Hodně se mluví o snižování závislosti na ropě a dalších fosilních palivech. Fosilní dieta nás samozřejmě někdy čeká, a půjde rozhodně o velmi drastickou kúru. Zatím jsou ovšem fosilní paliva zdaleka nejlepším způsobem skladování energie, jaký známe.
Naše schopnost přechovávání energie v podobě elektřiny se jim nemůže rovnat, a to ani zdaleka. Ale může se to změnit? Pojďme se podívat, jak lehko či těžko se něco takového může stát.
Elektřina na kolech
Vezmeme si za modelový příklad elektromobily, na kterých lze dobře demonstrovat (ne)schopnosti dnešních technologií. Na rozdíl od mobilu nebo počítače auto připojené k zásuvce prostě neplní svou funkci, tedy dopravit vás z bodu A do bodu B.
V případě dnešních elektromobilů musí být A a B nepříjemně blízko. Dojezd kolem 100 či 150 kilometrů je u elektromobilů v podstatě maximem. Auta s větším dojezdem by kvůli své baterii byla velmi těžká a především drahá. Akumulátory by stál bez nadsázky tolik, jako celé nové auto se spalovacím motorem.
Jaký dojezd by ale elektromobily měly mít? Vezměme si jako první příklad stroj, který má dvakrát větší dojezd než dnešní "elektroauta". Technicky by to znamenalo, že se kapacita dnešních baterií (při zachování ceny) zvýší také někam k dvojnásobku dnešních hodnot.
Řekněme si to v číslech. Klíčovým ukazatelem použitelnosti baterií v elektromobilech je jejich měrná kapacita. Tedy kolik energie dokáží udržet v poměru ke své hmotnosti.
Jako jednotka se používá watthodina na kilogram (Wh/kg). Dnes používané Li-on baterie mívají kapacitu zhruba kolem 150 watthodin na kilogram. (U olověných akumulátorů je to maximálně polovina). Baterie pro novou, konkurenceschopnější kategorii elektromobilů by měly mít podle odborníků kapacitu kolem 250 Wh/kg (a samozřejmě pokud možnost klidně výše).
Pro dosažení uvedeného cíle není zapotřebí úplného technologického převratu. Lze ho prý dosáhnout s Li-on bateriemi. Většina odborníků se totiž domnívá, že "lionky" mají dost potenciálu na zdvojnásobení kapacity.
Kdy to bude, na to už se odpovídá hůře. Nepůjde ale zřejmě o dlouhá desetiletí, alespoň pokud vývoj nenarazí na nějaké zcela nečekané problémy. V podstatě jde o zkoušení kombinací nejrůznějších elektrolytů i nových lithiových sloučenin pro katody a anody i další konstrukční změny (např. zavádění nanotechnologií). Dál už to ovšem zřejmě nepůjde. Li-on baterie se přiblíží hranici svých teoretických možností.
Pekelná síra
Co kdybychom se ale chtěli vydat dále než nějakých dvě nebo tři sta kilometrů a chtěli z Čech dejme tomu k moři. Jak účinné baterie bychom potřebovali? To by se účinnost dnešních baterií tak pětkrát, možná více. (To je zhruba stejně jako za posledních sto let vývoje baterií.)
Ale neklaďme si velké cíle. Řekněme, že chceme baterie s kapacitou kolem tisíce watthodin na kilogram (sedmkrát více než dnes). Ta už nás k moři doveze i s puštěným rádiem a snad i klimatizací. Je něco takového možné vyrobit?
Údajně ano. V laboratořích se pracuje s několika technologiemi, které by tohoto cíle měly teoreticky dosáhnout. Většina z nich nadále využívá lithia. Tento kov je pro baterie jako stvořený. Je rozšířený, lehký a především udrží velký náboj. Nějaký jiný zázračný materiál už na Zemi asi neobjevíme.
Na druhou stranu experimenty trvají již dlouho. Už v podstatě desítky let se na některých místech světa experimentuje například s lithio-sírovou baterií. Kladná elektroda je z lithia, záporná za síry.
Systém má teoreticky několikanásobně vyšší kapacitu než dnešní Li-on články, trpí však řadou problémů. Jedním je například velmi rychlé zanášení elektrod sloučeninami, které během provozu vznikají.
Jak dochází k oživení zájmu o vývoj baterií, objevilo se ovšem několik poměrně slibných náznaků pokroku. Čcheng-tu Liang (na webu ho najdete pod mezinárodní transkripcí jeho jména Chengdu Liang) z Národní laboratoře v Oak Ridge s kolegy údajně narazil na možnou přísadu, která nánosy na elektrodách rozpouští a uvolňuje zpět do elektrolytu.
Jedeme na vzduch
Ještě lepší zprávu by mohla znamenat technologie lithio-vzduchové baterie. Teoreticky by mohla udržet více než 60krát více energie než dnešní baterie, až 10 000 Wh/kg. Je to hlavně díky tomu, že je výrazně štíhlejší než jiné typy. Obejde se totiž bez jedné elektrody. Katodu (kladnou elektrodu) nemá pevnou, tvoří ji kyslík pronikající zvenčí.
Jednoduše geniální nápad se však realizuje jen těžko. Asi největším problémem je, že lithium divoce reaguje s vodou, které je ve vzduchu ve formě vodní páry více než dost. Akumulátory také mají krátkou životnost a už po několika dobitích jsou zatím (jde jen o laboratorní vzorky) v podstatě k ničemu. I tady se prý potíže ale daří postupně překonávat.
Kalifornská firma PolyPlus tvrdí, že vyvinula lithium-vzduchový článek, která funguje i ponořený v mořské vodě. Má keramický povlak s mikroskopickými průduchy, kterými se k baterii dostanou jen molekuly kyslíku rozpuštěné ve vodě, samotné molekuly vody ovšem ne.
Článek je jen na jedno použití, ale protože je na váhu efektivnější než jiné baterie, mohl by najít uplatnění při pohonu podmořských robotů, u kterých je délka provozu pod hladinou tak cenná, že se vyplatí na baterii nešetřit.
Za kolik, za kolik?
Budoucnost tedy na pohled vypadá růžově. Možnosti tu rozhodně jsou. Kdybychom udělali jednu neprozřetelnost a promítli dosavadní trend vývoje baterií do budoucnosti, nemuseli bychom být znepokojeni. Kapacita roste o několik procent ročně, a tak bychom za 30 nebo 40 let mohli být na až na kýžených 1000 Wh/kg, tedy šestinásobku dnešního stavu.
Ale bude to tak? O litiho-sírové baterie, která by měla mít takový výkon, se mluví už dlouho. V praxi ji ale nikdo nikdy neviděl.
A navíc jde o peníze. Elektromobil musí mít nejen baterii, do které se hodně vejde, ale také ji musí mít za slušné peníze. K čemu nám bude skvělá baterie, když bude stát milion? K pohonu aut rozhodně ne.
Abychom zase nechali mluvit čísla, podle loňské zprávy Národní výzkumné rady USA je cena dnešních baterií nad 1200 dolary za uskladnění jedné kilowatthodiny (kWh). Cíl pro dosažení konkurenceschopnosti s ropnými palivy je podle stejné zprávy při dnešních cenách pod 300 dolary za uskladněnou kWh (dnes už asi o trochu více, protože cena ropy se zřejmě nechystá padat k zemi).
Obrovský rozdíl je dán tím, že fosilní paliva jsou velmi účinnou zásobárnou energie. Z jednoho litru benzínu se při spálení uvolní necelých deset kilowatthodin energie. Běžné auto spotřebuje zhruba mezi 20 a 40 kilowatthodinami na sto kilometrů podle toho, jakou rychlostí se pohybuje. (Energie uvolněná z paliva je zhruba třikrát větší, ale většina se jí ztratí v podobě tepla. A samozřejmě motor celou dobu neběží na plný výkon.)
Když vezmete obě čísla dohromady, uvědomíte si, o jak obrovský úkol jde. Dokonalý elektromobil by vyžadoval baterii, která udrží zhruba sedmkrát více energie než ty dnešní a přitom by stála zhruba čtyřikrát méně. Držme výzkumníkům palce.
