Kam se solární elektřinou? Do stlačeného vzduchu nebo na kopec

aktualizováno 
Proč přebytečnou elektřinu z obnovitelných zdrojů nemůžeme ukrýt do baterií, ukazuje analýza dvou vědců za Stanfordovy univerzity. Podle nich by však mohl být nadějí být stlačený vzduch.

Elektřina by byla, jen ne vždycky, když je jí zapotřebí... | foto: Profimedia.cz

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.

Reportáž

Dlouhé stráně skrz na skrz

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...

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.

Mohlo by vás zajímat: Černobyl

Černobylská havárie se stala 26. dubna 1986 v černobylské jaderné elektrárně na Ukrajině (tehdy část Sovětského svazu). Vzpomínka na tragédii v těchto dnech oživila televizní minisérie Černobyl.

Téma Černobyl v článcích Technet.cz:
Brzda místo plynu a plyn místo brzdy. To byl Černobyl
Havárie neskončí před rokem 2065. Černobyl polyká tuny vody a miliardy eur
Výbuch roztavil beton a tisícitunový poklop létal vzduchem. Černobyl 1986

Nejčtenější

Scéna jako z hororu. Na střeše mrakodrapu vrtule rozsekala cestující

Havárie vrtulníku N619PA na střeše budovy PAN AM 16.5. 1977

Části zdeformované vrtule se do ulic New Yorku řítily jako smrtící neřízené projektily. Vrtulník společnosti New York...

Třímachový zabiják letadlových lodí Suchoj T-4 byl velkým žroutem rublů

Suchoj T-4

Historie letectví se pozoruhodnými stroji jenom hemží. Jedním takovým byl i sovětský bombardér Suchoj T-4. Vznikl pouze...

Poslední vrtulník. Začíná předehra zcela zapomenuté letecké tragédie

Reklama NYA zvoucí k cestování v proudové době

Byla to budova, kterou by někteří obyvatelé New Yorku nejraději hned po dokončení nechali zdemolovat. Místní bar s...

Osudový omyl. První a poslední přistání proudového letadla v Olomouci

MiG-21F trupového čísla 0618 s nímž v Olomouci tragicky havaroval kadet Omran...

Bylo mu 23 let, když se u Přerova učil létat na vysoce výkonném letounu Mig-21F. Podcenil však zadání úkolu a při...

Čistka telefonů od Huaweie pokračuje. Google je smazal ze svého webu

Huawei P30 Pro

Špičkové modely P30 Pro a dosud nevydaný skládací Mate X byly odstraněny z oficiálních stránek operačního systému...

Další z rubriky

Brontosaurovi potvrdili jméno až v roce 2015. Práskal ocasem jako bičem

Stádo brontosaurů na pochodu. Tito obří sauropodi se zřejmě sdružovali do...

Brontosaurus, tedy v doslovném překladu „hřmotný ještěr“, patří k nejznámějším a nejpopulárnějším dinosaurům vůbec....

Velký omyl českého rodáka odstartoval snahy o ovládnutí energie Slunce

Ronald Richter pracující na projektu Huemul. Snímek z argentinského zdroje není...

Příběh fyzika Ronalda Richtera, rodáka z dnešního Sokolova, dokazuje, že ve vědě slepé uličky opravdu mohou vést na...

Tyto geny můžete jen závidět. Chrání před cukrovkou a obezitou

Obezita má svou genetickou složku, o tom dnes není sporu. Velké potíže...

„Poruchy“ v naší DNA mohou mít někdy nečekané výsledky. Ilustruje to mimo jiné i výzkum univerzity v Cambridge. Ukázal,...

České školství zaostává. Rozdíly mezi školami se prohlubují
České školství zaostává. Rozdíly mezi školami se prohlubují

V Česku máme jednu z nejdelších rodičovských vůbec. Matky dvou dětí stráví doma průměrně 6–8 let, přestože by se mnohdy chtěly vrátit do práce dříve. Jaké jsou u nás rozdíly v rodičovské oproti ostatním evropským zemím?

Najdete na iDNES.cz