Jak uložit energii

Akumulátory energie pro blízkou budoucnost. Člověk se odpradávna učí využívat energii ve svůj prospěch, neboť energie, jak říká učebnice, je schopnost konat práci (za nás). Význam má především energie nějakým způsobem akumulovaná. Rozvoj techniky denně přináší vylepšení a čas od času i nové technologie. K perspektivním trendům akumulace, které se již prosazují do komerční sféry, patří setrvačníky a superkondenzátory. Každoroční nárůst produkce okolo 10% znamená, že v některých oblastech se stávají výhodnější alternativou elektrochemických baterií.

Svět energií Vesmír – jeho energie byla podle našich představ na počátku uvolněna velkým třeskem nebo, chcete-li, stvořením. Od té doby je základní vlastností jsoucna neustálý koloběh různých forem energií a jejich vzájemných přeměn. Mimo jiné i na živý organismus lze pohlížet jako na akumulátor, který čerpá a přeměňuje energii z okolního světa a její zásoby ve svém těle účelně využívá ku svému zachování. Největším akumulátorem, který přímo využíváme, je hvězda nám nejbližší. Slunce je na naše poměry obrovský akumulátor termonukleární energie s, naštěstí pro nás, dostatečně pomalým vybíjením, který napájí naše pozemské akumulátory. Na Zemi využíváme těchto přírodních akumulátorů ve formě energie vody, větru, fosilních paliv, geotermální atd.

Dnešní zařízení využívají přeměn energie často velmi komplexně. Například běžný automobil. V nádrži je benzin coby zásoba chemické energie, která se spalováním v motoru přeměňuje na teplo, jež svým tlakem uvádí věci do pohybu. Kromě toho je v autě olověný akumulátor, ve kterém probíhá obousměrný elektrochemický proces. V alternátoru se mění pohybová energie na elektrickou za účasti energie magnetické, opačný proces probíhá ve startéru. Žárovky mění elektřinu na záření, brzdy pohyb na teplo atd.

Význam akumulátorů jako zdrojů elektrické energie.
Pro uspokojování našich potřeb má výjimečný a rostoucí význam energie elektrická. Vyrábíme ji v generátorech a pro svoji potřebu bereme z elektrorozvodné sítě nebo různých baterií. Bohužel se nedá skladovat. To, co se vyrobí, musí se spotřebovat nebo přeměnit na jiné formy energie. Život v rozvinutých zemích je na elektrické energii do té míry závislý, že výpadky elektrorozvodné sítě přinášejí velké škody, chaos i přímé ohrožení životů. Řešením jsou záložní zdroje schopné bez přerušení automaticky nahradit výpadek – UPS (uninterruptible power supply). Běžně komerčně používané jsou bateriové UPS. Kromě akumulátoru obsahuje UPS ještě elektroniku zajišťující bezobslužnou funkci. Bývají dimenzované tak, aby mohly určité zařízení napájet po dobu několika jednotek až desítek minut. Typické využití je např. u počítačů, serverů nebo telekomunikačních zařízení. Pro pokrytí větší spotřeby a trvalejší dodávku energie se používají diesel generátory doplněné malým UPS, který překlene dobu do nastartování motoru. Jsou nezbytné např. pro nemocnice, letiště, telekomunikační uzly, bezpečnostní a záchranné systémy, určité veřejné prostory, výrobní linky nebo při mimořádných událostech, jako je např. živelní pohroma či technopárty.

Výhody a nevýhody baterií.
V bateriích se transformuje chemická energie na elektrickou a naopak. Technologií je celá řada, takže podle způsobu aplikace lze vybrat vhodný typ baterie. Přes zřetelný technologický pokrok mají bateriové zdroje určité obtížně překonatelné nevýhody. Jsou to krátká životnost a s tím spojené náklady na údržbu a likvidaci, závislost výkonu a životnosti na okolní teplotě a podmínkách nabíjecích / vybíjecích cyklů, ekologická rizika. Schopnost baterie dodat výkon je omezena vnitřním odporem, který se zvyšuje s tím, jak baterie stárne. Podobně je omezen i nabíjecí proud, z čehož vyplývá dlouhá doba nabíjení. Baterie se nehodí příliš tam, kde se vyžadují velké nárazové proudy, spíše jim vyhovuje konstantní zátěž. Z komerčně používaných baterií mají nejmenší vnitřní odpor baterie NiCd. Velké rozšíření olověných (Pb) akumulátorů je spojeno s jejich nízkou pořizovací cenou. Některé baterie mají poměrně velkou hustotu energie (Li-Ion, Li-Pol), takže mohou být malé a lehké.

Nové technologie, nové aplikace.
Zvyšují se nároky na kvalitu elektrorozvodné sítě. Značné kolísání odběru energie ve velkém měřítku vyrovnávají tradičně vodní přečerpávací nádrže. Za perspektivní pro velké UPS systémy jsou považovány průtokové elektrochemické baterie (flow battery), ve kterých se průběžně vyměňuje elektrolyt, takže je zajištěn kontinuální provoz prakticky dokud nedojde zásoba elektrolytu. Největší UPS zatím realizované tímto způsobem mohou dodávat až 1 MW energie po 24 hodin. Nově se uplatňují velké zásobníky stlačeného vzduchu (CAES = compressed air energy storage) napojené na turbínu, která pak doplňuje energii pro odběrové špičky. Jako vhodná tlaková nádrž se dá využít např. opuštěný důl nebo solná jeskyně. Velmi sofistikovaný, ale zatím dosti drahý způsob je uložení energie do magnetického pole supravodivé cívky (SMES = superconducting magnetic energy storage).

Rychlý rozvoj a široké uplatnění zdá se čeká setrvačníky a superkondenzátory. Nemají zmíněné nedostatky baterií. Především je překonávají ve schopnosti rychle vydat nebo naopak rychle akumulovat energii. Mohou tedy poskytnout mnohem větší výkon, i když jen po krátkou dobu. Dále mají oproti bateriím mnohem delší životnost, nejsou tak citlivé na pracovní podmínky a téměř nevyžadují údržbu. Cena je zatím o dost vyšší, avšak s růstem produkce rychle klesá.

Zdroje na bázi setrvačníků nebo superkondenzátorů jsou vhodné tam, kde je nutné pokrýt velkou spotřebu po krátkou dobu. Je např. známo, že při výpadcích elektřiny je nekritičtější doba prvních 5 vteřin, během kterých nastává zhruba 80 % škod. Kromě uplatnění v UPS je hlavní motivací pro tyto technologie doprava. Tedy hybridní automobily (zatím ještě ve stadiu vývoje), dráhy, metro, tramvaje, městské autobusy, výtahy aj. Zdroje dodají energii pro akceleraci a naopak akumulují energii při brždění (tzv. rekuperace), čímž se ušetří kolem 25 % spotřeby. Další příkladem je zlepšení funkce větrné elektrárny, u které zásobník energie vyrovnává kolísání výkonu a zabezpečí automatické natáčení listů vrtule.

Superkondenzátory
Kondenzátor je prakticky jediný způsob, jak skladovat elektřinu přímo ve formě elektrického náboje. Ve srovnání s elektrochemickou baterií je hustota energie malá, avšak díky nepatrnému vnitřnímu odporu lze tuto energii velmi rychle dostat ven. Velké kondenzátorové baterie se proto často využívají jako zdroje impulsního výkonu, např. ve fyzikálním výzkumu pro lasery, urychlovače částic nebo termojadernou syntézu.

Superkondenzátory se začaly komerčně uplatňovat v posledních 10 letech, ačkoliv první vzorek je již z roku 1957. Používají se i jiné názvy – ultrakondenzátory, elektrochemické dvouvrstvé kondenzátory aj. Vlastnostmi je to něco mezi baterií a kondenzátorem. Při nabíjení vytvoří ionty elektrolytu na obou elektrodách polarizované vrstvy z aniontů, respektive z kationtů – ekvivalent elektrostaticky nabitých desek kondenzátoru, viz obr.1. Víme, že kapacita kondenzátoru je tím větší, čím je větší plocha desek a menší vzdálenost mezi nimi. U superkondenzátoru je jejich „supervelká“ kapacita dána tím, že elektrody jsou ze speciálního materiálu jako je mikroporézní aktivovaný uhlík, který se vyznačuje extrémním povrchem až ~ 2000 m2/g a tím, že vzdálenost mezi nabitými vrstvami je jen několik nanometrů. Dají se tak realizovat superkondenzátory s kapacitou až několika tisíc F (faradů), tedy o několik řádů více, než je možné u foliových kondenzátorů. Používané organické elektrolyty snesou napětí jen kolem 2,5 V. Vyšší napětí se proto řeší sériovým řazením základních článků. Vyrábějí se moduly na napětí desítkek až stovek voltů.

Není problém superkondenzátor koupit. Ceny klesají, počet výrobců roste, takže brzy bude superkondenzátor běžnou součástí bateriově napájených přístrojů. Baterie doplněná superkondenzátorem vydrží mnohem déle bez dobíjení, protože budou zajištěny krátkodobé špičkové odběry. Typickým příkladem je digitální fotoaparát, kde při zapnutí a některých činnostech je mnohem větší spotřeba než průměrný odběr. Velká role čeká superkondenzátory v automobilovém průmyslu a dopravních systémech. Již dnes např. usnadňují startování nákladních automobilů v tvrdých sibiřských podmínkách, zkoušejí se jako rekuperační akumulátory v madridském metru a v řadě jiných aplikací.

Vysokootáčkové setrvačníky.
Kinetická energie rotujícího tělesa je úměrná hmotnosti (přesněji momentu setrvačnosti) a druhé mocnině otáček. Při vysokých otáčkách tedy i relativně lehký setrvačník má hodně energie. Zatím jsou běžnější nízkootáčkové setrvačníky (zhruba do 7 000 ot./min.) s ocelovým rotorem. Velmi pevné kompozitní materiály dovolují vývoj lehkých vysokootáčkových setrvačníků až do 100 000 ot./min. Na obr. 2 je takový důmyslný stroj. Kvůli omezení tření se rotor točí ve vakuu a je magneticky nadnášen. Součástí rotoru jsou i permanentní magnety, které ho roztáčejí nebo při brždění generují proud v cívkách. K tomu patří i vyspělá elektronika pro bezpečný a bezúdržbový chod. Jako vyspělou aplikaci možno uvést nasazení v kosmu, kde setrvačníky kromě akumulace energie ze slunečních kolektorů plní i funkci prostorové stabilizace tělesa v beztížném stavu.

V současnosti se tímto způsobem komerčně vyrábějí setrvačníky pro UPS s výkonem od několika kW až do zhruba 1 MW. Jejich předností je možnost paralelního chodu více jednotek. Na obr. 3 je jako příklad UPS jednotka, ve které kromě setrvačníku jsou výkonové regulátory napětí a řídící mikropočítač. Ocelový setrvačník poskytne max. 200 kW záložního výkonu 3fázové 400 V sítě při rozsahu otáček 7700–4000 ot./min. Zařízení může fungovat samostatně jako krátkodobá záloha nebo jak součást většího systému. Na obr. 4 je operativní UPS centrála firmy Phoenix-Zeppelin, kde v kompaktním kontejneru je setrvačníková jednotka spolu s dieselagregátem s trvalým výkonem 200 kW minimálně po dobu 13 h. Tyto jednotky byly, pro zajímavost, nabídnuty jako energetická záloha pro olympijské hry v Pekingu.

PŘÍKLADY VYUŽITÍ
RŮZNÝCH FOREM ENERGIE
kinetická – setrvačná energie pohybu hmotných těles (setrvačník, vítr, tekoucí voda) potenciální – energie sil působících při přemísťování hmoty (pružina, voda v přehradní nádrži, příliv–odliv) chemická – energie při přeměně látek (paliva, baterie, svaly) tepelná – teplo jako energie pohybu mikročástic látky (horká pára v parním stroji, spalovací motor) atomová – energie při radioaktivním rozpadu těžkých atomových jader (uran v atomovém reaktoru) termonukleární – energie při slučování lehkých atomových jader (hvězdy, v budoucnu vodík v termonukleárním reaktoru) elektrická – energie nabitých částic (kondenzátor, elektromotor, rozvodná síť) magnetická – energie při pohybu nabitých částic (cívka, elektromotor) elektromagnetická – záření (světlo, mikrovlny).