Pokud vám uši již úplně neslouží, a přesto dobře slyšíte, dost možná za to vděčíte i zinku. Přesněji malým zinkovým bateriím ve tvaru mince, které jsou oblíbeným zdrojem energie pro naslouchátka a další podobná zařízení.

Zinkové baterie se ovšem z těchto skromných poměrů chtějí vypracovat dál. Na velké sítové systémy, které by mohly být připojeny k elektrické síti a uchovávat solární nebo větrnou energii pro noční dobu nebo v době, kdy vítr nefouká. Zdá se, že potenciál na to mají.

S tím, jak přibývá start-upů a laboratorních studií, “zinkové baterie se stávají hitem,” řekl pro časopis Science Chunsheng Wang, odborník na baterie z Marylandské univerzity v College Parku.

Alternativy letí

Lithium-iontové baterie – obří verze baterií, které se používají v elektromobilech – jsou v současné době jedničkou v ukládání energie z obnovitelných zdrojů, ale příslušné komponenty mohou být drahé. Zinkové baterie jsou šetrnější k peněžence i k planetě – a laboratorní pokusy nyní ukazují, jak obejít jejich hlavní nevýhodu: skutečnost, že je nelze opakovaně dobíjet po celá desetiletí.

Potřeba bateriových úložišť v rozvodné síti roste s tím, jak se zvyšuje množství energie ze slunce, větru a dalších obnovitelných zdrojů. Jak všichni víme, obnovitelné zdroje už nejsou žádnou okrajovou technologií, nebo jen “bruselským výmyslem”. Letos se například prezident Joe Biden zavázal, že do roku 2035 bude americká elektrická síť bezemisní. Aby se vyrovnaly výpadky v dodávkách, bude třeba velkou část energie z obnovitelných zdrojů skladovat po dobu několika hodin nebo dnů, než se znovu vrátí do sítě.

Lithium je dnes stále relativně špatně dostupný kov, který se zatím těží jen v několika málo zemích. Zájemci o jeho využití v bateriích pro rozvodnou síť také budou muset v nejbližších letech o něj soutěžit s automobilkami, které sví produkty prodávají s vyšší marží, než jaká vzniká na výrobě elektřiny.

Lithium-iontové baterie také obvykle používají hořlavý kapalný elektrolyt. To znamená, že megawattové baterie musí mít drahé chladicí a protipožární technologie. Není tedy divu, že se intenzivně hledají alternativy k lithiu.

Levnější, ale se špatnou “zpátečkou”

Na scénu přichází zinek, stříbřitý, netoxický, levný a hojně rozšířený kov. Nenabíjecí zinkové baterie jsou na trhu již desítky let. V poslední době se na trhu objevily i některé zinkové dobíjecí baterie, které však mají obvykle omezenou kapacitu akumulace. Významně se rozvíjí i další technologie – zinkové průtokové baterie. Její provoz však vyžaduje složitější ventily, čerpadla a nádrže. Výzkumníci proto nyní pracují na zdokonalení dalšího typu, zinkovzdušných článků.

V těchto bateriích odděluje elektrolyt na bázi vody s příměsí hydroxidu draselného nebo jiného alkalického materiálu zinkovou anodu a katodu z jiných vodivých materiálů, často z porézního uhlíku. Během vybíjení reaguje vzdušný kyslík s vodou na katodě za vzniku hydroxidových iontů, které migrují k anodě, kde reagují se zinkem za vzniku oxidu zinečnatého. Při reakci se uvolňují elektrony, které proudí z anody ke katodě přes vnější obvod. Dobíjení baterií znamená obrácení toku proudu, což způsobí, že se na anodě znovu vytvoří kovový zinek.

Skladování elektřiny by měl být gigantický byznys i technický problém (foto Tesla)
Skladování elektřiny by měl být gigantický byznys i technický problém (foto Tesla)

Zinkové baterie však těžce snášejí dobíjení. Nepravidelnosti na povrchu anody způsobují, že elektrické pole je na určitých místech intenzivnější, a to má za následek další usazování zinku, které elektrické pole dále zesiluje. Jak se cyklus opakuje, rostou drobné hroty zvané dendrity, které nakonec baterii proděraví a zkratují. Stejně nepříjemné je, že voda v elektrolytu může na anodě reagovat a štěpit se na kyslík a plynný vodík, což může vést k roztržení článků.

V rozletu

Vědci začali tyto nedostatky řešit a ročně publikují téměř 1000 článků z této oblasti. V roce 2017 například Debra Rolison s kolegy z americké Námořní výzkumné laboratoře (NRL) a její kolegové v časopise Science oznámili, že anodu přepracovali na 3D síť z kovového zinku posetou drobnými dutinami. Elektroda tak měla extrémně velký povrch, což snižovalo intenzitu lokálního elektrického pole. Tím se omezoval vznik dendritů a snižovala se pravděpodobnost štěpení molekul vody. NRL poskytla licenci na tuto technologii společnosti EnZinc.

V květnu 20201 zase v úvodu zmíněný Chunsheng Wang a jeho kolegové v časopise Nature Nanotechnology uvedli, že když do svého elektrolytu přidali sůl obsahující fluor, reagovala se zinkem a vytvořila kolem anody pevnou bariéru z fluoridu zinečnatého. Ionty se skrz tuto vrstvu během nabíjení a vybíjení stále mohly dostat, bariéra však bránila růstu dendritů a odpuzovala molekuly vody. Ty se tedy nemohly dostat k anodě, rozkládat se a poškodit baterii. (Vylepšení má tu nevýhodu, že články se vybíjí poněkud pomalu. Tým zkouší přidat na katodu katalyzátory, které urychlí reakci mezi kyslíkem a vodou.)

Stejnou strategii používají i korejští výzkumníci pod vedením Jung-Ho Lee z univerzity Hanyang. V časopise Nature Energy z 12. dubna informovali o vytvoření vláknité a vodivé katody ze směsi mědi, fosforu a síry, která zároveň slouží jako katalyzátor a výrazně urychluje reakci kyslíku s vodou. Díky tomu a dalším vylepšením vznikly baterie, které lze rychle nabíjet a vybíjet a které mají vysokou kapacitu: 460 watthodin na kilogram (ve srovnání s přibližně 75 Wh/kg u standardních zinkových článků s katodami z oxidu manganičitého a nějakých 100-150 Wh/kg u velkých lithium-iontových systémů). Baterie byly stabilní po tisíce nabíjecích a vybíjecích cyklů.

Tyto úspěchy vzbuzují naději, že zinko-vzdušné akumulátory se jednoho dne budou moci vyrovnat lithiovým. Díky nízkým cenám použitých materiálů by zinko-vzdušné baterie pro síťové použití měly – alespoň podle dnešních analýz – stát méně než 100 dolarů za kilowatthodinu. Alespoň teoreticky tedy mají potenciál být cenově konkurenceschopné i v situaci, kdy lithiové baterie už jsou de facto zavedenou technologií. A mají tedy značnou výhodu v objemu investic, které do nich už byly vloženy, a to především ve výrobě. Úspory z rozsahu cejsou totiž hlavním zdrojem zlevňování této technologie v posledních letech.

Právě oblast výroby je dnes Achillovou patou této technologie. Dnes se zinkové články často vyrábí ve velikosti mincí pro naslouchátka či jiné podobné přístroje. Dotáhnout výrobu k systémů o velikosti kontejneru při zachování jejich příznivých charakteristik a výkonů, bude pravděpodobně trvat roky.

Nevýhodou je pak samozřejmě i nedůvěra zákazníků. Než elektrárenské společnosti začnou nakupovat velkokapacitní baterie nějakého typu, chtějí nejprve vidět údaje z roků provozu. Chtějí mít jistotu, že baterie nefunguje jen na papíře nebo v laboratoři. A z ní zatím zinkové – a především zinko-vzdušné – baterie i přes obdivuhodné výsledky zatím nevykročily.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

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

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

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

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

Konec dvojího nabíjení

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Co slibují?

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

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

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

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

Mají své výhody

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

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

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

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

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

Kdo další?

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

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

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

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

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

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

Prudký rozvoj využívání obnovitelných zdrojů, které závisí při výrobě na námi neovlivnitelných přírodních procesech, s sebou nese problém řízení sítě a dodávek elektřiny. Jedním zatím spíše méně důležitým, ale potenciálně klíčovým dílkem z mozaiky řešení, jak tyto zdroje lépe zapojit do stávajících sítí, jsou velká bateriová úložiště. Bateriová úložiště však v posledních letech plní čím dál více funkcí, a to od poskytování podpůrných služeb po nahrazování špičkových zdrojů.

S expanzí dodavatelského řetězce lithium-iontových baterií, kterému v dnešní době jednoznačně dominuje Čína, se v posledních několika letech podařilo značně snížit náklady na výstavbu úložišť. Podle dat americké vládní agentury U.S. Energy Information Administration (EIA) poklesly náklady na výstavbu tamních velkých bateriových úložišť z průměrných 2152 USD/kWh v roce 2015 na 625 USD/kWh v roce 2018, tedy o bezmála 70 %. Ke konci roku 2018 disponovaly Spojené státy podle agentury velkými úložišti o celkovém instalovaném výkonu 869 MW a kapacitě 1236 MWh.

Různé státy, různé ceny

Porovnání nákladů na výstavbu jednotlivých úložišť není vždy jednoznačné. V případě bateriových úložišť lze udávat náklady na instalovaný kW výkonu či kWh kapacity daného úložiště. Poměr výkonu a kapacity se tak může značně lišit, zejména podle aplikace daného úložiště.

Ceny se v USA rovněž liší geograficky, jelikož úložiště plní v různých regionech různé úlohy. Například v oblasti poskytovatele PJM na severovýchodě USA jsou bateriová úložiště podle agentury využívána především pro podpůrné služby v podobě regulace frekvence, tudíž cena vztažená na MWh je vzhledem k nižší kapacitě úložišť vyšší. Průměrná cena projektu v regionu, který PJM pokrývá byla zhruba 1950 USD/kWh. Naopak nejnižší ceny měly projekty na Havaji, kde se ceny byla téměř přesně poloviční: cca 950 UDS/kWh.

Nejvíce bateriových úložišť se dle dat EIA k roku 2019 nacházelo v Kalifornii, která rovněž disponuje nejvyšším instalovaným výkonem v solárních elektrárnách v USA. V Kalifornii lze vzhledem k současnému trendu očekávat v následujících letech intenzivní výstavbu úložišť. Například v letošním roce ve státě byla zahájena výstavba obřího bateriového úložiště o výkonu 182,5 MW s kapacitou 730 MWh.

Podle dat EIA vzrostl instalovaný výkon velkých úložišť v USA v roce 2019 o 152 MW a v období od letošního ledna do července o dalších 301 MW. Ze seznamu plánovaných investic pak podle EIA vyplývá, že v následujících letech by v USA měl výkon velkých bateriových úložišť vzrůst o nejméně dalších 6900 MW, přičemž třetinu z té hodnoty developeři agentuře oznámili mezi letošním dubnem a červencem, tedy během pouhých 4 měsíců.

Vývoj ceny bateriových úložišť v USA podle analýzy agentury EIA
Vývoj ceny bateriových úložišť v USA podle analýzy agentury EIA (foto EIA)

U nás je dráž

V Česku je situace poněkud odlišná. Velká bateriová úložiště pro poskytování síťových služeb u nás mají stále těžké postavení. Kvůli stále ještě platné legislativě mohou poskytovat pouze některé služby v rámci sítě. Čímž samozřejmě trpí jejich rentabilita. A v tuto chvíli nejsou ani žádné velké dotační programy.

Trh je proto výrazně menší a nevyvíjí se zdaleka tak dynamicky jako v USA. Podle Na základě informací od členů asociace AKU-BAT CZ ceny klesly pouze o 10 až 20 procent, uvedl výkonný ředitel asociace Jan Fousek. (Jde o ceny kompletního řešení, nikoliv samotných baterií.) Během roku 2020 se ceny velkého úložiště v Česku pohybovaly tedy zhruba kolem 20 tisíc korun za kilowatthodinu, tedy 20 milionů za megawatthodinu. I v tomto odvětví se objevují úspory z rozsahu, takže cena za menší, například domovní bateriové systémy se pohybuje výše, tak zhruba kolem 30 tisíc korun za kilowatthodinu.

Ceny u nás jsou tedy v roce 2020 v podstatě srovnatelné s průměrnými cenami havajských projektů v letech 2013 až 2018. To není dáno třeba jen obecně nižší mírou zdanění v USA, klíčovou roli v tom bude nejspíše hrát právě vyspělost trhu.

Havaj je specifický stát, který má vzhledem ke své poloze a také malé rozloze velmi drahou elektřinu z klasických zdrojů. Dovoz fosilních paliv je tam drahý, místní zásoby prakticky neexistují. Není divu, že stát zažil veliký boom obnovitelných zdrojů, které v daných podmínkách byly mnohem rychleji konkurenceschopné než jinde. Rozjezd byl tak rychlý, že místní distribuční společnosti omezovaly připojení nových zdrojů, především střešních fotovoltaických elektráren. V takové situaci předvídatelně rychle stoupl zájem o bateriová úložiště. To vedlo k nárůstu konkurence a to následně zase k poklesu cen.

Česká republika zdaleka v této fázi ještě není. Spojené státy, a především tedy státy jako Havaj, kde je z různých důvodů měly baterie lepší startovní pozici a svůj ekonomický smysl, jsou spíše pro nás příkladem do budoucna. Konkrétně do doby, než baterie překonají technické, legislativní a ekonomické bariéry bránící jejich nasazení. Česká síť je nutně nepotřebuje, incentivy jsou menší než jinde, ale časem si své místo najdou.

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.

Německo začíná exponenciální růst v počtu domácích solárních systémů spojených s bateriemi. Již třetí rok za sebou se jejich počet zvýšil zhruba o polovinu, uvedla německý oborový spolek Bundesverband Solarwirtschaft. Na konci roku 2020 tak u našich sousedů mělo takových sestav být v zemi véce než čtvrt milionu.

Rok 2020 byl dokonce nadprůměrně přiznivý. Počty pořízených fotovoltaických systémů se meziročně zvýšili o 100 procent. Zhruba každá druhá domácnost z nich investovala do solární baterie, aby mohla využívat vyšší část vyrobené solární energie pro vlastní spotřebu. Stále častěji je podle průzkumům důvodem nabíjení elektromobilů.

Celkem si tak loni v Německu baterie popřídilo podle odhadů BSW přibližně 88 tisíc domácností. Celkový počet solárních systému s akumulátory se tak zvýšil na přibližně 270 tisíc.

Solární systémy spojené s akumulací energie jsou také čím dál zajímavější pro firmy. Od začátku roku mohou provozovatelé solárních systémů totiž novým způsobem šetřit. Výrazně, na trojnásobek, se zvýšil limit energie, kterou mohou spotřebovat bez toho, aby museli platit příspěvek na provoz obnovitelných zdrojů. Letos tak mohou firma nově spotřebovat 30 MWh, za které nezaplatí příplatek pro rok 2021 zastropováný na 65 EUR/MWh.

Což dává novou motivace investovat do baterií majitelům starších fotovoltaik, kterým už vypršela garantovaná 20letá podpora. Pro provozovatele těchto systémů je z ekonomického hlediska nejvýhodnější využít co nejvíce energie pro vlastní spotřebu. Podle informací BSW vyprší do roku 2030 podpora půl milionu solárních energetických systémů.

Bateriový boom posledních let je možný primárně díky jediné technologii: lithium-iontovým článkům. Ale poměrně významná skupinka odborníků a firem doufám, že své místo si vedle nich najdou i technologie velmi odlišné: tzv. průtočné baterie.

Ty jsou pro použití třeba právě v elektronice či jiných mobilních aplikacích zcela nevhodné. Ovšem mohly by najít svou niku v oboru velkých stacionárních úložišť.

Staré, ne příliš osvědčené

Průtočné baterie nejsou samozřejmě žádnou horkou technologickou novinkou, známé jsou dlouhou dobu a v celé řadě variant. Existují například také zinkobromidové baterie (BrZnBR) či bromidsodné baterie (PSB, Br/S), tou nejdiskutovanější variantou je ovšem vanadová redoxní baterie (označuje se často zkratkou VRB).

Světlo světa spatřila v 80. letech minulého století jako nečekaný potomek výzkumu možných zdrojů energie pro vesmírné sondy. V zásadě jde o typ, který se velmi podobá konvenčním bateriím. Jejím jádrem jsou membránou oddělené uhlíkové elektrody, přes které protéká tekutý elektrolyt umístěný ve dvou velkých nádržích. Elektrolyt je rozdělen na kladný a záporný, každý s vlastním okruhem, které od sebe na elektrodách odděluje iontově výměnná membrána s vhodnými vlastnostmi.

Princip fungování vanadové baterie. Jak je vidno, baterie je nezvyklá v tom, že její kapacitu v podstatě určuje velikost nádrže s elektrolytem, zatímco výkon množství článk
Princip fungování vanadové baterie. Jak je vidno, baterie je nezvyklá v tom, že její kapacitu v podstatě určuje velikost nádrže s elektrolytem, zatímco výkon množství článků. (foto Suminoto Electric)

Možná ilustrativnější je tedy o baterii mluvit jako o palivovém článku, čtenář by si tak zhruba mohl představit hlavní výhodu vanadových baterií – totiž možnost nezávislého nastavení výkonu a kapacity podle přání a požadavků zadavatele. Kapacitu baterie určuje velikost „nádrže“ na kladný a záporný elektrolyt, který v případě většiny používaných vanadových redox baterií tvoří soli vanadu rozpuštěné ve zředěné kyselině sírové.

Výkon baterie naopak zase určuje konstrukce samotného „motoru“, konkrétně řečeno tedy velikost aktivní plochy a počet článků v bateriovém svazku. Pokud je takový systém vhodně zapojen, umožňuje vytváření velkých systémů s prakticky nepřetržitým provozem (údržba jedné části nemusí ovlivnit funkci celého zdroje).

Škálovatelnost řešení je velkou výhodou především pro velké stacionární zdroje. Samotný elektrolyt i nádrže, ve kterých se uchovává, jsou poměrně levné, a tak cena za jednotku kapacity – obvykle se udává v dolarech za kWh – s rostoucí kapacitou baterie klesá. Trh s vanadovými bateriemi je poměrně malý, smlouvy neveřejné, ale podle dostupných informací může cena za kWh s rostoucí kapacitou klesat skutečně poměrně výrazně. U malých systémů se dnes mluví o ceně kolem 500 dolarů/kWh, u větších zdrojů se ovšem může dostat poměrně snadno pod 300 dolarů/kWh.

Malé nejsou

Pro stacionární použití jsou baterie určeny i z jiných důvodů. Tím hlavním je nízká energetická hustota elektrolytu, řádově v nízkých desítkách kWh na m³ elektrolytu. Výkony se mohou poněkud lišit podle výrobce a technologie (v posledních letech došlo k jistému pokroku).

Například čínská společnost Rongke Power pracovala v posledních letech s klasickou technologií vanadových průtočných baterií, u svých baterií dosahuje energetické hustoty cca 12 až 15 kWh na m3 elektrolytu. Nevýhodou této technolgoie je jak poměrně nízký obsah energie, tak například také poměrně nízký rozsah pracovních teplot, který se pohybuje mezi 10–40 °C (v praxi se teplota udržuje samozřejmě ještě v užším rozmezí). To s sebou nese nutnost instalace systému řízení teploty, který zvyšuje spotřebu bateriového systému na provoz, tím snižuje celkovou účinnost skladování energie. Nutnost poměrně přesné regulace teploty také samozřejmě zvyšuje pořizovací náklady.

K dispozici jsou ovšem už i modernější technologie, které tento a některé další nešvary systému odstraňují. Velká část z nich ještě dnes těží z projektu americké Pacific Northwest National Laboratory, který se z veřejných peněz uskutečnil v letech 2007–2011. V jeho rámci se podařilo vyvinout a demonstrovat nové složení elektrolytu, stále sice stále obsahuje toxické látky, ale složení vedlo jak ke zvýšení měrné energetické hustoty baterie, tak i k rozšíření rozsahu pracovních teplot.

Elektrolyt je opět založen na solích vanadu rozpuštěný ve směsi kyseliny sírové a nově také kyseliny chlorovodíkové. Směs umožňuje zlepšit rozpustnosti solí vanadu, díky čemuž je možné dosáhnout vyšších energetických hustot. Ta se zvýšila na hodnoty nad 20 kWh na m³, což sice stále baterie omezuje na stacionární použití, ale nese s sebou přirozeně příjemné snížení rozměrů celého systému. Co se pracovních teplot týče, baterie s chlorným elektrolytem údajně mohou pracovat v rozmezí zhruba 0–50 °C, což jistě stále není ideální a vyžaduje zajištění tepelného řízení celého systému, ale znovu jde o krok směrem ke zvýšení praktické využitelnosti VRB systémů.

Schéma vanadové baterie
Schéma vanadové baterie (foto Suminoto Electric)

Energetická hustota vanadových baterií tedy nesnese přímo srovnání s klasickými lithiovými bateriemi. Lithium-iontové baterie jsou v tomto ohledu téměř o řád lepší, řádově v nižškých stovkách kWh/m3 podle typu a určení. Není divu, že v mobilním telefonu vanadovou baterii nikdy neuvidíte.

Na druhou stranu tento typ baterií by měl být extrémně trvanlivý. Baterii nijak nevadí hluboké vybití a může za svou životnost absolvovat podle výrobců desítky tisíc cyklů, aniž by se její kapacita výrazně změnila. Nejmenší životnost z celého systému má obecně řečeno membrána, a i tu výrobci udávají v hodnotách přesahujících 10 tisíc cyklů. V principu pak není nemožné membránu vyměnit, i když s tím spojené náklady lze těžko odhadovat; záleží samozřejmě na ceně membrány samotné i konstrukci celé baterie. Navíc materiál samotných membrán se vyvíjí, takže jejich životnost by se do budoucna mohla nadále zvyšovat.

Načíst další