Inovativní řešení pro skladování energie: betonové bloky a principy gravitačních baterií

S rostoucím podílem obnovitelných zdrojů energie, jako jsou sluneční a větrné elektrárny, se téma velkokapacitního skladování energie dostává do popředí. Nestálá povaha těchto zdrojů klade zvýšené nároky na akumulaci elektrické energie, protože nedokáží poskytnout stabilní dodávku v rámci dne i celého roku. Problémem větrných turbín je navíc to, že je lze postavit pouze na určitých místech s vhodnými predispozicemi k produkci dostatku energie, což vytváří nerovnoměrnost pokrytí zdrojů v rámci rozmístění spotřeby.

V rámci evropské snahy o rozvoj udržitelných a škálovatelných forem akumulace energie se proto stále častěji objevují alternativy ke konvenčním přečerpávacím elektrárnám a lithiovým bateriím. Funkce konkrétního akumulátoru energie je závislá na použité technologii, která by měla odpovídat dané aplikaci. Pro každé zařízení schopné uschovávat energii by mělo platit, že ztráty přeměnou energie a její akumulace v rámci zařízení by měly být minimální. Dále je třeba vždy znát jeho kapacitu, účinnost, potřebný výkon a čas, za který je tento výkon schopno dosáhnout.

Systémy úložišť energie lze obecně rozdělit podle formy energie, ve které je energie uchována, na úložiště využívající elektrochemickou energii (různé baterie nebo výrobu vodíku, zemního plynu, dusíku a dalších plynů), tepelnou energii (podzemní tepelné úložiště, úložiště využívající latentního tepla, tepelné akumulace), kinetickou energii (rotační setrvačníky), elektromagnetickou energii (superkapacitory, úložiště využívající supravodivých prvků), potenciální energii (přečerpávací elektrárny) a kombinace předchozích (baterie na bázi tavných solí, nádoby se stlačeným vzduchem).

Gravitační baterie Energy Vault

Zcela novou technologii, která svým pojetím připomíná velkou přečerpávací vodní elektrárnu, uvádí na trh švýcarský startup Energy Vault. Společnost Energy Vault svůj systém založila na využití zemské gravitace a kinetické energie pro dlouhodobou akumulaci energie z obnovitelných zdrojů. Obří akumulátor Energy Vault je v podstatě automatický jeřáb, který v dobách levné energie staví z betonových kvádrů věž o výšce až 150 metrů. Jeřáb v případě nadbytku energie vytahuje do výšky těžké betonové bloky o hmotnosti 35 tun, které skládá na sebe do podoby betonové věže. Celkem se takto dokáže uložit okolo 35 megawatthodin (MWh) energie.

Vývojáři Energy Vault se tak inspirovali u přečerpávacích vodních elektráren. V nich se elektřina skladuje v potenciální energii vody přečerpané v době nižší poptávky na nějaké vysoké místo. Záměrem Energy Vault je postavit věž, na které se nachází jeřáb, či přesněji několik automatizovaných jeřábů, které přemísťují betonové kvádry. Naopak, v době zvýšené poptávky by dělaly přesný opak - a při spouštění závaží by pak motory jeřábů vyráběly elektřinu pro síť.

Čtěte také: Bezpečná podomítková baterie Ecostat S

Gravitační baterie Energy Vault je založena na operování s jednotlivými betonovými bloky pomocí 110 metrů vysokého jeřábu se šesti rameny. Jeřáb má na každém rameni jeden pohon konající pohyb posuvný po rameni jeřábu a zároveň je schopný navíjet, či spouštět závaží v podobě betonových bloků. Díky šesti ramenům může jeřáb jednotlivé bloky se zátěží stahovat různou rychlostí, a tak i jemně řídit výsledný výkon a jeho stabilitu. Energie se do systému ukládá vytažením zátěží o hmotnosti 35 tun na vrchol uspořádaně uložených bloků.

Principem tohoto systému je skládání betonových bloků na sebe okolo jeřábu. V případě dostatku energie v síti jeřáb bere betonové bloky nejprve nejdále vzdálené od středu a přesunuje je do vyšší polohy směrem blíž ke středu jeřábu. V případě potřeby generovat energii uchytí jeřáb závaží nacházející se nejblíž ke středu jeřábu a spustí je do řady, která je nejméně zaplněná. Systém skládání bloků reaguje na potřeby sítě. Výrobce udává maximální okamžitý výkon 4 MW, jmenovitou kapacitu 35 MWh s dobou rozběhu na maximální výkon 2,9 s.

Nápad švýcarské firmy Energy Vault se již testuje v praxi. Energetická věž už roste u Milána, přispívá na ni italská energetická skupina Enel. Další pilotní projekt o výkonu 35 MWh má brzy vyrůst v Indii. Start-up Energy Vault dokončil přístroj už loni v červenci a nyní jej testuje za účasti provozovatele švýcarské přenosové sítě. Oproti tradičním lithiovým bateriím, které mají reakční dobu v řádu sekund, bude mít systém Energy Vault nepochybně pomalejší reakční schopnost. Na druhou stranu životnost „betonové baterie“ je přes 30 let a dokáže se výkonově škálovat v rozsahu 20-35-80 MWh.

Takový proces samozřejmě nemůže být bez ztrát. Celý systém má relativně nízkou energetickou hustotu. Jinak řečeno, betonová „baterka“ musí být extrémně veliká, aby měla nějaký význam pro skladování energie. Při realizaci tohoto systému je třeba brát v úvahu přírodní podmínky. Obecně platí, že s rostoucí výškou od zemského povrchu se logaritmicky zvyšuje rychlost větru. Nezanedbatelná a tím pádem i limitující je proto otázka vlivu větru na stabilitu celé soustavy a na kývání bloků během spouštění/navíjení. Dalším možným problémem je spojitá dodávka výkonu. V případě potřeby dodávat maximální výkon, muselo by pracovat všech šest generátorů najednou. Poté, co by všechny bloky dopadly do polohy s minimální energií, by byla přerušena dodávka výkonu do sítě a jeřáby by se musely navinout zpět, uchytit další závaží atd. Pro zaručení dodávání spojitého výkonu do sítě, musel by pracovat jenom určitý počet generátorů, což limituje maximální výkon.

Energy Vault Resiliency Center (EVRC)

Společnost Energy Vault představila také systém EVRC (Energy Vault Resiliency Center), což je modulární systém složený z 10MWh článků. Druhou výhodou oproti jeřábu je konstrukce, která si vystačí se 40% výškou stavby.

Čtěte také: Průvodce zobrazením kapacity baterie Galaxy S10

Gravitační baterie Gravitricity

Konkurenční skotská společnost Gravitricity vsadila na téměř identický postup, namísto jeřábů a nadzemních staveb chce ale využít staré uhelné doly. Projekt společnosti Gravitricity využívá princip působení gravitace na pevné závaží, zavěšené na svislém laně. Vytažením závaží se gravitační baterie nabíjí. Spouštění závaží generuje elektřinu a gravitační baterie se vybíjí.

Uložení podobného systému do již existující šachty znamená odstranění problémů výškové konstrukce a navýšení celkové kapacity, neboť vertikální důlní šachty bývají hluboké stovky metrů. Zařízení instalované do bývalých důlních šachet, by mohlo mít okamžitý výkon až 20 MW při hmotnosti závaží až 5 000 tun a účinnost mezi 80 až 90 % s dobou rozběhu na maximální výkon do 1 s. První skutečná baterie Gravitricity by měla disponovat kapacitou až 2 MWh a výkonem 4-8 MW. Bude proto potřebovat hodně hlubokou šachtu, do které na povel klesne užitečná zátěž a roztočí generátor.

Česko není jedinou oblastí, o kterou se zajímá britský startup. Zkoumá také vhodné doly v Polsku, Indii a dalších oblastech světa. Společnost Gravitricity uzavřela memorandum se státním podnikem DIAMO a VŠB-TUO, přičemž DIAMO by poskytlo vhodnou štolu a VŠB-TUO havířskou know-how. Zatím ale chybí financování. Rozdíl oproti přečerpávacím elektrárnám je v mnohem nižších nákladech a také v rychlosti. Rychlostí pádu závaží lze regulovat výkon, který může být špičkový pro náhlý vysoký odběr, anebo pomalý pro jemné vyrovnávání sítě.

Cementové superkapacitory - inteligentní beton

Vědcům z americké univerzity MIT se podařilo přijít na způsob, jak vytvořit superkapacitor, tedy možnost uchování energie z běžného cementu. Ten se používá nejčastěji jako velmi důležitá součást při tvorbě betonu. Právě obohacení základové směsi domů o saze tak drží jednu z největších energetických revolucí, jaké může naše generace čelit. Vaše obydlí by tak bylo schopné ve svých základech udržet energii potřebnou pro celodenní fungování.

Ukládání energie v superkapacitorech funguje značně odlišně od baterií. Ty dávkují energii lineárně skrze chemickou reakci, zatímco superkapacitory uvolňují energii v dávkách tím, že energii ukládají v elektrostatickém poli. Superkapacitory tak dokáží „produkovat“ energii mnohem větším tempem než průměrná baterie. To může být současně výhoda, ale i nevýhoda. Výroba takového materiálu je vcelku nenáročná. Stačí příměs pouhých 3 % z celkového objemu, aby se vytvořila komplexní struktura uhelných vláken. Betonový blok o 45 kubických metrech zvládne uchovat 10 kWh energie, což je v průměru zhruba den spotřeby běžné domácnosti.

Čtěte také: Zjistěte více o termostatických sprchových bateriích GROHE pod omítku.

Inženýři z Massachusetts Institute of Technology (MIT) vyvinuli nový typ betonu se schopností uchovat elektrickou energii. Základem je inovativní směs cementu, vody a uhlíkových materiálů, jako je carbon black, grafen nebo uhlíková vlákna. Během hydratace cementu vzniká porézní struktura, ve které se uhlíkové částice propojují do vodivých sítí. Ty slouží jako elektrody superkondenzátoru - tedy zařízení, které ukládá energii elektrostaticky, nikoli chemicky jako klasické baterie. Do betonu je poté vnesen elektrolyt, který umožňuje uchování a uvolnění elektrického náboje mezi elektrodami. Výsledkem je monolitický stavební materiál, jenž funguje jako superkondenzátor obřích rozměrů.

Klíčem k udržitelnosti betonu je vývoj multifunkčního betonu, který v sobě spojuje schopnosti jako ukládání energie, samoregeneraci či zachytávání uhlíku. Nová studie publikovaná v časopise PNAS popisuje směs cementu, vody, ultrajemného uhlíkového černidla a elektrolytů. Tato kombinace vytváří vodivou nanostrukturu, která umožňuje betonu fungovat podobně jako baterie. Nejde přitom o první pokus dodat betonu elektrické vlastnosti - už v roce 2023 byly v japonském Sapporu instalovány samoohřívací betonové desky, které pomáhají zvládat sněhové závěje.

V aktuální studii vědci z MIT využili 3D zobrazování k analýze nanostruktury betonu a optimalizovali elektrolyty použité ve směsi. Díky tomu mohli vytvořit silnější elektrody s větší kapacitou, přičemž podle jejich odhadů může kus betonu o velikosti lednice uložit až dvě kilowatthodiny elektrické energie. Vědci nyní experimentují s velikostí a podílem příměsi v cestě za optimalizací efektivního množství uchování energie.

Technické parametry betonových superkondenzátorů

• Energetická hustota: až 200 Wh/m³
• Nabíjecí/vybíjecí cykly: > 10 000
• Doba odezvy: v řádu milisekund
• Životnost: odhadována na 50-100 let (stejně jako betonová konstrukce)
• Vlastnosti: Nehořlavý, netoxický, plně recyklovatelný

Reálné aplikace a využití

Nová betonová baterie může v budoucnu zásadně změnit, jak přemýšlíme o budovách, infrastruktuře i energetice. Zdi, podlahy a základy mohou fungovat jako velkokapacitní akumulátor. Přebytečná energie ze solárních panelů se uloží do struktury budovy a večer ji může budova vrátit do sítě nebo napájet spotřebiče. Tím se eliminuje nutnost instalovat samostatné bateriové bloky, které zabírají místo a mají omezenou životnost. Dalším využitím by mohly být i silnice, které by bezdrátově poháněly elektrické automobily. Během jízdy by se vozy dobíjely nebo minimálně neztrácely kapacitu svých baterií. Příkladem by mohly být i efektivnější větrné turbíny a generátory ukládající energii ve svých základech. Pro koncept chytrých měst jde o ideální kombinaci - pevná konstrukce a inteligentní energetika v jednom.

MIT pracuje na propojení jednotlivých betonových článků přes řídicí jednotky typu microgrid, které budou řídit nabíjení, vybíjení a komunikaci s rozvodnou sítí. V praxi by tak vznikly budovy, které samy regulují spotřebu energie podle ceny, počasí či zatížení sítě. Do budoucna se počítá i s integrací IoT senzorů do betonových struktur, samodiagnostikou stavu nabití přes impedanční měření a možností 3D tisku konstrukcí s vestavěnými energetickými vrstvami.

Betonová baterie může přinést revoluci v decentralizované energetice. Namísto budování obrovských bateriových polí by každá stavba mohla mít svou vlastní „skrytou“ akumulaci - bez těžby kovů, bez ohrožení životního prostředí a s minimální údržbou. Navíc jde o technologii snadno škálovatelnou - beton je druhý nejpoužívanější materiál na planetě, takže i malé zvýšení jeho funkčnosti má obrovský dopad. Betonová baterie má nižší hustotu energie, ale extrémní odolnost, bezpečnost a objemový potenciál - ideální pro statické aplikace.

StEnSea (Stored Energy in the Sea)

Jedním z technologicky nejzajímavějších projektů je StEnSea (Stored Energy in the Sea), který kombinuje princip přečerpávací akumulace s využitím hlubinného tlaku mořské vody. Technologie využívá duté betonové koule o průměru přibližně 30 metrů, které jsou instalovány na mořském dně v hloubce kolem 700 metrů. Během nabíjení se pomocí přebytečné elektřiny (např. z větrných farem) čerpá voda ven ze sféry, čímž se uvnitř vytvoří podtlak. Při těchto parametrech má každá jednotka akumulační kapacitu přibližně 20 megawatthodin a výkon až 5 megawattů. Při potřebě dodání energie do sítě se pak voda nechá proudit dovnitř, pohánějíc turbínu a generující elektřinu.

Tento údaj zahrnuje jak konstrukci betonové koule, tak instalaci turbínového modulu, elektrického propojení a ukotvení na mořském dně. Vzhledem k projektované životnosti přes 30 let a téměř nulovým nákladům na „palivo“ (voda jako médium) se jedná o řešení s dlouhodobě výhodným poměrem mezi investicí a provozními náklady. Celková účinnost cyklu (nabíjení a vybíjení) je v modelových výpočtech mezi 70 až 80 %. Za jejím hlavním vývojem stojí německý institut Fraunhofer IEE ve spolupráci s norskými partnery. V rámci výzkumu provedl institut například i technicko-ekonomické studie využití této technologie pro služby výkonové rovnováhy. Samotná technologie byla naposledy otestována v roce 2017 v Bodamském jezeře ve Švýcarsku.

Vedle vývoje plnohodnotné komerční koule připravuje Fraunhofer IEE ve spolupráci s americkými partnery také pilotní prototyp v reálných oceánských podmínkách. Do konce roku 2026 by měla být spuštěna testovací jednotka u pobřeží Long Beach v Kalifornii v hloubce přes 600 metrů. Tato pilotní jednotka bude vyrobena technologií 3D tisku, díky čemuž by se mohla dále škálovat do podmořských farem a bude mít menší rozměry oproti finálním komerčním modelům. Očekává se, že jednotka bude schopna generovat výkon 0,5 MW a uložit 0,4 MWh energie.

Srovnání technologií skladování energie

Níže uvedená tabulka poskytuje srovnání vybraných technologií pro skladování energie, se zaměřením na gravitační a betonové systémy, a jejich klíčové parametry.

tags: #baterie #na #uchování #elektřiny #betonové #bloky

Oblíbené příspěvky:

• Vše o vodou ředitelných lacích na podlahy
• Nejlepší lepidla pro obklady krbů a kamen
• Vše o umístění parozábrany v podlahových konstrukcích
• Právní úprava záruky na střechy
• Praktické a estetické knihovny