Energetika, doprava i ekologie jsou komplexními obory, které je nutné řešit v širších souvislostech. Pouze tak je lze nastavit pro opravdu dlouhodobé fungování bez dalších negativních dopadů. Pouze tak budou dávat ekologický, udržitelný o ekonomický smysl.
Obnovitelná energie a s ní spojené změny v energetice, dopravě a průmyslu obecně představují zásadní výzvu pro budoucí udržitelný ekonomický rozvoj. Jedná se o aktuální téma, které rezonuje nejen politickou scénou, ale celou společností ve všech vyspělých zemích světa. Jsme svědky toho, že jsou dílčí otázky a problémy často vytrhávány z kontextu a prezentovány jako základní podstata celé filozofie postupného opouštění fosilních paliv.
Přitom právě radikální zpolitizování celé otázky obnovitelných energií a nepochopení její celkové koncepce škodí jejich dalšímu úspěšnému rozvoji nejvíce. Zvláště pak ve spojení s chybějící odvahou sdělit veřejnosti skutečnost, že dříve či později ke změně celého stávajícího konceptu energetiky nezbytně dojde. A lze očekávat, že tento přechod nebude bezbolestný.
Příčin k postupnému přechodu je více. Vedle narůstajících nákladů spojených se získáváním nerostných surovin využívaných dnes jako zdroj energie (uhlí, ropa, zemní plyn) je nutno zmínit zejména snahu o diverzifikaci energetických zdrojů a snížení nejen rizik pro životní prostředí spojených s těžbou, transportem a využitím stávajících fosilních surovin, ale rovněž rizik bezpečnostních.
Důvodů nepř íznivých dopadů na životní úroveň většinové populace je rovněž více. Jeden z nich představují finanční náklady spojené s přechodem na novou energetickou infrastrukturu. Další pak nezbytné změny v průmyslovém sektoru spojené s posuny v oblasti technologií výroby a skladování energie, ale i s přechodem vybraných technologií na novou surovinovou základnu. Tyto změny budou spojeny s poklesem produkce, až zánikem některých výrob a naopak, se vznikem výrob nových. Pro stabilitu průmyslového sektoru představuje připravenost na takovou změnu základní podmínku.
Stávající skepticismus převládající ve většině naší společnosti a ve významné části průmyslového sektoru však vzbuzuje v tomto směru jisté obavy. Do jisté míry je tato situace způsobena státní politikou, která v této oblasti nehraje primárně aktivní roli. Sázka na jadernou energetiku je sice racionální, nicméně je třeba si i přiznat, že nepokrývá zdaleka všechny oblasti národní ekonomiky, které budou změnou dotčeny.
Cesta ke komplexnímu řešení
Jednou z dalších příčin je absence ucelené a komplexní výzkumné a vývojové expertní základny, která by byla schopna poskytnout průmyslovému sektoru nezbytnou odbornou podporu a veřejné správě nezbytnou expertizu. Spojení velmi širokého spektra výzkumných pracovišť, aktivních v oblasti obnovitelných zdrojů energie, a jejich využití do koordinované sítě nabízející komplexní řešení stojí za vznikem koncepce projektu Konverze a skladování energie, který byl přijat k financování v rámci výzvy Operačního programu Jan Amos Komenský „Špičkový výzkum“ a je realizován od 1. ledna 2024 se stanoveným termínem dokončení k 31. prosinci 2027.
Projekt je koncipován tak, aby propojil a podpořil rozvoj spolupráce napříč širokou škálou oborů, jež hrají významnou roli v oblasti obnovitelné energetiky.
V tomto směru je projekt členěn do tří základních oblastí:
1. baterie a superkondenzátory, která se zabývá vývojem nových a problematikou recyklace stávajících baterií pro ukládání elektrické energie a superkondenzátorů, jako alternativy k bateriovým článkům, charakterizované vysokou rychlostí nabíjení a vybíjení;
2. power-2-X, věnující se konverzi elektrické energie na energie chemické vazby;
3. solar-2-X, zabývající se přímým využitím sluneční energie, a to buď k syntéze energeticky bohatých molekul, nebo k přímé produkci elektrické energie.
Výzkum a vývoj v těchto oblastech je dále podpořen vývojem odpovídajících metodik a postupů ve všech stupních výzkumu a vývoje uvedených technologií.
Ty lze rozdělit podle stupně přiblížení se praktické realizaci rovněž do tří základních oblastí, konkrétně:
1. molekulární design pro konverzi a ukládání energie;
2. inženýrství systémů ukládání a přeměny energie
3. a integrace obnovitelných zdrojů a systémů pro ukládání energie do distribučních sítí elektrické energie i urbanistických celků, tzv. energie pro budovy, města a obce.
Zaměření a cíle jednotlivých oblastí výzkumu lze ve stručnosti přiblížit následujícím způsobem.
Baterie a superkondenzátory
První ze jmenovaných oblastí má za cíl vývoj nových bateriových systémů pro skladování energie podporující stabilizaci energetické sítě a elektrifikaci dopravního sektoru. Tímto způsobem podpoří rozsáhlé zavádění obnovitelných zdrojů energie do uvedených sektorů. Cílem je překonat omezení dnešních baterií a překonání závislosti na kritických surovinách.
Realizované aktivity jsou rozděleny do pěti dílčích oblastí:
- lithium-iontové baterie,
- post lithium-iontové baterie pro skladování energie podporující stabilizaci energetické sítě a dopravních sektorů,
- redoxní průtočné baterie,
- flexibilní superkondenzátory
- a druhý cyklus života a recyklační technologie baterií.
Power-2-X
V rámci druhé oblasti je realizován výzkum vztahující se k přeměně obnovitelné elektrické energie na nová, bezemisní paliva a na produkci surovin pro průmyslové procesy. Tento výzkum umožní rozsáhlé využití vodíkových technologií v širokém spektru oblastí. Vedle výroby vodíku bude pozornost věnována rovněž zhodnocení oxidu uhličitého na bezemisní uhlíkaté látky, např. již zmíněná obnovitelná paliva.
Cílem je zefektivnění technologií a snížení jejich stávající závislosti na kritických surovinách, jako jsou například drahé kovy.
Realizované výzkumné aktivity jsou členěny do tří dílčích oblastí:
- elektrolyzéry pro efektivní výrobu vodíku,
- palivové články pro efektivní výrobu elektrické energie
- a „zelená“ paliva.
Solar-2-X
Třetí ze základních oblastí je zaměřena na výzkum konverze sluneční energie na energeticky bohaté sloučeniny, jako jsou vodík, metanol nebo další uhlovodíky, tzv. e-paliva. Stranou zájmu nezůstávají ani pokročilé hybridní fotovoltaické systémy pro přímou konverzi slunečního záření na elektrickou energii.
Realizované aktivity lze rozčlenit do čtyř dílčích oblastí:
- molekulární systémy pro rychlou separaci náboje,
- fotosyntetická výroba energeticky bohatých molekul na oxidových polovodičích,
- 2D materiály pro fotokatalytickou výrobu energeticky bohatých molekul
- a hybridní fotovoltaika.
Uvedené tři základní oblasti pokrývají komplexně problematiku konverze a skladování energie, společně s pokročilou technologií fotovoltaické výroby energie. Ta představuje pro Českou republiku nejrelevantnější z obnovitelných zdrojů.
Cílem je výzkum nových inovativních přístupů a zároveň odstranění bariér komplikujících jejich široké praktické uplatnění. Je zřejmé, že se jedná o velmi širokou mezioborovou problematiku zasahující téma popisu a pochopení základních fyzikálních principů umožňujících výběr optimálních materiálů a přístupů k realizaci požadovaných dějů.
Na to navazují komplexní inženýrská řešení vedoucí k nárůstu měřítka vyvíjených procesů do průmyslově relevantních. Takto navržené systémy však musí respektovat požadavky distribuční sítě, do které budou integrovány. A naopak, navrhovaná řešení distribuční sítě musí respektovat základní principy a charakteristiky funkce těchto technologií.
Poslední uvedená oblast pak zahrnuje rovněž urbanistické požadavky, spojené s integrací nových energetických systémů do obytných celků.
Je zřejmé, že odborníci z výše uvedených oblastí nemohou tuto komplexní problematiku obsáhnout bez cílené metodické podpory. Právě z tohoto důvodu jsou nedílnou součástí projektu další tři oblasti výzkumu a vývoje zaměřené na výzkum postupů nezbytných pro dosažení stanovených cílů. Stručnou základní charakteristiku jejich role v rámci projektu shrnuje následující text.
Molekulární design pro konverzi a ukládání energie
První ze druhé skupiny uvedených oblastí výzkumu unikátním způsobem spojuje kapacity a odborné znalosti mezioborového týmu fyziků, chemiků a materiálových vědců. Cílem spolupráce je vytvoření teoretických modelů a výpočetních nástrojů, které umožní základní pochopení molekulárních a pevnolátkových systémů a rozhraní, a v důsledku toho významný pokrok v oblasti nových řešení konverze a skladování energie.
Tým vyvíjí a používá výpočetní postupy předpovídající termodynamiku systémů pevných látek včetně 2D materiálů. Ty umožňují charakterizovat excitované stavy v molekulách a polovodičích a modelovat procesy přenosu náboje jak uvnitř molekul, tak na heterogenních rozhraních.
Aktivity realizované v této oblasti jsou rozděleny do tří vzájemně se doplňujících úkolů:
- in-silico návrh materiálů pro přeměnu sluneční energie;
- simulace elektroaktivních a fotoaktivních molekul
- a modelování elektrolytů a rozhraní elektroda/elektrolyt.
Inženýrství systémů ukládání a přeměny energie
Další oblast se zaměřuje na podporu prvních tří oblastí výzkumu za využití nástrojů počítačové analýzy/návrhu a systematického inženýrského výzkumu. Cílem je analýza vyvíjených jednotek na prostorové úrovni zahrnující elektrody, membrány/separátory a elektrolyty, tok a/nebo distribuci materiálových složek, tepla, potenciálu a náboje.
Tato analýza vede:
- k optimalizaci studovaných systémů z hlediska měrné energie, výkonu, nákladů, životnosti a vlivu na životní prostředí;
- k pochopení a kvantitativnímu popisu degradačních procesů a tím ke snížení bezpečnostních rizik a zvýšení životnosti a účinnosti těchto systémů
- a v neposlední řadě ke kvantifikaci tepla disipovaného v bateriích v průběhu nabíjecího a vybíjecího cyklu.
Poslední uvedená analýza umožňuje snížit kolísání teploty prostřednictvím návrhu a optimalizace pasivních a aktivních prvků pro přenos tepla.
Energie: budovy, města a obce
V rámci další oblasti je studována integrace obnovitelných zdrojů energie a technologií skladování energie do distribučních sítí elektrické energie. Výzkum lokální distribuce obnovitelných zdrojů energie a technologií skladování energie je realizován na úrovni autonomních mikrosítí a větších autonomních jednotek interagujících s nadřazenou distribuční sítí.
Realizovaný výzkum propojuje obory elektroenergetiky, technologie budov a architektury s cílem dále rozvíjet koncepci autonomních energetických komunit (AEC) odrážející sociální, architektonické a environmentální aspekty.
Integrovaný návrh energetických systémů se zaměří na úroveň budov a čtvrtí jako na základní prvky konceptu AEC. Budova se v této koncepci mění z pasivní obálky na senzitivní, aktivní a adaptivní vrstvu s multifunkčností. Zásobování teplem a elektřinou pomocí implementovaných zdrojů energie a technologií skladování je řešeno na lokální úrovni. Výsledná AEC přinese flexibilitu, přičemž budova bude jádrem rozsáhlejší sítě.
Koncepce zohlední škálovatelnost podporující myšlenku energeticky pozitivních čtvrtí umožňujících rozsáhlé využívání obnovitelných zdrojů. Tento přístup je podpořen optimalizací provozních funkcí měničů, vývojem nových algoritmů pro řízení toku energie v hybridních energetických systémech a zabezpečením souvisejícím s komunikační úrovní a kybernetickou bezpečností.
Uvedené aktivity lze rozdělit do oblastí:
- elektrické sítě,
- komunikační systémy a řízení,
- prostředí budov
- a architektura a životní styl.
Všechny tři uvedené oblasti a aktivity ze druhé skupiny realizované v jejich rámci jsou navrženy v přímé vzájemné synergii s experimentálně zaměřenými aktivitami v rámci tří oblastí konverze a skladování energie. Hlavním cílem je díky unikátní spolupráci prohloubit znalosti a umožnit v co nejkratší době efektivní rozšíření praktické aplikace technologií z oblasti přeměny a skladování energie daleko za hranice současného stavu techniky.
K dosažení cílů projektu je nezbytné zajistit rovněž odpovídající odborné pokrytí celého spektra uvedených problematik. Cílem projektu bylo a je zapojení klíčových pracovišť v rámci České republiky. Projekt koordinuje Vysoká škola chemicko-technologická v Praze. Partnery projektu jsou Vysoké učení technické v Brně, České vysoké učení technické v Praze, Univerzita Karlova a Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR. Jednotliví členové konsorcia zaštiťují oblasti, v jejichž řešení představují špičku na národní a vesměs i na mezinárodní úrovni. Jejich vzájemné propojení prostřednictvím projektu Konverze a skladování energie umožní nejen již popsaný rozvoj v oblasti obnovitelné energetiky a jejího využití v praxi, ale zakládá zároveň širokou expertní platformu v této oblasti.
Platformu, která, jak již bylo uvedeno, nabízí komplexní expertízu komerčním subjektům, které jsou v dané oblasti aktivní nebo svou aktivitu plánují. Za významnou lze rovněž považovat její funkci jako znalostní základny dostupné veřejné správě na různých úrovních. Právě veřejná správa bude čelit obtížným výzvám v otázkách naplnění regulatorních požadavků a rozvoje ekonomických příležitostí včetně politiky zaměstnanosti s primárním důrazem na činnosti s vysokou přidanou hodnotou.
Propojení partnerských institucí a laboratoří do této multidisciplinární sítě má nesporný přínos rovněž přímo pro účastníky. Představuje jej rozšíření kompetencí jednotlivých týmů umožněné širokou mezioborovou spoluprací se špičkovými laboratořemi. Tato spolupráce zvyšuje jejich potenciál, ať již individuálně, či právě v širší spolupráci na úspěch v navazujících projektových výzvách i v rámci komerčních projektů realizovaných ve spolupráci s komerčními subjekty.
Již v průběhu prvních měsíců od zahájení realizace projektu se celý tým ukazuje jako mimořádně aktivní a dobře připravený. Lze identifikovat celou řadu projektových přihlášek podaných do soutěže v rámci veřejných výzev, do recenzního řízení zaslaných či již vyšlých publikací, ale rovněž komerční spolupráce s komerčními subjekty. Projekt tak potvrzuje svou životaschopnost a předpoklady jak pro dosažení excelentních výsledků, tak pro dosažení deklarovaných cílů v oblasti poskytnutí nezbytné komplexní znalostní základny.