Elektřina je rychloobrátkové zboží. Když ji vyrobíte, nelze než ji rychle prodat. Jak dnes už díky boomu obnovitelných zdrojů víme, skladovat ji za rozumnou cenu umíme jen ve velmi omezeném měřítku. Což je škoda, byl by to skvělý zdroj výdělku. Kdo by dokázal ukládat energii v době, kdy je jí přebytek, například během slunných víkendů či větrných nocí, a poté ji prodávat v době zvýšené poptávky, má zisk zaručený.
Dva vědci ze Stanfordovy univerzity, Charles Barnhart a Sally Bensonová, se rozhodli, že se pokusí udělat jakousi inventuru současných přístupů ke skladování energie. (Jejich článek z časopisu Energy & Environmental Science je dostupný zde, bohužel ne zdarma.)
Stará dobrá přečerpávací
To nejlepší v tuto chvíli realizovatelné řešení je také to vůbec nejstarší: přečerpávací vodní elektrárny. V nich se energie skladuje s využitím zemské gravitace, tedy jako potenciální energie vody v nádrží. V době nízké poptávky čerpadla vodu přečerpají do nádrže nad elektrárnou, aby v době vysoké poptávky poháněla její turbíny. Přečerpávací elektrárny tak dokáží uchovat v podstatě po neomezenou dobu (když pomineme odpar) zhruba tři čtvrtiny uložené elektřiny. Může se zdát, že jde o poměrně malé číslo, ale z hlediska provozovatelů jde o skvělý byznys, především v poslední době.
ReportážDlouhé stráně skrz na skrz Podívejte se na naši fotoreportáž z české přečerpávací elektrárny Dlouhé Stráně z roku 2007. |
Přebytečné elektřiny je především právě díky obnovitelným zdrojům a způsobu jejich provozování na evropském trhu v tuto chvíli dost a bude jí zřejmě ještě přibývat, byť pomalejším tempem než dosud. Naopak špičková elektřina je zapotřebí neustále. Přečerpávací elektrárny jsou tak skvělou obchodní příležitostí, bohužel pro investory už není mnoho míst, kde by daly stavět. (Proto se někdy uvažuje i o technicky méně optimálních řešeních, jako je společností ČEZ zvažovaná dostavba přečerpávací elektrárny do přehrady Orlík.)
Výstavba se také potýká se stejnými časovými a administrativními potížemi jako každá jiná velká infrastrukturní stavba. Nemají však investoři alespoň nějakou jinou volbu? Není na trhu nebo nerýsuje se na obzoru nějaká nová technologie, která by mohla alespoň částečně přečerpávací elektrárny nahradit a umožnit skladování energie ve větším měřítku za přijatelných nákladů?
Poměr skladované energie a energie investované do výroby
Samozřejmě se najdou společnosti i jedinci, kteří tvrdí, že mají produkt buď již nyní, nebo spíše "za pár let" budou moci nabídnout něco podobného. Už i v České republice se objevily společnosti, které nabízely nebo chtěly nabízet zájemcům velkokapacitní baterie (např. vanadové průtokové baterie) ke skladování energie i třeba jen vyhlazování dodávek pro provozy, které jsou citlivé na podobné výkyvy.
Ale sliby obchodníků jsou jedna věc, realita často jiná. Charles Barnhart a Sally Bensonová ze Stanfordovy univerzity, vytvořili jakousi inventuru současných přístupů ke skladování energie. Pokusili se vytvořit metodiku pro srovnání současných možností i jejich výhledů. Do svého srovnání zařadili několik různých typů zvažovaných technologií baterií (od olověných akumulátorů po lithiové), přečerpávací elektrárny a také jednu méně známou, ale už používanou technologii: skladování elektřiny ve stlačeném vzduchu.
Ve výsledku navrhují pro srovnání těchto technologií tzv. ESOI. Jde o zkrácení výrazu "energy stored on investment", tedy poměr skladované energie a energie investované do výroby. (Jde o obdobu známější EROI: poměr získané energie na vynaloženou, který se používá pro základní srovnání různých energetických zdrojů.) Srovnání má tu výhodu, že fyzikální odhady mohou být přesnější než finanční, které výrobci tají mnohem úzkostlivěji než výkony svých zařízení.
Podívejme se nejprve, jak si vedla z finančního i technologického hlediska prověřená technologie přečerpávacích vodních elektráren. V průběhu jejich uvažované životnosti (ve studii to bylo 30 let, což v případě vodní elektrárny je ještě málo) byl výsledný ESOI 1:210. Elektrárna během oněch 30 let tedy dokáže udržet více jak dvěstěkrát víc energie, než kolik bylo nutné k její stavbě. Jde jen o doklad toho, co už je ověřeno a naznačuje (nedokazuje), že na metodice by mohlo něco být.
Baterie? Zcela nevhodné
Jak si vedly velké elektrické baterie? Různé technologie elektrochemických baterií měly poměr ESOI v rozmezí od 2 pro olověné akumulátory do 10 v případě moderních li-on baterií. (Zhruba mezi nimi se umístily ještě již zmiňované vanadové, zinko-bromidové a sodíkovo-sírové baterie.)
Výsledky také nejsou jen "na papíře". Za prvé víme, že velké baterie se dnes jako zásobárna energie nepoužívají. Když se například před několika lety zajímala předběžně plzeňská Škoda Transportation o profitabilitu průtokové vanadové baterie, navržené právě pro síťové služby, podle informací Technetu byly výsledky expertizy jednoznačně nepříznivé.
EOSI čili poměr energie uskladněné během životnosti a energie vložené do výroby dané „baterie“. Od nejvýhodnější vlevo k nejméně výhodné.
Rozdíl mezi vodními elektrárnami a bateriemi je však až překvapivě velký, vlastně zcela beznadějný. Drastický rozdíl až dvou řádů je daný podle autorů analýzy především dvěma odlišnostmi. Jeden rozdíl je v počtu cyklů nabití a vybití (v případě přečerpávacích elektráren samozřejmě napouštění/vypouštění), které může daná technologie za svou životnost zvládnout. U přečerpávacích elektráren jich vědci uvažovali za 30 let více než 25 tisíc. Z baterií jich nejvíce vydrží lithiové: podle autorů cca šest tisíc (a i to je optimistický odhad za optimálních podmínek), na druhém konci spektra pak jsou olověné akumulátory, které jich zvládnou za dobu své životnosti pouze 700.
Prodloužení životnosti spíše než jejich kapacity se jeví podle autorů jako slibný a nezbytný krok k zaručení jejich možné budoucí konkurenceschopnosti. Značný prostor se nabízí i ve snaze snížit energetickou a materiálovou náročnost výroby baterií. Na základě dostupných údajů totiž Barnhart a Bensonová dospěli k závěru, že na vytvoření jedné jednotky skladovací kapacity je zapotřebí zhruba 300 až 600 jednotek energie v průběhu výroby, těžby materiálu atd. (U přečerpávací elektrárny je "energetická kapitálová náročnost" zhruba 100:1.)
Nevadí to v případě malého zařízení (třeba mobilního telefonu či počítače), kde má mobilní zdroj energie velkou přidanou hodnotu, ale pro síťové služby jsou takové systémy příliš drahé. Jejich masové rozšíření pro případ, že by nespolehlivé obnovitelné zdroje měly dodávat většinu elektřiny, by bylo zcela nereálně nákladné. To není až tak nové, Barnhart a Bensonová jen ukazují, jak hluboká propast opravdu je.
Vzduch naplněný energií a sliby
Zajímavé je, že nejlepší výsledek ESOI ze všech Barnhartem a Bensonovou zmiňovaných technologií mělo skladování energie ve stlačeném vzduchu (číselně to bylo 1:240). Technologie využívá velkých podzemních prostor například po starších důlních dílech jako velké rezervoáry, do kterých se v případě přebytku elektřiny kompresory vhání stlačený vzduch. Používala se už na konci 19. století, ale byla příliš neúčinná. Jako každá jiná látka, i stlačovaný vzduch se velmi rychle zahřívá. Pokud se teplo vzniklé během procesu efektivně nevyužije, je proces velmi neúčinný, a tedy drahý a nepraktický.
V tuto chvíli je nezvyklá technologie nasazena jen na několika místech světa (v USA, také v Německu), ale především je předmětem poměrně intenzivního zájmu výzkumníků. Zpracovává se několik projektů s různými přístupy, které by měly využít tepla při stlačení vzduchu. Německá RWE ve spojení s dalšími společnostmi, např. GE připravuje v Německu projekt ADELE. Provoz demonstrační jednotky měl začít už letos, podle posledních informací se však odkládá až na rok 2016.
Své štěstí v tomto oboru zkouší i řada malých energetických start-upů, např. LightSail, která má dodat demonstrační jednotku americkému námořnictvu. V Británii si podporu od státu i některých dalších investorů zasloužil zase projekt Highview Energy systém, která chce skladovat energii v zkapalněném vzduchu či dusíku.
Jejich autoři uvádí, že by technologie CAES ("compressed air energy storage") mohla reálně dosahovat účinnosti maximálně do zhruba 70 procent či méně. Projekty jsou však zatím v nejlepším případě jen v rané demonstrační fázi, reálných dat je málo a čísla jsou tedy opravdu jen orientační. Bude zajímavé sledovat, jestli jejich výsledky skutečně naplní možnosti, které skladování energie ve stlačeném vzduchu (či spíše plynu) prorokují autoři ze Stanfordu.
Oprava: Článek chybně uváděl jméno Charlese Barnharta. Za chybu se omlouváme.
