Proč baterie neumí dodávat elektřinu déle než čtyři hodiny

Batteries can deliver more than four hours worth of electricity. But the economics of energy storage depend on the application, and no energy storage option makes cheap kWh unless it is used to deliver enough kWh. Long-term storage must have an ultra-low capital cost to be affordable, because otherwise its cost is not distributed over a large enough number of kWh.

Kolem baterií panuje mnoho nedorozumění. Mýty jsou všudypřítomné. Vznikají proto, že zrnko pravdy je špatně pochopeno a poté zveličeno šiřiteli strachu, nejistoty a pochybností (FUD – fear, uncertainty and doubt) a propagátory omylu nirvány [druhu falešného dilematu, který spočívá v diskreditaci určitého řešení pro jeho nedokonalost, pozn. red.]. Jedním z populárních mýtů, respektive nedorozumění, je, že baterie nemohou uložit více elektřiny, než kolik se z nich vybije za asi čtyři hodiny.

Lithium-iontová baterie dokáže skladovat energii po celé měsíce. Míra samovybíjení u LFP (lithium-železo-fosfátových) článků činí řádově 1–5 % za měsíc. Takže ne, není pravda, že by energie uložená v baterii po delší čas prostě vyprchala nebo zmizela. Zcela něco jiného je však tvrdit, že byste si akumulační systém, který by uchovával elektřinu na měsíc dopředu, mohli dovolit vybudovat!

EKONOMIKA UKLÁDÁNÍ ENERGIE

Ekonomika ukládání energie je docela jednoduchá, ale je potřeba jí rozumět, abyste pochopili, proč se cílí na určité doby uložení – a proč problém dlouhodobého, a zejména sezónního skladování energie nutí tolik lidí lámat si hlavu a hledat nejrůznější podivná a podivuhodná řešení. Čísla jsou v tomto případě poučná. Vezměme si tedy jednoduchý příklad: domácí energetický systém. Řekněme, že si koupíte LFP baterie a sestavíte z nich 100 kWh bateriový blok s celkovou cenou 100 USD za jednu kilowatthodinu kapacity. Toho lze dnes docela snadno dosáhnout, pokud nevyžadujete předem zabalené, certifikované bateriové řešení a vystačíte si s takovým systémem, který je dostatečně bezpečný a spolehlivý.

Velkoformátové LFP články mají garantovanou životnost přibližně 6 000 cyklů, což znamená, že je můžete přibližně šest tisíckrát téměř plně nabít a vybít, než jejich kapacita klesne na 80 % původní hodnoty. Šest tisíc denních cyklů by trvalo 16,4 let. Všechny lithium-iontové baterie rovněž začínají degradovat od první chvíle, kdy jsou nabity. Takzvaná „kalendářní životnost“ vede k degradaci asi 1 % ročně, i když jsou baterie pouze skladovány a vůbec se necyklují. Trvalo by tedy 20 let, než by degradovaly na 80 % původní kapacity, i kdyby nikdy nebyly použity. Pokud jsou baterie skladovány v 90% stavu nabití (SOC), může být degradace mnohem rychlejší – až 3 % ročně. Tedy 6,7 roku, než kapacita klesne na 80 % počáteční hodnoty. Životnost lithium-iontových baterií je tedy do jisté míry otázkou principu „co nevyužiješ, ztratíš“ (v orig. use it or lose it).

Abychom si však výpočet zjednodušili, stanovme následující předpoklady:

• 100 kWh úložiště,
• 90% využitelná hloubka cyklu (ze 100 % na 10 % SOC při každém cyklu),
• 1 cyklus denně,
• 6 000 cyklů garantovaná životnost a kalendářní degradace o trochu více než 1 % ročně, takže baterii bude třeba vyměnit po 16,4 letech,
• 100 USD/kWh počáteční investiční náklady,
• 90% obousměrná účinnost (tj. pokud do nabíjecích obvodů dodáte 10 kWh elektřiny, získáte zpět 9 kWh na vstupu střídače).

Baterie by tedy za 16,4 let provozu vrátila 100 kWh × 6000 cyklů × 0,9 hloubka cyklu (SOC) × 0,9 účinnost = 486 000 kWh. Pořizovací cena baterie by činila 100 USD/kWh × 100 kWh = 10 000 USD. Tu samozřejmě zaplatíme hned v „den 1“. Pokud ignorujeme úrokové sazby, samotné náklady na skladování činí 10 000 ÷ 486 000 = 0,02 USD/kWh. Plus cena elektřiny, kterou baterii napájíme (děleno 0,9, protože kvůli účinnosti musíme dodat 10 kWh, abychom získali zpět 9 kWh). Připočtěte úrok, protože kapitál není zdarma, a náklady na uloženou kilowatthodinu se zvýší, neboť kilowatthodiny jsou dodávány v budoucnu, zatímco kapitál musí být uhrazen předem.

Co se stane, když baterii budeme cyklovat ne denně, ale každý druhý den? Nezmění se nic kromě počtu cyklů, který nyní klesá na 3 000 za 16,4 let. Poté bude i tak nutné baterii vyřadit kvůli kalendářní životnosti. Cena za vrácenou kilowatthodinu se tak jednoduše zdvojnásobí na 0,04 USD/kWh. A co kdybychom baterii cyklovali jen jednou měsíčně? Páni – teď rozkládáme investiční náklady na pouhých 16,4 × 12 = 197 cyklů. Cena za kWh dosáhne 0,63 USD/kWh! Nebo možná trochu méně, pokud by baterie při tak nízké frekvenci cyklování vydržela spíše 20 než 16,4 let.

Z tohoto jednoduchého výpočtu je patrné, co se stane, pokud budeme baterii cyklovat méně často! A pamatujte – skutečné projekty musí investorům generovat výnosy, takže náš zjednodušený výpočet nákladů na kapitál (nezohledňující diskontní sazby, tj. úroky), podhodnocuje skutečné náklady na kilowatthodinu. U skutečných projektů navíc nakonec příjmy z výroby více než 20 let po spuštění projektu nemají – při úrokových sazbách očekávaných věřiteli nebo investory – až tak velký význam.

„Baterie, které budou absolvovat pár cyklů za měsíc nebo za rok, protože jsou navrženy pro delší dobu vybíjení, musí být buď velmi levné, nebo najít zoufalé zákazníky.

VLIV ZÁSADNÍCH FAKTORŮ NA NÁKLADY

Podobné výpočty je možné provést pro každý typ systému pro ukládání energie, který si lze představit. A závěry jsou podobné. Vliv jednotlivých faktorů můžeme shrnout takto:

• Investiční náklady: Náklady na uloženou, respektive potenciálně vrácenou kWh v případě méně efektivních typů úložišť, silně závisí na investičních nákladech baterie. Dražší baterie se investorům vyplatí jen tehdy, pokud jsou často cyklovány. Baterie, které budou absolvovat pár cyklů za měsíc nebo za rok, protože jsou navrženy pro delší dobu vybíjení, musí být buď velmi levné, nebo najít zoufalé zákazníky ochotné nést vysoké náklady na vrácenou kWh.
• Cykly: Častější, a tedy kratší cykly snižují náklady na vrácenou kWh bez ohledu na výši investičních nákladů.
• Životnost: Pokud je počet garantovaných cyklů dostatečný, aby odpovídal „kalendářní životnosti“, nemá zvýšení celkového počtu cyklů, který baterie zvládne absolvovat, ekonomický význam – i když může pomoci z hlediska environmentálních dopadů. A peníze vynaložené na prodloužení životnosti z hlediska počtu cyklů generují klesající výnosy. Povšimněte si, že zatímco všechny druhy uzavřených baterií mají jak „cyklickou“, tak „kalendářní“ životnost, jiné systémy (jako jsou průtokové baterie, přečerpávací vodní elektrárny či skladování stlačeného vzduchu) ovlivňují také další faktory jako provozní a údržbové náklady, které jsou komplexněji ovlivňovány tím, k jak častému, hlubokému a rychlému cyklování dochází.
• Účinnost: Vysoká účinnost pomáhá snížit náklady na vrácenou kWh. Nízká účinnost je zvyšuje. Je také důležité si uvědomit, že u lithium-iontových baterií s vysokou účinností je malý rozdíl mezi kapacitou (tj. schopností absorbovat kWh) a vrácenou energií. Pokud však máte baterii nebo jiné úložiště o kapacitě 100 kWh, který má účinnost pouze 50 % (což může být případ baterií typu železo-vzduch), jedná se ve skutečnosti o baterii s kapacitou jen 50 kWh. Uvádění nákladů na uloženou kWh pak vede k mylné představě o nákladech na vrácenou kWh.

DŮSLEDKY PRO PRAXI

Důsledky výše uvedených tezí je třeba zvážit pro různé případy užití (use cases) a typy úložišť.

Ukládání solární energie. Významný podíl solární energie v energetickém mixu víceméně zaručuje úložištím připojeným k síti jeden cyklus denně. A ukládání energie pro potřeby sítě se nemusí tak docela zabývat energetickou hustotou na jednotku hmotnosti nebo objemu. Ale co uděláte, abyste vyrovnali rozdíly mezi slunečnými a oblačnými či deštivými dny? Nebo mezi létem a zimou, zejména v regionech, kde sněží? Rozhodně nikdy nepoužijete baterie k ukládání přebytečných kilowatthodin vyrobených z energie slunce v létě k využití v zimě. Budete potřebovat jinou strategii.

Letadla. Elektrická letadla by měla víceméně zaručený jeden nebo více cyklů denně. Jejich hlavním problémem proto nejsou investiční náklady na uloženou kWh, ale faktory důležité z hlediska proveditelnosti: například energetická hustota na jednotku hmotnosti a objemu.

Lodě. Zaoceánské lodě jsou velmi citlivé na náklady na palivo/energii a zpočátku by se zdálo, že elektrifikace pro ně představuje dobrou volbu, pokud lze plavidla dobíjet levnou elektřinou z větrných a solárních zdrojů. Protože však loď potřebuje přes měsíc, aby překonala Pacifik rychlostí, která ekonomicky dává smysl, musela by být jakákoli baterie použitá v lodi opravdu velmi levná. Jinak by totiž každá kWh vrácená během její životnosti byla pro provozovatele neúnosně nákladná. Opačný konec spektra využití baterií v lodní dopravě reprezentují trajekty jezdící na krátké vzdálenosti. Ty mohou svou baterii cyklovat i několikrát denně, a jsou tedy jednoznačnými kandidáty na elektrifikaci.

Průtokové baterie. Domnělou výhodou průtokových baterií je, že umožňují odloučení výkonu (energie vyprodukované za jednotku času – kW) od ukládání energie (kWh). Nejjednodušší příklad nabízí průtokové vanadové redoxní baterie (VRB): k nabíjení a vybíjení baterie se používá průtokový bateriový blok (který je podobný palivovému článku, ale má odlišnou konstrukci) a jeho velikost (a cena) je určena rychlostí, jakou musí být schopen absorbovat energii během nabíjení a dodávat energii během vybíjení. Ukládání energie se naproti tomu sestává z dvojice nádrží – obvykle plastových, naplněných anolytovým a katolytovým roztokem vanadových iontů v kyselině sírové. Nabíjení a vybíjení obnáší čerpání roztoků z jedné nádrže do druhé. Zatímco samotné nádrže jsou velmi levné, vanadový roztok bohužel ne. Objem roztoku potřebného k uložení 1 kWh v současné době stojí (při tržních cenách V₂O₅ a rozumné úvaze o nákladech na výrobu vhodného elektrolytického roztoku) více než 100 dolarů. Vzhledem k tomu, že prizmatické LFP články lze zakoupit v maloobchodě za 50 USD/kWh a sodíkovo-iontové baterie mají potenciál být za necelých deset let ještě levnější, se zdá, že VRB jsou technologií odsouzenou k zániku.

Železo-vzduchové baterie. Jejich zastánci, jako je štědře financovaný startup Form Energy, navrhují použít koncepčně velmi jednoduchý proces reverzibilní oxidace a pokovování železa (neboli „vratné koroze“) jako metodu pro velmi levné dlouhodobé skladování energie. Ďábel se však zřejmě skrývá v detailech. Velmi nízká účinnost v kombinaci s praktickými omezeními souvisejícími s rychlostí nabíjení a vybíjení, stabilitou baterie při skladování (tj. vysokou mírou samovybíjení) a podobně znamenají, že mají-li být železo-vzduchové baterie konkurenceschopné, musely by být skutečně velice levné v přepočtu na uloženou kWh. Jinak nemohou díru na trhu, kterou představuje skladování na dlouhá období s nízkým počtem cyklů, zaplnit. Zda tato technologie dostatečně nízkých investičních nákladů dosáhne a najde si na trhu svůj specifický segment, zůstává nejisté.

Vodík. Nízká účinnost při cyklování, vysoké investiční náklady a nízká energetická hustota z vodíku činí strukturálně nevhodný bateriový systém. Zatímco náklady na uloženou kWh energie ve vodíku v solné jeskyni (kaverně) mohou být velmi nízké, nejlepší dosažitelná obousměrná účinnost je přibližně 37 %. Tedy nakup 3 kWh, získej 1 kWh zpět. Kromě toho jsou investiční náklady na kilogram vyrobeného vodíku velmi citlivé na kapacitní faktor použitého elektrolyzéru. A náklady na vrácenou kWh zase úzce souvisí s kapacitním faktorem zařízení (palivového článku nebo plynové turbíny), které je použito k transformaci energie uložené ve vodíku zpět na elektřinu. Kromě toho nebývají lokality vhodné pro výrobu a skladování vedle sebe, což vyžaduje vytvořit vodíku přepravní infrastrukturu na míru – z místa výroby do místa skladování a poté do místa, kde bude spálen. Z toho plyne, že představa o tom, jak budeme vyrábět vodík pouze z přebytků obnovitelné elektřiny, a následně jej ukládat pro využití během chladných Dunkelflaute [období několika dnů až týdnů, kdy téměř nesvítí slunce ani nefouká vítr, pozn. red.], které mohou ročně nastat klidně jen na týden či dva, je zkrátka naprostým ekonomickým mýtem. Takové využití vodíku nebude nikdy cenově dostupným systémem skladování energie.

„Představa o tom, jak budeme vyrábět vodík pouze z přebytků obnovitelné elektřiny, a následně jej ukládat pro využití během chladných Dunkelflaute, je naprostým ekonomickým mýtem.

ÚLOŽIŠTĚ ELEKTŘINY PRO PŘÍPAD NOUZE

Každé záložní elektroenergetické řešení, ať už pro případ nouze či Dunkelflaute, musí splňovat následující kritéria, má-li být úspěšné:

• Musí být naprosto spolehlivé. Pokud tato podmínka není splněna, je dané řešení bezcenné.
• Musí mít nízké investiční náklady, jelikož bude provozováno jen zřídka, a proto se CAPEX rozprostře jen na velmi málo kWh.
• Provozní náklady (náklady na palivo) a účinnost jsou důležité, ale oproti investičním nákladům druhořadé – a to opět proto, že při málo spotřebovaných kWh budou celkové náklady na palivo vždy nízké.
• Všechny praktické strategie ke zmírnění a minimalizaci rozsahu a trvání nouzových situací by měly být využity prioritně. To zahrnuje masivní výstavbu obnovitelných zdrojů, zajištění průchodnějších obousměrných sítí, chytré řízení poptávky a podobně [tématu vhodné kombinace energetických řešení pro dekarbonizaci se autor komplexně věnuje v jiném textu, jehož překlad přineseme příště, pozn. red.].

Podle mého názoru tato kritéria nejlépe naplňuje skladování paliv. Zpočátku asi těch fosilních a vposledku, pokud nám bude dělat starosti pár posledních procent dekarbonizace, biopaliv. Na tomto řešení je nejlepší, že máme k dispozici infrastrukturu pro fosilní paliva, kterou lze potřebě nouzového zdroje přizpůsobit. Existují například systémy pro přepravu a skladování zemního plynu, které se již plně zaplatily a v dekarbonizované budoucnosti nemají využití, a proto je třeba je pouze udržovat. Ve stávající infrastruktuře pro zemní plyn bychom mohli například skladovat bioplyn z anaerobní digesce, který by pokryl celý rok našich potřeb pro těch pár procesů, které vyžadují plamen (ne pouze teplo), a také jako zásobárnu energie pro krizové situace a Dunkelflaute.

Tyto nouzové zdroje by musely mít nízké investiční náklady, vzhledem k relativně nízkému množství kWh, které by ročně vyrobily. Jakákoli výrobna používaná jen zřídka bude přitom vysoce závislá na nákladech financování – tedy ceně půjčky, která ji pomůže zaplatit. Nouzové výrobní prostředky by proto v ideálním případě měly být ve veřejném vlastnictví, protože vlády si dokážou půjčit nejlevněji.

„Ve stávající infrastruktuře pro zemní plyn bychom mohli například skladovat bioplyn z anaerobní digesce, který by pokryl celý rok našich potřeb pro těch pár procesů, které vyžadují plamen (ne pouze teplo), a také jako nouzovou zásobárnu energie.

Poznámka redakce

Děkujeme Paulu Martinovi za laskavé svolení k překladu a uveřejnění tohoto textu. Jeho původní znění bylo v anglickém jazyce pod názvem Why Can’t Batteries Store More than Four Hours Worth of Power? publikováno 10. ledna 2026 na blogu jeho společnosti Spitfire Research Inc., která se věnuje konzultační činnosti v oblasti vývoje procesů pro dekarbonizaci. Text je dostupný na tomto odkazu: www.spitfireresearch.com/why-cant-batteries-store-more-than-4-hours-of-energy.

O AUTOROVI

Paul Martin je zkušený chemický inženýr z Kanady s 35 lety praxe v široké škále odvětví chemického průmyslu. Většinu svého dosavadního profesního života strávil ve společnosti Zeton, kde pracoval na projektech týkajících se ropy, zemního plynu a chemikálií (hydrorafinace, přeměna plynu na kapaliny atd.), biopaliv a biologických surovin, primárních kovů, materiálů vč. těch pro baterie, polymerů a jemných chemikálií. Nyní se věnuje odborné konzultační činnosti ve vlastní firmě Spitfire Research Inc.

Kontakt: spitfireresearchinc@gmail.com