Tým finských vědců zkonstruoval první „pískovou baterii“ na světě. Slouží ke skladování energie vyrobené z obnovitelných zdrojů po dobu až několika měsíců a může tak vyřešit problém s dodávkami energie v průběhu celého roku, informuje BBC.
Jedním z největších nedostatků obnovitelných zdrojů elektrické energie je jejich závislost na okolních podmínkách. Solární panely nevyrábějí elektřinu, když není dostatek slunečního svitu, větrné turbíny zase nefungují, když nefouká dostatečně silný vítr. Z těchto důvodů je poměrně zásadní schopnost uložení vyrobené energie pro její pozdější použití.
Řešením je písek
Stávající řešení, postavená zpravidla na akumulátorech na bázi lithia a dalších minerálech, sice funguje, ale má řadu slabých míst. K největším patří vysoká cena, velké rozměry a omezené množství energie, jež jsou schopné pojmout. Vědci takřka po celém světě proto hledají nové způsoby dlouhodobého skladování energie.
Například Švýcarsko již mnoho let využívá své přírodní nádrže jako obří vodní baterie. Jde o staletí starou koncepci využití potenciální energie vody uložené ve vyšších polohách. Ale výstavba takových zařízení stojí desítky až stovky milionů korun. Finské řešení je mnohem levnější alternativou.
Podobně, jako u běžných systémů pro skladování energie, se přebytek vyrobené elektřiny z obnovitelných zdrojů přesune do pískové baterie. Namísto snahy přesouvat elektrony z jedné elektrody na druhou nebo pohánět čerpadla, jež by posílala vodu do výše umístěného zásobníku, využívá písková baterie odporový ohřev ke zvýšení teploty vzduchu, který se pak prostřednictvím výměníku tepla přenáší do písku.
První „písková baterie“ stojí ve Finsku
Díky teplotě tání v řádu stovek stupňů Celsia má věž z písku vysoký potenciál pro ukládání energie. A co je důležitější, písek tuto energii dokáže uchovávat po mnoho měsíců, což z něj činí životaschopné řešení pro dlouhodobé skladování.
Firma Polar Night Energy ve spolupráci s malou elektrárnou ve městě Kankaanpää v západním Finsku postavila první pískovou baterii. Vysoké šedé silo je naplněno asi 100 tun stavebního písku, který je nesrovnatelně levnější než lithium, kobalt a nikl používaný v tradičních bateriích. Přebytečnou elektřinou je zahříván až na teplotu kolem 500 °C.
„Je to opravdu jednoduché, líbila se nám myšlenka vyzkoušet něco nového a být první na světě, kdo něco takového udělá,“ řekl generální ředitel elektrárny Vatajankoski Pekka Passi. „Je to trochu bláznivé, chcete-li, ale myslím, že to bude mít úspěch.“
Jako zdroj tepla ano, elektřiny spíše ne
V současné době baterie napájí systém centrálního vytápění v okrese. Když jsou ceny energie vyšší, může být horký vzduch v baterii použit k ohřevu vody a následně čerpán do administrativních budov a domácností v regionu, případně využit k ohřívání vody v místním bazénu.
Jednou z velkých výzev nyní je, zda se podaří technologii rozšířit tak, aby měla skutečný význam. Dále je nutné dořešit, zda takto naakumulovanou energii bude možné využít nejen k produkci tepla, ale i k výrobě elektřiny, protože přeměna tepla zpět na elektřinu není tak energeticky účinná.
Písková baterie, ukládající energii v podobě tepla, by mohla být velmi užitečná pro celou řadu průmyslových odvětví. Teplo se využívá například v potravinářském, textilním nebo farmaceutickém průmyslu, přičemž v drtivé většině případů pochází ze spalování fosilních paliv. Využití obnovitelných zdrojů v kombinaci s pískovou baterií by tak mohlo výrazně snížit uhlíkovou stopu takových provozů.
Úspěchy pískové baterie
V říjnu 2022 získala firma Night Energy certifikát The High Potential Carbon Handprint Innovation v rámci mezinárodního ocenění Carbon Handprint Awards. Cílem této ceny je vyzdvihovat řešení, která mají zásadní pozitivní dopad na klima a pomáhají ekonomikám výrazně snížit emise nebo zvýšit zachycování uhlíku.
„Ve světě se toho děje hodně, pokud jde o klimaticky pozitivní chování, ale stále jsme daleko za tím, co by bylo potřeba udělat, aby planeta zůstala obyvatelná pro obrovskou populaci živých bytostí.“ řekl k ocenění spoluzakladatel firmy a technický ředitel Markku Ylönen.
„Naše skladování tepelné energie na bázi písku umožňuje rozšířit výrobu neregulovatelných obnovitelných zdrojů energie, jako je solární a větrná energie. Nahrazuje fosilní vytápění v sítích dálkového vytápění nebo procesní teplo v průmyslu. Společnost Mission Innovation odhaduje potenciál omezení emisí v roce 2030 na více než 100 Mt CO2 ročně. Skladování energie je klíčovým faktorem pro energetický systém založený na obnovitelných zdrojích,“ dodal Ylönen.
Vysvětlení účinnosti pískové baterie
Polar Night na svých stránkách vysvětluje, jak došli k tvrzení o 95% účinnosti. Vedoucí vědecký pracovník Ville Kivioja v úvodu konstatuje, že odporový ohřev písku má v podstatě 100% účinnost, která je ale nevyhnutelně snížena tepelnými ztrátami přes hranice systému. Písková baterie tento problém řeší několika způsoby.
- Protože je písek pevný materiál, přenáší se teplo uvnitř zásobníku pouze kondukcí. Tepelná vodivost písku je poměrně nízká, takže vnější části zásobníku fungují účinně jako izolátory, a proto je uvnitř zásobníku vždy značně strmý radiální teplotní profil. Zjednodušeně řečeno: na rozdíl od zásobníků na bázi vody, které mají všude konstantní teplotu, mají vnější vrstvy zásobníku na bázi písku teploty mnohem nižší, než je průměrná teplota systému a teplo tak neproudí z jádra do vnějších vrstev, a nakonec do okolního prostoru.
- Ačkoli má písek sám o sobě výše popsanou izolační vlastnost, je na hranicích systému použito dostatečné množství konvenční izolace.
- Systém trubek pro přenos tepla uvnitř písku umí upřednostnit vnější vrstvy při „vybíjení“ zásobníku a preferovat jádro při jeho „nabíjení“. To znamená, že i když má část tepla tendenci pronikat do vnějších vrstev, lze jeho velkou část využít, místo aby se ztratilo. U tepla „nabíjeného“ do jádra pak trvá velmi dlouho, než se dostane k vnějším vrstvám.
- Velký vliv na účinnost má rozsah akumulace . Je tomu tak proto, že menší úložiště má v porovnání se svým objemem větší plochu než úložiště větší a tepelné ztráty jsou v podstatě úměrné ploše. Zjednodušeně řečeno: jádro zásobníku dokáže udržet teplo po velmi dlouhou dobu, aniž by se ztratilo, a u větších zásobníků je jádro větší.
- Vliv na účinnost má samozřejmě využití zásobníku tepla. Čím kratší je doba skladování, tím méně tepla se ztrácí mezi nabíjením a vybíjením. Požadovaná doba skladování závisí na použití a potřebách zákazníka a může se pohybovat od jednoho dne až po několik měsíců.
„Při zohlednění všech těchto faktorů v našem modelování tvrdíme, že námi nabízené velké úložiště o kapacitě 1 GWh bude mít při použití pro běžné cykly ukládání orientované na větrnou energii v délce 1 až 2 týdnů účinnost kolem 95 %.“ říká Kivioja.
Slavnostní otevření pískové baterie Vatajankoski
20. ledna 2023 byla slavnostně otevřena písková baterie vyvinutá společností Polar Night Energy, coby první komerční systém skladování energie na bázi písku. Ceremoniálu se zúčastnil také finský ministr hospodářství Mika Lintilä. Testovací fáze začala v květnu 2022 a baterie byla do skutečného provozu uvedena zhruba o měsíc později – na přelomu června a července.
Schéma systému, který ukládá energii do písku a později ji používá k vytápění rodinného domu. Firma jej buduje v Tampere.
Při prvním malém testu bylo použito 100 kilogramů písku. V současné době pojme písková baterie Vatajankoski asi 100 tun písku, nicméně zde ambice společnosti ani zdaleka nekončí – dalším cílem je vybudovat baterii, která bude asi 20krát větší – tedy pojme asi 2000 tun.
„Písková baterie je v provozu již více než půl roku a funguje ještě lépe, než jsme očekávali. Je to ideální doba pro její oficiální uvedení do provozu, protože topná sezóna je v plném proudu,“ řekl při této příležitosti Markku Ylönen.
Ministr hospodářství Lintilä zdůraznil význam skladování energie a inovací pro úspěch na domácím i mezinárodním trhu. Povzbudil firmu Polar Night Energy k expanzi na mezinárodní trhy a ke snížení uhlíkové stopy Finska. „Odvaha, dovednosti a spolupráce. Ty jste měli. Na to můžete být hrdí,“ řekl ve svém projevu ministr.
