Teplo pro průmysl uložené v cihlách a další milníky

As fossil fuel plants retire, the energy sector is searching for new ways to keep the lights on and the grid steady. The latest IEA The State of Energy Innovation report shows that in this new era, energy R&D turns to a diverse set of solutions from brick batteries for industrial heat to a Static Var Compensator integrated with supercapacitors for artificial inertia.

Energetika patří mezi nejvýznamnější a technologicky nejdynamičtější části světové ekonomiky. Trhy s energetickými technologiemi – od baterií přes transformátory až po turbíny – mají hodnotu bilionů dolarů a výdaje na energii tvoří až 10 % světového HDP. Není proto překvapivé, že každý desátý patent na světě dnes souvisí právě s energetikou. Z tohoto pohledu je energetika dokonce inovativnější než chemický nebo farmaceutický průmysl.

Zároveň se mění motivace, které inovace pohánějí. Zatímco ještě před několika lety dominovala agenda ochrany klimatu, dnes se do popředí dostává bezpečnost, konkurenceschopnost a taky systémová stabilita. Podíl bateriových technologií na všech energetických patentech dokonce loni dosáhl přibližně 40 %. A zajímavé novinky spatřují světlo světa také v oblasti sítí, ať už jde o grid-forming střídače, které umožňují obnovitelným zdrojům či bateriím simulovat setrvačnost a chování konvenčních rotačních generátorů, nebo třeba polovodičové transformátory, často označované za nutnost v době obřích datacenter pro potřeby umělé inteligence.

EVROPA NA VZESTUPU ČI V PÁDU?

Ačkoli je Evropa mnohdy označována za technologický skanzen, na výzkum a vývoj (R&D) v oblasti energetiky vynakládá v přepočtu na hrubý domácí produkt více než Spojené státy nebo Japonsko. V roce 2024 dosáhly evropské veřejné výdaje v této oblasti 0,08 % HDP, respektive 19 miliard amerických dolarů. Více než polovina těchto prostředků byla určena jaderné energetice a technologiím pro energetické úspory. Evropské startupy jsou zároveň stále úspěšnější ve shánění soukromého financování: zatímco v roce 2020 měly asi 15% podíl na celosvětovém venture kapitálu směřujícím do energetických startupů, loni už jim náležela čtvrtina celku. Pro srovnání, Spojené státy si z tohoto koláče ukousávají rovnou polovinu.

Jak přitom Mezinárodní energetická agentura (IEA) připomíná, veřejné výdaje na výzkum v energetice mohou přinést zásadní průlomy. Státní peníze například v 90. letech minulého století podpořily výzkum a testování plovoucích LNG terminálů, které ještě před deseti lety téměř neexistovaly, ale v roce 2030 mají zajišťovat až osminu celosvětové kapacity. Lithium-iontové baterie, dnes tvořící jádro akumulace energie, zase našly cestu k tržnímu uplatnění až po několika desetiletích výzkumu hrazeného z veřejných rozpočtů – od prvního patentu, který financovala v roce 1981 britská vláda, to byla opravdu dlouhá cesta.

Na druhou stranu, počet patentových žádostí souvisejících s energetikou v Evropě během posledních let výrazně klesl. Pokles zaznamenaly i USA, byť mírnější. Pozvolný růst naopak hlásí Jižní Korea a stabilizaci nad evropskou úrovní Japonsko, které je hlavním tahounem v oblasti bateriových technologií, ale i vodíkových paliv. Zázračným dítkem je z tohoto pohledu Čína: patentových žádostí tam výzkumníci podávají dvakrát více než ve Spojených státech.

ZÁVODY O INOVAČNÍ PRVENSTVÍ

Situace, ve které se Evropa ocitla, nicméně není nutně zoufalá. Poměrně dobře si totiž vede v seznamu projektů, které IEA označuje jako závody o prvenství v energetických inovacích (Races to First in Energy Innovation). Jedná se o 19 dosud nepřekonaných technologických výzev, u nichž IEA stanovila jednoznačná kritéria pro to, aby byly považovány za splněné. Patří mezi ně například opakované nasazení malých modulárních reaktorů (SMR), kde je kritériem splnění úspěšné zprovoznění alespoň tří reaktorů pod 300 MW stejného designu v různých lokalitách a přinejmenším dvou zemích. V této oblasti je podle IEA nejdále Rolls-Royce, Rosatom a americká joint venture GE Vernova – Hitachi, byť ve všech případech jde o fázi testování v menším měřítku.

Dalším milníkem je třeba provoz první velké fabriky na udržitelné letecké palivo, přičemž konkrétním cílem je prodávat aerolinkám palivo, jehož energetický obsah pochází pouze z elektřiny, lignocelulózové biomasy (a ne tedy například kukuřice či řepky) nebo řas. Tento závod vede Čína, kde státem vlastněná společnost China Energy Engineer­ing Group staví a příští rok má zprovoznit továrnu na syntetická letecká paliva vyráběná z bioplynu a vodíku pomocí Fischerovy-Tropschovy syntézy. Ročně má dodat 100 000 tun paliva. Ještě větší projekt využívající vodík k výrobě leteckých paliv hlásí další firma na severu Číny. U hranic s Mongolskem má vzniknout fabrika s výrobní kapacitou 100 000 tun zeleného kerosinu za rok poháněná 300 MW výkonu ve větrných elektrárnách. Později má být výroba rozšířena na 350 000 tun ročně za využití větrného parku s celkovým instalovaným výkonem 1 GW. Pokrok hlásí ale i Německo, které buduje fabriku na výrobu zeleného kerosinu z vodíku u Frankfurtu. Její kapacita nicméně dosáhne o poznání skromnějších 2 500 tun ročně.

Zásadním dosud nerozlousknutým technologickým oříškem je pak samozřejmě dlouhodobé bateriové ukládání energie. Překonání výzvy IEA definuje jako uskutečnění vícero cyklů s alespoň 1 GWh úložištěm, které skladuje elektřinu ze sítě na jednom místě v elektrochemické podobě a vrátí jej zákazníkovi do sítě přinejmenším o týden později. Jeden cyklus je definovaný jako nabití a vybití alespoň 25 % akumulační kapacity. Úspěchu jsou nejblíž dvě čínské firmy, americký startup Form Energy, další americká firma ESS ve spolupráci s LEAG (druhým největším výrobcem elektřiny z uhlí v Německu) a nizozemský startup Ore Energy. Z technologického hlediska je pozornost upřena na železo-vzduchové baterie (Form Energy, Ore Energy), průtokové redoxní baterie ze železa (ESS & LEAG) a vanadové průtokové baterie.

K zajímavému souboji o prvenství dochází také ve vývoji elektrických vozidel s polovodičovou baterií. Za kýžený milník IEA považuje sériovou výrobu alespoň 10 000 vozů za rok. Blíží se k němu dvě automobilky: čínský BYD (první auta s polovodičovými bateriemi mají z jeho výrobní linky sjet v roce 2027, sériová výroba má následovat o tři roky později) a japonská Toyota (první elektroauto s výhradně polovodičovou baterií se chystá představit v roce 2028). A korejský výrobce Samsung SDI hlásí, že již otestoval polovodičovou baterii s energetickou hustotou 500 Wh/kg. Tedy čtyři až pětkrát vyšší, než mají běžné lithium-železo-fosfátové (LiFePO₄) baterie.

„Počet patentových žádostí souvisejících s energetikou v Evropě během posledních let výrazně klesl. Zázračným dítkem je naopak Čína, kde výzkumníci žádají o patenty dokonce dvakrát více než ve Spojených státech.

MILNÍKY V UKLÁDÁNÍ ENERGIE

V letošní zprávě o stavu energetických inovací (The State of Energy Innovation 2026) si IEA všímá dvanácti pozoruhodných technologických novinek v oblasti ukládání energie a sítí. Klasifikuje je dle jejich úrovně technologické připravenosti (Technology Readiness Level, TRL), k čemuž se běžně používá jedenáctibodová škála. Pro průkopnické počiny jich je ale relevantních především prvních devět, tedy až po komerční provoz (Obrázek č. 1).

Obrázek č. 1: Úrovně technologické připravenosti

Zdroj: IEA

Právě deváté úrovně, která značí klíčový krok od ukázkových projektů ke skutečné adopci dané technologie, dosáhly podle IEA loni rovnou čtyři projekty související s ukládáním energie. Rovnou dva z nich byly dokončeny v Číně. V autonomní oblasti Sin-ťiang došlo k instalaci největší vanadové průtokové baterie na světě s výkonem 200 MW, kapacitou 1 GWh a napojením na sousedící gigawattovou solární elektrárnu. Druhým čínským úspěchem bylo zprovoznění zařízení využívající energii stlačeného vzduchu s výkonem 600 MW a kapacitou 2,4 GWh. Srdcem projektu jsou vytěžené solné kaverny v prefektuře Chuaj-an. Využitá technologie spočívá v tom, že levnou elektřinou pohání kompresor, který stlačuje vzduch. Ten je následně uložen pod zem a využit k výrobě elektřiny ve chvílích vyšší poptávky. Náklady na uloženou megawatthodinu činí dle odhadů 25–40 EUR/MWh, což je v Číně úroveň srovnatelná s náklady na ukládání energie v přečerpávacích vodních elektrárnách, a obousměrná účinnost úložiště se blíží 70 %.

Dalším „devítkovým“ úspěchem je projekt největšího evropského bateriového úložiště, které vyroste v braniborské lokalitě firmy LEAG (dceřiná společnost EP Energy Transition). Ta v obci Jänschwalde poblíž polských hranic těžila hnědé uhlí a provozuje od roku 1981 hnědouhelnou elektrárnu a teplárnu. Tu však v souladu s německou legislativou čeká do roku 2028 uzavření, už v roce 2024 byla elektrárna na polovině svého původního výkonu 3 GW. V lokalitě tedy bude moci vyrůst „bateriové pole“ o celkovém výkonu 1 GW a kapacitě 4 GWh, zprovozněno by mělo být na přelomu let 2027 a 2028.

Posledním projektem akumulace s TRL = 9, který IEA vyzdvihuje, je úložiště tepla s kapacitou 100 MWh uvedené do provozu v Kalifornii. Na tomto akumulačním zařízení je až fascinující jeho jednoduchost: využívá levnou elektřinu z ostrovní solární elektrárny k ohřátí cihel (pomocí odporových drátů). A když průmysloví odběratelé potřebují teplo, prožene se kolem cihel rozpálených až na 1 500 stupňů celsia vzduch, který následně v tepelném výměníku předá energii vodě a vytvoří vysokotlakou páru (přes 100 barů). Obousměrná účinnost? Podle investora Rondo Energy více než 97 % (při cyklu elektřina–úložiště–teplo). Atraktivitu technologie potvrzuje i zájem investorů: do konce roku má obdobná baterie, rovněž s kapacitou 100 MWh, vyrůst také v německém Brunsbüttelu nebo u pivovaru Heineken v Portugalsku.

Z dalších projektů skladování energie stojí za zmínku také první komerční písková baterie na světě (TRL = 8) s tepelným výkonem 1 MW a akumulační kapacitou 100 MWh [podrobněji jsme o ní psali v PRO-ENERGY 3/2025, pozn. red.]. Za svým způsobem přelomovou označuje IEA také baterii na bázi roztavené soli, kterou zprovoznila dánská potravinářská firma ve své fabrice na zpracování kukuřice v maďarském Tiszapüspöki. Tato tzv. tepelná kostka dokáže uložit 56 MWh a disponuje tepelným výkonem 14 MW. Uváděná obousměrná účinnost dosahuje 93 %.

MÍSTO UHLÍ SUPERKAPACITOR

Osmé úrovně technické připravenosti dosáhl podle IEA také první E-STATCOM na světě. Neboli statický synchronní kompenzátor (STATCOM) integrovaný se superkapacitory, tedy úložišti elektrického náboje. Běžné kompenzátory pomáhají kompenzovat odchylky v napětí tím, že průběžně dodávají nebo absorbují jalový výkon. Neumí ale do sítě poslat činný výkon, a tedy postarat se o regulaci frekvence. Právě s tím má pomoc technologie E-STATCOM, která dokáže síti v řádu milisekund (cca stokrát rychleji než běžná baterie) pomoci potřebným regulačním výkonem, resp. umělou setrvačností.

Zprovozněna byla v lokalitě uhelné elektrárny Mehrum v Dolním Sasku, která je mimo provoz už od roku 2024. Po elektrárně zbyla v regionu, který je klíčovým uzlem pro přenos elektřiny vyrobené z větru na severu země do jižních průmyslových center, systémová díra. Systém E-STATCOM proto posloužil jako nezbytný zdroj umělé setrvačnosti a podpůrných služeb potřebných k udržení stability sítě.

KOMU TO PÁLÍ, NEMUSÍ PÁLIT

Letošní zpráva o stavu energetických inovací ukazuje, že k úspěšné dekarbonizaci nemusíme čekat na zázraky v podobě jaderné fúze. U mnoha novátorských technologií ale samozřejmě zůstává otázkou jejich tržní životaschopnost.

Obzvlášť tvrdým oříškem se zdá být ukládání energie na delší období. Zlevní některá z inovativních řešení natolik, aby se jejich nasazení vyplatilo i přes nízký počet cyklů, na něž se musí investice rozpočítat? Pokud ne, budeme asi muset uznat, že ani sebevíc pokročilé synchronní kompenzátory samy o sobě k bezpečnému odchodu od fosilních paliv stačit nebudou.