Hledá se způsob, jak uložit elektřinu. Možná pomohou obří gravitační baterie

Elon Musk a mnozí další mají jasno. Za pár desítek let budeme mít všichni na střechách svých domků i kancelářských budov novou generaci vysoce efektivních fotovoltaických panelů a vyrobenou elektřinu budeme skladovat kdesi v garáži v obřích superbateriích, nebo ji budeme posílat do decentralizované elektrické sítě.

Jaderná elektrárna Temelín: Prošli jsme 10 vrstvami až do otevřeného reaktoru

Ačkoliv dnes podobná řešení s relativně malým domácím akumulátorem nabízí celá řada drobných firem i velkých dodavatelů elektřiny, v globálním měřítku tuto technologii zpopularizoval právě Elon Musk, když začal básnit o své vizi SolarCity a představil jak fotovoltaické Tesla Solar Panels, tak bateriové moduly Powerwall a Powerpack, které vyrobenou elektřinu uchovávají na noční hodiny a transformují ji pro spotřebiče s vysokým odběrem.

Solární panely podle Tesly

No dobrá, dejme tomu, že několik akumulátorů velikosti lednice vystačí jedné domácnosti, pokud bychom však nezačali experimentovat s absolutní decentralizací výroby a uskladnění elektrické energie, potřebujeme i technologii, která by dokázala levně, ekologicky a dostatečně dlouho uložit nikoliv kilowatty, ale megawatty a gigawatty elektřiny, kterou v příštích dekádách vyprodukují rozsáhlé farmy solárních a větrných elektráren, jenž postupně doplňují a mnohde i nahrazují tradiční fosilní zdroje i jádro.

Domácí Powerwall a podnikové Powerpacky jako rychlá a krátkodobé solární akumulátory

V následujících kapitolách se podíváme na několik způsobů, jak dlouhodobě uložit tento kolísavý zdroj přírodní energie do starých autobaterií, což dnes zkouší třeba Bosch, do rotujících setrvačníků, které vyrovnávají elektrickou síť v celém New Yorku, do lávových kamenů a stlačeného plynu, nebo do na první pohled tak trochu bláznivých gravitačních baterií velikosti mrakodrapu, štoly nebo celé hory.

Uložiště ze starých autobaterií

Německý Bosch posledních několik let experimentuje paradoxně s tím dnes asi nejméně vhodným a už přežitým médiem pro masivní ukládání elektrické energie. Elektřinu se totiž pokouší uchovat ve vcelku běžných autobateriích.

Experimentální a klidně i mobilní zařízení má velikost menší čerpací stanice a nabízí kapacitu okolo 3 MWh. To je dost na to, aby nárazově uživilo celé německé městečko.

Experimentální úložiště elektřiny v podobě kontejneru plného starých repasovaných autobaterií. Bosch s nimi experimentuje na několika místech v Německu.

Proč se v Boschi rozhodli pro olověné akumulátory, když dnes svět dobíjecích baterií už pevně ovládá lithiová technologie? Protože samozřejmě nepoužívají nové autobaterie, ale repasují ty staré a vyřazené, které by jinak čekala náročná a drahá ekologická likvidace.

Přestože jsou už nevhodné pro použití v automobilu, jako energetická cache mohou po drobných úpravách fungovat dál. Dnes Bosch svoji technologii testuje v několika německých lokalitách a celý projekt má díky recyklaci zajímavý rozměr.

V následující kapitole se podíváme, jak v New Yorku roztočili 400 setrvačníků a získali 40 MW elektrické energie, která stabilizuje celou zdejší elektrickou síť.

Když se v baterii promění roztočená káča

Dalším a už mnohem efektnějším (i efektivnějším) způsobem, jak uložit elektrickou energii, jsou setrvačníky, kam patří i stará dobrá káča z dětství. Když ji pořádně roztočíte třeba na svém stole, udrží se v pohybu i několik minut. V její rotaci je uložená vstupní energie, která se postupným třením okolního vzduchu pomalu předává dál, až káča spadne.

Stačí tedy vyrobit o něco větší káču s pořádnou zátěží, kterou pak umístíme do vakua, aby ji nemohl zpomalovat okolní vzduch, a pro všechny třecí spoje použijeme odolný materiál na bázi uhlíku. Poté vše umístíme do ocelového kontejneru a roztočíme na vysoké otáčky, ve kterých ji budeme občasnou pomocí udržovat.

Setrvačníkové kóje a schéma farmy Beacon POWER

Setrvačník má nyní ve své rotaci a hmotnosti uloženou energii, kterou můžeme kdykoliv a velmi rychle přeměnit na elektrickou energii. Stačí v patřičnou chvíli proměnit setrvačník na elektrický generátor.

Stovky setrvačníků pro New York

A přesně toto dělá třeba americká Beacon POWER, která na dvou venkovních parcelách v New Yorku a Pensylvánii provozuje dohromady 400 setrvačníků se souhrnným výkonem 40 MW. Celý systém se vejde na jedno větší parkoviště.

Setrvačníkové farmy v Stephentonu a Hazle Townshipu stabilizují elektrickou síť pro celou newyorskou aglomeraci

Setrvačníky se v tomto případě starají především o frekvenční korekce v elektrické síti operátora NYISO, který organizuje dopravu zhruba 18 GW elektrické energie k bezmála 20 milionům odběratelů v New Yorku a jeho zázemí.

 V další kapitole se podíváme, jak by bylo možné ukládat energii do země. Třeba ve formě stlačeného plynu a tepla.

Elektrárna na lávové kameny nebo tlak

Zatímco Beacon POWER ukládá energii do rotačního pohybu stovek setrvačníků, jiní koketují s myšlenkou transformace elektrické energie do stlačeného vzduchu. Řeč přitom není o naplňování běžných plynových bomb, ale spíše nějaké prázdné a okolní horninou dobře izolované dutiny, anebo do porézního materiálu, který se vyprázdnil třeba po těžbě zemního plynu. Natlakovaný plyn by pak stačilo v případě potřeby uvolnit a následně roztočí turbínu. 

Německý elektrotermální akumulátor ETES ohřívá lávové kameny

Dalším způsobem, jak uložit energii, je přeměna na teplo a jeho uskladnění v nějakém materiálu, který jej dokáže s dostatečnou tepelnou kapacitou dlouhodobě udržet – podobně jako setrvačník zmíněný výše.

Němci zprovoznili první elektrotermální úložiště energie. Zkrotí výkyvy dodávek z obnovitelných zdrojů

Německá Siemens Gamesa letos na jaře vyrobila první elektrotermální úložiště ETES, které k akumulaci tepla používá lávové kameny rozehřáté až na 750 °C. Vulkanická hornina dokáže v tomto případě uchovat okolo 130 MWh po dobu jednoho týdne a exotická elektrárna, která je první svého druhu, jenž v takovém měřítku opustila rýsovací prkno, bude v následujících letech sloužit právě pro vyrovnávání výkyvů dodávek energie z obnovitelných zdrojů v Německu.

Samostatnou kapitolou jsou ale gravitační akumulátory. Tím nejznámějším je přečerpávací elektrárna. V následující kapitole si připomeneme tu největší v Česku.

Gravitační elektrárny

Nakonec nesmíme zapomenout na gravitační úložiště energie. Ostatně jedno z nich máme i v Česku a jedná se o hojně navštěvovanou turistickou atrakci. Řeč je samozřejmě o přečerpávací vodní elektrárně Dlouhé stráně v Hrubém Jeseníku.

Největší akumulátor v Česku – přečerpávací elektrárna Dlouhé Stráně

Princip gravitačních zásobníků je jednoduchý. V nadmořské výšce X se nachází médium, které nese potenciální energii. V případě Dlouhých strání se jedná o horní nádrž ve výšce 1 350 m n.m. a s provozním objemem 2,6 milionů m³.

Jak funguje největší akumulátor v Česku: podívejte se do elektrárny Dlouhé Stráně

No, a pak stačí mít dolní nádrž, do které prostým působením gravitace steče potrubím masa vody a roztočí turbínu. Dlouhé stráně dokážou tímto způsobem vyrobit až 650 MW elektrické energie.

Inženýři z Rakouska nicméně vymysleli ještě trošku jinou přečerpávací elektrárnu MGES. Namísto vody používá písek nebo štěrk a prý je ekologičtější a levnější – tedy alespoň na papíře. Podíváme se na ni v následující kapitole.

MGES, tedy gravitační elektrárna na písek

Julian Hunt z rakouského Internation Institute for Applied Systems Analysis se svými kolegy nedávno publikoval studii (PDF), ve které popisuje mnohem bizarnější technologii gravitačního úložiště. Tým inženýrů ji dal jméno MGES – Mountain Gravity Energy Storage – a slibuje, že se jedná o něco mnohem efektivnějšího, levnějšího a ekologičtějšího než obvyklá přečerpávací nádrž.

Princip gravitačního akumulátoru MGES, který namísto vody jako médium předpokládá použití levnějšího písku nebo štěrku

Základní princip je stejný. Médium s potenciální energii je na vrcholu hory a elektrický generátor v údolí. Tentokrát však nejde o umělé jezero, vodu a podzemní štolu s mohutným potrubím, ale o lanovku.

 V lanovce necestují lyžaři, ale zásobníky na štěrk nebo ještě lépe písek. Vstupní elektrická energie se tedy nejprve uskladní v písku, který lanovka vyveze na vrchol, no a když bude potřeba vyrobit elektřinu zpět, jeřáb kdesi na štítu naloží písek do přepravníků, přičemž mnohatunová zátěž díky spádu rozjede lanovku, která se tentokrát bude chovat jako turbína vodní elektrárny, roztočí generátor a než doputuje tuna písku do údolí, v blízkém městečku se z vyrobené elektřiny rozsvítí pouliční osvětlení.

Písek je levnější než voda

Ačkoliv má celý nápad hromadu „ale,“ neboť se nabízí otázka, jak drahá by byla údržba podobné lanovky, která může být choulostivější než vodní štola kdesi ve skále, autoři studie se dušují, že má hromadu výhod.

Srovnání několika způsobů, jak dlouhodobě udržet energii a výpočty různých konfigurací gravitačního akumulátoru MGES

Tou první je doba uložení energie. Štěrk, na rozdíl od ostatních médií, může kdesi na vrcholu hory ležet klidně dlouhé měsíce a roky. Netýká se jej výpar a další degradace. Písek je zároveň levnější než voda a podle Hunta je celý systém i mnohem flexibilnější, protože hypotetickou lanovku lze s malými náklady celou překonfigurovat na potřebný výkon.

Lanovka s pískem však ani zdaleka není tou nejodvážnější studií gravitačního akumulátoru. Energy Vault, Gravitricity nebo Gravity Storage mají velikost mrakodrapu nebo obrovské štoly a mohou uchovávat megawatthodiny energie. Podíváme se na ně v poslední kapitole.

Gravitační baterie velikosti mrakodrapu

V mnohem menším měřítku se pokoušejí gravitační akumulátory vyvinout i další inženýrské týmy z celého světa. Švýcarský Energy Vault chce v bateriové články proměnit mnohatunové betonové bloky, které by tvořily věž o výšce budovy s 33 poschodími. Když by bylo třeba vyrobit elektřinu, jeřáb by uchopil jeden z bloků a ten by pak svou hmotností při regulovaném pádu roztočil skrze lano generátor.

Simulace Energy Vault:

Konkurenční Gravitricity zase hodlá vyrobit gravitační baterii třeba ze staré vertikální důlní štoly s hloubkou 150 a více metrů. Když by bylo potřeba rychle vyrobit elektrickou energii, vypustili by ke dnu obrovské závaží, které by skrze lanové spojení opět roztočilo generátor. Podle autorů by tímto způsobem bylo možné uchovat 10 MWh elektřiny.

Simulace Gravitricity:

Na úplný závěr ještě jeden podobný startup, tentokrát z Německa. Heindl Energy na svém webu rozpracoval studii Gravity Storage, které tentokrát používá hydrauliku. Opět si tedy představte vertikální štolu a jakýsi špunt z betonu, který bude svoji vlastní masou tlačit na zásobník vody pod sebou.

Simulace obřího špuntu Gravity Storage:

Jakmile inženýři otočí kohoutkem, natlakovaná voda roztočí turbínu generátoru. A naopak, když bude potřeba baterii dobít, jednoduše se nažene voda zpět. I tato konstrukce počítá s různými variantami, přičemž ta největší se špuntem o průměru úctyhodných 250 metrů by podle výpočtů uskladnila ekvivalent až 8 GWh elektrické energie.

Všechny tyto exotické koncepce však nyní existují jen na papíře nebo v laboratorních podmínkách a zůstává otázkou, jestli se skutečně někdy dočkají realizace. Do té doby budeme muset spoléhat v tradiční způsoby výroby a uskladňování elektrické energie.