Sodík a železo: levné baterie se hlásí o slovo

Fotovoltaické a větrné elektrárny jsou momentálně zdroje energie s největším potenciálem. Jejich hlavním problémem je proměnlivá výroba závislá na počasí. Stabilizace těchto zdrojů pomocí současných baterií je však velmi nákladná, protože tyto baterie jsou drahé. Dávají smysl jen jako krátkodobé úložiště, které má vyrovnat dodávku elektřiny z obnovitelného zdroje v řádu hodin nebo v rámci jednoho dne.

Poslechněte si článek jako podcast!

Dlouhodobé způsoby akumulace, jako je vodík, syntetická paliva, nebo tepelná úložiště zvládnou uložit velké množství energie, ale oproti bateriím se potýkají s nízkou účinností okolo 30 %. Taková účinnost znamená, že 70 % čisté elektřiny se během akumulace nenávratně ztratí, vyplýtvá.

Mezistupněm jsou střednědobá úložiště, která mají kapacitu v řádu stovek megawatthodin nebo několika gigawatthodin, účinnost okolo 80 % a zvládnou zásobovat síť po delší dobu. Dnes se nejčastěji využívají přečerpávací elektrárny. U těch však stejně jako u vodních elektráren platí, že mají vysoké nároky na prostor a nelze je stavět podle potřeby. Podobně jsou na tom i další gravitační úložiště v podobě různých výtahů a jeřábů.

Ideální by byly levné baterie s vysokou kapacitou, které by umožňovaly postavit obdobu přečerpávací elektrárny téměř kdekoliv. Pokud by takové akumulátory existovaly před čtyřmi lety, velmi pravděpodobně by v Hradci u Kadaně nestály transformátory s řízeným posunem fáze, které chrání českou síť před přetížením, když se vítr opře do německých větrníků. Nejspíš by tam nestály ani tyto baterie. Ty by stály v Německu nedaleko větrných farem a uchovávaly přebytky elektřiny na dobu, kdy nebude tolik foukat a pak ji posílali po méně zatíženém vedení tam, kde bude zrovna potřeba. V menším měřítku už tuto variantu testují sonnen, TenneT a IBM.

U takových baterií není vyžadována vysoká energetická hustota ani výkon – jinak řečeno nevadí, když jsou velké a těžké. Nesmí být ale moc drahé, což byl kámen úrazu dosavadních lithiových baterií.

Minulý týden se však přihlásily o slovo hned dvě technologie levných baterií – sodíkové a železo-vzduchové.

Levný sodík místo lithia

Čínský CATL představil sodíko-iontovou baterii (NIB). Sodíkové baterie fungují podobně, jako baterie s lithiovou chemií, ale místo lithia používají sodík, který je mnohem dostupnější a tedy i levnější. Mezi jejich hlavní výhody patří vysoká bezpečnost a schopnost fungovat při nízkých teplotách. Jejich dosavadní slabinou v porovnání s lithiovými technologiemi byla nízká energetická hustota a krátká cyklická životnost. Z toho důvodu se zatím nikde v širším měřítku neuplatnily.

CATL však minulý týden ohlásil, že se mu oba problémy podařilo vyřešit a představil sodíkové články, které se svými vlastnostmi vyrovnají dnešním lithium-železo fosfátovým bateriím (LFP). Mají podobnou energetickou hustotu, vysokou bezpečnost, rychleji se nabíjí, zvládnou pracovat při nízkých teplotách a především díky nahrazení relativně drahého lithia levným sodíkem stojí výrazně méně. Další výhodou je, že způsob výroby sodíkových baterií se velmi blíží výrobě současných lithiových baterií, pro masovou výrobu tedy stačí jen mírně přizpůsobit stávající technologie, není potřeba vytvářet od nuly celý proces.

CATL tvrdí, že první prototypy dosahují energetické hustoty až 160 watthodin na kilogram (Wh/kg), přičemž cílem je dostat se na 200 Wh/kg. Řeč je zatím o laboratorních výsledcích, ale pro srovnání, energetická hustota komerčních LFP článků se pohybuje okolo 90–160 Wh/kg (přičemž mezi ty nejlepší se řadí i LFP články CATL). CATL u sodíkových baterií dále slibuje velmi rychlé nabití nabití na 80 % během 15 minut a schopnost normálně pracovat i při teplotách −20 °C, kdy už klasické lithiové články nefungují.

Cena při zahájení výroby má být 77 amerických dolarů za kilowatthodinu (USD/kWh) a po rozjetí výroby se má snížit na zhruba na polovinu, 31–47 USD/kWh. Pokud by k tomu došlo, jedná se o fantastické hodnoty. Donedávna byla za „magickou hranici“ pro masové rozšíření baterií považována cena 100 USD/kWh. Této hranice bylo u určitých typů lithiových článků dosaženo minulý rok a je to považováno za skvělý úspěch. Průměrná cena kilowatthodiny v bateriovém packu (modulu) v roce 2020 činila 137 USD/kWh.

Do fáze velkovýroby by se sodíkové články měly dostat za dva roky, tedy v roce 2023.

Přečtěte si také Komentář: Kobalt – stojí rozvoj elektromobilů na dětské práci? Přečíst článek

Levné železo a ještě levnější vzduch

Druhá technologie levných baterií spoléhá na technologii železo-vzduch. Oproti článkům CATLu, které už jsou jen krůček od sériové výroby, je tato baterie v ranějším stádiu vývoje a je tak mnohem tajemnější. Odhalil ji start-up Form Energy a na vážnosti mu dodávají především jména investorů, kteří ho podporují. Zdrojem financí je fond Breakthrough Energy Ventures, který založili nejbohatší lidé planety při pařížské klimatické konferenci COP21 v roce 2015. Najdeme zde jména jako Jeff Bezos nebo Bill Gates. Partnerem pro vývoj a jedním z hlavních investorů Form Energy je i ocelářský gigant ArcelorMittal – hlavním prvkem baterie je totiž železo, se kterým má tato firma bohaté zkušenosti.

Uvedená jména jsou podstatná, protože prezentovaný vynález působí jako z pohádky. Tým Form Energy ve spolupráci s ArcelorMittal pracoval několik let na zvládnutí procesu reverzibilní oxidace železa, neboli „vratné korozi“. Železná elektroda při nabíjení váže kyslík, tedy oxiduje (rezne) a při nabíjení s pomocí elektřiny uvolňuje kyslík a rez se mění zpět na železo. Zdrojem kyslíku je okolní vzduch.

Hlavní výhodou nové technologie má být bezkonkurenční cena. Železo je ve srovnání s lithiem levný, široce dostupný a plně recyklovatelný kov. Baterie železo-vzduch by tak měly stát desetinu toho, co dnešní lithiové články, cca 20 USD/kWh, což je opět skvělá hodnota.

K dispozici však nejsou žádné parametry, jen několik metaforických údajů. Podle webu Form Energy je jedna baterie velká zhruba jako pračka. Ta bude naplněna elektrolytem s vodním základem, podobném tomu, jako se používá dnes v klasických tužkových bateriích. Uvnitř jsou naskládány dvě elektrody – železné a vzduchové. Pračky se pak naskládají na sebe a energetická hustota dosáhne 1–3 MWh na akr.

Údaje jsou to veselé, ale o baterii na rozdíl od CATL neříkají vůbec nic. Pokud jde o funkčnost celého konceptu, nezbývá, než spoléhat na zvučná jména investorů. Tedy že se Gates, Bezos nebo ArcelorMittal nepodepsali pod nějaký nesmysl a nevložili své miliony do slepé uličky.

Levné baterie mají umožnit vybudování tak velkého úložiště, které by bylo schopno dodávat elektřinu několik dní, ovšem bez bližší specifikace. Přislíben je pilotní projekt v Minnesotě s výkonem 300 MW, který by měl být dokončen v roce 2023.

Zpečetí levné baterie osud fosilních paliv?

Krátkodobé úložiště pro uskladnění elektřiny v řádu hodin obstarají výkonné a rychlé baterie, které máme už dnes. Střednědobé úložiště elektřiny na několik dní je další potřebný krok k energetice postavené na proměnlivých zdrojích energie. Lokalitám s dobrými podmínkami pro využití OZE umožní tento typ ukládání dlouhodobé nebo dokonce úplné fungování bez fosilních paliv.

Pokud se obě výše zmíněná řešení ukáží jako funkční, odchod od fosilních paliv pro výrobu energie to v mnoha oblastech usnadní a nebude to trvat tak dlouho. CATL ani ArcelorMittal nejsou žádné „garážovky“. Pokud ohlásili, že pracují na uvedených bateriích, mají slibné výsledky a finance zajišťují nejbohatší lidé planety, je slušná šance, že se baterií s uvedenými parametry v dohledné době dočkáme.

Zbývá tak vyřešit stavbu tolika bezemisních zdrojů, aby pokryly nejen okamžitou spotřebu, ale i generovaly dostatek přebytků na ukládání do dlouhodobých úložišť. Vzhledem k nízké účinnosti sezónní akumulace a stále jen doplňkovému množství elektřiny z OZE ve světové energetice to vypadá jako absurdní úkol. Pokrok se však stále zrychluje.