do souborů (“pack”) se v roce 2020 prodávaly podle Bloombergu v průměru 100 dolarů za kilowatthodinu ($/kWh). Jak vidno, ty tvoří velkou část finální ceny za celé soubory (anglicky “battery packs”).

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

Jak dál?

Trend je podle analýzy jasný a nezdá se, že by ho mohly výrazně ovlivnit například vyšší cenu surovin. Většina výrobců totiž dokázala snížit množství používaných vzácnějších ingrediencí typu kobaltu a výkyvy jejich ceny by neměly tedy pokles baterií příliš ovlivnit.

Cesta k dosažení ceny pod 100 $/kWh je prý ovšem jasná. Na podobné trajektorii se pohybuje celá řada dalších výrobců. Průměrná cena kompletních baterií by se tak na cca 100 $/kWh měla dostat podle Bloombergu v roce 2023.

Stále se projevují a v příští letech budou dále projevovat úspory z rozsahu, jak najíždějí nové výrobní kapacity. Také se daří zlepšovat chemii článků a baterií a průběžně (o několik málo procent ročně) se zvyšuje energetická hustota baterií, která také stlačuje cenu dolů.

Velcí výrobci mají podle Bloombergu zdravé marže kolem 20 procent. Jejich výrobní kapacity bývají také využívany z 85 procent. I to je faktor, který ke snižování cen přispívá.

Méně jasné už podle ankety mezi výrobci je, jak se ceny dostanou z pásma kolem 100 $/kWh ještě výrazně níže. Výrazný pokles cen si analytici slibují od zavedení nových typů, především článků s pevným elektrolytem, ale jejich zavedení do masové výroby se v několika příštích letech příliš neočekává.

Do ceny pro zákazníky se bude tento trend promítat pomaleji. Již proto, že dnes většina výrobců na elektromobilech de facto prodělává. I největší výrobce, Tesla, má zisk v mnohem, mnohem větší míře z prodeje emisních kreditů jiným automobilkám. Velmi zjednodušeně řečeno totiž prodává jiným značkám „federální odpustky“ za prodané vozy se spalovacím motorem.

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.

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.

Načíst další