Zahlavi

Téma: ENERGIE – Skladování

Téma: ENERGIE – Skladování

01. 03. 2017

Téma obnovitelných zdrojů v současnosti řeší prakticky všechny vyspělé země včetně České republiky. Dramaticky totiž narůstá potřeba skladování energie, abychom vyrovnali nestálost její produkce a spotřeby. Také této problematice se věnuje výzkum v Akademii věd ČR.

Emise skleníkových plynů a dlouhodobá neudržitelnost stavu závislosti na fosilních palivech vedou k přirozenému trendu využívat obnovitelné zdroje energie. Jejich výkon je ale zpravidla závislý na vnějších podmínkách. Například fotovoltaické panely dokáží fungovat pouze za slunečných dnů a pochopitelně v noci nikoli; větrné elektrárny mají poměrně malý výkon a jsou extrémně závislé na přízni počasí.

Důsledkem rozmachu těchto zdrojů kupříkladu v sousedním Německu je výroba nadměrného množství elektrické energie za větrného slunečného dne a tím i přetížení sítě, a naopak nedostatek energie v zimě, kdy je Slunce na obloze kratší dobu, a za bezvětří. Jadernou či uhelnou elektrárnu přitom nelze vypínat a zapínat jako žárovku, takže celková soustava je poměrně nevyrovnaná. Řešením je efektivní skladování energie. Za příznivých podmínek by ekologické elektrárny dodaly výkon, který bychom použili v dobách nouze. Efektivní řešení však dosud neexistuje.

Vědci v Ústavu chemických procesů AV ČR se zabývají materiály, které by šlo využít ke skladování tepelné energie. Jednou z možností jsou termální kapaliny (třeba voda v radiátoru nebo v chladiči auta), jinou skladování tepla při výkyvech teploty (například chemické látky, jež budou součástí stavebních materiálů a pohltí do sebe teplo slunečních paprsků, které se uvolní ve chvíli, kdy se ochladí). Aby se daly tyto materiály využívat, je potřeba znát jejich fyzikální vlastnosti. Experti je měří v laboratoři skladování energie, kterou založil Ústav termomechaniky AV ČR společně s Ústavem chemických procesů AV ČR.

Skladovani

Děje využívané při skladování tepelné energie (Zdroj: Ústav chemických procesů AV ČR)

 

Výzkum, jímž se ve zmíněné laboratoři vědci zabývají, patří do kategorie základního výzkumu. „Nelze asi říci, že v brzké době přispějeme k návrhu konkrétního řešení, které umožní ušetřit náklady a uspořit energii. Na druhou stranu ale každá, i zdánlivě nevýznamná znalost vlastností materiálů, které lze ve skladování energie použít, je důležitým kamínkem do celkové mozaiky,“ objasňuje dr. Magdalena Bendová z Ústavu chemických procesů AV ČR.

V současnosti jsou nejvyužívanějším způsobem skladování energie Li-ion baterie. Kromě běžného využití v elektronických zařízeních, jako jsou mobilní telefony či elektromobily, se budou stále častěji využívat ke skladování elektrické energie vyrobené pomocí fotovoltaických panelů. Narůstá ale také zájem o materiály pro skladování tepelné energie například ve stavebnictví a pasivních/úsporných domech anebo pro úsporu nákladů v energeticky náročných výrobách.

Vodík: palivo budoucnosti

V sousedním Německu činí podíl energie z obnovitelných zdrojů celých 32 %. Podle prof. Wolfganga Artla z Friedrich Alexander Universität Erlangen-Nürnberg, který se na sklonku roku 2015 zúčastnil workshopu Akademie věd ČR Technology Perspectives for Energy Storage, se pro efektivní skladování tohoto typu energie jeví perspektivní tzv. kapalné organické vodíkové nosiče. Tyto sloučeniny umožňují například kompenzovat výkyvy v dodávkách energie z větrných elektráren.

Vodíkové palivo však v současnosti není pouze alternativním palivem v mobilních aplikacích pro případ ropné krize. Nabízí i další možnosti: například pro využití přebytků energie z decentralizovaných zdrojů, v chemickém průmyslu či k pohonu automobilů, které používají palivové články i spalovací motory. Česká republika v podpoře vodíkových technologií zatím zaostává a v důsledku toho může být zdejší průmysl méně konkurenceschopný.

Využití technologie demonstruje několik projektů jako například prototyp vodíkového hybridního autobus TriHyBus, který vyvinuli a realizovali s dalšími partnery experti z Ústavu jaderného výzkumu Řež. Jeho maximální rychlost je 65 km/h a spotřebuje okolo 8 kg vodíku na 100 kilometrů. Náklady jsou tedy podobné nebo nižší než v případě naftových autobusů. Výhodou je, že emituje pouze vodní páru. Stlačeného vodíku je v autobusu při plném natankování asi 20 kilogramů. Uskladněn je ve střešní nástavbě ve čtyřech vysokotlakých kompozitních nádobách o objemu 820 litrů. Pochopitelně nechybí čerpací stanice.


Vodíkový hybridní autobus TriHyBus na lince městské lince v Neratovicích. (Zdroj: Ústav jaderného výzkumu Řež)


Čerpací stanice skladuje vodík v nízkotlakém velko-objemovém kontejneru a jeho množství pokryje týdenní provoz autobusu. (Zdroj: Ústav jaderného výzkumu Řež)

 

Na-ion technologie

Vyrovnávání kolísavé produkce elektrické energie z obnovitelných zdrojů vyžaduje dostatečné kapacity pro její skladování. Podle ředitele Ústavu termomechaniky AV ČR dr. Jiřího Pleška může revoluci v rozvoji baterií, akumulátorů a skladování energie přinést například technologie Na-ion.

Sodík (Na) je levnější a lépe dostupný než lithium (Li). Je ale jistě zajímavé zmínit, že Česká republika má zřejmě značné zásoby těžitelného lithia v oblasti kolem Cínovce. Podle výpočtů z roku 2016 se zde nalézá téměř 6 % světových zásob! Baterie Na-ion ale zatím nemohou technologii Li-ion konkurovat mj. i kvůli své nižší specifické kapacitě. Toto omezení je zásadní pro některé praktické aplikace: například spotřební elektroniku (počítače, mobilní telefony) či elektromobily. Baterie Na-ion by se ale mohly uplatnit v zařízeních, v jejichž případě hmotnost a objem nehrají takovou roli (stabilizace elektrické sítě a zálohování solárních či větrných elektráren).


Sodíková baterie Na-ion (Zdroj: www.cdr.cz)

 

První komerční prototypy Na-ion baterií se objevily na přelomu let 2014 a 2015 – tedy o dvě dekády později než baterie Li-ion (Sony, 1991) a 40 let od pionýrských studií v sedmdesátých letech minulého století. „Časovou perspektivu rozvoje Na-ion lze obtížně prognózovat. Desítky let, které byly nutné pro výzkum v oblasti Li-ion baterií, však asi nelze radikálně zkrátit,“ vysvětluje prof. Ladislav Kavan z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.


Ladislav Kavan z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR se věnuje výzkumu elektrochemicky aktivních nanomateriálů a jejich aplikací v solárních článcích a Li-bateriích. (Foto: Stanislava Kyselová, Archiv AV ČR)

 

Vlastnosti baterií lze vylepšit nanotechnologiemi. Například křemíková nanovlákna mohou zvýšit nabíjecí kapacitu baterií lithium-iontových. Elektricky odolné baterie vyvíjí česká společnost HE3DA právě ve spolupráci s Ústavem fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR. Společně připravují a od konce roku 2016 realizují výrobu tzv. „sendvičových“ a „palačinkových“ baterií.


Experimenální Li-ion baterie (12 V, 90 Ah, 1 kWh) firmy He3DA při testování v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR. (Zdroj: Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR)

 

Základní atributy baterie, kterou využije průmysl i energetika, jsou kapacita, bezpečnost a nízké výrobní náklady. Nadějný vynález se využije i ve spotřební elektronice, jako jsou mobily, notebooky či knoflíkové baterie do hodinek (palačinkové baterie). Oproti tomu jednou z výhod sendvičové je, že energie do ní může být skladována v době, kdy je jí v síti přebytek a její cena nízká, a naopak zpět může být dodána v případě nedostatku a vysoké ceny. „Jelikož lze některé materiály vypustit, je článek výrobně jednodušší a navíc ho lze snadno chladit, což umožňuje i rychlejší nabíjení,“ doplňuje prof. Ladislav Kavan.

 

Připravili:
Magdalena Bendová, Ústav chemických procesů AV ČR,
Ladislav Kavan, Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR,
Luděk Svoboda, Odbor akademických medií SSČ AV ČR
Foto Karusel: Pixabay