Kam s přebytkem energie?

ABSTRACT: The growing production of electricity from RES is causing an increasing need for energy storage. Projects for new ways of storing energy, e.g. with flow batteries, compressed air or kinetic energy, are becoming increasingly important.

Náklady na výrobu větrné a sluneční energie v posledních letech dramaticky klesly. To je jeden z důvodů, proč americké Ministerstvo energetiky předpokládá, že obnovitelná energie bude do roku 2050 nejrychleji rostoucím americkým zdrojem energie. Ostatně to platí i pro některé další země s vhodnými klimatickými podmínkami. A protože výroba energie z obnovitelných zdrojů není možná po celý den, je její skladování zásadním problémem.

Zdá se, že velice výhodným je klasický způsob ukládání energie přečerpávacími akumulačními elektrárnami. U nás je známá přečerpávací elektrárna Dlouhé stráně uvedená do provozu v roce 1996, jež plní funkci výkonové rezervy a může vyrábět regulovaný instalovaný výkon 2 × 325 MW.

V zahraničí např. město San Diego v jižní Kalifornii uvažuje o přečerpávací elektrárně s výkonem 500 MW. Chce tak rozšířit využití vodní nádrže San Vicente tím, že z ní udělá zásobárnu čisté energie a zároveň bude zásobovat vodou široké okolí. Energie ze slunce a větru by vodu během dne vytlačovala ze spodní nádrže do horní. Při zvýšené poptávce a v noci by se voda vypouštěla z horní nádrže, procházela čtyřmi reverzními turbínami a generovala elektrickou energii. Očekává se, že projekt bude sloužit k ukládání energie po dobu přibližně pěti až osmi hodin. Uvedení do provozu se odhaduje do roku 2030.

Všude ale nejsou vhodné podmínky pro přečerpávací elektrárny a vědci hledají nové možnosti skladování energie.

Ukládání energie pomocí stlačeného vzduchu do solné jeskyně

K ukládání energie se začíná využívat stlačený vzduch.
Zdroj: Hydrostor

Unikátní energetický zásobník postavili letos v dubnu ve Švýcarsku.
Zdroj: Energy Vault

VYLEPŠENÉ BATERIE

Americká Národní laboratoř obnovitelné energie (National Renewable Energy Laboratory – NREL) věnuje vývoji technologií pro ukládání energie z obnovitelných zdrojů značnou pozornost. V nedávné zprávě vědci z NREL odhadovali, že existuje potenciál zvýšit americkou kapacitu pro skladování obnovitelné energie do roku 2050 až o 3 000 procent!

Napomoci by tomu mohly tři alternativní scénáře. Především se stále hovoří o bateriích – od alkalických pro malou elektroniku až po lithium-iontové baterie pro automobily a notebooky. Ale stále existuje velký prostor pro další uplatnění.

Například vysokokapacitní baterie s dlouhou dobou vybíjení – až 10 hodin – by mohly být výhodné pro skladování sluneční energie v noci nebo pro zvýšení dojezdu elektrických vozidel. Podle predikcí bude do roku 2050 pravděpodobně instalováno v USA více než 100 GW těchto baterií. Pro srovnání, to je 50krát větší kapacita, než skýtá slavná Hooverova přehrada u Las Vegas s instalovaným výkonem 2080 MW. 

Jednou z největších překážek mohutného rozvoje jsou omezené zásoby lithia a kobaltu, které jsou v současné době zásadní pro výrobu lehkých a výkonných baterií. Podle některých odhadů bude do roku 2050 vyčerpáno přibližně 10 procent světového lithia a téměř všechny světové zásoby kobaltu. Kromě toho se téměř 70 procent světového kobaltu těží v Kongu za nelidských podmínek.

Vědci proto nyní pracují na vývoji technik recyklace lithiových a kobaltových baterií a na návrhu baterií na základě jiných materiá­lů. Například Tesla plánuje v příštích několika letech vyrábět baterie bez kobaltu. Jiní si kladou za cíl nahradit lithium sodíkem, který má vlastnosti velmi podobné lithiu, ale jeho výskyt je hojnější.

Další prioritou je zvýšení bezpečnosti baterií. Pozornost směřuje na elektrolyty, které často obsahují hořlavé materiály. Pokud vytékají, baterie se může přehřát a vznítit nebo roztavit. Vědci nyní vyvíjejí pevné elektrolyty, díky nimž jsou baterie robustnější a bezpečnější. Povzbudivé výsledky naznačují, že by se tyto baterie mohly v příštích letech používat v elektrických vozidlech. Mluví se již o roku 2026.

Zatímco polovodičové baterie by byly vhodné pro spotřební elektroniku a elektrická vozidla, pro velkokapacitní skladování energie vědci sledují zcela tekuté konstrukce, nazývané průtočné baterie. V těchto zařízeních jsou elektrolyt i elektrody kapaliny, což umožňuje superrychlé nabíjení a usnadňuje výrobu opravdu velkých baterií. Mají téměř neomezený počet cyklů. Jako elektrolyt nejčastěji využívají roztok soli vanadia (tzv. vanad – redoxové baterie). Vyznačují se minimálním samovybíjením a možností opakovaného hloubkového vybití 0 – 100 % při téměř nulovém opotřebení. V současné době jsou tyto systémy velmi drahé, ale postupně se jejich cena snižuje.

Americké Ministerstvo energetiky (DOE) nyní vyhlásilo dotace ve výši 17,9 milionu dolarů na financování výzkumných a vývojových projektů zaměřených na rozšíření americké výroby průtokových baterií a dlouhodobých úložných systémů. Tyto elektrochemické baterie používají externě uložené elektrolyty, díky čemuž jsou levnější, bezpečnější a flexibilnější. Společnost pro skladování energie ESS se sídlem v Oregonu v této souvislosti oznámila, že dodá 17 dlouhodobých skladových bateriových systémů pro hybridní solární farmy ve Španělsku. Inovativní bateriový systém využívá jako elektrolyt železo, sůl a vodu. Zatímco běžné konvenční chemické baterie, jako lithium-iontové, mohou vydržet 7 nebo 10 let, železná průtočná baterie by měla mít životnost 20 a více let.

Další řešení využívá nikl-vodíkové baterie, jež se ve vesmíru osvědčují již několik let. Kalifornská společnost EnerVenue získala od investorů na přizpůsobení této technologie pro ukládání energie na Zemi zatím 100 milionů USD. Baterie může fungovat v drsných klimatických podmínkách extrémního tepla nebo chladu a měla by vyžadovat minimální údržbu. 

Rakouská firma BlueSky Energy vyrábí baterii Greenrock z ekologicky nezávadných materiálů a s elektrolytem ze slané vody. Je to technologie pocházející původně z USA. Chlubí se tím, že je bezúdržbová, nehořlavá, nevybuchuje, umožňuje hloubkové vybíjení, schopně pracuje i v teplotách kolem nuly. Bohužel, má relativně nízkou energetickou hustotu a nižší výkon než tradiční baterie.

Vědečtí pracovníci na University of California ve městě Irvine přišli s jinou zajímavou novinkou. Pro výrobu baterie s neomezenou životností chtějí využít nanovlákna, jež jsou 1000krát tenčí než lidský vlas. Nanášeli na ně zlatou vrstvu dioxidu manganu a zalili je do speciálního gelu, který má podobné vlastnosti jako plexisklo. Tím se nanovlákna udrží ve stabilní konzistenci a jsou i ochráněna před fyzickým poškozením. Vědci tvrdí, že tato kombinace zajistí baterii dlouhou životnost, ale protože nejsou známy další podrobnosti, budí zpráva pochybnosti.

KOMBINACE VODY A JESKYNĚ

Kanadský start-up Hydrostor předvedl odborníkům i široké veřejnosti svou technologii skladování energie v závodě Goderich v Ontariu. Zkušební provoz od roku 2019 potvrdil výkon/kapacitu 1,75 MW/10 MWh. Od standardních CAES (Compressed-Air Energy Storage) se jejich projekt podstatně liší - lze jej stavět kdekoli. Úložiště typu CAES, jako je například 110MW závod McIntosh v Alabamě, využívá podzemní solné jeskyně k ukládání stlačeného vzduchu, a lze jej tedy postavit pouze na velmi omezeném počtu míst. Hydrostor však využívá umělé jeskyně vyhloubené do země. Princip je jednoduchý: elektřina ze sítě nebo z elektrárny obnovitelných zdrojů se pro pozdější využití ukládá pomocí stlačeného vzduchu.

Hydrostor tvrdí, že nabízí nejnižší instalované náklady na MWh pro dlouhodobé skladování energie ve velkém měřítku, ale mluvčí společnosti nebyl zatím novinářům schopen poskytnout data, která by tato tvrzení podpořila.

Experiment v Ontariu se osvědčil a start-up obdržel nyní vládní grant v hodnotě 4 milionů kanadských dolarů (3,2 milionu USD) na projekt, který by mohl dodávat až 500 MW. Zařízení společnosti Hydrostor by bylo schopné vybíjení až 12 hodin.

Grant se vztahuje pouze na počáteční projekční a inženýrské práce, skutečný vývoj bude vyžadovat podstatně více financí. Projekt zahrnuje hloubení šachet velkého průměru v podzemí, z nichž jedna bude naplněna vodou z nadzemních nádrží. Kompresory na povrchu budou vhánět vzduch do jeskyně, kde bude působit na vodní sloupec, aby udržel stálý tlak. Po uvolnění tento stlačený vzduch roztočí turbiny o výkonu 100 MW. Očekává se, že všechny tyto stavební práce budou trvat tři až čtyři roky.

ENERGIE V BETONU

Unikátní energetický zásobník postavili letos v dubnu ve Švýcarsku. Start-up Energy Vault zde předvedl své odvážné experimentální řešení a okouzlil laiky i finančníky. Zajistil si 100 milionů dolarů na další rozvoj. Nápad vychází z principu přečerpávací elektrárny. Názorně je předveden na: https://www.youtube.com/watch?v=itbwXMMkBQw.

Energie získaná ze slunečné nebo větrné elektrárny zvedá v případě nízké energetické spotřeby betonové kvádry v šestiramenné jeřábové věži do výše 35 metrů. Jakmile se potřeba energie zvýší, bloky se spouštějí a kinetická energie se v generátoru mění zpět na elektrickou, jež se odvádí do distribuční sítě. Platforma nazvaná EVx se pyšní modulární konstrukcí schopnou ukládat energii na krátkou dobu (2 až 4 hodiny) nebo delší dobu (5 až 24 hodin). Společnost Energy Vault uvedla, že kompozitní bloky jsou vyrobeny z místních zemin a také z materiálů jinak určených pro skládky nebo spalovny, včetně recyklovaného uhelného popela, hlušiny z těžby a zbytků lopatek větrných turbín. Věž EVx má 80–85% účinnost a více než 35 let technické životnosti. Systém je řízen softwarovou platformou s podporou umělé inteligence.

Společnost nyní plánuje použít peníze na nasazení své platformy na Středním východě, v Evropě a Austrálii. S první stavbou v USA počítá do konce letošního roku. Doufá, že platforma EVx bude mít globální význam a nakonec ji bude přijímat širší trh.