Máme dnes baterie, které dokážou vyrovnat kolísání udržitelných zdrojů energie?

Bizarní způsoby skladování energie v rozvodné síti. Je čas na průtočné baterie nebo potřebujeme ještě čekat?

Na fotografii je sada australských průtočných baterií RedFlow. Foto: RF

Text: Jan Strmiska

Udržitelné zdroje energie jsou charakteristické velkými a nepředvídatelnými výkonnostními výkyvy, což představuje obrovskou výzvu pro rozvodnou soustavu. Kolísání se obyčejně neřeší utlumováním výkonu energetických zdrojů ve špičkách, ale naopak skladováním přebytečné energie a opětovným vracením do sítě ve chvílích propadů. Silné výkyvy totiž mohou vést až ke zhroucení sítě, pro který se vžil hrozivý výraz blackout. Nicméně skladování není zadarmo a je potřeba zvážit, jestli se vůbec vzhledem k účinnosti zvolené technologie vyplatí.

Proč by se síť měla zhroutit?

Většinou jde o ztrátu frekvence sítě, což předchází okamžiku, kdy se připojené generátory přestanou synchronizovat. Následuje kaskádové selhání jednotlivých částí sítě, která se pak musí zdlouhavě a bolestivě restartovat. A právě během tohoto období trvá obávaný blackout. Proto jsou potřeba 2 typy vyrovnávacích a záložních zdrojů. Jednak takové, které jsou schopné reagovat v řádu milisekund a pak další, u kterých reakční doba může být delší — řádově minuty nebo dokonce hodiny. Funguje to podobně jako vyrovnávací baterie UPS v serverovně pro nečekané okamžité výpadky elektřiny, které by ale byla doplněná diesel agregátem ve sklepě, jaký mají třeba nemocnice pro případ výpadku na desítky hodin.

Jak tedy energii skladovat?

Pro rychlou odezvu jsou skvělé setrvačníkové (FES) a bateriové úložiště. A jako alternativa toho sklepního dieselu jsou přečerpávací vodní zásobníky PHS (Pumped-storage hydroelectricity) a zásobníky energie stlačeného vzduchu CAES (Compressed-air energy storage). Ty jsou vhodné pro pozvolnější náběh absorpce propadu a uvolňování energie po delší dobu.

Setrvačníkové skladování energie zní neuvěřitelně archaicky, ale pokročilé systémy FES mají rotory vyrobené z vysoce pevných kompozitů z uhlíkových vláken, zavěšené na magnetických ložiskách. Rotory jsou umístěny ve vakuové skříni, kde se točí rychlostí od 20 000 do více než 50 000 otáček za minutu. Setrvačníky dokáží energii poskytnout v řádu milisekund a použití supravodivých materiálů je i relativně úsporné (z ekonomických důvodů ale potřebujeme vysokoteplotní supravodičová ložiska HTSC). Rychlejší skladování energie momentálně nemáme. Na fotce setrvačník NASA G2. Foto: NASA

Redoxní průtočné baterie (RFB)

Další alternativu pro krátkodobé skladování energie představují Redoxní průtočné baterie (RFB). Na rozdíl od momentálně pokročilejších a rozhodně nejpopulárnějších lithiových baterií je tohle v podstatě průtočný chemický reaktor, kde jako elektrolyt slouží vanadový roztok. Výhodou jsou nižší náklady při velkých kapacitách než právě u lithiových baterií, protože ty jsou sestaveny z jednotlivých malých článků — každý s vlastní elektronikou — a tak u nich cena roste v podstatě lineárně. U redoxních baterií tomu tak není, a tak při vysokých kapacitách v řádu desítek megawattů představují výhodnější řešení. Tyto baterie tedy nebudou nic pro novou Teslu nebo iPhone, ale naopak pro elektrárenský byznys.

Jaké jsou další výhody vanadových RFB baterií?

Na prvním místě jde jednoznačně o dlouhověkost. Při simulaci dvaceti let provozu není pozorovatelná žádná degradace. V tradičním přepočtu počítejte se životností klidně 100 000–200 000 cyklů. Dalo by se totiž říci, že jsou to v podstatě sudové baterie. Představte si to jako nádrž s elektrolytem. Ale na rozdíl od konvenčních řešení chemická reakce neprobíhá uvnitř elektrody, která se tím zevnitř postupně roztrhá a opotřebuje, ale reakce se děje jen na povrchu. Celý proces je proto šetrnější a má delší výdrž. Mohou se tak několikrát denně nabíjet a vybíjet celé roky. Taky se snáze recyklují, protože mají konstrukci z recyklovaných plastů a hliníku. Jejich elektrolyt jde použít znova nebo se využije při výrobě oceli.

Probíhá v oboru nějaký pokrok?

Ano, například český startup chemických inženýrů Pinflow Energy Storage dělá pokroky ve zvýšení proudové hustoty. Což znamená vyšší výkon při stejné velikosti. Zabývají se tím i evropské vývojové projekty HIGREEW a HYFLOW. Obecně se podle svých prohlášení chemici těší na to, až se plně prokáže nízká životnost lithiových baterií a taky vlastně i jejich mizerná recyklovatelnost.

Obyčejně jde o řešení veliké jako několik kontejnerů. Foto: RF

Domácí baterie RedFlow ZBM3 je nejmenší komerčně prodávaná zinko-bromidová baterie na světě. Váha 240 kg včetně 100l elektrolytu, velikostí srovnatelná s klimatizační jednotkou, 28 Voltů DC, vysoká hustota energie při 10 kWh. Výkon: 3 kW (5 kW ve špičce). A především: energetická kapacita se nesnižuje používáním. Foto: RF

Existují RFB baterie i pro domy

RFB baterie nemusí být vždy velké jako kamion. Australský výrobce zinko-bromidových průtokových baterií RedFlow vyrábí tyto průtokové baterie i pro domácnosti, což představuje skvělé řešení pro dnes módní ostrovní systémy. Cenově jsou konkurenceschopné s Tesla Powerwall. Zlí jazykové tvrdí, že existuje hrozba úniku jedovatého bromu. Marketingový manažer Redflow Sciobhan Leahy má na takovou námitku jasnou odpověď: “Tesla si musí být velmi, velmi, velmi jistá, že jejich lithium-iontová baterie nikdy nezpůsobí vyhoření domu.” Naráží na problémy s neuhasitelností aktuálně nejpopulárnějšího typu baterií na světě.

Ale srovnání stejně není fér, hlavní technologie, se kterou RedFlow bojuje o trh, jsou olověné akumulátory rozšířené především v Austrálii a Africe.

Přesné ceny těchto baterií pro domácnost se nám nepodařilo zjistit a v Evropě je nekoupíte (že by obchodní příležitost?), ale RedFlow uvádí, že přepokládaná návratnost jejich technologie kombinované se solárními panely u projektu dětského centra Knox v Melbourne je přibližně pět let. Foto: RF

RFB má i problémy

Nevýhodou RFB baterií je to, že se u nich těžko zjišťuje stav nabití. Možností je například sledování změny barvy elektrolytu. Dochází u nich také k parazitním ztrátám energie, protože k provozu potřebují elektrická čerpadla. Ta chemická reakce je navíc exotermická, takže se část energie nevyhnutelně při provozu ztratí.

Není moc dobrých řešení

Při součtu všech pro a proti je vlastně s podivem, že se i ve velkých průmyslových řešeních ještě používají lithiové baterie. Jejich výroba je energeticky náročná a produkuje množství skleníkových plynů (viz Baumann, 2016). Systémy s obnovitelnými zdroji mohou při započítání doby životnosti systému dosáhnout úrovně emisí kolem 100 g CO2e/kWh. Pro životní prostředí je to tak spíš zničující, nehledě na náklady.

Ona totiž přeměna přeměna gravitačního potenciálu, uhlíku nebo štěpných látek na elektřinu se v klasických systémech provádí pomocí dispečerské vodní energie, uhlí, plynu a uranu. Ve srovnání s tím použití převážně přerušovaných zdrojů pro napájení energetické sítě zatím vypadá jako nevyřešený problém, protože to vyžaduje skladování elektřiny v obrovských množstvích. V tuto chvíli zatím neexistuje žádná vyspělá, škálovatelná technologie, která by tuto funkci mohla plnit způsobem, který by mohl být považován za ekonomický.