6 nejzajímavějších způsobů ukládání energie

V souvislosti s energií z obnovitelných zdrojů je potřeba vyřešit jednu zásadní otázku – jak ukládat elektrickou energii. Podle zákona o zachování energie nelze energii ani vytvořit ani zničit, ale pouze přeměnit její formu v jinou formu. Skladování energie je v podstatě přeměna jedné formy energie v jinou, která se následně přemění v energii elektrickou.

Když říkáme, že jsme energii vyrobili, myslíme tím, že jsme přeměnili energii z nějakého vnějšího zdroje na energii, kterou umíme využít. A když energii spotřebujeme, tak ji přeměníme z formy, kterou máme k dispozici, na formu, kterou už neumíme využít. A vyrobenou energii také umíme za určitých podmínek uložit na pozdější dobu, až ji budeme potřebovat.

Chemická energie

Elektrickou energii umíme uložit do energie chemické vazby už téměř 220 let. První baterii na světě zkonstruoval v roce 1800 italský fyzik Alessandro Volta, po kterém je pojmenovaná jednotka elektrického napětí volt. Skládala se z plátků mědi a zinku (elektrody), mezi kterými byla umístěna vrstva látky napuštěná solným roztokem (elektrolyt).

1. Baterie

Moderní lithium-iontové baterie mají širokou škálu použití od mobilních telefonů a notebooků přes elektromobily až po velká bateriová úložiště pro průmyslové použití. V energetice se používají jako úložiště energie v době přebytku výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů. Baterie se nabíjejí v době, když svítí slunce a fouká vítr a elektřiny se vyrobí více, než se jí spotřebuje. A když nesvítí a nefouká, tak se z nich elektrická energie čerpá. Lithium-iontové baterie našly použití jak při skladování elektřiny v domácnostech (třeba ze solárních panelů na střeše domu), tak ve velkých bateriových úložištích, které zásobují desítky tisíc domácností. Při nabíjení a vybíjení baterií dochází jen k malým energetickým ztrátám a celková účinnost systému se pohybuje kolem 90 %. Do roku 2030 by měla klesnout jejich cena o 50 %

2. Vodík

Vodík se může stát palivem budoucnosti – je bezemisní, dá se transportovat a vejde se do něj hodně energie. Na jeho výrobu elektrolýzou vody je možné využít elektřinu z obnovitelných zdrojů. Nevýhodou je nízká účinnost přeměny elektrické energie ve vodík a zpět, která dosahuje úrovně jen kolem 25-40 %. Na výrobu vodíku se ale mohou použít přebytky výroby bezemisní elektřiny, což pomůže jeho výrobu zlevnit. Vodík má široké použití od pohonu elektrických aut s palivovým článkem, přes palivo pro výrobu oceli po vytápění domácností. Jeho využitím při spálení anebo přeměně na elektrickou energii v palivovém článku vzniká jako odpadní produkt jen vodní pára. Vodík je velmi těkavý a výbušný, a proto se musí uchovávat ve speciálních nádržích za velmi nízkých teplot.

Gravitační energie

Lidstvo využívá síly gravitační energie mnohem déle než v případě elektrické energie. Sílu gravitační energie pohánějící mlýnské kolo objevili lidí už ve 3. století před n.l. Na stejném nebo podobném principu fungují i vodní elektrárny, přílivové elektrárny a přečerpávací elektrárny.

3. Přečerpávací elektrárna

Přečerpávací elektrárna je v podstatě vodní elektrárna s elektrickým čerpadlem. V době, kdy ostatní zdroje vyrobí přebytek elektrické energie, využije přečerpávací elektrárna tuto přebytečnou energii k přečerpání vody z níže umístěné vodní nádrže do výše umístěné vodní nádrže. Překoná přitom gravitační sílu Země, kterou pak využije na výrobu elektrické energie v době, kdy je elektřiny z ostatních zdrojů nedostatek. Celková účinnost přeměny elektrické energie v gravitační a zpět se pohybuje mezi 70-80 %. A má jednu velkou výhodu v tom, že se energie časem neztrácí (ledaže by se z nádrže voda vypařovala). Nevýhodou přečerpávací elektrárny ale je, že nemůže být umístěna kdekoliv – vyžaduje místo s velkým výškovým převýšením a poměrně velkou plochu.

4. Závaží a kladka

Na podobném principu funguje i systém uskladnění energie pomocí závaží a kladky. Jen místo vody používá těžké závaží – třeba betonový kvádr, který za pomocí kladky a jeřábu s elektromotorem vytáhne nahoru v době přebytku elektřiny. A v době jejího nedostatku naopak spouští dolů závaží, které díky gravitační síle Země pohání generátor vyrábějící elektřinu. Jak v případě vody v přečerpávací elektrárně, tak v případě závaží vytaženého kladkou se energie energie uchovává, aniž by se časem ztrácela. Prostě tam čeká na svoji přeměnu v elektrickou energii. A i účinnost její přeměny je velmi vysoká díky použití elektrického generátoru a elektromotoru, které pracují s velmi vysokou účinností v souhrnné výši 80-90 %. Ukládáním elektřiny do gravitační energie se zabývají společnosti Energy Vault ze Švýcarska a Gravitricity ze Skotska.

Tepelná energie

Energii lze uchovávat i ve formě tepla, které pak můžeme přeměnit na energii elektrickou. Podíváme se na dva nejoriginálnější způsoby uskladnění tepelné energie, které umožní využívat solární energii i v době, kdy slunce zajde na obzor, a větrnou energii i v době, kdy je naprosté bezvětří.

5. Zrcadlová sluneční elektrárna

Velmi originálním způsobem uskladnění energie ze slunce je její akumulace ve formě tepelné energie získané ze zrcadlové sluneční elektrárny. Na rozdíl od fotovoltaické nepřeměňuje tento typ solární elektrárny sluneční energii přímo v elektrickou energii, ale dělá to nepřímo prostřednictvím tepelné energie. Zrcadlová sluneční elektrárna soustředí sluneční paprsky pomocí soustavy zrcadel na vrcholek věže uprostřed, který se tak silně zahřívá. Koncentrace tepla zahřívá roztok soli, který pohání turbínu generující elektřinu podobně jako v tepelné elektrárně. Rozžhavený roztok soli uchovává teplo a vyrábí elektřinu i po setmění. A pak, že solární elektrárny neumí vyrábět elektřinu, když nesvítí. Tento typ ano, i když se jedná o velmi vzácnou solární elektrárnu, která je použitelná jen za určitých, specifických podmínek – pravidelný sluneční svit s malými rozdíly během roku.

6. Zkapalněný vzduch

Zatímco zrcadlová sluneční elektrárna využívá energii tepla, zařízení na uskladnění energie formou zkapalněného vzduchu využívá tepla i chladu. Přebytečná energie z obnovitelných zdrojů se na začátku procesu využije ke zkapalnění vzduchu. Vzduch se za použití elektřiny zkapalní, přičemž 700x zmenší svůj objem a ochladí se na teplotu -196°C, při které se skladuje v kryogenních nádržích. Teplo uvolněné při jeho zkapalnění se skladuje v tepelném zásobníku. V případě potřeby znovu vyrobit elektřinu se vzduch ohřeje, čímž se začne rozpínat. Expandující vzduch roztáčí turbínu, která pohání elektrický generátor vyrábějící elektřinu. Celková účinnost systému se pohybuje v rozmezí 60-75 % a je vyšší u větších zařízení. Uskladnění energie za použití kapalného vzduchu je vhodné ve velkém rozsahu a nedá se použít např. v domácnostech.

Biochemická energie

Skladování energie je základem celého koloběhu života na Zemi, který je založený na získávání energie z nestálého zdroje (Slunce), která se ukládá v době jejího nadbytku a spotřebovává v době jejího nedostatku. Od jara do léta, kdy je energie ze slunečního svitu nejsilnější a nejdelší, nastává v přírodě hon na energii. Stromy a další rostliny se snaží pomocí svých listů zachytit co nejvíce sluneční energie, kterou přeměňují v energii chemické vazby. Na té nejzákladnější úrovni fotosyntézy ji ukládají do molekuly glukózy, ze které se dostává do dalších, složitějších organických sloučenin.

Během tohoto období uloží rostliny mnohem více energie, než samy spotřebují. A pak z ní čerpají v době, kdy je sluneční energie nedostatek. A nejen rostliny. Od jara do podzimu je primární starostí živočichů obstarat si co nejvíce potravy a vytvořit si zásoby na zimu. A tak veverky sbírají oříšky a ukrývají je na roztodivná místa, aby je pak mohly za dlouhých zimních večerů louskat a čerpat z nich energii. Medvědi do sebe ládují med, bobulky, ryby a cokoli dalšího, aby na zimu co nejvíce přibrali a během zimního spánku mohli z tukových zásob čerpat energii. Divočáci zase přes zimu baští trávu a seno, které obsahují biochemickou energii naakumulovanou během jara a léta.

Příběh veverky a oříšku

Veverka Scrat z animovaného filmu Doba Ledová má krušný život. Její jedinou starostí během celého filmu je bezpečně si uskladnit oříšek na horší časy (=až nebude svítit a neporostu žádné rostliny, ze kterých by mohla čerpat energii). Scrat sice ve filmu působí dojmem strašně blbé veverky, ale ve skutečnosti je děsně chytrá. Dobře si totiž uvědomuje, že po období jara a léta (=všeobecné hojnosti a dostatku energie) přijde období zimy (=temna a nedostatku energie). A jako dobrý hospodář se na tuto situaci poctivě připravuje.

Obrázek – PC hra Ice Age: Scrat’s Nutty Adventure

Ne všichni jsou ale tak chytří jako veverka. Někteří politici nám tvrdí, že když nesvítí a nefouká, tak není ani žádná elektřina a proto jsou obnovitelné zdroje nesmyslné. Ale i kdybychom dnes neřešili změnu klimatu a ústup od fosilních paliv, stejně bychom je jednou spotřebovali a museli bychom skladování energie z obnovitelných zdrojů vyřešit.

Kdyby nebylo možné energii ukládat, byl by i celý život nesmyslný, protože by ani nikdy nemohl vzniknout. Naštěstí máme kromě politiků i vědce, inženýry a podnikatele, kteří nekecají a makají – třeba na nových, inovativních způsobech skladování energií. Zatím jsme v této oblasti teprve na začátku, ale jako lidstvo se musíme naučit energii skladovat. Možností na to máme dost a každá z nich najde své uplatnění v budoucnosti bez energie z fosilních paliv.

Komentáře