Tím nejzásadnějším problémem u obnovitelných zdrojů je nestabilita dodávek energie, dalším pak rostoucí náklady na budování přenosové soustavy. Přičemž největší překážkou ve využívání přebytků zelené elektřiny jsou omezené možnosti její akumulace. Kdy na první pohled ideálním řešením se může zdát ukládání energie do vodíku. Podstatou tohoto systému je využití přebytků elektrické energie ze solárních či větrných elektráren k výrobě vodíku elektrolýzou vody a jeho jímání s následným skladováním pro pozdější použití, jak nám to naplánovala Evropská komise. Jenže vědecké týmy politiky již delší dobu varují, že vodík má nepřímé dopady na oteplování. Tedy ukládání energie z obnovitelných zdrojů do vodíku asi nebude to pravé ořechové. Neboť nedávný výzkum odhalil, že dopady emisí vodíku na oteplování jsou vyšší, než se dříve předpokládalo.

Schéma diabatického CAES systemu. Kredit: Energy Systems and Energy Storage Lab

Přítomnost vodíku v troposféře totiž zvyšuje poločas rozpadu silného skleníkového plynu metanu (CH4) prostřednictvím konkurenční reakce s hydroxylovým radikálem (OH). A nevyhnutelný únik vodíku pro jeho malou molekulu tak může mít za následek nepřímé globální oteplování, které bude kompenzovat snížení emisí skleníkových plynů v důsledku přechodu z fosilních paliv na vodík. K úniku vodíku zpravidla dochází při jeho skladování a transportu, přičemž nepomůže ani to, že je přepravován jako kryogenní kapalina, když se díky jeho velmi nízkému bodu varu nelze vyhnout vypařování. Ostatně tým z institutu CICERO v Oslu už v roce 2020 zveřejnil na svých webových stránkách předběžný výzkumný dokument Atmospheric Impacts of Hydrogen as an Energy Carrier, kde bylo řečeno: „Emise vodíku do atmosféry mohou velmi pravděpodobně nepřímými účinky způsobit globální oteplování. Mohou také způsobit narušení ozonové vrstvy a ovlivnit znečištění ovzduší.“

Nakonec i podle majitele automobilky Tesla a společnosti Space X, vizionáře Elona Muska, bychom měli už konečně pochopit, že energii vyrobenou v obnovitelných zdrojích ukládat do vodíku nedává smyl. Neboť elektrolýza, kterou se zelený vodík vyrábí, je neefektivní a ukládání vodíku pro jeho malou molekulu je příliš komplikované a drahé. A jak v rozhovoru pro Financial Times prohlásil: „Množství energie potřebné k výrobě vodíku a jeho převedení do kapalné formy je ohromující. Je to ta nejhloupější věc, jakou si pro skladování energie dokážu představit.“

Nikoho asi nepřekvapí, že za slibnější řešení Elon Musk, spolu s většinou stoupenců elektromobility, považuje lithium-iontová bateriová úložiště, kdy se experimentuje i s použitými bateriemi z elektromobilů, pro které automobilový průmysl hledá využití. Ve skutečnosti však energetická hustota lithium‑iontových akumulátorů není až tak převratná, mají poměrně malou životnost a vydrží omezený počet nabíjecích cyklů, kromě toho jejich kapacita klesá při nízkých teplotách. Je pravda, že probíhá intenzivní výzkum a vývoj, mimo jiné s cílem snížit investiční náklady, které zatím brání masivnějšímu využití toho systému. Ale jak se ukazuje, pokud budeme spoléhat jenom na tato úložiště, problém s ukládáním energie se tím nevyřeší. Je tedy zřejmé, že bude třeba začít uvažovat i jiné systémy.

Třeba skladování vzduchu, nazývané Compressed Air Energy Storage (CAES). Výhodou CAES je především to, že umožňuje ukládat energii v opravdu velkém měřítku, což je překážka pro elektrochemické bateriové technologie. První patent na skladování stlačeného vzduchu v hlubokém podzemí, jako prostředek k ukládání elektrické energie, byl vydán roku 1948 v USA. A první CAES elektrárna na světě o výkonu 290 MW byla uvedena do provozu v roce 1978 v německém Huntorfu. Ta byla primárně zaměřena na skladování elektrické energie vyrobené v méně flexibilních uhelných a jaderných elektrárnách během období nízké poptávky a na zpětné napájení sítě v období vysoké spotřeby. Dalším motivem pro stavbu tohoto zařízení byla kapacita studeného startu a schopnost regulovat frekvenci sítě. V roce 1991 byla pak do provozu uvedena elektrárna CAES nad solnou kavernou u města McIntosh v Alabamě ve Spojených státech, která původně poskytovala výkon 110 MW, ale v roce 1998 byly přidány dva další generátory a její instalovaný výkon tak činí 226 MW. Klíčovými aplikacemi tohoto projektu jsou časový posun v dodávce elektrické energie, rezervní kapacita elektrického napájení a regulace frekvence.

Před dokončením je gravitační baterie (Energy Vault's system) nedaleko Šanghaje. Kredit: Energy Vault

Zájem o CAES elektrárny nějaký čas opadal, avšak přechod od fosilních paliv k obnovitelným zdrojům ho opět oživil. Je stimulován rostoucí poptávkou po rezervách v elektrické síti, aby se vyrovnaly odchylky mezi uvažovanou a skutečnou výrobou energie z obnovitelných zdrojů. Navíc takovéto úložiště energie umožňuje vyrovnávat v elektrické síti kolísání a tlumit špičkové a minimální energetické stavy, aby dodávka elektřiny ze sítě mohla být na konzistentní průměrné úrovni. Není tak divu, že na konci loňského května čínská společnost Huaneng Group v provincii Ťiang-su dokončila výstavbu projektu, který tu umožňuje skladovat 300 MWh ve formě stlačeného vzduchu. V té době se pro úložiště elektrické energie na stejném principu rozhodlo i město Broken Hills v Austrálii, kde by se do stlačeného vzduchu mělo ukládat až 1,5 GWh energie.

V některých novějších zařízeních, jako u projektu Adele německé energetické společnosti RWE, uvedeného do zkušebního provozu v roce 2013 ve Stassfurtu, se při ukládání vzduchu vytvořené teplo uchová a využije při adiabatické dekompresi. Systémy AA CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) významně zvyšují celkovou účinnost zařízení tím, že se teplo vznikající při ukládání vzduchu přechodně uchovává v zásobníku tepla a při odebírání chladného stlačeného vzduchu se při jeho ohřívání pro turbínu využije. Jinak řečeno, teplo vznikající při stlačování vzduchu se u běžných úložišť uvolňuje do okolí nevyužité, kdežto zde se energie ve formě tepla neztrácí, zůstává v procesu a znovu se využívá pro výrobu elektřiny, čímž přispívá ke zvýšení účinnosti celého systému až na 70 %. A takováto účinnost se již blíží účinnosti PVE, tedy přečerpávacích vodních elektráren.

Ale je také již využívána akumulace elektrické energie na bázi zkapalněného vzduchu, zvaná Liquid-Air Batteries (LAB). Fyzikální princip zkapalňování vzduchu je dlouho známý, například Hampson-Lindeova metoda zkapalňování plynů byla patentována v roce 1895. Akumulaci energie na bázi zkapalněného vzduchu dnes podporuje Velká Británie. Například technologie od MAN Energy Solutions, využívaná společností Highview Power, má kapacitu 250 MWh a může tak napájet až 200 000 britských domácností po dobu pěti hodin. Toto zařízení je určeno ke skladování přebytkové energie z obnovitelných zdrojů v Traffordském energetickém parku na okraji Manchesteru.

Společnost Highview Power, registrovaná v Anglii a Walesu, využívající kapalný vzduch jako úložné médium, se spojila s finskou společností Citec na modularizaci systému skladování energie, zvaného CRYOBattery. Díky zjednodušenému designu a efektivnímu inženýrství od společnosti Citec lze standardní konfiguraci CRYOBattery 50 MW/500 MWh snadno a nákladově efektivně rozšířit až na několik gigawatthodin, což umožňuje energii ukládat na několik týdnů, nikoli pouze na několik hodin nebo dnů. Ale není bez zajímavosti, že se u nás v roce 2018 na ČVUT objevila případová studie, zabývající se akumulací energie s využitím zkapalňování vzduchu, a to pro uhelnou elektrárnu Tušimice, kdy hlavním cílem zde navrhovaného zařízení mělo být vyhlazování dynamicky se měnící poptávky po dodávce elektrické energie.

V případě ukládání elektrické energie se do zorného pole inženýrů vetřel i plyn zelenými aktivisty považovaný za největšího škůdce naší planety, totiž kysličník uhličitý (CO2). Jedná se o princip zkapalňování a opětovného vypařování plynu, který se do úspěšného konce podařilo dotáhnout italskému startupu Energy Dome se sídlem v Miláně. A jejich technologie, využívající kysličník uhličitý, už umožňuje solárním parkům nákladově efektivní skladování elektřiny. Neboť CO2 je jeden z mála plynů, který lze kondenzovat a skladovat jako kapalinu pod tlakem při teplotě okolí, což umožňuje skladovat energii v uzavřeném termodynamickém procesu, bez nutnosti extrémních kryogenních teplot.

Asi tou nejznámější a nejdéle užívanou možností ukládání elektřiny je akumulace hydraulická, v podobě přečerpávacích vodních elektráren (PVE), které slouží jako akumulátor elektrické energie z jiných zdrojů a pokrývají zatížení ve špičkách. Jenže ty díky zeleným politikům a klimaaktivistům již upadají v nemilost kvůli metanu přispívajícímu ke globálním změnám klimatu, tvořícímu se v kalu vodních nádrží, i když je hydraulická akumulace elektrické energie lidmi využívána téměř 100 let. Vždyť i ta naše nejstarší přečerpávací elektrárna, na řece Úhlavě u osady Hamry, byla uvedena do provozu 6. prosince 1930. Popravdě řečeno, místa pro přečerpávací a akumulační vodní elektrárny, připravené naběhnout na plný výkon během několika minut, u nás stejně už žádná nejsou. Neboť pro jejich výstavbu je potřeba nejenom dostatek vody a patřičný spád, ale i souhlas místních samospráv, jakož i státní instituce, která zajišťuje péči o přírodu a krajinu.

Ale existuje i princip akumulace energie podobný tomu, jaký známe z přečerpávacích elektráren, kdy nedochází k žádnému hromadění kalu, z něhož by se mohl metan uvolňovat. Jedná se o ukládání energie do těžkého závaží v potencionální kinetické pozici. Na tomto principu vyvinula technologii podzemního skladování energie skotská společnost Gravitricity, která plánuje vybudovat podzemní úložiště elektřiny na bázi těžkého závaží i u nás. K tomu je třeba dodat, že se postupně uvažovalo o dolech Staříč, Frenštát a ČSA, až na jaře padla volba na šachtu dolu Darkov, kterou si zástupci společnosti Gravitricity prohlédli v dubnu a do konce června by měli předložit finální návrh pilotního projektu. I když se tu o žádném solárním parku či větrné farmě, pro které by bylo třeba takovýto projekt realizovat, dosud nehovořilo. Zatím se hovoří jen o tom, že by na dole Darkov plánované úložiště elektřiny, které údajně bude akumulovat 2 MWh (slovy dvě megawatthodiny) energie, mělo pomáhat zvládnout výkyvy v přenosové soustavě, nad čímž už leckterý z našich energetiků kroutil hlavou.

K nějakému hromadnějšímu využití takovýchto gravitačních akumulačních zařízení v dolech je řada našich odborníků dosti skeptická. I když na druhé straně zastávají názor, že je třeba realizovat výzkum i výstavbu prototypových zařízení, aby se ověřil jejich reálný potenciál. Ovšem nakonec z toho možná nic ani nebude, neboť se snaha o využití důlní šachty dolu Darkov potýká s překážkami, které projektu do cesty staví naše báňská legislativa. Je proto s podivem, že v případě dalšího systému ukládání energie s využitím gravitace, se kterým přišla švýcarská společnost Energy Vault, je u nás ticho po pěšině. Pro krátkodobé i dlouhodobé skladování energie jejich rozsáhlé portfolio poskytuje přizpůsobená řešení. Pokud jde pak o řešení s využitím gravitace, vyvinuli jejich experti zařízení napájené elektřinou ze solárních či větrných elektráren, které zvedá do výše závaží ve tvaru kvádrů. A v době, kdy je elektřiny z obnovitelných zdrojů málo (slunce nesvítí, vítr nefouká), se tato závaží vracejí na zem a kinetická energie z klesajících kvádrů se přeměňuje zpět na elektřinu.

Není tomu tak dlouho, co pozornost sdělovacích prostředků upoutala jejich energetická věž o výšce 120 metrů, obklopená betonovými bloky, z nichž každý váží 35 tun. Budoucnost ukládání elektrické energie z obnovitelných zdrojů však švýcarská společnost Energy Vault vidí v robotizovaném gravitačním skladování, kde pro uspořádání jednotlivých závaží ve vybudovaném komplexu úložiště je využíván automatizovaný skladový systém. Na videu ZDE společnost představuje jejich Energy Vault Resiliency Center (EVRC) v animaci. A i když to může v očích laické veřejnosti na první pohled vypadat, že švýcarský systém ukládání energie je na hony vzdálen realitě, ve skutečnosti již dochází v Číně k jeho zrychlenému nasazení u pěti národních průmyslových parků, které budou využívat technologii společnosti Energy Vault spolu s platformou Energy Management Software.

Aby bylo možné v jejich projektech při ukládání elektřiny využívat gravitaci, nahradil startup Energy Vault vodu z přečerpávacích elektráren kompozitními kvádry (cement/polymer based composite bricks), které lze vyrábět nejenom z betonu, ale i z levnějších materiálů jakými jsou důlní hlušina, struska, nebo stavební suť. Podle Energy Vault tak její přístup poskytuje možnost využít i materiál, který by jinak směřoval na skládky za vysoké finanční a ekologické náklady. Kvádry jsou koncipovány tak, aby měly měrnou hmotnost alespoň dvakrát větší než voda a dostatečnou kompresní agilitu. Takové závaží pak díky své hmotnosti při regulovaném pádu skrze lanové spojení roztočí generátor.

Jinak řečeno, Energy Vault ve svých gravitačních systémech skladování energie využívá elektřinu z obnovitelných zdrojů ke zvedání těžkých kvádrů do vyvýšené polohy (podobně jako se dříve u mechanických hodin vytahovalo závaží, které poskytovalo energii hodinovému strojku) a v případě potřeby prostřednictvím řízeného spouštění těchto kvádrů, tedy za pomoci gravitace, dodává zde uskladněnou elektrickou energii do sítě. Proto se také mnohdy o tomto systému hovoří jako o gravitační baterii.

Energy Vault uvádí, že její konvenční zdvihací zařízení je účinnější než systém přečerpávací vodní elektrárny, takže u jejich zařízení „účinnost zpáteční cesty je více než 80 procent“, přičemž je výhodnější ve srovnání s chemickými bateriemi. Gravitační systém skladování energie společnosti Energy Vault se neváže na topografii ani geologii a může být tak budován téměř kdekoli, buď společně se solárními nebo větrnými elektrárnami, nebo jej lze jen připojit k síti, aby se podpořila její stabilita. A to se zárukou 35leté technické životnosti daného projektu. K tomu je nutno podotknout, že takováto životnost by mohla odpovídat překlenovacímu období, po které budou v Evropě postupně instalovány malé modulární reaktory (SMR), které spolu s Evropskou komisí berou na milost i zelení politici v sousedním Německu, kde se zbavili všech velkých atomových elektráren.

Svůj nejnovější komplex staví Energy Vault v čínském Rudongu pro společnost China Tianying Group, zabývající se nakládáním s odpady a recyklací. Navržený projekt s kapacitou úložiště 100 megawatthodin (MWh) by měl napájet zhruba 3 000 domácností. A očekává se, že celý systém úložiště energie bude dokončen v červnu letošního roku. Další velká gravitační baterie společnosti Energy Vault se staví ve Spojených státech, konkrétně v Texasu pro energetickou firmu Enel.

Gravitační úložiště energie v čínském Rudongu, budované od března 2022, budeme po jeho dokončení nejspíše porovnávat s naší přečerpávací vodní elektrárnou (PVE) Štěchovice II s umělou nádrží na kopci Homole, s instalovaným výkonem 45 MW. Přestavba a modernizace PVE Štěchovice II trvala pět let. Oproti tomu výstavba gravitačního systému skladování energie v Rudongu by měla trvat méně než dva roky. A pokud bude tento systém plně funkční, mohli bychom pak porovnat náklady na jeho výstavbu s náklady na (bohužel už jenom hypotetickou) výstavbu nové PVE o kapacitě vodního díla Štěchovice II. A možná nám z toho vyjde, že se můžeme od Číňanů lecčemu přiučit.

Video: RWE Power: ADELE - Adiabatic compressed-air energy storage (CAES) for electricity supply

Video: The Future Of Energy Storage Beyond Lithium Ion