Jak si ukládáme elektřinu na později a proč je to tak důležité

Odpovědi na proč a jak funguje vesmír. Psáno pro Tima, mého syna, ale určitě si to rádi přečtou i jiní.

Drahý Time,

nedávno jsem napsal dva články, které se přímo zabývaly výrobou elektrické energie. Bohužel rozhodnutím politiků, obzvláště v Německu byly tyto zdroje vypnuty a místo nich se stále více prosazují velmi nestabilní Občasné zdroje energie, a to nám dělá nemalé vrásky.

Inženýři by to tak neudělali

Kdyby to tak bylo jenom o inženýrech, dneska bychom podobné problémy neřešili. Ale jako obvykle, nás inženýrů, se nikdo neptal a rozhodli to politici. Občasné zdroje energie (OZE), které byly nařízeny od zeleného stolu, nám rozbíjejí po desetiletí fungující elektrickou síť. Bohužel přes všechny pokroky vědy  nelze dopředu předvídat, jak moc bude foukat vítr a svítit Slunce, takže typicky máme energie z OZE buďto málo, nebo naopak hodně. Když je jí málo, musí naběhnout jiné zdroje, jako jsou plynové nebo uhelné elektrárny a cena energie roste do nebes. Když je jí naopak moc, musí se zdroje vypínat a výrobci naopak platí odběratelům za to, že spotřebovávají elektřinu. Je to pěkně na hlavu, co? Ale jsme inženýři,  nemá cenu brečet nad rozlitým mlékem a pokusíme se to nějak spravit.

Naštěstí existuje spousta způsobů, jak s tím aspoň něco dělat, jako je třeba chytré řízení sítě. To funguje tak, že energeticky náročné procesy, jako jsou třeba vysoké pece na tavení železa mohou na chvíli vypnout, když je elektřiny málo, nebo naopak přidat na výkonu, když je elektřiny moc. Ale to jde jenom na chvilku a dneska podobná opatření představují výnosný byznys, tedy hlavně pro IT společnosti, které tuto regulaci dokáží zařídit. A funguje to jenom na chvilku, když nesvítí a nefouká celý den, celý týden, je to problém.

Tady se jasně nabízí nasyslit si energii v době přebytku a potom ji dodávat v době nedostatku. Elektřinu ale neumíme skladovat jinak, než že ji převedeme na jiný typ energie, jako jsou:

• energie chemických vazeb - nic jiného než klasické baterie
• gravitační energie - jako na hodinách, když je elektřiny moc, něco hodně těžkého vytáhneš hodně vysoko a potom to spouštíš dolů
• tepelnou energie - nějaké médium, jako je voda, písek, soli kovů ohřeješ a potom to klasiky přes páru a turbínu vracíš do sítě
• setrvačnost - roztáčíš setrvačník a potom jej brzdíš
• výroba vodíku nebo amoniaku - tohle asi taky spadá pod chemii, ale nejsou to baterie

Chemická cesta

Dneska nejvíce vzývaný směr, na který se spoléhá, Nejdříve se mrkneme na baterie, Problém je, že baterie v měřítku, ve kterém si uložíme mega watt hodiny jsou velmi drahé. Ale v oblasti baterií jde výzkum pořád dopředu. Princip baterie je v podstatě jednoduchý - kladná a záporná elektroda a elektrolyt. Právě do chemických vazeb v elektrolytu se ukládá elektřina. Baterie můžou mít různé podoby, nejznámější jsou klasické Li-On. Jeden z nápadů, jak ukládat elektřinu dokonce spočíval ve využití elektromobilů. Takovým autem přijedeš ráno do práce a pak ho píchneš na nabíječku. Chytrá síť by ti to auto nabíjela a vybíjela podle toho, jak by bylo potřeba, až by ti padla, přejel bys domů, a tam by to pokračovalo. Moc se to ale neujalo, hlavně kvůli degradaci baterií v autě. Nebo třeba čínském městě Dalian vloni spustili do provozu netradiční baterii - její elektrolyt je pěkně velký bazén, který pojme až 400 MWh. Potom jej přečerpáváš do zařízení , kde se vybíjí nebo nabíjí, podle potřeby. Na rozdíl od auta máš dost místa a také nějaké to kilo navíc ti nevadí. Ale pořád čekáme na nějaký průlom, na něco, co změní pravidla hry, zatím jsou baterie tak dobré jako domácí úložiště v  rámci decentralizované sítě. Nicméně různé směry vývoje jsou velmi nadějné, uvidíme, co přinesou polovodičové baterie, baterie z grafenu atd.

Další chemickou cestou je výroba různých sloučenin pro jejich další spotřebu, třeba jako paliva. Je potřeba vědět, že ne vždy potřebujeme dělat z elektřiny zase elektřinu, někdy nám jde o teplo. A také o to, jak s výhodou využít stávající infrastrukturu pro rozvod přírodního plynu, což je v podstatě meta a různé, z větší části nežádoucí příměsi. Z tohoto pohledu se vodík jeví jako další zelené blouznění. Jednak se plánuje výroba elektrolýzou vody (tedy elektřinou rozložíme vodu na vodík a kyslík), která je hodně energeticky náročná. Potom molekula vodíku je velmi malá, takže stávající těsnění a vůbec standardy pro provoz plynovodů jsou jí maximálně ke smíchu. Navíc vodík má tendenci vázat se na molekulu označovanou jako hydroxylový radikál, která běžně v atmosféře rozkládá metan, což je další ošklivý skleníkový plyn.

Mnohem lépe vychází výroba čpavku, který může být základ pro hnojiva, pro palivo do motorů a podobně. Navíc není tak náročný na skladování jako vodík, který má požadavky na vysoké tlaky a nízké teploty, což je taky důvod, proč se zatím nějak více neprosadil jako alternativa ke klasickým spalovacím motorům.

Gravitační způsob

Využití gravitace v energetice má dlouholetou tradici, Typicky se jedná o přečerpávací elektrárny, jako je u nás vodní nádrž Dlouhé Stráně. Když je energie přebytek, čerpá se voda do přehrady, když energii potřebujeme, proženeme vodu přes turbínu a je to. Ale míst na vodní nádrž je obecně jenom velmi málo, proto se zkouší i jiné postupy, typicky zvedat těžká břemena, kvádry betonu a podobně. Třeba v Austrálii provozují provozují vlak Infinity train, který vozí rudu z dolu do hutí jede z kopce dolů plně naložený a jak brzdí, nabíjí svoje baterie, které ho potom prázdný vytáhnou zpátky do dolu.

Potom je spousta startupů, které chtějí při přebytku energie zvedat velmi těžká břemena, a potom je spouštět a tak energii vracet do sítě. Gravicity je chce u nás spouštět do kilometru hlubokého dolu, Energy Vault na pístech chce zvedat menší pyramidu. Poměrně věci na efekt, ale uloží to jenom pár megawatt hodin. Mne by se více líbilo nějaké robotické úložiště, kde by roboti vozili nahoru nebo dolů z jednoho skladu do druhého pár kubíků velké bloky, sice tam bude větší režie na provoz, ale můžete použít vyřazené skladiště. Uvidíme, jestli někdo tuto myšlenku rozvine.

Teplo

Další způsob, jak skladovat energii je teplo. Můžeme na to jít průmyslově, kdy soustava zrcadel ohřívá médium, které potom přes parní turbínu vyrábí elektřinu. Typicky jsou to koncentrační solární elektrárny, které taví soli. Má to oproti vodě výhodu, že to pojme více tepla při normálním tlaku.

Existuje i metoda, kdy se nahřívá písek. Ten musí být suchý, protože potom je špatný vodič tepla. To má výhodu, že se teplo soustředí uvnitř a nemá tendenci unikat ven. Takto si můžeme uložit teplo na zimu, kdy potom tepelným čerpadlem přenášíme teplo z písku do obytných budov.

Pokud to máš v cyklu elektřina - teplo - elektřina, jedná se o Carnotovi baterie. Dá se ohřívat i ocel, struska, nebo naopak zkapalňovat plyny.

Pokud se z velkých projektů vrátíme zpátky do běžného života - s výhodou můžeš použít tepelné čerpadlo, že Ti bude chladit dům a přebytečné teplo ukládat třeba do podzemní vody na zimu. Nebo v rodinném domě v Moravském Krumlově si ukládají teplo na zimu do 132 tun kamenného prachu.

Setrvačníky

Ani nevím, jestli jsi měl autíčko na setrvačník, když jsi byl malý. Ale princip uložení energie je velmi podobný, při přebytku kolo roztáčíme a potom přepneme z režimu motor na generátor a zase vyrábíme. Nicméně velký význam ve skladování energie nemají, pro větší množství uskladněné energie se dostáváme na hranu současných materiálů, kdysi zkoušeli ve Švýcarsku gyrobusy, které měli 1,5 tuny těžký setrvačník, schopný akumulovat 10 kWh elektřiny. Stačilo to na dojezd dvou kilometrů a zjistili, že se tomu busíků vůbec nechce zatáčet. není divu, obvykle se setrvačníky používají právě na stabilizaci, třeba Hubleův teleskop jich měl na začátku šest a teď už dožívá jenom se dvěma. Nicméně je to konstruknč velmi jednoduché, když si potřebuješ na chvilku uložit trochu energie, sáhl bych po setrvačníku. Na českém webu o tom moc není, anglicky je to flywheel a můžeš se podívat na webu.

Proč je důležité skladovat velké množství energie

Od samotného vzniku elektrické sítě se mění výkon, který uživatelé spotřebují. Existují špičky i hluchá období, proto byli vyvinuty takové zdroje, které se dají regulovat. Třeba klasicky vodní elektrárny dokáží rychle naběhnout, oproti tomu taková atomová elektrárna zase není na nějaké prudké změny výkonu dělaná. Potom přišly OZE a rozhodili stabilitu sítě ještě mnohem více, často se totiž špičky výroby OZE míjejí se špičkovou spotřebou. Co dává smysl jsou soláry a klimatizace v zemích jako je Indie, Řecko. K tomu, aby byly OZE v podobě velkých solárních farem opravdu užitečné, se musíme naučit skladovat poměrně obrovské množství energie na dlouhou dobu, abychom si mohli Slunce z léta uložit na zimu. Jenom tak dokážeme vyhlazovat nestability sítě. Jsem velmi skeptický ke giga úložištím, více fandím solárům na střeše s baterií ve sklepě, co ten dům dokáže den dva utáhnout. Oproti tomu třeba větrné parky mají svůj smyl někde v Severním moři, kde fouká skoro pořád, kde bychom se teoreticky mohli obejít bez baterií. Nebo třeba výroba elektřiny z mořských vln, z mořských proudů, tedy dělat z OZE stabilní zdroje.