Aké trendy prináša akumulácia elektrickej energie?

Rozšírenie elektromobility a obnoviteľných zdrojov energie, ktoré neprodukujú energiu nepretržite, vyžaduje čoraz efektívnejšie systémy ukladania energie. Vývojári akumulátorov už stihli na tento trend zareagovať a prichádzajú s novými technológiami, existujú však aj iné spôsoby, ako energiu uložiť na neskôr.

S lítiom na večné časy a nikdy inak?

Vývoj batérií sa oproti iným technológiám (napr. počítače a smart elektronika) akoby oneskoril o desaťročia. Za posledné roky ho ženie vpred najmä masové rozšírenie elektromobility a fotovoltických systémov – slnko síce v noci nesvieti, no elektrinu potrebujeme. Vplyv elektromobility dokazuje aj prieskum svetovej konzultačnej spoločnosti Wood Mackenzie, podľa ktorého smeruje pod kapoty a podlahy elektromobilov až 8 z 10 vyrobených Li-Ion batérií.

Nie je to tak dávno, kedy sa na uskladnenie elektrickej energie používali olovené akumulátory v rôznych vyhotoveniach. Olovo v podobe gélových a AGM batérií je stále veľmi obľúbené u karavanistov, jachtárov i chatárov. Môžete ho nájsť aj vo väčšine záložných zdrojov (UPS).

Výhodou olovených akumulátorov je nízka cena a relatívne vysoké vybíjacie prúdy, nevýhodou krátka životnosť (iba stovky nabíjacích cyklov) a nízka energetická hustota. Na dosiahnutie vysokej kapacity teda musia byť objemné a ťažké.

Sľubnou náhradou za ne boli NiCd (nikel-kadmiové) a NiMH (nikel-metal-hydridové) akumulátory. Pri aplikácii v prvých hybridných automobiloch vydržali aj vyše 10 rokov a 150 000 km. Stále však mali nízku energetickú hustotu, tým pádom aj nízku kapacitu, a umožňovali krátky dojazd.

Neskôr ich nahradili batérie zložené z lítium-iónových akumulátorov, v súčasnosti sa používajú najmä 3 druhy:

• NCA – nikel-kobalt-hliník, majú vysokú hustotu energie a vyššiu cenu, používajú sa preto v elektromobiloch vyšších tried s dlhým dojazdom, kde záleží na každej kilowatthodine kapacity.
• NCM – nikel-mangán-kobalt, označujú sa aj skratkou NMC. Majú podobné vlastnosti ako NCA.
• LiFePO4 – lítium-železo-fosfát, označujú sa aj skratkou LFP. Sú bezpečnejšie a majú nižšiu cenu ako NCA a NMC, keďže neobsahujú nikel ani kobalt, no zároveň majú nižšiu energetickú hustotu. Používajú sa teda v stacionárnych úložiskách (napr. fotovoltika), kde nezáleží na priestore ani na hmotnosti, a tiež v elektromobiloch s kratším dojazdom.

Spoločným menovateľom uvedených Li-Ion akumulátorov je niekoľkonásobne dlhšia životnosť oproti oloveným, NiCd a NiMH (napr. LiFePO4 až 7 000 cyklov), vysoká hustota energie a vysoké nabíjacie prúdy umožňujúce rýchlejšie nabíjanie.

Inovácie výrobcov akumulátorov sa zameriavajú najmä na znižovanie výrobných nákladov (General Motors a ich Ultium platforma) a zvyšovanie energetickej hustoty, čo však nie je možné donekonečna.

Vývojári preto vkladajú nádej do nových materiálov a výrobných postupov. Príkladom sú lítium-sírové akumulátory, ktoré sú jednoduchšie na výrobu, keďže neobsahujú zložité zlúčeniny. Majú rozmery porovnateľné s NMC akumulátormi, no vážia iba tretinu. Objavené boli už v r. 1960, no až tento rok sa v laboratórnych podmienkach podarilo predĺžiť ich životnosť na optimistických 4 000 cyklov.

Vo vývoji sú aj lítiové akumulátory s pevným elektrolytom (solid-state). Oproti súčasným Li-Ion batériám, ktoré používajú tekutý alebo gélový elektrolyt, majú ešte vyššiu energetickú hustotu a sú o čosi bezpečnejšie.

Všetky akumulátory na báze lítia majú jeden zásadný nedostatok, ktorým je lítium samotné. Jeho zásoby nie sú nekonečné a cena batérií vzhľadom na vysoký dopyt stále stúpa. Nahradiť ho môže napr. sodík v podobe sodíkovo-iónových batérií (Na-Ion). Princíp je rovnaký ako pri type Li-Ion, no problémom je cca polovičná energetická hustota. Ich výhodou je, naopak, vyššia bezpečnosť a predpokladané nízke náklady na výrobu vzhľadom na to, že sodík je omnoho dostupnejší. Čínsky výrobca batérií CATL plánuje Na-Ion batérie uviesť do predaja v r. 2023.

Uložte si energiu do elektromobilu. Alebo do rozvodnej siete.

Bez ohľadu na prítomnosť fotovoltického systému s batériami má čoraz viac ľudí k dispozícii aj mobilnú batériu priamo vedľa rodinného domu. Áno, hovoríme o elektromobiloch a o ich perspektívnych technológiách, ktoré umožnia čerpať energiu z ich batérie:

• Vehicle-to-home (V2H) – batéria elektromobilu napája celý rodinný dom (objekt) a nedodáva energiu do rozvodnej siete. Vyžaduje špeciálnu nabíjačku podporujúcu túto funkciu.
• Vehicle-to-grid (V2G) – batéria môže napájať dom a zároveň byť dodávaná do siete. Je nutná špeciálna nabíjačka schopná synchronizácie so sieťou. Plné nasadenie bude možné až po rozšírení inteligentných rozvodných sietí (smart-grid), v ktorých budú jednotlivé prvky vrátane nabíjačiek komunikovať medzi sebou.
• Vehicle-to-load (V2L) – elektromobil je vybavený 230 V zásuvkou, z ktorej môžete napájať elektrospotrebiče. V núdzi sa dá použiť aj na napájanie domácnosti, musíte však zabezpečiť izolovanie od rozvodnej siete.

Zopár modelov elektromobilov s podporou týchto technológií nájdete v predaji už aj na Slovensku.

Dodávatelia elektriny zase zareagovali na masové rozšírenie fotovoltických systémov v rodinných domoch službou tzv. virtuálnej batérie pre domácnosti. Vďaka nej môžete prebytočnú energiu z fotovoltiky poslať do rozvodnej siete a neskôr si ju vybrať späť v plnom objeme za fixný mesačný poplatok a distribučné poplatky.

Virtuálna batéria vám teda môže ušetriť stovky až tisícky eur, ktoré by ste museli investovať do vyššej kapacity vlastných batérií.

Chémiu môže nahradiť tisícročný vynález

Bez zotrvačníka by nefungoval žiadny piestový spaľovací motor. Určite vás však prekvapí, že tento vynález sa používal už pred 1 000 rokmi. Jeho princíp spočíva v uložení pohybovej energie do rotačného pohybu a jej neskoršom uvoľnení.

Tento princíp sa s úspechom začína uplatňovať aj v úložiskách elektriny. Pri jej prebytku elektromotor spotrebúva elektrickú energiu a roztáča zotrvačník na určité otáčky. Ak potrebujete energiu čerpať, elektromotor sa premení na elektrický generátor poháňaný tým istým roztočeným zotrvačníkom.

Do zotrvačníka môžete uložiť tým viac energie, čím je ťažší, čím má väčší priemer (ďalej od osi otáčania je rýchlosť vyššia) a čím vyššie sú jeho otáčky. Pre efektívne využitie sú v praxi nutné extrémne otáčky, vo väčšine prípadov 60 000 až 100 000 ot./min (motor osobného auta na okresnej ceste 2 000 – 3 000 ot./min, karbobrúska okolo 11 000 ot./min). Pre minimalizáciu strát bývajú zotrvačníky umiestnené vo vákuu alebo v plyne s nízkym aerodynamickým odporom. Používajú sa tiež špeciálne mazivá a magnetické ložiská, v ktorých hriadeľ levituje.

Zotrvačníky vo forme rotačných úložísk elektriny dosahujú teoretickú účinnosť 90 % (čo je podobné ako pri batériách), v praxi je to nad 80 %. Oproti batériám majú výhodu vo veľmi dlhej životnosti, jednoduchšej údržbe i výrobe (nezaťažujú životné prostredie) a vyššej odolnosti voči vysokým i nízkym teplotám – môžu teda byť inštalované aj v exteriéroch.

Nevýhodou rotačných úložísk sú ich rozmery. Napr. 15 kWh úložisko má rozmer 1 × 1 × 1 m, no batéria s rovnakou kapacitou zaberie iba 67 × 15 × 132 cm, čo je 8-krát menej priestoru. Tento problém spolu s prípadnou hlučnosťou (ktorá na rozdiel od batérií nie je vysoká, no ani nulová) rieši ich umiestnenie do zeme.

Prednosti rotačných úložísk sú ponúkané vo forme kontajnerových energocentier aj v podobe riešení pre rodinné domy s fotovoltickými systémami.

Akumulácia tepla

Akumulačné nádrže používajú mnohé rodinné domy – umožňujú im efektívnejšie využitie tepla produkovaného kotlom alebo lacnou elektrinou z nočného prúdu či fotovoltiky. Ako médium na uskladnenie energie používajú vodu, ktorej limitom je bod varu na úrovni 100 °C. Pre dosiahnutie vysokej kapacity musia mať akumulačné nádrže veľký objem a zaberú veľa priestoru, ktorého v dome často nie je nazvyš.

Riešením je alternatívne médium, napríklad v podobe iných kvapalín (rôzne oleje) alebo pevných materiálov. Vývojári z Fínska na to použili piesok a vybudovali pomocou neho prvú tzv. pieskovú batériu. Obrovskou výhodou piesku je vynikajúca dostupnosť a nízka cena. Piesok zohrievajú až na teplotu 500 °C, takže má oproti vode obrovskú tepelnú kapacitu a teplo dokáže dodávať po celé mesiace.

Základ pieskovej batérie vo fínskom meste Kankaanpää tvorí silo s rozmermi 4 × 7 m a energetickou kapacitou 8 MWh (8 000 kWh). Ohrev piesku majú na starosti elektrické ohrievacie telesá s celkovým výkonom 100 kW. Piesok ohrievajú pomocou „čistej“ energie (fotovoltika, vietor) a teplo odovzdávajú do mestskej vykurovacej siete a do bazéna miestnej plavárne.

Takáto tepelná energia však môže byť teoreticky využitá aj ako zdroj energie pre absorpčné chladenie budov a na priamu výrobu elektriny, napríklad pomocou Stirlingovho motora.

Vodík

Často „pretriasaným“ spôsobom akumulácie elektriny je vodík, ktorý môžeme jednoducho premeniť na elektrinu pomocou palivových článkov. Politici a niektorí odborníci si od neho sľubujú najmä predĺženie dojazdu elektromobilov, ktorým by tak postačovali batérie s nižšou kapacitou. V minulosti boli aj pokusy s použitím vodíka priamo v spaľovacích motoroch, príliš sa však neosvedčili kvôli nízkej energetickej hustote a z bezpečnostných dôvodov.

Vodík totiž horí omnoho prudšie než nafta, benzín, zemný plyn či LPG, a to plameňom neviditeľným za denného svetla. H₂ je najmenšia známa molekula vo vesmíre, systém je preto zároveň omnoho náchylnejší k netesnostiam než pri uvedených druhoch palív.

Existujú dva spôsoby výroby vodíka – prvý je z fosílnych palív (ropa, zemný plyn), čo nie je práve najšetrnejšie k životnému prostrediu. Druhý spôsob je elektrolýzou z vody, čo je pri použití čistej, alebo ak chcete zelenej energie proces nezaťažujúci planétu. Následne však potrebujete aj nádrže, v ktorých ho uskladníte, a kompresory, ktoré ho do nich stlačia, aby ste ich kapacitu využili čo najviac. Výsledkom celého tohto procesu je účinnosť niekde okolo 50 %, čo je na míle vzdialené 90 % účinnosti nabíjania a vybíjania akumulátorov.

Vodík napriek tomu nemusí byť slepou uličkou, no jeho plošnému nasadeniu by musel predchádzať výrazný technologický pokrok, akého sme svedkami v posledných rokoch napríklad pri batériách do elektromobilov. Uplatní sa však pravdepodobne skôr v stacionárnych úložiskách, kde je bezpečnosť predsa len na vyššej úrovni než pri tankovaní do nádrže automobilu.