Kam s elektřinou? Řešením mohou být vanadové průtočné baterie

V poslední době se Evropa pozvolna odklání od klasických zdrojů elektrické energie (tj. fosilních nebo jaderných) a orientuje se na zdroje obnovitelné, jakými jsou větrné elektrárny či fotovoltaické panely. Jejich prosazování ze začátku nepřijímala s nadšením ani široká veřejnost, a to kvůli státem špatně nastavenému výkupu „zelené“ elektřiny, ani distributoři elektrické energie, kvůli komplikacím se zapojením těchto na rozmarech počasí závislých zdrojů do přenosové soustavy. Teprve masivnější rozšíření stacionárních úložišť energie umožní větrným elektrárnám a fotovoltaickým panelům instalovaným v našich zeměpisných šířkách nabýt na celkovém významu a významně přispěje ke snížení dopadu lidské činnosti na kvalitu životního prostředí a snížení závislosti státu na dovážených strategických surovinách. Je však potřeba, aby ukládání energie bylo zvládnuto nejen technicky, ale také životaschopně z ekonomického pohledu.

Lepší využití elektřiny z obnovitelných zdrojů pomocí lokálních úložišť elektrické energie si můžeme demonstrovat na příkladu fotovoltaické elektrárny. Svítí-li slunce na fotovoltaický panel, je produkována elektřina, ovšem přijde-li mrak, produkce okamžitě výrazně poklesne. Vyprodukovaná elektřina musí být ihned spotřebována zákazníky či uložena pro pozdější využití, například pro večer, kdy vzrůstá odběr domácností, ale slunce již nesvítí a fotovoltaika nepracuje. K tomu potřebujeme úložiště elektrické energie, jež disponuje dostatečným výkonem (kW) a kapacitou (kWh). Vhodným lokálním úložištěm může být akumulátor, což je zařízení, které ukládá elektřinu do chemické energie při nabíjení a při vybíjení mění chemickou energii zpět na elektřinu. Z pohledu ekonomiky je důležitá maximalizace poměru množství uvolněné a uložené elektřiny – musí se jednat o zařízení s vysokou účinností.

Jako stacionární úložiště energie lze použít lithium-iontový akumulátor, který běžně používáme v mobilních telefonech či přenosných počítačích. Tento typ akumulátorů je schopný účinně uložit velké množství energie do malého objemu – má vysokou energetickou hustotu (Wh/m³). Tyto akumulátory je možné vyrobit i v poměrně velkých rozměrech a následně je použít ke stacionárnímu ukládání energie. Tento přístup využívá kupř. miliardář a vizionář Elon Musk u svého úložiště pro domácnosti prodávaného pod názvem Tesla Powerwall. Za tímto účelem staví obrovskou továrnu na lithium-iontové akumulátory, která vychrlí ročně baterie o celkové kapacitě 35 GWh. Kdybychom všechny tyto baterie spojili do jedné obří, jaderná elektrárna Temelín by ji nabíjela při plném výkonu téměř 18 hodin! Čistě z technického hlediska se jedná o velmi zajímavý počin, ale ukazuje se, že zaměření se pouze na lithiové akumulátory není racionální z ekonomického a logistického hlediska. Poptávka po lithiu totiž začíná velmi strmě stoupat a je možné, že omezená roční kapacita těžby lithia přestane v budoucnu být schopna uspokojovat potřeby výrobců baterií.

Zároveň je důležité si uvědomit, že v případě stacionárního úložiště elektrické energie, nejsou rozměry a hmotnost zásadně důležitými parametry. Proto z pohledu ekonomiky, bezpečnosti i technologické vyspělosti mohou být pro některé aplikace výhodnější průtočné baterie na bázi vanadu. Vanadová průtočná baterie umožňuje nezávislé nastavení výkonu a kapacity dle požadavků zákazníka. Kapacita baterie je dána objemem elektrolytů na bázi solí vanadu rozpuštěných ve zředěné kyselině sírové. Elektrolyty jsou ze zásobních tanků čerpány do prostorů bateriového svazku, kde na inertních uhlíkových elektrodách dochází k elektrochemickým reakcím. Velikost aktivní plochy a počet článků v bateriovém svazku určuje výkon systému.  

Tým vědců z  Výzkumného centra Nové technologie Západočeské univerzity v Plzni a Ústavu chemického inženýrství Vysoké školy chemicko-technologické v Praze pod vedením Juraje Koska se technologii vanadových průtočných baterií již několik let úspěšně věnuje. Letos tým dokončil vývoj vlastní vanadové průtočné baterie. Několikaletá optimalizace vnitřních komponent a designu konstrukčních částí byla završena konstrukcí bateriového svazku o výkonu 2 kW s více než 80% účinností. Na základě předběžných testů vědci očekávají životnost vanadových baterií vyšší než 20 let. „Zásadní je volba vhodných konstrukčních materiálů a zejména použití odolné membrány, jež odděluje jednotlivé poločlánky uvnitř bateriového svazku,“ tvrdí Jan Dundálek.

Získané zkušenosti umožňují konstrukci nových systémů akumulace elektrické energie, jež budou vykazovat lepší technické nebo ekonomické parametry v porovnání s lithium-iontovými bateriemi. Vědci věří, že vyvinuli silné a robustní řešení, o čemž svědčí možnost přetížení baterie ze 2 kW na 6 kW bez jakéhokoliv negativního vlivu na životnost baterie. Ani při absolutním vybití baterie nedochází k degradaci vnitřních komponent baterie či elektrolytu. Současně baterie operuje při všech běžných teplotách. Díky použití elektrolytů na vodné bázi se jedná o nehořlavé a bezpečné řešení na rozdíl od systémů na bázi lithia, takže ani při extrémním zatížení či zkratu baterie nehrozí exploze. V neposlední řadě je třeba zmínit možnost úplné recyklace baterie, kdy lze vanadové elektrolyty snadno zregenerovat do původního stavu, a tak znovu použít pro ukládání energie.

Ačkoliv se zatím jedná o v Česku poměrně neznámé řešení elektrochemického úložiště elektřiny, možnost snadného nastavení kapacity a výkonu, vysoká životnost i velmi rychlá odezva v řádu desítek milisekund předurčují vanadové průtočné baterie pro celou škálu použití. Malé systémy o výkonech v jednotkách kW a kapacitě až desítek kWh jsou vhodné pro zvýšení samospotřeby elektřiny z domácích nebo komunitních fotovoltaických panelů o desítky procent. Modulární systémy o výkonech desítek kW a kapacitě desítek až stovek kWh pomohou stabilizovat a zkvalitnit dodávky elektřiny ze sítě pro průmyslové celky. Systémy o výkonech stovek kW a kapacitách převyšující stovky kWh by pak mohly hrát roli při stabilizaci přenosu elektřiny nebo fungovat jako nabíjecí stanice elektromobilů.

Je nepopíratelným faktem, že rozvoj obnovitelných zdrojů nabírá na obrátkách. Oblast lokálních úložišť elektrické energie je vhodné vnímat jako obrovskou příležitost jak pro výzkum, tak komercializaci životaschopných řešení. A je dobře, že technicky i ekonomicky vyspělé řešení založené na technologii průtočné baterie vzniklo také v Česku.