Velkokapacitní baterie by mohly způsobit revoluci v energetice

Nástup velkokapacitních baterií brzdí finanční a technické potíže. Rozvoj baterií může pomoci nejen energii z obnovitelných zdrojů.

Když profesorovi Donaldu Sadowayovi zavolala neznámá žena, že je asistentkou Billa Gatese a její šéf by se s ním rád setkal, nebral tento telefonát akademik z Massachusettského technologického institutu (MIT) příliš vážně. "Myslel jsem, že je to nějaká bouda," tvrdí Sadoway, který si myslel, že si z něj chtějí vystřelit jeho studenti.

Žádný žert to ale ve skutečnosti nebyl. Univerzita, kde Sadoway působí, umožňuje zájemcům zdarma sledovat na internetu stovky přednášek. A jedním z nadšených on-line posluchačů jeho kurzů se stal právě spoluzakladatel společnosti Microsoft Bill Gates.

Oba se nakonec sešli a mluvili spolu více než hodinu v profesorově kanceláři v Massachusettském technologickém institutu.

V jednu chvíli se Sadoway zmínil, že pracuje na nové baterii, která by byla vyrobena ze dvou tekutých vrstev kovu a roztavené vrstvy soli, která by je oddělovala. Hlavní pointou celého konceptu bylo vytvořit zásobník energie, který by byl natolik objemný a zároveň cenově dostupný, že by jej energetické společnosti mohly použít ke skladování elektřiny ze solárních panelů či větrných elektráren a napojit ji později zpět na rozvodnou síť. Pokud by se vývoj takové baterie podařil, proměnily by se zásadně veškeré energetické systémy ve světě.

Gates byl podle Sadowaye nápadem ohromený. "Řekl mi, ať mu dám vědět, jestli se někdy rozhodnu s tímto nápadem opustit akademickou sféru a založím si firmu, která by ho nějak chtěla využít. Tvrdil, že by do něj rád investoval nějaké peníze," vzpomíná profesor.

K setkání došlo v roce 2009. O rok později už Gates investoval blíže nespecifikovanou sumu peněz do společnosti, která si dala za cíl uvést tyto baterie do reality obchodního světa. Firma je nyní známá pod jménem Ambri.

Letos se dvaašedesátiletý profesor Sadoway stal něčím jako mesiášem moderní energetiky. V únoru se mu na konferenci TED v Kalifornii dostalo ovací vestoje za jeho patnáctiminutovou přednášku o bateriích a záznam jeho přednášky na internetu napočítal něco přes milion zhlédnutí. V dubnu ho pak magazín Time zařadil mezi sto nejvlivnějších lidí světa. A před měsícem se Sadoway dokonce objevil v nočním satirickém pořadu americké televize s názvem Colbert Report.

Přelom v energetice

Čeká se, že baterie založené na tekutých kovech se začnou komerčně testovat nejprve v první polovině roku 2014. Ale už teď je zřejmé, proč se lidé tolik zajímají jak o tento projekt, tak o ostatní technologie pro ukládání energie, které by mohly být v oblasti energetiky přelomové, a pokouší se je přenést ze školních laboratoří na pásy továren.

Možnost velkokapacitního ukládání energie skrze rozvodnou soustavu byla po dlouhou dobu svatým grálem technologického světa a stoupenců zelené energie.

Větrné elektrárny jsou totiž perfektní pro výrobu čisté energie - ovšem až na dny, kdy nefouká žádný vítr.

To samé pak platí pro fungování solárních panelů, když zajde slunce. Tento nedostatek je pak činí velmi nespolehlivými ve srovnání s plynovými či uhelnými elektrárnami, které však kvůli množství emisí oxidu uhličitého přispívají k nebezpečnému oteplování planety. Pokud by ale bylo možné ukládat energii z obnovitelných zdrojů a uchovat ji pro pozdější použití, proces změny klimatu by se tak mohl výrazně zpomalit. Další výhodou by pak bylo zásadní navýšení efektivity elektrických sítí.

Obor pronásledovaný problémy

Kvůli strmému nárůstu elektráren využívajících obnovitelné zdroje energie sílí ve světě poptávka po možnosti velkokapacitního skladování elektřiny skrze rozvodnou soustavu. Vývoj potřebných zařízení se však potýká s problémy. A to jak technickými, tak finančními.

"Opakujícím se tématem v problematice skladování energie je výskyt nejrůznějších komplikací," tvrdí Albert Cheung, analytik z Bloomberg New Energy Finance. Pro popis odvětví, které technické a finanční potíže doslova pronásledují, jsou však vyjádření tohoto typu slabými slovy. Vývoj v oblasti skladování energie totiž nedosáhl ani zdaleka takových pokroků jako jiné technologie - například telefony nebo osobní počítače.

Kdyby se vývoji baterií dařilo postupovat kupředu stejně tak rychle, mohli bychom si už dnes koupit třeba levné elektrické auto, které by na jedno nabití vydrželo jet více než 1500 kilometrů.

Nebo bychom byli schopni nabít během chvilky mobilní telefon, který by pak bez dalšího zdroje energie vydržel celý měsíc. Místo toho si však musíme vystačit s nepříliš výkonnými bateriemi, které jsou navíc nepoměrně dražší než ostatní zdroje energie.

Podle poradenské firmy Frontier Economics činí náklady na výstavbu plynové elektrárny zhruba 500 eur na jeden kilowatt, méně než jednu čtvrtinu toho, co některé systémy na uchování baterií. I to je jedním z důvodů, proč je trh s ukládáním energie stále velmi malý.

Celkové globální prodeje vzrostly ze zhruba 400 milionů dolarů v roce 2005 na jednu miliardu dolarů v roce letošním, tvrdí analytici z bostonského Lux Research.

Za tento vývoj je však třeba poděkovat především japonské firmě NGK Insulators, lídrovi trhu, jehož sodíkovo-sírové akumulátory se komerčně využívají přes deset let. V září loňského roku se však jedna z baterií firmy NGK vznítila, a společnost byla nucena požádat vlastní zákazníky, aby od používání baterie dočasně upustili. "Zdá se však, že firma našla na problém řešení a vrací se zpět na trh," usuzuje Anissa Dehamma z Pike Research.

Některé další firmy však ve svém podnikání takové štěstí neměly. Za poslední rok musely vyhlásit bankrot minimálně tři firmy, které se zabývaly vývojem pokročilých technologií pro baterie. Poslední z nich byla přitom ostře sledovaná společnost A123 Systems. Technologii, kterou firma vyvíjela, považovala americká vláda za natolik slibnou pro rozvoj elektrických vozidel či úschovy energie, že na projekt darovala grant ve výši 249 milionů. I přesto však firma musela minulý měsíc skončit.

"Když se podíváte na žebříček nejlepších dodavatelů technologií pro tento trh, nemůžete si nevšimnout, že každý z nich se ve své práci setkal s výraznými finančními problémy či s překážkami v oblasti bezpečnosti a technologie," poukazuje na problémy odvětví Steve Minnihan z Lux research. "Většina firem se dokonce nevyhnula ani jednomu z těchto dvou obtíží. Je to doslova ohromující." Podle Minnihanových předpokladů bude trvat dalších 5 až 10 let, než budou baterie nabízet něco více než jen napájení vysoce specializovaných zařízení či vyplnění mezery na trhu v oblasti rozvodu elektřiny.

Sázka na elektromobily nevyšla

Jedním z důvodů, proč trh s bateriemi opakovaně padá do potíží, je vývoj na trhu elektromobilů. Většina společností, které se vývojem baterií zabývají, totiž počítala s tím, že se jejich výrobky uplatní na rychle rostoucím trhu s elektrickými vozidly, který by táhl nahoru řetězec dodavatelů a případně přinesl i nižší ceny. Trh s elektromobily však vůbec nerostl tak rychle, jak mnozí doufali.

I to je jedním z důvodů, proč lidé jako profesor Sadoway z Massachusettského technologického institutu opakovaně zdůrazňují, že "jejich" baterie budou cenově dostupné. "Brali jsme otázku dostupnosti v potaz už od začátku. Musíme proto baterie vyrábět z prvků, které jsou hojně dostupné," vysvětluje. "Pokud to chcete udělat skutečně levné, nezbývá než to vyrobit doslova z ,hlíny', protože jinak výsledku nedosáhnete. Nemůžete chtít používat prvky, kterých je nedostatek."

Jay Whitacre z pittsburské Carnegie Mellon University, další americký profesor, vnímá cenovou dostupnost při výzkumu nových technologií taktéž jako zásadní. Se svou společností Aquion Energy vyvíjí novou variantu hybridní iontové baterie a doufá, že ji bude moct vyrábět již příštím rokem.

Společnosti, které se podaří rozlousknout oříšek s ukládáním velkého množství energie v přenosové soustavě, bude ležet trh u nohou. Růst počtu větrných elektráren a solárních panelů totiž podněcuje zájem po technologiích na skladování energie v mnoha částech světa.

Podle ratingové agentury Moody's přibylo v Evropě od roku 2006 do sítě přenosové soustavy až 100 gigawattů kapacity pro elektřinu z obnovitelných zdrojů, což znamená zhruba 35 % celkové základní kapacity. A vzhledem k předpovědím, že do roku 2020 dojde k rozšíření sítě o dalších 150 gigawattů, se problém se zprostředkováním energie stává ještě naléhavějším.

V Itálii například vyhradila společnost Terna, správce přenosové soustavy, jednu miliardu eur pro investici do baterií. Co do tržeb největší německý energetický podnik, firma E.ON, zase začal budovat na severu země elektrárnu, která by dokázala konvertovat elektřinu z obnovitelných zdrojů na vodíkový plyn. Jiné společnosti se mezitím snaží místo baterií využít jiné způsoby, jak skladovat energii - a mezi nimi i některé z těch, které fungují už dlouhodobě.

Voda a vzduch nestačí

Jedním z nejrozšířenějších způsobů je přečerpávací vodní elektrárna, která se používá už více než sto let. Tento způsob využívá levnější, mimošpičkové elektřiny k napumpování vody nahoru do rezervoáru a později ji nechává protéct přes turbínu. Dnes funguje ve světě již přes 100 gigawattů vodou takto poháněných kapacit, jejich výstavba je však náročná na prostor a vyžaduje zvýšený povrch, jednoduše nějaký kopec.

Většina firem se tak snaží najít jiné možnosti skladování energie - například pomocí stlačování vzduchu. Jedná se o způsob, kdy se vzduch stlačí a pak skladuje třeba ve starém dole, přičemž po uvolnění se používá k pohánění turbíny. Elektrárny založené na tomto principu fungují třeba v Německu či americké Alabamě, podle analytiků však trpí problémy s výkonností.

Další z možností je použít setrvačník, což je koncept stejně starý jako hrnčířský kruh. Pracuje na bázi rychle se otáčejícího kola či rotoru, který vytváří rotační energii, jež se pak používá na tvorbu elektřiny. Setrvačníky jsou velmi výkonné, mají dlouhou výdrž a jsou schopné ukládat rychle velké množství energie. Rychle se jim však také vybíjí energie, což je podle mnohých analytiků činí ekonomicky nedostupnými.

Americké společnosti Beacon Power se minulý rok podařilo prosadit se setrvačníky v komerční sféře. V říjnu téhož roku se však firmě přihodila věc v tomto problematickém odvětví bohužel ne až tak neobvyklá: zbankrotovala.

Ostatní v tomto velmi mladém odvětví budou jistě následovat. Zdá se však stále nevyhnutelnější, že současné překážky ve vývoji baterií se jednou stanou minulostí stejně, jako se to přihodilo nepohodlným "cihlám", které stály u počátku výroby mobilních telefonů. Otázkou však je, jak dlouho to bude trvat, než se na poli skladování energie dočkáme podobného pokroku, jaký od dob "cihlových" telefonů prodělaly mobilní telefony k dnešní době iPhonů.

Pilita Clark
Financial Times

Kdyby byl vývoj baterií stejně rychlý jako u mobilů či počítačů, mohli bychom si už dnes koupit třeba levný elektromobil, který by na jedno nabití ujel přes 1500 kilometrů. Nebo bychom si mobil nabili během chvilky a on by vydržel fungovat celý měsíc.

5 let

minimálně ještě potrvá, než budou baterie nabízet víc než jen napájení vysoce specializovaných zařízení či vyplnění mezery v oblasti rozvodu elektřiny.

150 GW

je výkon obnovitelných zdrojů, které mají být v Evropě vybudovány do roku 2020. Odpovídá to výkonu 75 temelínských elektráren.

Podíl obnovitelných zdrojů na dodávkách energie

Tento podíl v posledních letech celosvětově roste. Platí to zejména pro Evropu (včetně České republiky) a také Spojené státy americké. "Světovým rekordmanem" v použití obnovitelných zdrojů je Island.

Jak se dá ukládat elektrická energie

Elektromobily

Hodně pozornosti se věnuje využití baterií elektromobilů. Zaparkovaná a do sítě připojená elektrická auta mohou v dobách vysoké poptávky prodávat energii a nabíjet se v noci či mimo špičku. Při kapacitě baterií pohybující se v rozmezí 20 až 50 kilowatthodin a průměrné denní spotřebě domácnosti 10 kilowatthodin za den může tento zdroj pokrýt potřebu domu na několik dní i bez dobíjení. Zásadní nevýhodou tohoto způsobu je, že každý průběh nabíjecího a vybíjecího cyklu snižuje životnost i kapacitu baterie. To se týká především baterií na bázi kobaltu, novější lithium-iontové baterie snesou výrazně více nabíjecích cyklů.

Setrvačníky

Těžké rotující disky pohání elektrický motor, který v případě potřeby energie slouží i jako generátor. V takovém případě setrvačník zpomaluje a vyrábí elektřinu. K prodloužení doby, po kterou je možné energii skladovat, je nutné omezit tření. Toho se často dosahuje umístěním setrvačníku do vakua a použitím magnetických ložisek. Takové setrvačníky jsou však nákladné. Požadavek na uchování většího množství energie si vynutil konstrukci velkých setrvačníků využívající pevné materiály, jako je ocel či kompozity odolávající velkým odstředivým silám. Pro využití v silové energetice se příliš nehodí, nacházejí ale dobré uplatnění v dopravě, například na železnici, kde zvyšují energetickou účinnost. Jsou používány také jako záložní zdroj ve velkých datacentrech.

Stlačený vzduch

V době mimo špičku se přebytečná energie využívá ke stlačení vzduchu. Ten je skladován v podzemí, obvykle se využívají nevyužité doly, v případě vhodných geologických podmínek lze vzduch skladovat i v jeskyních. Jakmile poptávka po energii vzroste, stačí s využitím malého množství zemního plynu stlačený vzduch zahřát a poslat do turbíny pohánějící elektrický generátor.

Termální energie

Médiem uchovávajícím energii může být voda nebo tekutá sůl. Uchované teplo se využívá ve špičce. Přebytečnou energii lze také využít k výrobě ledu. Ten může být skladován do dalšího dne a využit například k ochlazení vzduchu ve velkých budovách.

Supramagnety

Základem supravodivých magnetických zásobáren energie je magnetické pole tvořené stejnosměrným proudem procházejícím supravodivou cívkou. Ta musí být hluboce podchlazena, aby nedošlo k překročení kritické teploty, nad níž materiál ztrácí supravodivost a začal by se projevovat elektrický odpor.

Jakmile je cívka nabita, proud se nespotřebovává a magnetická energie může být skladována velmi dlouhou dobu.

Teoreticky jde o nejúčinnější metodu skladování energie, s účinností kolem 95 procent. Ke ztrátám dochází pouze při usměrnění a naopak při převodu na střídavý proud.

V realitě je doba skladování a množství uchované energie omezeno nutností zařízení chladit. Problémem je i vysoká cena supravodivých materiálů.

Vodík

Nejhojnější prvek ve vesmíru je dalším vhodným médiem pro uchování energie. Přebytek energie je využit k rozložení vody na vodík a kyslík. Vodík je uchováván buď pod tlakem, nebo v kapalném skupenství a v případě potřeby slouží opět k výrobě elektrické energie či tepla. Vodík lze využít pro pohon vozidel i v energetice. Výhodou vodíku je, že v relativně malém objemu lze uchovat vysokou zásobu energie.