Přebytečnou energii z obnovitelných zdrojů lze v současné době skladovat zejména pomocí bateriových úložišť. Jejich vybudování je však velmi nákladné a technologie lithiových baterií se potýká s mnoha problémy a nedostatky, které jejich masové používání omezují. Zajímavou alternativou může být například pískový akumulátor, který ve Finsku představila společnost Polar Night Energy. Podle Miloslava Žáry ze společnosti Alfatech Company se toto řešení v podmínkách severských zemí již osvědčilo a v podmínkách Zhruba 230 km severozápadně od Helsinek, ve městě Kankaanpää, jsou v zimě domy, kanceláře, a dokonce i veřejný bazén vyhřívány tepelnou energií uloženou v 7 m vysokém ocelovém kontejneru naplněném 100 t písku. Jedná se o první komerční zařízení tohoto typu na světě, jehož princip je vpravdě jednoduchý: písek je s pomocí uvnitř zabudovaného výměníku tepla ohříván na 500—600 °C, přičemž celá písková baterie je takto při topném výkonu 100 kW schopna uchovat 8 MWh energie. Při následném využití nahromaděné tepelné energie proudí trubkami výměníku vzduch, který je horkým pískem ohříván a poté veden tam, kde je potřeba. Tento konkrétní akumulátor je připojen přímo k elektrické síti a kumuluje teplo ve chvílích, kdy je energie nejlevnější. Obrovskou výhodou technologie však je, že na zdroji tepla vlastně příliš nezáleží. Akumulovat lze i tepelnou energii získanou například pomocí solárního ohřevu či z dalších tepelných zdrojů. Není proto divu, že Polar Night Energy plánuje vybudování dalších takových baterií se stovkami megawattů výkonu, kde bude písek zahříván až na 1 000 °C. Plán je to vskutku impozantní, ale zdaleka není tak utopistický, jak by se mohlo na první pohled zdát. Pokud se totiž pískové akumulátory dostanou do většího povědomí, mohla by vzniknout k životnímu prostředí šetrná a hlavně efektivní konkurence lithiovým bateriovým úložištím, jejichž environmentální stopa je příliš velká na to, aby se dalo jakkoliv hovořit o ekologickém uchovávání energie. Získávání lithia i výroba samotných baterií je totiž v mnoha ohledech nesmírně náročná, zatěžující životní prostředí a jejich postupně klesající kapacita znamená, že toto řešení není udržitelné ani z časového hlediska. A v neposlední řadě je problematická také ekologická likvidace či recyklace těchto vysloužilých akumulátorů.
Běžné střešní kolektory postačí na vytopení celého domu
Písková úložiště lze zbudovat poměrně jednoduše a jejich velkou výhodou by mohl být fakt, že je lze konstruovat pro různé způsoby využití. Mohou se tak snáze dostat mezi širší veřejnost i ke komerčním subjektům a do průmyslu. První způsob možného užití je založen na tom, že se energie, vyrobená pomocí solárních kolektorů či třeba větrné turbíny, ukládá do písku pro potřeby pozdějšího vytápění. Podle Miloslava Žáry, vedoucího oddělení technologických inovací ve společnosti Alfatech Company v Bratislavě, je tato aplikace vhodná i pro rodinné domy. „Na zimní vytápění průměrně velkého domu stačí zásobník s pískem o objemu 50 m3 a běžné kvalitní solární kolektory na střeše, které mají výkon 10—20 kW ve špičce. Přebytečná energie z nich se převádí do tepla, písek se přes léto nahřívá topnými kabely na 500—550 °C a vzduchovými průduchy, které jsou přes úložiště vedeny, pak v zimních měsících profoukává horký vzduch běžným spalinovým ventilátorem do výměníku, kde se teplo předává do otopné soustavy,“ vysvětluje a dodává, že takový zásobník by měl skrývat zhruba 4 MWh energie. Pro vytápění větších celků je tak samozřejmě potřeba výkonnějšího zdroje energie. Další možností je, že se přes písek neprofoukává vzduch, ale vedou jím trubky, do nichž je tryskou vstřikována kapalina, povětšinou voda. Ta se okamžitě mění na páru, která pak může pohánět například Frotor [rotační stroj s oběžnými dvojkřídly vhodný zejména pro expanzní pohonné jednotky a kompresory, vyvinutý a patentovaný Fakultou strojní při ČVUT v Praze; jde o vysoce účinný rotační excentrický stroj pro výrobu elektřiny — pozn. red.], popřípadě dodávat páru průmyslovým technologiím. „Znamená to, že elektřinu lze v písku nejen uchovávat v podobě tepla, ale také ji díky naakumulovanému teplu zase vyrábět.“ Zejména do průmyslové výroby se hodí třetí způsob, kdy přes zásobník proudí velkou rychlostí v potrubí kapalina s vysokým bodem varu, která se tak nestihne přeměnit v páru. Typickou aplikací pak může být třeba nahřívání forem v lisovnách. „Médium se v technologii při používání ochladí a vrací se zpět do pískového úložiště, kde se zase nahřeje, a cyklus se opakuje. Pro průmyslové použití je třeba mít silný zdroj energie, např. mít na pozemku solární elektrárnu s daleko větším výkonem. Kolektory na střeše stačit nebudou.“
Zbudování akumulátoru není technologicky složité
Ve finském Kankaanpää zbudovali pískové úložiště v podobě nadzemního sila, nicméně zásobník lze uložit také pod zem, přičemž lze pracovat se dvěma technologickými postupy, u obou lze ovšem k akumulaci tepla využít obyčejný nebo pouštní písek, kámen, zeolit, či dokonce sůl, která má v tomto ohledu navíc velmi podobné vlastnosti jako písek. Celý zásobník může být vyroben i jako vakuovaný, takže přenos z energie z písku je minimální, protože teplo se ve vakuu nemá jak šířit. Takové zásobníky jsou však velmi nákladné a zatím nemají příliš ekonomický smysl, a proto se používají jen jako maloobjemové. „Stavba by totiž vyžadovala hodně složitý inženýrský projekt se spoustou výpočtů a následná výroba by byla velmi nákladná, protože stěny zásobníku musí být velice silné. Vakuum vytváří podtlak, takže by se při nesprávné tloušťce stěny mohly zbortit,“ říká dále Miloslav Žára s tím, že vakuované zásobníky jsou spíše jen technologickou finesou. Mnohem jednodušší variantou je proto uložení kvalitně izolované plechové „nádoby“ s pískem a topnými kabely či trubkovou soustavou do předem vykopané jámy. Úložiště písku je ještě třeba propojit trubkou s výměníkem a kolem ní je také třeba vytvořit uzavřenou vzduchovou mezeru. Konstrukci je třeba dále opatřit termoreflexní izolační fólií, která odrazí zpět zhruba 96 % sálavé složky unikajícího tepla. De facto tedy není pískový akumulátor zateplen jako třeba běžné domy, ale spíše jako vysokoefektivně tepelně stíněný dům, kde však místo izolace použijeme tepelnou reflexi. „Ideálním tvarem nádrže by byla koule, ale to je technologicky velmi náročné, takže se nabízí buď krychle, kvádr, či válec. Základna tepelného zásobníku se však bohužel v zemi v takovém případě neizoluje, protože by bylo technicky velmi náročné zavěsit do vzduchu např. 100t kolos, takže nějaké teplo se neodizolovaným dnem ztrácí. Ztráta účinnosti je však i tak vcelku minimální a písková akumulace tepla zde funguje velmi dobře a v praxi se více vyplatí. Z pohledu investice by nám totiž dokonalé řešení výrazně prodlužovalo návratnost investice,“ pokračuje Miloslav Žára a dodává, že problém ztrát neizolovaného dna se dá částečně eliminovat minimalizací jeho plochy. Např. tak, že „nádrž“ dostane tvar úzkého, vysokého válce. Vzdálenost jednotlivých topných kabelů je potřeba optimalizovat výpočty na základě tvaru nádoby, typu materiálu v úložišti, průměru kabelů a dalších parametrů. Pokud se však projekt na výstavbu pískového úložiště tepla provede správně, lze podle Miloslava Žáry tuto technologii využívat jako plnohodnotnou alternativu vytápění. Písek lze i v severských zemích ohřívat 7—8 měsíců, zatímco zbylé měsíce je možné akumulované teplo naopak využívat k topení. Finanční náklady jsou pro rodinný dům velmi podobné jako při pořízení kvalitního systému tepelného čerpadla a pohybují se v řádech nižších stovek tisíc korun. K provozu pak běžně postačí 100W čerpadlo. Provozní náklady jsou tak velmi nízké i v době velkých mrazů. „Pokud má dům již vlastní zdroj energie, jsou náklady na pořízení ještě podstatně nižší. Při aplikaci v průmyslu jsou náklady na pořízení vyšší, s ohledem na cenu velkého zdroje, kdy je třeba mít například kapitál na investici do solární, vodní či větrné elektrárny optimálního výkonu, jaké mohou být ale nahrazeny i přípojkou na levnou elektřinu,“ uzavírá Miloslav Žára. /Kristina Kadlas Blümelová/
