Baterie jsou aktuálně klíčová technologie nejen energetiky

Přešlapování Evropy kolem moderní energetiky, elektromobility a s nimi spojené technologie vývoje a výroby bateriových celků, vede k vážnému zamyšlení, jak na tom technologicky skutečně jsme.

Jeden z mých předchzích blogů Baterie, kam se podíváš [1] se zabývá vývojem baterií a současnými trendy. To, co platilo před rokem, platí pořád s výjimkou jedné evropské továrny, známé jako Northvolt, která je momentálně v konkurzu. Čína se v několika posledních letech postupně stává lídrem mnoha moderních technologií, zatímco stará Evropa se postupně dostává do stále většího skluzu a útlumu. Toto je už jen prosté konstatování statutu quo. Pokud to budeme chtít změnit, bude to vyžadovat víc, než jen výstavbu jedné baterkárny, která si stejně technologie kupovala z Číny.

Všichni už nejspíš tušíme, že ať už je příčina změny jakákoli, tak světová energetika se transformuje a přizpůsobuje novým technologiím. S tím souvisí jak nové výzvy, tak i nová řešení a nové příležitosti.

Zdroje elektrické energie lze rozdělit do několika typů podle vlastností.

• stabilní, jsou schopné dodávat stálý výkon po dlouhou dobu (VE, PPE, JE, UE *)
• nestabilní, jejich výkon je méně predikovatelný a není konstantní (VtE, FVE *)
• tvrdé, mají malý vnitřní odpor < 1Ω (odvozeno od vnitřního odporu baterií), ale přesnější je mluvit o maximálním zktratovém proudu SCCR viz poznámka 1) (Short Circuit Current Rating)
• měkké, mají větší vnitřní odpor > 1Ω, opět, je lepší mluvit o SCRR

Tabulka odolnosti zdroje dle koeficienu SCCR (Tab1) 1)

Zdroj / měnič*	Typický SCCR	Poznámka
VE	3–8× In**	Synchronní generátor má vysokou setrvačnost, schopnost krátkodobě dodat velké zkratové proudy
PPE	4–7× In	Synchronní generátor, podobné jako VE, PE, JE, UE
PE	4–7× In	Synchronní generátor, podobně jako VE, PPE, JE, UE,
JE	4–7× In	Synchronní generátor, podobné jako VE, PPE, PE, UE
UE	4–7× In	Synchronní generátor, podobně jako VE, PPE, PE, JE
VtE - typ 1, 2, 3	1.1–1.2× In (až 2× In)	Indukční nebo doubly-fed viz 2), rychlý pokles SCCR po vybití rotoru [2]
VtE- typ 4	1.0–1.2× In	Plně výkonově elektronické, SCCR omezeno elektronikou [2]
FVE	1.1–1.3× In	Elektronicky omezeno, SCCR většinou jen mírně nad jmenovitým proudem [3]
Grid-following invertor***	1.1–1.2× In	Elektronicky omezeno, SCCR většinou jen mírně nad jmenovitým proudem
Grid-forming invertor***	1.5–2× In	Některé typy zvládnou až 2x In na krátkou dobu, závisí na výrobci a dimenzování [4]

* VE – vodní elektrárna, PPE – paroplynová (kombinovaná, dvoustupňová) elektrárna, PE – plynová elektrárna, JE – jaderná elektrárna, UE – uhelná elektrárna, VtE – větrná elektrárna, FVE – fotovoltaická elektrárna, GFL – Střídač (Invertor) grid-following, GFM – Střídač (Invertor) grid-forming

** Zkratka In označuje jmenovitý nebo též nominální proud, na který je zařízení konstruované

*** Invertor, též střídač, měnič, je elektronické zřízení, které je schopné měnit stejnosměrné napětí (AC) na střídavé (DC), a to obousměrně a je schopné se přifázovat do sítě (podrobnější popis typů invertorů je níže)

Poměrně nová oblast jsou výkonové měniče jak u OZE, tak i u BESS, které mohou posytovat služby výkonové rovnováhy podobně jako jiné tvrdé zdroje. Kromě toho mohou umožňovat při dostatečně tvrdém zdroji energie (např. v podobě BESS) i start z blackoutu (black start).

Tabulka zdrojů vhodných pro startup při blackoutu (Tab2)

Zkratka	Název zdroje	Black start	Typ měniče/poznámka
VE	Vodní elektrárna	Ano ✅	Nepotřebuje měnič, přímo synchronní generátor
PVE	Přečerpávací elektrárna	Ano ✅	Nepotřebuje měnič, přímo synchronní generátor, má rychlý start
VtE	Větrná elektrárna	Ne ❌	Vyžaduje externí napájení, běžné střídače nejsou vhodné
FVE	Fotovoltaická elektrárna	Ne ❌	Vyžaduje stabilní síť, běžné střídače nejsou vhodné
UE	Uhelná elektrárna	Spíše ne ⚠️	Potřebuje externí napájení (je možné přidat BESS nebo naftové generátory)
JE	Jaderná elektrárna	Ne ❌	Vyžaduje stabilní síť, dlouhý startovací proces
PPE	Paroplynová elektrárna	Spíše ano ⚠️	Některé turbíny/generátory mohou být navrženy pro black start (je možné přidat BESS nebo naftové generátory)
BESS	Bateriové úložiště	Ano ✅	Moderní střídače/měniče s funkcí black start (např. Merus ESS, HBS, hybridní UPS) [5][6]
VtE + BESS	Větrná elektrárna + bateriové úložiště	Ano*✅	Nutný hybridní měnič s funkcí ostrovního provozu a black start (např. Merus ESS, HBS) [5][6][7]
FVE + BESS	Fotovoltaická elektrárna + bateriové úložiště	Ano*✅	Nutný hybridní měnič s funkcí ostrovního provozu a black start (např. Merus ESS, HBS)[5][6][8]

* Kombinované systémy FVE/BESS a VtE/BESS jsou vhodné pro black start pouze tehdy, pokud je použit hybridní GFI měnič (střídač) s podporou ostrovního provozu a funkcí black start (viz dále). Takové měniče umožňují vytvořit autonomní síť (mikrosíť), na kterou se následně mohou připojit další zdroje nebo spotřebiče. [5][6][7][8][9] Odtud plyne, že dalším klíčovým prvkem jsou měniče a jejich parametry.

Tabulka typů invertorů (Tab 3)

Typ měniče	Základní funkce	Schopnost black start	Řízení napětí/frekvence	Tvrdost zdroje	Ostrovní provoz
GFM -Grid forming invertor	Vytváří napěťovou a frekvenční referenci, může samostatně „vytvořit síť“	Ano ✅	Ano (nezávisle) ✅	Vysoká (při správném dimenzování)	Ano ✅
GFL – Grid following invertor	Sleduje existující síť, synchronizuje se na cizí napěťovou/ frekvenční referenci	Ne ❌	Ne (jen sleduje síť) ❌	Nízká	Ne ❌
GLS – Grid load-supporting invertor	Podporuje stabilitu sítě, ale nevytváří referenci	Ne ❌	Omezeně ⚠️	Omezená	Omezeně ⚠️

Pokud se pokusíme Black Start pomocí GFM shrnout do bodů:

• Pro black start je zásadní použít tzv. „grid-forming“ (síťotvorné) měniče, které dokáží samy vytvořit napěťovou a frekvenční referenci v ostrovním režimu.

• Moderní hybridní systémy tuto funkci běžně nabízejí a jsou schopné řídit kombinaci více zdrojů včetně baterií, FVE, VtE. Tyto hybridní systémy vychází i nejlevněji, tj. mají rychlou návratnost investic. [10]
• Grid forming střídače jsou schopné nahradit a simulovat velké setrvačné generátory s vysokým SCCR buď předimenzováním, nebo lépe škálou několika střídačů, pokud se ukáže, že je taková funkce v síti potřebná. Samozřejmě, stejně předimenzovaný musí být i zdroj za střídačem (SCCR se určuje pro všechny prvky sítě, nejen pro zdroje; nejslabší prvek pak určuje SCCR celé soustavy).
• Měniče mohou být konstruované i tak, že se dokáží mezi jednotlivými fukcemi (stavy) přepínat. Takovou funkcionalitu na platformě SiC mají například měniče SUNGROW (Čína).

Vraťme se zpět k naší počáteční otázce. Jsou BESS opravdu tak důležité pro moderní energetiku? Porovnejme je s přečerpávacími elektrárnami, které jsou jedinou konkurencí z pohledu ukládání energie. Fly wheel (rotující setrvačníky) mají velmi omezenou dobu působnosti a zásobníky na stlačený vzduch CAES (Compressed Air Energy Storage) mají poměrně dlouhou dobu odezvy a nelze je snadno a všude stavět. Další typy úložišť energie jsou marginální.

Porovnání BESS a přečerpávacích vodních elektráren (PVE) (Tab 4)

Kritérium	BESS (Bateriové systémy)	PVE (Přečerpávací vodní elektrárny)
Rychlost výstavby	12–18 měsíců	5-10+ let (včetně povolování a výstavby) [14][15]
Cena (LCOE)	5–6 Kč/kWh (2024)	4.5–5 Kč/kWh (2024) [14]*
Materiálová náročnost	Vyžaduje Li-ion články, stavební materiály (3–5× vyšší náklady na suroviny než PVE)	Beton, ocel, měď (nízké náklady na suroviny, vysoké stavební náklady) [15][16]
Flexibilita umístění	Lze stavět kdekoli (města, průmyslové zóny, off-grid)	Vyžaduje specifickou topografii (2 nádrže s výškovým rozdílem 100–500 m) [15]
Životnost	15–20 let (degradace kapacity na 70 % po 15 letech)	50+ let (minimální degradace) [16]
Účinnost	80–90 %	70–80 % [16]
Škálovatelnost	Modularní (1–100+ MW/MWh, 1-4+ hodiny)	Velkokapacitní (100–1000+ MW, 4–10+ hodin) [16][17]
Environmentální dopad	Nižší přímý dopad, problém recyklace baterií	Narušení ekosystémů, zábor vodních zdrojů [16]

* indický zdroj, ale jiné zdroje dávají podobné výsledky, hodnota je přepočítaná z rupií na koruny s přihlédnutím ke kupní síle (jinak by LCOE byla v Indii asi jedna třetina); doporučuji se podívat na [14], Indie má ambiciózní plány jak v OZE, tak i v BESS. [14][15][16][17]

Současné využití BESS je spíše pro menší projekty. Bateriová úložiště > 1 GWh se již staví, ale jde o jednotky. [11] V nedaleké budoucnosti se může trend rychle obrátit. Sleva z rozsahu je u BESS velmi patrná, cena baterií stále klesá a s náhradou Li-ion baterií za Na-ion bude klesat stále. Materiálová a energetická náročnost se snižuje. Tesla uvádí, že se podařilo snížit energetickou a materiálovou náročnost výroby baterií od roku 2020 o 29% (suchý katodový proces). [12] Níže uvedený odkaz [13] uvádí, že recyklace baterií je mnohem výhodnější než energeticky a logisticky náročná těžba a zpracování surovin. Dle [13] se dá ušetřit až asi 80% energie a přibližně stejně tolik vody a dalších zdrojů a asi 95% surovin recyklovat.

Bateriová úložiště (BESS) společně s moderními střídači tvořícími síť (grid-forming inverters) přinášejí tolik potřebný transformační impuls do stability elektrických sítí. Tyto technologie umožňují rychlý start sítě po výpadku (black start) a stabilní provoz i v odlehlých oblastech. Například kombinace solárních a větrných elektráren s BESS může zajistit spolehlivou dodávku energie i v noci nebo při slabém větru. [5][6][8]

Následující grafy demonstrují exponenciální nárůst instalací FVE, VtE a BESS.

Exponenciální nárůst instalací FVE v GW s pravděpodobným odhadem do roku 2027

Exponenciální nárůst instalací VtE v GW s pravděpodobným odhadem do roku 2027

Exponenciální nárůst instalací BESS v GWh s pravděpodobným odhadem do roku 2027

Grafy výše dokládají velkou potřebu ukládání energie ve vztahu k rychle rostoucímu množství nestabilních měkkých zdrojů. I když graf kapacity BESS vypadá nejstrměji, zdání klame. Pokud bychom použili stejný rozsah v řádu TWh, bude graf daleko plošší. Trend je ale jasný, pořád jde o exponencíální růst. Kdybychom potřebovali mít zazálohovanou v roce 2025 alespoň 1 hodinu, tak to znamená celosvětově mít něco kolem 4.5 TWh instalací BESS, jinak řečeno, potřebovali bychom okamžitě o řád zvětšit kapacitu. Přečerpávací eletrárny to nezvládnou, jsou pomalé na výstavbu, drahé (LCOE je menší, protože mají dlouhou životnost, ale vstupní investice jsou vysoké), jsou omezené i počtem vhodným lokalit, které nejsou vždy tam, kde bychom je geograficky potřebovali. V podstatě zbývá jediná možnost, a to urychleně budovat bateriová úložiště všude tam, kde to dává smysl a kde to jde, případně doplnit bateriová úložiště zdroji na vodík (FC články, PE, PPE), pokud chceme zůstat dost zelení.

Porovnání ceny BESS v několika různých lokalitách a od různých dodavatelů (Tab 5)

Výrobce / Projekt	Lokalita / Projekt	Rok	Kapacita (MWh)	Cena za MWh (USD)	Cena za MWh (Kč)	Poznámka
Solar Global	Vítkovice (Česko)	2023/24	10	833k	20M	Odhad dle trhu a projektů v ČR
Huawei	Terra Solar (Filipíny)	2024	4 500	722k	17M	$3.25 mld. / 4.5 GWh
Huawei (Čína, průměr)	Utility-scale (Čína)	2024	—	82k–125k	2M–3M	Kvalitní BESS, dobrý poměr cena / kvalita
Tesla	Megapack (USA)	2024	1.9 a 3.9	266k	6.4M	Americká kvalita
Evropa (průměr)	Utility-scale (EU)	2024	—	131k–185k	3.1M–4.4M	Průměrné ceny v EU
Čínští výrobci (průměr)	Utility-scale (Čína)	2024	—	82k	2M	Nejnižší ceny

[18][19][20][21][22][23][24]

Tabulku 5 je nutné brát s rezervou. Trh s bateriemi a s BESS se tak rychle proměňuje, že najít relevantní cenu i v průběhu jednoho roku je obtížné. Firma Solar Global je v ČR lídrem v moderní energetice. Vysoká cena BESS ve Vítkovicích ukazuje na to, jak je Evropa bezbranná z pohledu nutnosti baterie dovážet a nakupovat od třetích stran. Současně tato situace vytváří umělý nedostatek, který vede k větším cenovým pobídkám. V roce 2025 Solar global cenu za MWh BESS snížil na 15-17 Mkč. [23] Ve srovnání s tím stojí na opačném konci cenového spektra čínští výrobci, kteří, i když jsou levní, mohou nabízet vysokou kvalitu (Huawei). Například webový market Made in China [24] nabízí 1 MWh kontejner za $ 12 000-60 000 (0.3-1.5 Mkč). Půjde zřejmě o repasované (LiNMC) baterie například z elektromobilů s kratší životností (úplně bych to nedoporučoval, je to risk, ale jako ukázka je to dobré); jakkoli, cenový rozdíl je propastný. Dokonce je možné si dotaz na kontejner přihodit do košíku. [24]

Velmi zajímavé téma je možnost vytvářet z elektromobilů připojených přes pomalé (sic!) nabíjení nebo domácí zásuvky virtuální baterii s proměnnou kapacitou (počtem a velikostí připojených bodů). Vzhledem k tomu, že po Číně už jezdí několik miliónů elektromobilů, s kapacitou asi 500 GWh a po světě celkem už asi 900 GWh, jde i při využití třeba jen 20-25% kapacity při stání, o významný přínos k regulaci sítě. Zatím je tento potenciál nevyužitý z důvodu malého množství aut s přípojkou V2G (Vehicle to Grid). Je zde velký prostor pro agregátory flexibility. Taková virtuální baterie bude vyžadovat sofistikovaný SW založený na predikci a statistických odhadech. Všichni teď hodně sázíme na AI (Artificial Intelligence, umělá inteligence) v mnoha ohledech. Mohla by se naučit, jak takový složitý a nestabilní, ale tvrdý zdroj správně řídit.

Čína není lídrem jen ve výrobě baterií, ale i fotovoltaických panelů i fotovoltaických elektráren (FVE), větrných elektráren (VtE), a dalších klíčových prvků, jako jsou střídače a komponenty silové energetiky, SW a AI. Kromě toho, zcela zásadní a další promarněná šance Evropy je vývoj řídícího software a Smart Grid software. V této oblasti, do které by nám stačilo investovat minimum HW, ale maximum know-how programátorů k vytvoření vysoké přidané hodnoty, nám zase uniká další příležitost.

Potíže, s jakými se potýká EU včetně České republiky v oblasti vývoje Li-ion a Na-ion akumulátorů jsou jasnou indikací ústupu Evropy z pole moderních technologií. Je potřebné, aby se Evropa přeorientovala z dovozce opět na vlastní výzkum, vývoj a výrobu v oblasti, kterou tak razantně podporuje. Green Deal není o tom, někde něco nakoupit, ale také o tom, umět si to levně a kvalitně vyrobit a správně implementovat.

1) SCCR (Short Circuit Current Rating), česky jmenovitá odolnost proti zkratu může být vyjádřená buď koeficientem odolnosti, jako poměr jmenovitého proudu (výkonu) ku maximálnímu zkratovému proudu (výkonu), který je schopný zdroj ještě dát, nebo také maximálním zkratovým proudem (výkonem).

2) Doubly-fed (doslova dvojí krmení) VtE znamená, že generátor je napájen jak na statoru (ze sítě), tak na rotoru (přes měnič), což umožňuje efektivní regulaci otáček, výkonu a jalového výkonu větrné elektrárny v poměrně velkém rozsahu.

Poděkování vyhledávači Google Google Docs AI Grok AI Chat GPT AI Canva za pomoc při vyhledávání údajů a generovaní obrázků. Zvláštní poděkování AI Grok, Perplexity a ChatGPT za intelektuální schopnosti při řešení otázek i za jejich omyly; a současně jedna důležitá připomínka. Pořád platí dvakrát měř. Všechno si ověřujte i u zdroje, nespoléhejte slepě na AI.

[1] Baterie, kam se podíváš

[2] Short-Circuit Modeling of a Wind Power Plant

[3] Short Circuit Modelling and Analysis of PV Inverters in Large Solar Farms

[4] Will Grid Forming Inverters be the Key for High Renewable Penetration?

[5] el-insta BESS Merus

[6] BESS HBS

[7] O energetice Hybridní VtE

[8] Hybridní malá VtE + FVE + BESS

[9] Science Direct An effective hybrid wind-photovoltaic system including battery energy storage

[10] Je čmoudění opravdu taková výhoda?

[11] Forbes Boom bateriových úložišť

[12] Green Car Congress

[13] Redwood Building the most sustainable (and scalable) battery materials process

[14] Battery Energy Vs Pumped Hydro: Analysing India’s Power Storage System Contenders

[15] Pumped Storage Hydro or Battery Energy Storage System – Future ahead?

[16] BESS vs. Other Energy Storage Technologies: A Comprehensive Comparison

[17] Grid Energy Storage Technology Cost and Performance Assessment 2020

[18] 10 MWh Battery Storage Cost 2024

[19] Unlocking Energy Storage: Revenue streams and regulations

[20] Huawei bags 4.5 GWh battery storage deal for Philippines Terra Solar project

[21] Lithium-ion battery pack prices fall 20% in 2024 amidst ‚fight for market share‘

[22] Tesla battery deployment up 157%; Megapack pricing down 44%

[23] Solar Global staví baterie pro investory rozhovor s Petrem Foitlem

[24] Energy Storage System Container 1MW Container Bess

[25] Solární novinky SUNGROW