Frances Arnoldová je sice vystudovaná letecká inženýrka, svou Nobelovu cenu v roce 2018 ovšem získala v oboru poměrně vzdáleném, v chemii. Nobelův výbor ji – a dva její kolegy a zároveň vědecké soupeře – ocenil za obrazně řečeno zkrocení evoluce pro potřeby vědy.

Podařilo se jí přijít se systémem pro „evoluci“ lepších enzymů. Enzymy jsou katalyzátory chemických reakcí v buňce, a tak mají celou řadu využití v chemii či medicíně. Bohužel naše znalosti nejsou takové, abychom dokázali vytvořit nový, účinný enzym „na přání“. Arnoldová (za přispění řady dalších kolegů, na které se nedostalo) přišla s metodou řízení evoluce podle přání člověka.

Vytvořila laboratorní obdobu přirozeného výběru, ve kterém imperativ „přežij do další generace“ nahradil lidský příkaz, například „rychle se navaž na látku X“. Na to navazuje postup pro napodobení mutačního procesu, který umožňuje rychle měnit podobu dané chemické látky („mutace“) a rychle ověřovat jejich účinnost. A to vše – na rozdíl od evoluce – v časových měřítkách blízkých člověku. Dnes lze s pomocí řízené evoluce vyrábět nejen účinnější enzymy, než jsou ty přírodní, ale i enzymy, které umožňují v přírodě nedosažitelných reakcí.

Metodu používají vědci i průmysl, a třeba výrobu řady léčiv si bez ní dnes nelze představit. Arnoldová konzistentně tvrdí, že od začátku si byla jistá tím, že její výzkum je skutečně převratný. „Jen mi 20 let trvalo, než jsem o tom přesvědčila zbytek světa,“ řekla novinářům po udělení ceny.

Cesta ke světlu

My se ovšem věnujme tomu, co Arnoldová dělá dnes – a co by tedy teoreticky mohlo být zajímavé za dalších 20 let. Je vedoucí vlastní velké laboratoře na Kalifornské univerzitě, takže její záběr je samozřejmě širší (spoustu práce za ni udělají jiní). Jedno téma se ovšem v každém případě v její práci vrací – a to je využití solární energie. Na pohled nejde o žádnou technologickou novinku, koneckonců fotovoltaika a její využití v energetice je jedním z největších témat posledního desetiletí v oboru. Arnoldová ale má zamířeno na jiný cíl: fotosyntézu.

Oprašme školní znalosti: rostliny při fotosyntéze s pomocí slunečního záření štěpí vodu na kyslík, elektrony a nabité vodíkové ionty (protony). Protony a elektrony se pak slučují s oxidem uhličitým a vytvářejí cukr glukózu. Ta se pak v rostlině ukládá v podobě škrobu a celulózy, což jsou jednoduše molekuly glukózy s dlouhým řetězcem (takzvané polysacharidy), které slouží jako zdroj energie pro rostlinu i materiál pro její další růst. Nu, a „odpad“ z procesu, tedy kyslík, dává přežít nám i dalším tvorům.

Fotosyntéza není nijak efektivní proces. Maximální teoretická čistá účinnost (po odečtení veškerých respiračních ztrát) činí zhruba 4 % – rostlina tedy v ideálním případě může k vytvoření cukrů využít jen každý 25. foton, který na její listy dopadne.

V průměru je to ještě podstatně méně, protože takto intenzivní může být proces pouze po krátkou dobu a za předpokladu dostatku vody a živin. Zavlažované a hnojené plodiny mohou během vegetačního období dosáhnout v průměru 2% účinnosti a nejproduktivnější lesy mírného a tropického pásu se blíží průměrné účinnosti 1,5 %. Globální kontinentální průměr činí pouze 0,33 %.

A protože oceánský plankton mění na biomasu méně než 0,1 % dopadajícího záření, průměr za celou biosféru činí tedy ani ne 0,2 %. Takže ne každý 25., ale zhruba každý 500. foton je skutečně využit k růstu rostliny.

Právě to je důvod, proč biopaliva nejsou a v dohledné době rozhodně nebudou vhodnou alternativou k jiným používaným palivům – vyprodukují na plochu příliš málo energie. Proti tomu využití fotovoltaiky nabízí v praktických podmínkách účinnosti kolem 15 % a v blízké budoucnosti ještě o něco více. Tak proč ztrácet čas s fotosyntézou?

Co vlastně chceme

Odpověď je asi většině čtenářů jasná: fotosyntéza slouží k produkci energie připravené k uložení. Z fotovoltaiky sice dokážeme dnes již poměrně levně vyrábět elektřinu připravenou k okamžité spotřebě, ale problém jejího skladování je stále nevyřešený – přesněji řečeno, řešení jsou zatím pro řadu aplikací příliš drahá. Samozřejmě, proces by se musel trochu změnit; glukózy prostě tolik nepotřebujeme.

Frances Arnoldová před počátkem své vědecké dráhy (foto Frances Arnoldová/Nobelprize.org)
Frances Arnoldová před počátkem své vědecké dráhy (foto Frances Arnoldová/Nobelprize.org)

Dobrou zprávou je, že již dnes víme o oblastech, ve kterých bychom účinnost přírodního procesu mohli naopak poměrně jednoduše překonat. Jednou možností je využití nanočástic s extrémně velikým povrchem k zachycování dopadajícího světla. Plocha takového materiálu může být na mikroskopické úrovni podstatně větší než u listu. Na pohled to sice není vidět, ale dnes dokážeme navrhovat materiály, jejichž povrch představuje pro světlo velmi účinnou past.

Nevyřešené problémy ovšem stále převažují. Největší a nejdůležitější výzva spadá do odborného ranku Frances Arnoldové. Její specialitou je vývoj nových enzymů, tedy katalyzátorů chemických reakcí v těle. A přesně v nich spočívá hlavní nevýhoda laboratorních „umělých listů“. Je zapotřebí vyvinout levnější, odolnější a také účinnější materiály, aby se vůbec dalo uvažovat o jejich nasazení v praxi.

Otevřenou otázkou je i to, který způsob využití získané energie je vlastně pro naše potřeby nejlepší. Bude výhodnější pracovat na lepších katalyzátorech pro proces sluneční katalýzy vody, tedy její rozklad na kyslík a vodík, který by pak mohl sloužit jako zdroj energie? Nebo bude lepší udělat ještě o krok více a rovnou v rámci jednoho procesu vytvářet uhlovodíková paliva, tedy v podstatě ekvivalent ropy? Šlo by patrně o jednodušší molekuly s kratšími řetězci, které se snáze vytvářejí, ale také pak lépe zpracovávají a spalují.

První postup je přece jen jednodušší, a zdá se nejsnáze dosažitelný. Pokud to ovšem dovolí historie naší energetiky: současná infrastruktura totiž není na příchod vodíku připravena. „Dnes si s ním můžete maximálně nafouknout balónek,“ zavtipkoval před několika lety poněkud hořce Daniel Nocera, který se na slavném americkém MIT věnoval právě vývoji umělé fotosyntézy. Vyrobil tehdy v laboratoři „křemíkový list“ (křemíkovou oplatku s katalyzátorem), který za ideálních podmínek měl účinnosti kolem 10 %. Navíc s využitím ne úplně drahých materiálů.

Druhá generace

Což je vše slibné, ale systém trpěl celou řadou neduhů, které nešlo jednoduše vyřešit. A jak se Nocera brzy přesvědčil, sehnat na podobný program peníze je těžké. Jeho start-up se rychle přeorientoval na vývoj průtokových baterií, a pak se ho teprve podařilo prodat společnosti Lockheed Martin.

Nocera se zatím svého nápadu nevzdal a v Indii pracuje na další generaci systému. Ta propojuje upravenou verzi jeho křemíkového listu s geneticky upravenou verzí bakterie živící se vodíkem (jak vidno, i vědci uznávají, že evoluce je v mnoha ohledech dále než jejich poznání). Bakterie se tedy živí vodíkem vznikajícím z článku a díky genetické úpravě produkují nejen biomasu, ale také alkoholy. Účinnost byla znovu kolem deseti procent, a tak zhruba o řád vyšší než u běžných rostlin.

První laboratorní prototyp "umělého listu" připravený na MIT na přelomu první a druhé deskády 21. století (foto A.Nocera/MIT)
První laboratorní prototyp “umělého listu” připravený na MIT na přelomu první a druhé deskády 21. století (foto A.Nocera/MIT)

Nocera tentokrát zkouší jinou strategii a snaží se projekt prosadit v Indii, která má méně rozvinutou energetickou infrastrukturu. To znamená, že je do ní méně investováno a nabízí se příležitost vyzkoušet nezavedené postupy. V tomto případě by to mohla být výroba biopaliv ve speciálních tancích, například pro vozidla v odlehlejších koutech rozvojových zemí.

Ale na úspěch projektu bychom rozhodně neradili v tuto chvíli nikomu sázet. Všichni odborníci se vzácně shodují na tom, že v ceně nebude moci „umělá fotosyntéze“ fosilním palivům konkurovat. Není tedy příliš mnoho důvodů investovat ani do vývoje, ani do rozvoje. Arnoldová a Nocera jistě mohou přijít na spoustu zajímavých řešení, ale bez finanční injekce se dále nepohnou. A v takovém případě tedy ani 20 let nebude na přesvědčení zbytku světa stačit.

To neznamená, že výzkum je marný. Na výrobu paliva mohou být tyto systémy příliš drahé. Ovšem lepší katalyzátory mohou najít užití v oborech s výrazně větší marží, například v chemickém či farmaceutickém průmyslu. Kouzlo snu o „umělém listu“ spočívá v tom, že inspiruje. O mnoho více bychom od něj asi v blízké době čekat neměli.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

V malém

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

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

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

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

Nejdřív se musí postavit

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

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

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

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

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.

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.

Skladování elektřiny v bateriích je rychle rostoucí obor, který díky klesajícím cenám má ohromý potenciál. V dohledné době také půjde nejspíše do jisté míry o strategický obor. To ostatně naznačuje i jedna nákup z posledních týdnů: Renera, dceřiná společnost ruské státní korporace pro atomovou energii Rosatom, dokončila akvizici 49 % akcií jihokorejské společnosti Enertech International.

Rusko si tak získává zastoupení v oboru, který nepatří mezi jeho silné stránky. Korejská Enertech vyrábí elektrody, lithium iontové akumulátory a různě výkonné systémy pro skladování energie. Především je však součástí dohody i slib o založení ruské továrny na výrobu lithium iontových akumulátorů.

V dnešních poměrech jde spíše o menší podnik: v roce 2030 má mít výrobní kapacitu cca 2 GWh. Pro srovnání, plánovaná berlínská Gigafactory společnosti Tesla by měla výhledově mít výrobní kapacitu 300 GWh baterií ročně. Pro Rusko je to ovšem první krok v oboru, ve kterém jinak výrazně zaostává. V podstatě jde o příležitost, jak se Rosatom (a potažmo tedy ruský stát) mohou k know-how dostat. Je to jen další doklad toho, jak důležitým oborem se výroba baterií stala.

První část továrny má zahájit výrobu v roce 2025. Lithium iontové akumulátory ruské výroby najdou uplatnění v elektrických autobusech, elektromobilech, speciální technice i pro vyrovnávání spotřeby a výroby v přenosové soustavě.

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

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

Rozházená po okolí

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

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

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

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

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

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

Snadný upgrade

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

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

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

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

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

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

Horké baterie

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

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

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

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

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

Načíst další