Energetická účinnosť a obnoviteľná energia, ako je veterná energia a fotovoltika, sú základným kameňom každého prechodu na čistú energiu. No na to, aby sa svet dostal na cestu k splneniu klimatických a iných cieľov udržateľnosti, bude potrebné viac ako len obnoviteľné zdroje a efektívnosť. Analýza IEA opakovane ukázala, že na dekarbonizáciu všetkých častí ekonomiky bude potrebné široké portfólio technológií čistej energie. Batérie a elektrolyzéry produkujúce vodík vynikajú ako dve dôležité technológie vďaka svojej schopnosti premeniť elektrickú energiu na chemickú energiu a naopak.

Skladovanie energie budúcnosti

Skladovanie obnoviteľnej energie vyžaduje nízko nákladové technológie, ktoré majú dlhú životnosť. To znamená, že umožňujú neustále nabíjanie a vybíjanie, sú bezpečné a dokážu efektívne skladovať dostatok energie, aby pokryli dopyt.

Lítiovo-iónové batérie vyvinul britský vedec v sedemdesiatych rokoch a spoločnosť Sony ich prvýkrát komerčne použila v roku 1991 v ručnom videorekordéri. Aj keď sú ekonomicky najvýhodnejším riešením skladovania energie, v súčasnosti sa vyvíja množstvo ďalších technológií na ukladanie energie vo väčších rozmeroch. Tie zahŕňajú batériové systémy a vodíkové technológie.

Batériové systémy

Batériové systémy v energetickej sieti, ktoré dokážu uskladniť čoraz väčšie množstvo energie, zaznamenávajú rekordný rast. Doteraz najväčším systémom batériového skladovania energie na svete je Moss Landing Energy Storage Facility v Kalifornii v USA, kde bola v januári 2021 uvedená do prevádzky prvá 300-megawattová lítiovo-iónová batéria obsahujúca 4 500 stohovaných stojanov na batérie. V krajinách ako Austrália, Nemecko, Japonsko, Spojené kráľovstvo, Litva alebo Čile sa plánujú ďalšie batériové energetické systémy. A už aj na Slovensku sú inštalované prvé batériové úložiská.

Čo sú batériové úložiská?

Batériové úložisko alebo batériové skladovacie systémy (Batery Energy Storage Systems, BESS) sú zariadenia, ktoré umožňujú ukladanie energie z obnoviteľných zdrojov, ako je slnečná a veterná energia, a jej uvoľnenie, keď ju zákazníci najviac potrebujú. Pretože obsahujú pokročilú technológiu, ktorú bežné batérie nemajú, môžu v energetických sieťach ľahko vykonávať určité úlohy, ktoré boli predtým ťažké alebo nemožné, napríklad vyrovnávanie špičiek a presúvanie záťaže.

Batériové úložiská zohrávajú kľúčovú úlohu pri zabezpečovaní toho, aby domácnosti a podniky mohli byť napájané zelenou energiou, aj keď nesvieti slnko alebo prestal fúkať vietor. Prevádzkovatelia energetických sietí na celom svete musia každý deň zosúladiť ponuku s dopytom. Zvládnutie týchto vrcholov a miním sa stáva náročnejším, keď sa do siete pripájajú premenlivé obnoviteľné zdroje energie.

Softvérové nástroje na riadenie a správu inteligentnej batérie využívajú algoritmy na koordináciu výroby energie a počítačové riadiace systémy sa používajú na rozhodovanie o tom, kedy si energiu ponechať na rezervu alebo ju uvoľniť do siete. Energia sa uvoľňuje z batériového úložného systému v čase špičkového dopytu, čím sa udržiavajú nízke náklady na tok elektriny.

Technológia – čo je vnútri?

Každá jednotka na uchovávanie energie obsahuje niekoľko komponentov: jeden alebo viac batériových modulov, snímače, riadiace komponenty a menič napätia. Vďaka týmto komponentom sú systémy na ukladanie energie viac než len batérie. Viaceré vymeniteľné batériové moduly bránia vypadnutiu celej jednotky na ukladanie energie, ak jeden batériový modul zlyhá. Modul možno vymeniť za iný počas prevádzky.

Snímače zaisťujú bezpečnú prevádzku a umožňujú vzdialené monitorovanie. Pomáhajú udržiavať vhodnú prevádzkovú teplotu, sledujú zlyhanie batériového modulu a hlásia údaje o spotrebe vám a vašej energetickej spoločnosti. Batérie môžu byť nakonfigurované tak, aby sa automaticky nabíjali, keď je energia najlacnejšia, a automaticky sa vybíjali, keď je najdrahšia.

Doplnkovými systémami môžu byť zabudované chladiace systémy, konštrukcia odolná poveternostným vplyvom a škálovateľná architektúra. Zabudované chladenie zaisťuje optimálny výkon. Konštrukcia odolná poveternostným vplyvom znamená, že systémy akumulácie energie možno namontovať vonku bez dodatočných nákladov na ochranné zabezpečenie. Škálovateľná architektúra znamená, že viaceré jednotky na ukladanie energie môžu byť prepojené a vytvárať tak väčší systém. Ďalšie jednotky môžu byť vždy pridané neskôr.

Skladovanie energie umožňuje vlastníkom ukladať prebytočnú energiu vyrobenú solárnymi panelmi počas dňa a využívať ju v noci. Výhodou je, že v prípade výpadku hlavného dodávateľa energií možno využívať uloženú energiu vyrobenú z obnoviteľných zdrojov. Sú tak bezpečnou a bezproblémovou alternatívou malých generátorov.

Vodíkové technológie

Prelomová vodíková technológia môže nahradiť tradičné batériové systémy. Pre väčšinu z nás predstavuje skladovanie energie len batérie, ale nie je to tak. Jeden kilogram lítiovej batérie dokáže uložiť iba 0,15 – 0, 25 kWh elektrickej energie, zatiaľ čo jeden kilogram vodíka obsahuje takmer 40 kWh.

Vzhľadom na to, že batérie môžu slúžiť stacionárnym a relatívne malým používateľom (ako je skladovanie solárnej energie pre malé podniky, rodinné domy alebo autá), nie sú vhodné na prepravu veľkého množstva elektrickej energie. V prípade väčších zdrojov zelenej energie, ako sú solárne farmy, je preprava vodíka lepšia. Vodík možno skladovať a prepravovať v akomkoľvek množstve ku každému používateľovi, podobne ako dnes zemný plyn. Jednou z možností rýchleho rozšírenia infraštruktúry na dodávku vodíka je prispôsobiť časť distribučného systému zemného plynu tak, aby prepravovala zmes zemného plynu a vodíka. Konverzia na dodávku čistého vodíka môže vyžadovať podstatnejšie úpravy.

Okrem toho sa vodík môže skladovať aj v prírodných alebo umelých soľných jaskyniach. Soľná jaskyňa Teeside v Spojenom kráľovstve uchováva 25 GWh vodíka pri tlaku 45 barov v troch samostatných priehlbinách, zatiaľ čo soľná jaskyňa Clemens Dome v Texase má kapacitu 92 GWh a tlak v rozsahu 70 – 135 barov. Dve väčšie soľné jaskyne (Moss Bluff a Spindletop tiež v Texase) majú kapacitu 120 GWh. Čo sa týka distribúcie, okrem nákladných áut, lodí a vlakov je v súčasnosti na celom svete len pár tisíc kilometrov komerčných plynovodov na vodík.

Iniciatíva európskej vodíkovej siete (European Hydrogen Backbone, EHB) zintenzívnila svoje ambície vybudovať celoeurópsku sieť vodíkových potrubí v reakcii na návrhy EÚ na podporu výroby a dovozu zeleného vodíka. EHB plánuje vybudovať takmer 28 000 km vodíkových plynovodov do roku 2030 a 53 000 km do roku 2040. Približne 60 % z toho by predstavovali prerobené existujúce plynovody a 40 % by boli nové potrubia.

Čo sú vodíkové technológie?

Elektrina sa môže premeniť na vodík elektrolýzou. Elektrolýza je spôsob, akým sa rozdeľuje voda na vodík a kyslík pomocou elektrickej energie. Vodík sa potom môže skladovať, prípadne znovu elektrifikovať. Efektivita spiatočnej cesty je dnes nižšia ako pri iných technológiách ukladania. Napriek tejto nízkej účinnosti rastie záujem o vodíkové technológie vzhľadom na oveľa vyššiu akumulačnú kapacitu v porovnaní s batériami.

Malé množstvá vodíka (do niekoľkých MWh) možno skladovať v tlakových nádobách, rovnako tuhé hydridy kovov alebo nanorúrky môžu uchovávať vodík s veľmi vysokou hustotou. Vo vybudovaných podzemných soľných jaskyniach možno skladovať oveľa väčšie množstvá vodíka, čo by znamenalo v priemere 100 GWh uskladnenej elektrickej energie.

Čistý vodík a palivá získané z vodíka by mohli byť životne dôležité pre sektory dekarbonizácie, v ktorých sa emisie veľmi ťažko znižujú, ako je lodná doprava, letectvo, nákladné autá, železiarsky a oceliarsky alebo chemický priemysel. To sú oblasti, kde nie je možné ľahko nasadiť iné technológie čistej energie.

Ide to aj bez batérie

Predstavte si, že by ste energiu mohli skladovať miestnym, bezpečným, cenovo dostupným a recyklovateľným materiálom. Spoločnosť Holcim spolu s partnermi INSA Lyon a ENGIE vyvíjajú prelomovú technológiu skladovania energie, ktorá bude slúžiť ako alternatíva batérií. Riešenie je založené na hydratácii cementu, ktorý uchováva teplo ako energiu a v prípade potreby ho uvoľňuje v nekonečne opakovateľnom cykle, pričom sa vyhýba environmentálnym a materiálnym výzvam spojeným s konvenčnými batériami.

Táto inovácia je založená na využití jedinečných vlastností špecifického cementového materiálu, ktorý dokáže absorbovať 300 kW energie na meter kubický a neskôr ju uvoľniť hydratáciou. Je navrhnutý tak, aby uložil prebytočnú energiu, ktorá prechádza vykurovacou sieťou, a v prípade potreby ju uvoľnil prostredníctvom hydratačného spúšťača. Spoločnosť bude ďalej skúmať, ako efektívne integrovať toto riešenie do vykurovacej siete, ako aj do širšej energetickej infraštruktúry.

Transformácia našej energetickej budúcnosti

Systémy na ukladanie energie radikálne zmenia spôsob, akým interagujeme s energiou. Vďaka nim sa solárna energia stane samozrejmosťou pre mnohé ďalšie domácnosti a podniky, prinesú väčšiu nezávislosť od tradičných verejných služieb a otvoria dvere veľkej rozmanitosti energetických možností.

Zdroj

[1] Batteries and hydrogen technology: keys for a clean energy future. IEA. [online]. Publikované 3. 5. 2020. Citované 20. 9. 2022. 

[2] Lipták, B.: Batteries or fuel cells for energy storage? ControlGlobal. [online]. Publikované 21. 3. 2022. Citované 20. 9. 2022. 

[3] Storing energy without batteries: Our breakthrough technology. Holcim. [online]. Publikované 3. 2. 2022. Citované 20. 9. 2022. 

[4] What is battery storage? NationalGrid. [online]. Citované 20. 9. 2022. 

[5] How hydrogen energy storage works. Energy Storage. [online]. Citované 20. 9. 2022. 

[6] How battery energy storage works. Ideal Energy. [online]. Citované 20. 9. 2022.