Průlom do skladování elektřiny?

Zní to ironicky, ale právě ta nejžádanější a „nejčistší“ elektrická energie živící naši civilizaci, se oproti ostatním formám energie dá skladovat nejhůře. Potřeba hospodárně pokrývat měnící se denní spotřebu v budoucích elektroenergetických sítích s vyšším podílem alternativních zdrojů, které nemohou slunci, vodě ani větru poroučet, si vynucuje vývoj dokonalejších akumulátorů než jaké známe. Skladovat umíme jen nositele energie! Neúprosný fyzikální poznatek, že energii jako takovou přímo skladovat nelze, obcházíme zejména skladováním jejích nositelů - dříví, uhlí, kapalných a plynných paliv. Nejuniverzálnější spotřební energii – elektřinu – umíme přímo skladovat jen po troškách v elektrochemických článcích a akumulátorech. Každá kWh, pokud bychom z baterií chtěli krýt běžnou domácí spotřebu, však vychází desetkrát dráž, než když potřebné kilowatthodiny odebíráme přes elektroměr ze sítě. Spotřeba elektřiny se výrazně mění nejen v průběhu dne, ale s teplotami a počasím i v průběhu roku. Tepelné, jaderné a vodní průtokové elektrárny hospodárně pokrývají z 90 % tzv. základní zatížení elektroenergetické sítě, několikrát denně vyskytující se špičky odběru pomáhají překonat akumulační vodní elektrárny a pohotovostní zálohy, nebo její vypůjčování či nákup od sousedních států přeshraničními přenosovými linkami 400 až 750 kV, stále častěji i s využitím tzv. stejnosměrných „mostů“, umožňujících lépe synchronizovat kmitočet na územích v šíři desítek poledníků. Spolehlivou rezervou velkých výkonů jsou zatím jen přečerpávací a akumulační hydroelektrárny, připravené naběhnout na plný výkon během několika minut. Vhodná místa pro ně (dostatek vody, potřebný spád, souhlas ekologů) jsou však např. v Evropě prakticky vyčerpána. Naděje energetiků se proto upínají k myšlence „rozptýlených záloh“ u velkoměst a průmyslových oblastí v rámci budoucích tzv. inteligentních sítí (Smart Grids), a vývojáři hledají účinnější principy akumulace přebytků elektřiny v době nízké spotřeby k jejímu vracení ve špičkách odběru nebo k odvrácení obávaných „blackoutů“. Vedle inovovaných elektrochemických a palivových článků a setrvačníkových akumulátorů ověřují nejnověji i supravodivé indukční systémy a baterie s nanomagnety. Liší se od sebe nejen principem a účinností, ale i reálnou kapacitou (objemem energie v MWh jakou zadrží), dobou přepnutí (jak rychle dokáží zasáhnout) a dobou akumulace, po kterou dokáží zadrženou energii bez větších ztrát udržet. Realita přečerpávacích elektráren Levnou elektřinou ze sítě čerpají v době přebytku vodu z dolní nádrže do výše položené horní nádrže. V okamžiku potřeby, kdy každá chybějící kWh má cenu zlata, voda průtokem přes turbosoustrojí po spádu přemění svou potenciální a potom kinetickou energii na elektřinu, kterou vracejí do sítě. Na všech kontinentech světa vypomáhá energetice půl tisíce přečerpávacích elektráren s výkony nad 100 MW, mezi které je čestně zapsána PVE Dlouhé Stráně s párem dvoustrojových jednotek o celkovém výkonu 650 MW, zabudovaných v podzemí. Na „uskladnění“ každé kWh je nutné v čerpacím režimu vynaložit 1,3 kWh, takže pracují s účinností kolem 70 %. Co do výkonu na světě největší „přečerpávačka“ Dinorwic v britském Walesu je schopná l5 s po startu dodávat do skotské nadřazené sítě 1800 MW. V Japonsku jí vyrůstá konkurent Kannagawa Hydropower s šesti soustrojími o celkovém výkonu 2820 MW a na ostrově Okinawa zkoušejí, zda soustrojí jejich první pobřežní přečerpávací elektrárny odolá agresivnímu účinku slané mořské vody. Ve výhledu je i využití opuštěných důlních děl, kde spád mezi na dně šachet zřízené podzemní nádrže a jezerem či říčním tokem na povrchu by mohl přesáhnout až 1000 metrů. Tlakovzdušné akumulační elektrárny zklamaly Jsou obdobou přečerpávacích elektráren, v nichž vodu nahrazuje vzduch, vháněný do utěsněných jeskyň nebo kaveren opuštěných dolů. Přebytečná noční elektřina pohání kompresory. V okamžiku potřeby se stlačený vzduch pod tlakem okolo 6 MPa vpustí do spalovací turbíny spolu s přídavkem plynu, jehož spotřeba se na dosaženém elektrickém výkonu turbosoustrojí podílí jednou třetinou. V průmyslovém měřítku byla poprvé uvedena do provozu roku 1974 v německém Huntorfu. Vzduch čerpá do dvou hlubinných solných jeskyň s jímacím prostorem 150 000 m3 a plynová turbína je schopná po dobu tří hodin vracet do sítě výkon 290 MW. Ani další tlakovzdušná plynová „přečerpávačka“ s výkonem 110 MW postavená v Alabamě v USA nevrací z uložené energie víc jak 55 % zpět, v důsledku nevyužitého tepla při stlačování vzduchu. Cestou supersetrvačníků? Setrvačník je historicky nejstarším mechanickým akumulátorem energie. Ve století páry pomáhal nadrženou kinetickou energií překonávat mrtvé body klikového mechanismu parních strojů, dodnes je nezbytným prvkem každého automobilového či jiného spalovacího motoru. Ve spojení s motorgenerátorem se hodí i pro krátkodobé „uskladnění“ elektrické energie. Elektřinu spotřebovanou k roztočení setrvačníku elektromotorem vrací s účinností až 85 % bleskovým přepnutím motoru do funkce generátoru. V minulém století je v praxi užili švýcarští inženýři ke stavbě gyrobusů – trolejbusů s jedenapůltunovým setrvačníkem pod podlahou na hřídeli motorgenerátoru, který na každé zastávce připojením na trolej během minuty akumuloval asi 10 kWh energie. Právě u vozidel (např. elektromobilů) se ale kvůli gyroskopickému momentu neosvědčily. Do role krátkodobých akumulátorů elektřiny se dostaly až když litinová kola nahradila mnohem lehčí setrvačníky čočkovitého tvaru z vyztužených plastů, které lze na magnetických ložiskách ve vakuové nebo héliem plněné skříni bez obav z roztržení roztočit až na 80 000 ot.min-1 . Rekordérem je supersetrvačník s hmotností jen 0,6 kg, který jako rotor v magnetickém závěsu se podařilo roztočit až na 1 mil. ot.min-1 ! Po takových setrvačníkových akumulátorech nejnověji sahá průmysl v místech, kde i několikasekundový výpadek elektřiny může ohrozit řídicí a počítačové systémy ve výrobě. Příkladem jsou 70 kg těžké setrvačníkové akumulátory DYBAT, které dokáží po dobu 30 s dodávat výkon 70 kW. Energetickou účinností lepší než 80 % a přepínací dobou kratší než desetina sekundy po všech stránkách překonávají tradiční zálohovací akumulátorovny. Příliš drahé ukládání elektřiny do vodíku „Věřím, že jednoho dne vodík a kyslík, z kterých je složena voda, každý sám nebo i dohromady, vytvoří nevyčerpatelný zdroj tepla a světla pro všechny“, vyznal se čtenářům Tajuplného ostrova Jules Verne. Jeho intuice víc jak o sto let předběhla pokusy o využití nejlehčího prvku světa k pohonu motorů a k akumulaci elektrické energie i jako náhrady za zemní plyn, až se koncem 21. století jeho zásoby vyčerpají. Elektřinou z nepravidelně pracujících alternativních zdrojů (slunce, vítr) lze elektrolyzéry rozkládat vodu na vodík a kyslík, odděleně je shromažďovat v tlakových nádobách, a v palivových článcích chemickou energii obou plynů na jejich elektrodách ve chvíli potřeby měnit v elektrický proud. Při použití pokročilých typů vysokotlakých elektrolyzérů a moderních palivových článků PEM už je zvládnuto skladování větších elektrických výkonů 100 – 500 kW s přijatelnou účinností 75 %. Desetiletý vědecky fundovaný pokus „Solar-Wasserstoff“ využít takto elektřinu z fotovoltaické elektrárny vybudované u Neunburgu vorm Wald nedaleko našich hranic potvrdil bezpečnou funkci takového systému. Laboratoře i městská síť dostávaly ze slunce získanou elektřinu z palivových článků v noci, nebo i přes den, kdy byla obloha zatažena. Desetiletá bilance však ukázala, že kWh z nejlepších solárních panelů prošlá tímto „skladem“ byla desetkrát dražší než ze sítě, napájené proklínanými uhelnými a jadernými elektrárnami. A kilometr ekologicky čisté jízdy vodíkovým BMV, kterým se laboratoř chlubila, vyšel bohužel třicetkrát dráž než při jízdě na benzín! Vodíkový věk v Neunburgu tak odložili na neurčito, i když se energetici k němu hodlají vrátit. Elektřina ze supravodivých prstenců Když roku 1911 nizozemský fyzik Kammerlingh Onnes ve rtuťové smyčce vymražené v kapalném héliu indukoval elektrický proud, který k úžasu přivolaných svědků v ní obíhal bez přerušení hodiny, dny a týdny po vypnutí induktoru, uvědomil si, že cestou právě objevené supravodivosti bude možné nejen přenášet, ale i uskladňovat elektrický proud bez jakékoliv ztráty. Supravodivost dnes umíme vyvolat i v řadě kovů, slitin a dokonce ve speciální keramice už nejen při teplotách kapalného hélia, ale i za ekonomicky dostupnějších teplot v kapalném dusíku a vodíku. Experimenty s motory a generátory se supravodivým vinutím zdárně pokračují, stejně jako s téměř bezztrátovým přenosem elektrického proudu po supravodivých kabelech. Řadě průmyslových podniků i důležitým počítačovým sítím a serverům slouží supravodivé akumulátory UPS (Uninterruptible Power Supplies), se supravodivou cívkou v kapalném héliu, nabíjenou přes usměrňovač. Proud v ní cirkuluje s minimální ztrátou 0,3 kWh za 24 hodin. Na pokles napětí závodní sítě reagují během 0,2 mikrosekundy tím, že proud z cívky indukcí převede přes kondenzátor do invertoru, schopného po překlenovací dobu dodávat tovární síti výkon kolem l MW. Větší supravodivé akumulátory SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) obstály při experimentech při milionech cyklů nabití/vybití s účinností lepší než 95 %. Podle zveřejněných projektů by smyčky v podobě prstenců uložených v podzemí mohly v budoucnu kapacitou až 4000 MW nahradit i největší přečerpávací elektrárny s účinností blížící se 99 % ! Průtokové „kontejnery“ na elektřinu Průtokové baterie vynalezené před 30 roky jsou něco mezi klasickým akumulátorem a palivovým článkem. Na rozdíl od nich je energie ukládána pouze do elektrolytů, které se při nabíjení vytvořily v okolí vanadiových elektrod. Ke spuštění stačí membránou oddělené „nabité“ elektrolyty přivádět ke správným elektrodám. Množství elektrolytu je omezeno jen velikostí zásobníků. Jak ukazují pokusy s jednotkami VRB (vanadium redox battery) při velikosti lodních kontejnerů mohou s účinností až 90 % uložit a poskytovat výkony kolem 1 MW po dobu až 24 hodin, výhledově až 10 MW. Není divu, že největší zájem o ně mají projektanti větrných elektráren, protože několik průtokových kontejnerů za bezvětří by stačilo místní síti nahradit výpadek výkonu při bezvětří. Zásnuby elektřiny s nanotechnologií Téměř jako utopie zní zpráva o japonsko-americkém objevu nového typu akumulátorů, umožňujících ukládat elektrickou energii bez tradičních elektro-chemických procesů. Pomocí nanotechnologií se jim podařilo sestavit strukturu s miliardami mikroskopických magnetů, které přiváděný elektrický proud jevem známým jako magnetický tunelový přechod ukládá do změny polarizace jejich magnetického spinu. Při vybíjení se poprvé v historii energetiky mění magnetická energie v elektrickou. Galium-arsenidové magnety jsou napařovány nanotechnologií na zinkový nosič a nejsou tlustší než 50 nm. Podrobnosti ještě nebyly publikovány, vědci jsou prý překvapeni nejméně stonásobně větší kapacitou baterie, než původně očekávali. Téměř současně ohlásil tým Texasské univerzity i jinou revoluční cestu ukládání elektrické energie v tzv. ultrakapacitorech (UCAP) z grafenu. Grafen je uhlíková struktura s plochými molekulami o šířce jednoho atomu uhlíku. Umožňuje vytvořit atomárně tenkou vrstvu a tím až stonásobně zvýšit aktivní plochu v elektrolytických kondenzátorech, udržujících kontakt s elektrolytem. O jejich uplatnění jako sekundárních zdrojů elektrické energie jsme podrobně referovali v TT č.16/2007. Zdá se, spojením akumulátorů s UCAP pomocí obousměrných měničů by takové hybridní jednotky s přepínací reakcí 30 s, by výhledově stačily ke skladování energie z větrných a fotovoltaických elektráren. Jan Tůma