Hledá se kýbl na elektřinu

JAN TŮMA  |  Věda
uhlí

Je to ironie, ale právě ta nejžádanější a „nejčistší“ elektrická energie živící naši civilizaci se oproti ostatním formám energie dá skladovat nejhůře. Potřeba hospodárně vyrovnat měnící se denní spotřebu s nepravidelně pracujícími alternativními zdroji, které nemohou vodě ani větru poroučet, si vynucuje vývoj dokonalejších akumulátorů, než jaké známe.

Fyzikové mají pravdu – energii jako takovou přímo skladovat nelze. Prakticky se to obchází skladováním jejích nositelů – dříví, uhlí, kapalných a plynných paliv. Zásobu energie si vozí v náplni benzinové nádrže každý motorista, k vaření a vytápění bytů ji máme uloženu v dříví a uhlí ve sklepech nebo v propanbutanových láhvích.

Nejuniverzálnější spotřební energii – elektřinu – zatím umíme přímo skladovat jen po troškách v elektrochemických článcích a akumulátorech. Každá její „kapka“ – pokud bychom z baterií chtěli krýt běžnou domácí spotřebu – je ale nejméně desetkrát dražší, než když potřebné kilowatthodiny odebíráme přes elektroměr ze sítě. Spotřeba elektřiny se výrazně mění nejen v průběhu dne, ale s teplotami a počasím i v průběhu roku.

Tepelné, jaderné a vodní průtokové elektrárny hospodárně pokrývají z 90 % tzv. základní zatížení elektroenergetické sítě, několikrát denně se vyskytující špičky odběru pomáhají překonat akumulační vodní elektrárny a pohotovostní zálohy. Když ani to nestačí, nezbývá dispečerům nic jiného než si elektrickou energii „půjčovat“ nebo nakupovat od sousedních zemí, pokud právě disponují jejím přebytkem.

Na evropském kontinentu to umožňuje vzájemné propojení elektroenergetických sítí jednotlivých států přeshraničními přenosovými linkami 400 až 750 kW, s využitím tzv. stejnosměrných „mostů“ umožňujících synchronizovat kmitočet na území v šíři 120 poledníků, sahající od Bajkalu až po Velkou Británii. Výpadek několika velkých zdrojů může způsobit okamžitý energetický kolaps. Rezervou velkých výkonů jsou zatím jen přečerpávací a akumulační hydroelektrárny, připravené naběhnout na plný výkon během několika minut. Vhodná místa pro ně jsou však v Evropě prakticky vyčerpána.

Naděje energetiků se proto upínají k „rozptýleným zálohám“ u velkoměst a průmyslových oblastí, které by akumulovaly přebytek elektrické energie v době nízké spotřeby a vracely ji ve špičkách odběru, nebo jako pohotovostní energetické konzervy by odvrátily „black-out“ při haváriích přenosové sítě. Vedle elektrochemických a palivových článků nebo setrvačníkových akumulátorů se ověřují i supravodivé indukční systémy a baterie s nanomagnety. Liší se od sebe nejen principem a účinností, ale i reálnou kapacitou, dobou přepnutí a dobou akumulace.

Průřez elektromechanickou baterií

Cestou supersetrvačníků?

Setrvačník je historicky nejstarším mechanickým akumulátorem energie. Ve století páry pomáhal nadrženou kinetickou energií překonávat mrtvé body klikového mechanismu parních strojů, dodnes je nezbytným prvkem každého automobilového či jiného spalovacího motoru. Energii roztočené hmoty odevzdává mechanismům se zpožděním zlomků vteřiny.

Ve spojení s motorgenerátorem se hodí i pro krátkodobé „uskladnění“ elektrické energie. Elektřinu spotřebovanou k roztočení setrvačníku elektromotorem vrací s účinností až 85 % bleskovým přepnutím motoru do funkce generátoru. V minulém století je v praxi užili švýcarští inženýři ke stavbě gyrobusů – trolejbusů s jedenapůltunovým setrvačníkem pod podlahou na hřídeli motorgenerátoru.

Na každé zastávce se připojil sběrač k napájecímu stožáru a proud ze sítě během minuty urychlil setrvačník tak, že akumuloval asi 10 kWh energie. Ta vystačila trolejbusu se staženým sběračem k ujetí nejméně 2 km k další zastávce s nabíječkou. Těžké setrvačníky, jejichž gyroskopický moment ztěžoval jízdu do zatáček, se neosvědčily ani u začínajících elektromobilů, přestože dokážou akumulovat část jinak brzděním mařené energie.

Do role krátkodobých akumulátorů elektřiny se dostaly, až když litinová kola nahradily mnohem lehčí setrvačníky čočkovitého tvaru z vyztužených plastů, které lze v magnetických ložiscích ve vakuové nebo heliem plněné skříni bez obav z roztržení roztočit až na 80 tisíc otáček za minutu. Rekordmanem je supersetrvačník s hmotností jen 0,6 kg, který lze jako rotor v magnetickém závěsu roztočit až na 1 milion otáček za minutu!

Po takových setrvačníkových akumulátorech sahá průmysl v místech, kde i několikavteřinový výpadek elektřiny může způsobit pohromu řídícím a počítačovým systémům ve výrobě. Příkladem jsou 70 kg těžké setrvačníkové akumulátory DYBAT, které dokážou po dobu 30 s dodávat výkon 70 kW.

Vodík efektní a drahý

„Věřím, že jednoho dne vodík a kyslík, z kterých je složena voda, každý sám nebo i dohromady vytvoří nevyčerpatelný zdroj tepla a světla pro všechny,“ vyznal se čtenářům „Tajuplného ostrova“ Jules Verne. Jeho intuice o víc než sto let předběhla pokusy o využití nejlehčího prvku světa k pohonu motorů a k akumulaci elektrické energie i jako náhrady za zemní plyn, až se koncem 21. století jeho zásoby vyčerpají.

Elektřinou z nepravidelně pracujících alternativních zdrojů lze pomocí elektrolyzérů rozkládat vodu na vodík a kyslík, odděleně je shromažďovat v tlakových nádobách a v tzv. palivových článcích chemickou energii obou plynů na jejich elektrodách ve chvíli potřeby měnit v elektrický proud. Při použití pokročilých typů vysokotlakých elektrolyzérů a moderních palivových článků PEM probíhá takové skladování větších elektrických výkonů 100–500 kW s přijatelnou účinností 75 %.

Desetiletý pokus „Solar Wasserstoff“ využít takto elektřinu z fotovoltaické elektrárny vybudované u města Neunburg vorm Wald nedaleko našich hranic potvrdil bezpečnou funkci takového systému. Městská síť dostávala spolehlivě „sluneční“ elektřinu z palivových článků, i když bylo nebe zataženo, nebo přes noc. Kilowatthodina z nejlepších solárních panelů prošlá tímto „skladem“ však byla desetkrát dražší než ze sítě napájené proklínanými uhelnými a jadernými elektrárnami.

A kilometr ekologicky čisté jízdy vodíkovým BMV, kterým se laboratoř chlubila, vyšel bohužel třicetkrát dráž než při jízdě na benzin. Vodíkový věk v Neunburgu tak odložili na neurčito, i když se k němu svět bude muset asi už brzo vrátit.

Supravodivé prstence

Jednou z nadějí je nová generace superkondenzátorů.

Když roku 1911 nizozemský fyzik Kamerlingh Onnes ve rtuťové smyčce vymražené v kapalném heliu indukoval elektrický proud, který v ní k úžasu přivolaných svědků obíhal bez přerušení hodiny, dny a týdny po vypnutí induktoru, uvědomil si, že cestou právě objevené supravodivosti bude možné nejen přenášet, ale i uskladňovat elektrický proud bez jakékoli ztráty.

Supravodivost dnes umíme vyvolat i v řadě kovů, slitin a dokonce ve speciální keramice už nejen při teplotách kapalného helia, ale i za ekonomicky dostupnějších teplot v kapalném dusíku a vodíku. Experimenty s motory a generátory se supravodivým vinutím zdárně pokračují, stejně jako s téměř bezztrátovým přenosem elektrického proudu po supravodivých kabelech. Řadě průmyslových podniků i důležitým počítačovým sítím a serverům slouží supravodivé akumulátory UPS (Uninterruptible Power Supply) se supravodivou cívkou v kapalném heliu, nabíjenou přes usměrňovač. Proud v ní cirkuluje s minimální ztrátou 0,3 kWh za 24 hodin.

Na pokles napětí závodní sítě reagují během 0,2 mikrosekundy tím, že proud z cívky indukcí převedou přes kondenzátor do invertoru schopného po překlenovací dobu dodávat tovární síti výkon kolem l MW. Větší supravodivé akumulátory SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) obstály při experimentech při milionech cyklů nabití/vybití s účinností lepší než 95 %. Podle zveřejněných projektů by smyčky v podobě prstenců uložených v podzemí mohly v budoucnu kapacitou až 4000 MW nahradit i největší přečerpávací elektrárny se zázračnou účinností 99 %!

Průtokové kontejnery na elektřinu

Průtokové baterie vynalezené před třiceti lety jsou něco mezi klasickým akumulátorem a palivovým článkem. Na rozdíl od nich je energie ukládána pouze do elektrolytů, které se při nabíjení vytvořily v okolí vanadových elektrod. Ke spuštění stačí membránou oddělené „nabité“ elektrolyty přivádět ke správným elektrodám. Množství elektrolytů je omezeno jen velikostí zásobníků. Akumulační jednotky s velikostí lodních kontejnerů mohou s účinností až 90 % uložit a poskytovat výkony kolem 1 MW po dobu až 24 hodin. Není divu, že největší zájem o ně mají projektanti větrných elektráren, protože několik průtokových kontejnerů za bezvětří nahradí místní síti výpadek výkonu.

Zásnuby elektřiny s nanotechnologií

Téměř jako utopie zní zpráva o japonsko-americkém objevu nového typu baterií umožňujících ukládat elektrickou energii bez elektro-chemických procesů, o které se opírají všechny dosavadní typy akumulátorů i palivových článků. Pomocí nanotechnologií se jim podařilo sestavit strukturu s miliardami mikroskopických magnetů, které elektrický proud přiváděný jevem známým jako magnetický tunelový přechod ukládají do změny polarizace jejich magnetického spinu.

Při vybíjení se poprvé v historii energetiky mění magnetická energie v elektrickou. Galium-arsenidové magnety jsou napařovány nanotechnologií na zinkový nosič a nejsou tlustší než 50 nm. Podrobnosti ještě nebyly publikovány, vědci jsou prý ale překvapeni nejméně stonásobně větší kapacitou baterie, než původně očekávali.

Realita přečerpávacích elektráren

Princip je zdánlivě prajednoduchý -stačí potrubím s čerpadlem a turbínou propojit vhodně umístěnou dolní a horní vodní nádrž. Levnou elektřinou ze sítě čerpají v době přebytku vodu z dolní nádrže do vysoko položené horní nádrže. V okamžiku potřeby, kdy každá chybějící kWh má cenu zlata, voda průtokem přes turbosoustrojí po spádu přemění svoji potenciální energii na elektřinu, kterou vrací do sítě. Modernější přečerpávací elektrárny (PV E) používají tzv. dvoustrojová soustrojí, v nichž se čerpadlo po načerpání vody přetočením lopatek promění v turbínu, a elektromotor, který čerpadlo poháněl, převezme funkci alternátoru.

Mezi autory této „vychytávky“ patří český inženýr V. Hosnedl a akademik M. Nechleba. Soustrojí HON E se v ČR vyrábějí pro spády až do 800 m. Jestliže účinnost přečerpávacího cyklu se u starších třístrojových jednotek pohybovala kolem 50 %, HON E umožňují akumulaci elektřiny s účinností až 75 %. To znamená, že na „uskladnění“ každé kWh je nutné v čerpacím režimu vynaložit asi 1,3 kWh. Plný výkon jsou některé moderní PV E schopné dodávat už za jeden a půl minuty po spouštěcím povelu, podle velikosti nádrže s ním vystačí na 4 až 10 hodin.

Na světě vypomáhá energetice půl tisíce přečerpávacích elektráren s výkony nad 100 MW, mezi které je čestně zapsána PV E Dlouhé Stráně s párem dvoustrojových jednotek o celkovém výkonu 650 MW. S ohledem na ochranu přírodních krás Jeseníků jsou strojovny, transformovny i přivaděče zabudovány v 8 km dlouhých tunelech a horní nádrž pro 2,7 milionu m3 vody ve výši 1350 m nikoho nepohoršuje. Každý kW instalovaného výkonu šetří našemu hospodářství ročně 2,5 tuny uhlí a 60 kg oxidu siřičitého, který by za tu dobu musely k jeho výrobě ročně vychrlit do ovzduší komíny tepelné elektrárny.

Co do výkonu největší „přečerpávačka“ světa Dinorwic v britském Walesu je schopná l5 vteřin po startu dodávat do skotské nadřazené sítě 1800 MW. VJaponsku jí vyrůstá konkurent Kannagawa Hydropower s šesti soustrojími o celkovém výkonu 2820 MW a na ostrově Okinawa zkoušejí, zda soustrojí jejich první pobřežní přečerpávací elektrárny odolá agresivnímu účinku slané mořské vody.

Za naši neschopnost energii v rozumné formě ukládat platíme zbytečným znečištěním.

Natlakované jeskyně zklamaly

V jedné variaci na přečerpávací elektrárny nahradil vodu vzduch vháněný do utěsněných jeskyň nebo kaveren opuštěných dolů. V okamžiku potřeby se stlačený vzduch pod tlakem okolo 6 MPa vpustí do spalovací turbíny spolu s přídavkem plynu, jehož spotřeba se na dosaženém elektrickém výkonu turbosoustrojí podílí jen jednou třetinou.

V průmyslovém měřítku byla poprvé uvedena do provozu roku 1974 v německém Hundorfu. Vzduch je čerpán do dvou hlubinných solných jeskyň o objemu 150 000 m3 a plynová turbína je schopná po dobu tří hodin vracet do sítě výkon 290 MW. Ani další tlakovzdušná plynová „přečerpávačka“ s výkonem 110 MW postavená v Alabamě v USA nevrací z uložené energie víc než 55 % zpět, protože dochází ke ztrátám tepla při stlačování vzduchu.

Elektrické konzervy

Éra olověných akumulátorů se uzavírá. Nejrozšířenější automobilové akumulátory 12 V mají kapacitu 50 Ah (ampérhodin) a snesou až 500 nabíjecích cyklů. Akumulátorovna s kapacitou jediné megawatthodiny (1000 kWh) už vyžaduje zapojit a pečovat o 25 tun akumulátorů s hektolitry nebezpečné kyseliny. Průmysl i doprava se je snažily nejprve nahradit méně choulostivými nikl-ocelovými akumulátory (NiFe) vynalezenými T. A. Edisonem před sto lety.

Koncem 20. století si nástup přenosných elektronických přístrojů – videokamer, fotopřístrojů, notebooků a lehkého akumulátorového nářadí – vynutil pokročilé elektrochemické články schopné akumulovat v kilogramu hmotnosti nejméně 200 Wh energie – při stejné hmotnosti čtyřnásobně víc, než nabízejí akumulátory s olovem. Nejrozšířenější nikl-kadmiové (NiCd) akumulátory snášející až 3000 nabíjecích cyklů i ultrarychlé, hodinu trvající nabíjení ekologové kvůli obsahu jedovatého kadmia od začátku zavrhují, uživatelům vadí „paměťový“ efekt. Hřebík do rakvičky jim zasazuje právě přijatý zákaz výroby NiCd akumulátorů v zemích EU.

Paměťovým efektem netrpí nikl-metalhydridové (NiMH) a lithium-iontové (Li-ion) články až s dvojnásobnou měrnou kapacitou (200 Wh/ kg), které umožnily zahájit výrobu dílenského i zahradního nářadí zbaveného prokletí věčně překážející přívodní šňůry, s výkonem srovnatelným s profesionálním nářadím na 230 V. Pro vyšší výkony, např. pro pohon elektromobilů, se léta ověřují zinko-vzdušné akumulátory, v nichž probíhá elektrochemická reakce na porézních elektrodách, oddělujících vzduch od zinku, nebo sodíko-sírové baterie, pracující při teplotě okolo 300 °C, potřebné k roztavení sodíku a síry, trend však mluví spíše pro pokročilé Li-ion akumulátory.

Nejčtenější