Skladování elektřiny - tandem ultrakondenzátory + baterie

Na pozadí horizontu nevadské pouště vyrůstá na ploše 600 000 m² gigantická stavba. Společnost Tesla Motors zde buduje „gigatovárnu“ na výrobu jediné komponenty pro své elektromobily – na výrobu baterií. Jde o toxický produkt, který po několika letech degraduje. Musí se pečlivě navrhnout tak, aby nedošlo k přehřátí baterie, které vede ke katastrofě. Továrna představuje sen Elona Muska vyrábět lepší, dostupné elektromobily – a také lepší baterie. O totéž se snaží i jiní výrobci, ne vždy úspěšně.

Společnost Samsung například musela zastavit výrobu chytrých telefonů Galaxy Note 7, protože jejich baterie v důsledku přehřátí explodovaly. Dokonalejší a levnější baterie jsou proto první na seznamu přání uživatelů takových technologií, které přímo nenapájí elektřina vyrobená z fosilních paliv. Musk a ostatní vědí, že k nim bude dlouhá a obtížná cesta.

Existuje i jiný způsob skladování energie, než baterie? Dobíjecí baterie skladují a uvolňují elektřinu pomocí reversibilní chemické reakce, v níž se ionty pohybují mezi kladnými a zápornými elektrodami. Baterie s vhodnými materiály, jako jsou například sloučeniny lithia, které používá jak společnost Tesla, tak Samsung, sice mohou skladovat velké množství energie, jsou však pomalé jak při nabíjení, tak při vybíjení.

Nadějné jsou kondenzátory

Bezpečnostní obavy a vysoké náklady směrují výzkumníky k hledání jiných způsobů skladování elektřiny. Využití chemie není jediný způsob. Na rozdíl od baterií se například v kondenzátorech energie skladuje v elektrickém poli mezi dvěma elektrodami. Kondenzátory lze považovat v tomto oboru za sprintery, zatímco baterie za běžce na dlouhé tratě. Kondenzátory se mohou nabíjet a vybíjet vmžiku, a to i opakovaně, aniž by se poškozovaly. Nyní se například používají pro blesk u fotopřístrojů. Potíž je v tom, že automobily nelze pohánět bleskem.

Jeden kilogram benzínu obsahuje asi 4 000 watthodin užitečné energie, což je 30-krát více, než je tomu u současných baterií v elektromobilech Tesla. Tradiční kondenzátory obsahují 1 000-krát méně energie, pouze 0,1 watthodiny na jeden kilogram. Pokud auto ujede 500 km na jednu nádrž benzínu, při použití kondenzátorů o stejné váze by to bylo jen 16 metrů. Z toho vyplývá, že tradiční kondenzátory nemohou s bateriemi soutěžit. Přesto Musk v roce 2011 prohlásil, že v budoucnu budou právě kondenzátory znamenat zásadní bod obratu, a že je to jen otázka jejich dalšího vývoje.

Superkondenzátor Roberta Rightmira

Vývoj kondenzátorů začal již v roce 1966, kdy Robert Rightmire ze Standford Oil of Ohio byl členem týmu, který se zabýval budoucí možností skladování energie. Věděl, že schopnost kondenzátorů skladovat energii závisí na povrchu elektrod. Zjistil, že jestliže se zvětší houbovitost povrchu, pak se zvýší i náboj kondenzátoru. Vyrobil kondenzátor, v němž byly elektrody pokryty tenkou vrstvou uhlíku, který byl chemicky opatřen miliony nepatrných otvorů. Jednalo se o tzv. aktivovaný uhlík, který má vnitřní povrch oproti vnějšímu povrchu asi 100 000krát větší. Tento „superkondenzátor“ mohl skladovat 10krát více energie než kondenzátor tradiční.

Do 90. let 20. století se malé superkondenzátory staly běžnou komerční realitou. Poskytovaly okamžitou krátkodobou záložní elektřinu pro počítače při výpadku elektrické sítě, což umožnilo bezpečné vypnutí počítačů. Než ale budou moci být superkondenzátory využity k pohonu aut, potrvá to velmi dlouho.

Pomáhají kokosy

Šťastnou náhodou se stalo, že se zdrojem houbovitého uhlíku stal odpad po zpracování kokosů. Odpad byl podroben pyrolýze, tj. zahřívání bez přístupu vzduchu na teplotu 600 °C, aby se zbavil všech prvků kromě uhlíku. Potom se uhlík chemicky zpracoval tak, aby v něm vzniklo velké množství nepatrných otvorů. Odpad se stal tak levným a výhodným materiálem k získání uhlíku, že nikoho ani nenapadlo přemýšlet o jiných alternativách.

Koncem 90. let tento kondenzátor získal označení „ultrakondenzátor“ a hledaly se možnosti jeho využití. Některé společnosti budující větrné elektrárny ho využívaly jako alternativu k bateriím v případě havarijních stavů. Lopatky turbín musejí být nastaveny ve směru větru, a pokud dodávky elektřiny selžou, musejí být lopatky rychle uvedeny do neutrální polohy tak, aby silné nárazy větru turbínu nepoškodily nebo dokonce nezničily. To vyžadovalo rychlý krátkodobý start elektřinou, což ultrakondenzátory výborně zvládly.

Královna uhlíkové vědy přišla s nanotrubičkami

V polovině prvního desetiletí 21. století zkoumali tři výzkumníci z MIT – Joe Schindall, John Kassakian a Riccardo Signorelli – zda by mohly lépe vyhovovat i jiné druhy uhlíku, než je uhlík z kokosového odpadu. Opět díky náhodě přišla na pomoc „královna uhlíkové vědy“ Mildred Dresselhaus, která ve své nedaleké laboratoři pomohla uvedenému triu vyrobit velké množství nepatrných uhlíkových nanotrubiček, válečků čistého uhlíku, které jsou 10 000krát tenčích než lidský vlas. Jeden jejich gram má povrch větší než 2 000 m².

Ultrakondenzátory na bázi uhlíkových nanotrubiček byly úspěšné například díky společnosti Fast Cap Systems, kterou založil John Cooley, rovněž z MIT. Ultrakondenzátory této firmy budou sloužit v kosmických misích NASA při průzkumech Venuše a hlubokého vesmíru. Nanotrubičky jsou však nákladné a kapacita ultrakondenzátorů není ještě tak velká, aby gigatovárnu Tesla ohrozila. John Cooley prohlásil, že zatím neočekává, že by se ultrakondenzátory staly hlavním zařízením pro skladování energie v elektromobilech. Kdyby se ale jejich zásluhou podařilo snížit špičkové zatížení „unavených“ baterií, které zkracuje jejich životnost, mohli by z toho mít prospěch všichni.

Pokud jde o provoz elektromobilů, problémem zůstávají elektrické sítě. Dodávky elektřiny musejí být nejen dostupné, ale také spolehlivé. Dodávky „zelené elektřiny“ ale nejsou spolehlivé, a proto chytré sítě opět vyžadují skladování elektřiny. A zde se stávají brzdou „líné“ baterie.

Nevýhody klasických baterií

Používání pouze baterií ke skladování elektřiny není ideální ze dvou hlavních důvodů:

• Neustálé nabíjení a vybíjení zkracuje jejich životnost.
• Baterie nemohou rychle vydat veškerou svou elektřinu, takže elektrické sítě musejí mít navíc kapacitu baterií, která by jim umožnila vypořádat se s náhlými krátkodobými výkyvy poptávky.

Proto by aplikace ultrakondenzátorů mohla situaci velmi zlepšit. Čistým výsledkem by bylo snížení počátečních výdajů a také snížení provozních nákladů.

Ultrakondenzátory?

V roce 2016 uskutečnila společnost Maxwell dvě zkoušky systému skladování energie na bázi ultrakondenzátorů. V Severní Karolíně byly ultrakondenzátory připojeny k fotovoltaické sluneční elektrárně a k bateriím se slanovodním elektrolytem. Když produkce elektřiny kolísala, zapojily se ultrakondenzátory, které mohly oproti sestavě baterií dodat téměř trojnásobek elektřiny. Elektřina z ultrakondenzátorů se ale vyčerpá během několika minut, takže potom musí zase nastoupit baterie, které zadrží 40-krát více energie.

Zkoušky proběhly v elektrárenské společnosti Duke Energy, která má více než 7 milionů odběratelů. Uvedený systém byl o 10 % až 15 % levnější, než kdyby se použily pouze baterie. Jinou výhodou by bylo menší opotřebení baterií.

Další zkouška se uskutečnila v Severním Irsku v rámci experimentální chytré sítě města Tallaght poblíž Dublinu. Ultrakondenzátory se zde připojily na vládní kancelářské budovy a dokázaly kompenzovat změny v dodávkách elektřiny během zlomku sekundy. Hybridní systém, pracující v tandemu ultrakondenzátory – baterie, dodala německá firma FreqCon, která plánuje další větší zkoušky na západním pobřeží Irska.

Jak dál

Baterie sice mohou být nedokonalé, ale zatím se stále vylepšují. A ultrakondenzátory musí v tandemu s nimi držet krok ve zvyšování své kapacity.

Firmy, jako například EnerG2, budou nadále zlepšovat technologii, například využíváním nových zdrojů uhlíku k pokrytí elektrod. Kokosový odpad je levný, ale obsahuje příliš mnoho nečistot a jeho aktivační proces je toxický a nákladný. Firmy proto vyvíjejí vlastní uhlík na bázi polymerů, které se podobají pryskyřicím používaným k laminátování překližek. Výhodou tohoto uhlíku je možnost přizpůsobit ho pro různé typy ultrakondenzátorů. Například ultrakondenzátory potřebné k rychlému nastartování nebo brzdění benzínového motoru kvůli zvýšení účinnosti paliva vyžadují rychlý výdej elektřiny. Naproti tomu při vyrovnávání výkyvů ve výrobě sluneční elektřiny má větší důležitost kapacita ultrakondenzátoru, a nikoliv rychlost uvolňování elektřiny.

Polymerové sítě

Vědci se domnívají, že by vývoj mohl být rychlejší, kdyby se nepřikládal takový význam uhlíku. William Dichtel, chemik z Northwestern University, Chicago, vyvinul polymerové sítě označované jako „kovalentní organické konstrukce“, které by fungovaly přímo v ultrakondenzátorech, aniž by musely procházet pyrolýzou. Jeho tým uspěl při výrobě pórovitého materiálu, který se provozně přibližuje vlastnostem  nanotrubičkového zařízení, ale za zlomek nákladů. Potíž je v tom, že zatímco chemici uskutečňují základní výzkum, Tesla se již snaží dát do svých aut fungující zařízení přinášející zisk. Navíc jsou zde obavy, že exotické ultrakondenzátory na bázi polymerů nemusí mít takovou životnost jako současné uhlíkové systémy. Baterie v mobilních telefonech nebo v elektrických automobilech mají plánovanou životnost 10 000 cyklů nabíjení a vybíjení, Dichtelův experimentální ultrakondenzátor však zůstal stabilním při minimálně 10krát vyšším počtu cyklů.

Podle: Mark Harris: Help for heroes.  New Scientist, 2016, č. 3099, s. 28-31.