Nová generácia tepelných úložísk dokáže uchovať energiu celé dni až týždne, pričom využíva lacné, dostupné a recyklovateľné materiály.
Najnovší systém vo fínskej obci Pornainen je naplnený približne 2 000 tonami drveného mastenca – vedľajšieho produktu tamojšieho priemyslu, napríklad z výroby kozubov. Tento materiál má priaznivé tepelné vlastnosti, je odolný proti vysokým teplotám a zároveň predstavuje spôsob, ako zhodnotiť priemyselný odpad. Zdroj: Polar Night Energy
Veterné turbíny a fotovoltické elektrárne dnes patria medzi najrýchlejšie rastúce zdroje elektriny na svete. Ich výroba je čoraz lacnejšia a v mnohých regiónoch už prekonáva fosílne elektrárne aj bez dotácií. Napriek tomu majú jednu zásadnú nevýhodu – elektrinu vyrábajú vtedy, keď svieti slnko alebo fúka vietor, nie nevyhnutne v čase, keď ju domácnosti či priemysel potrebujú.
Energetici tento jav označujú ako časový nesúlad medzi výrobou a spotrebou. V slnečných letných dňoch môže byť elektriny prebytok, zatiaľ čo počas zimných večerov jej býva nedostatok. S rastúcim podielom obnoviteľných zdrojov sa preto čoraz častejšie objavujú situácie, keď je potrebné veterné alebo solárne elektrárne dočasne odstavovať, pretože elektrická sieť nedokáže všetku vyrobenú energiu absorbovať.
Riešením je akumulácia energie. Väčšina verejnosti si pod tým predstaví lítiové batérie podobné tým, aké poznáme z elektromobilov alebo mobilných telefónov. Odborníci však upozorňujú, že elektrochemické batérie nie sú univerzálnym riešením. Sú výborné na vyrovnávanie krátkodobých výkyvov siete počas niekoľkých hodín, no ich cena rastie pri požiadavke na uskladnenie energie počas dní či týždňov. Navyše si vyžadujú kritické suroviny, ako sú lítium, nikel alebo kobalt.
Práve preto Medzinárodná energetická agentúra (IEA) upozorňuje, že budúca nízkouhlíková energetika bude potrebovať celý ekosystém rôznych technológií dlhodobého skladovania energie. Popri batériách budú čoraz dôležitejšie aj vodík, prečerpávacie vodné elektrárne, zásobníky stlačeného vzduchu či vysokoteplotné tepelné úložiská. Jedným z najzaujímavejších riešení sa v posledných rokoch stala práve tzv. piesková batéria. Poďme sa na ňu pozrieť bližšie.
Premena elektriny na teplo
Napriek názvu nejde o batériu v klasickom zmysle slova. V zariadení neprebiehajú chemické reakcie ako v lítiových článkoch a nevzniká elektrické napätie. Ide o vysokoteplotný tepelný zásobník, ktorý premieňa prebytočnú elektrinu na teplo a následne ju uchováva v sypkom materiáli.
Princíp je prekvapivo jednoduchý. V čase, keď je elektrina z veterných alebo zo solárnych elektrární lacná a dostupná, napája elektrické ohrievače. Tie zohrievajú prúd vzduchu na teplotu niekoľkých stoviek stupňov Celzia. Horúci vzduch následne prúdi cez zásobník naplnený jemnozrnným pieskom alebo drveným mastencom, ktorý teplo absorbuje a postupne sa zohrieva.
Keď vznikne potreba vykurovania, proces sa obráti. Studenší vzduch je vháňaný cez horúci zásobník, ohrieva sa a následne odovzdáva energiu systému centrálneho zásobovania teplom alebo priemyselným technológiám. Elektrina sa teda mení na teplo, ktoré možno využiť v čase, keď vietor nefúka alebo slnko nesvieti.
Materiál pri zahrievaní nemení skupenstvo ani chemické zloženie – jednoducho zvyšuje svoju teplotu. Práve jednoduchosť tohto princípu patrí medzi jeho najväčšie výhody. Na rozdiel od elektrochemických batérií neobsahuje drahé kovy, horľavé elektrolyty ani komplikované články, ktoré časom degradujú.
Prečo práve piesok?
Sprvoti sa môže zdať zvláštne, že výskumníci vybrali práve piesok. V skutočnosti nejde ani tak o samotný piesok, ako o jeho fyzikálne vlastnosti. Piesok je lacný, nehorľavý, chemicky stabilný a dostupný prakticky kdekoľvek na svete. Dokáže znášať teploty presahujúce 500 °C bez výraznej degradácie a zároveň nevyžaduje špeciálnu údržbu. Navyše sa po skončení životnosti dá bez problémov znovu použiť.
Dôležitou vlastnosťou je aj jeho nízka tepelná vodivosť. Teplo sa v sypkom materiáli šíri pomaly, takže pri kvalitnej izolácii uniká len malé množstvo energie. Podľa spoločnosti Polar Night Energy dosahujú tepelné straty počas niekoľkotýždňového skladovania spravidla menej než päť percent. Zaujímavé pritom je, že väčšie zásobníky sú z tohto pohľadu ešte efektívnejšie – ich pomer povrchu k objemu je menší, a preto strácajú relatívne menej tepla.
V najväčšom fínskom zariadení sa nepoužíva obyčajný stavebný piesok, ale približne 2 000 ton drveného mastenca, vedľajšieho produktu fínskeho stavebného priemyslu. Výber materiálu tak spája energetiku s princípmi obehového hospodárstva – namiesto ťažby nových surovín nachádza využitie odpadový materiál, ktorý zostal by inak nevyužitý.
Piesková batéria spoločnosti Polar Night Energy dodáva tepelný výkon 1 MW a ponúka skladovaciu kapacitu 100 MWh. Zdroj: Polar Night Energy
Rozsiahle prehľadové štúdie, publikované v časopisoch Renewable and Sustainable Energy Reviews či Applied Energy, sa zhodujú, že tepelné zásobníky predstavujú jednu z najlacnejších možností dlhodobého uskladnenia energie. Zatiaľ čo elektrochemické batérie sú ideálne na rýchle vyrovnávanie výkyvov elektrickej siete v horizonte minút až hodín, tepelné úložiská dokážu uchovávať energiu celé dni, týždne a v niektorých prípadoch dokonca mesiace. Ich hlavnou výhodou je teda nízka cena skladovacieho média, dlhá životnosť a minimálna degradácia počas tisícov nabíjacích cyklov.
Ostrá prevádzka v obci Pornainen
Kým prvý prototyp spoločnosti Polar Night Energy, uvedený do prevádzky v roku 2022, slúžil predovšetkým na overenie samotnej technológie, nový projekt vo fínskej obci Pornainen s 5 000 obyvateľmi predstavuje prvú priemyselnú aplikáciu, ktorá má reálny vplyv na energetickú infraštruktúru. Ide o najväčšiu pieskovú batériu na svete – oceľový valec vysoký asi 13 metrov a široký 15 metrov, naplnený približne 2 000 tonami drveného mastenca, vedľajšieho produktu z výroby krbov. Materiál dokáže akumulovať približne 100 MWh tepelnej energie a poskytovať výkon 1 MW, čo z neho robí približne desaťnásobne väčší systém než prvý pilotný projekt v meste Kankaanpää.
Na rozdiel od elektrických batériových úložísk nie je cieľom zariadenia stabilizovať elektrickú sieť alebo dodávať elektrinu do domácností. Úloha pieskovej batérie je iná – zabezpečiť teplo pre systém centrálneho zásobovania obce. V letných mesiacoch, keď je spotreba nízka a elektrina z veterných elektrární býva lacná alebo dokonca prebytočná, sa zásobník nabije. Počas zimných dní potom postupne odovzdáva naakumulované teplo do vykurovacej siete. V lete dokáže pokryť takmer mesačnú potrebu tepla obce, v zime približne jeden týždeň, pričom počas najchladnejších dní spolupracuje s kotlom na biomasu.
Projekt je súčasťou širšej stratégie fínskej energetiky, ktorá sa snaží čo najviac využívať domácu veternú energiu. Fínsko patrí medzi krajiny s rýchlo rastúcim podielom veternej elektriny a zároveň má jednu z najrozvinutejších sietí centrálneho zásobovania teplom v Európe. Obe skutočnosti vytvárajú ideálne podmienky na využitie veľkokapacitných tepelných úložísk. Energia, ktorá by inak zostala nevyužitá alebo by musela byť predaná za veľmi nízke ceny, sa premieňa na teplo využiteľné aj o niekoľko dní neskôr.
Prvé výsledky prevádzky ukazujú, že nejde len o technologickú kuriozitu. Po roku fungovania oznámila spoločnosť Polar Night Energy, že systém splnil všetky projektované parametre. Emisie centrálneho vykurovania v Pornainene klesli približne o 70 percent, úplne sa odstránilo používanie vykurovacieho oleja počas bežnej prevádzky a spotreba drevnej štiepky sa znížila približne o 60 percent. Tieto výsledky naznačujú, že vysokoteplotné tepelné zásobníky môžu predstavovať praktický nástroj dekarbonizácie miest a priemyslu, nielen zaujímavý výskumný projekt.
Polar Night Energy – prelomová fínska inovácia v oblasti ukladania obnoviteľnej energie, kde sa obyčajný piesok premieňa na masívnu tepelnú batériu schopnú dlhodobo ukladať čistú energiu. Táto pozoruhodná technológia podporuje moderné poľnohospodárstvo, znižuje závislosť od fosílnych palív a pomáha vytvárať udržateľnejšiu budúcnosť produkcie potravín a vidieckych komunít. Zdroj: Youtube/Terran Works
Piesok verzus lítium
Úspech elektromobilov a rozmach veľkých batériových úložísk vytvorili dojem, že lítiové akumulátory sú univerzálnym riešením energetickej transformácie. V skutočnosti sú však navrhnuté predovšetkým na rýchle ukladanie a uvoľňovanie elektriny počas niekoľkých minút až hodín. Ak je potrebné energiu uchovať niekoľko dní, týždňov alebo dokonca počas celej vykurovacej sezóny, ich ekonomická výhodnosť rýchlo klesá.
Dôvodom nie je len cena samotných batériových článkov. Veľkokapacitné elektrochemické úložiská si vyžadujú zložité riadiace systémy, chladenie, protipožiarne zabezpečenie a pravidelnú výmenu článkov po určitom počte nabíjacích cyklov. Navyše sú závislé od surovín, ktorých ťažba je geograficky koncentrovaná a spája sa s environmentálnymi aj geopolitickými otázkami. Hoci sa recyklácia lítiových batérií rýchlo rozvíja, stále predstavuje technologicky aj ekonomicky náročný proces.
To však neznamená, že tepelné úložiská majú lítiové batérie nahradiť. Odborníci z IEA i výskumníci venujúci sa dlhodobému skladovaniu energie zdôrazňujú, že jednotlivé technológie sa skôr dopĺňajú, než si konkurujú. Batérie zostávajú nenahraditeľné tam, kde treba okamžite reagovať na zmeny v elektrickej sieti alebo zabezpečiť stabilnú frekvenciu. Ak je však cieľom uskladniť veľké množstvo energie vo forme tepla pre vykurovanie alebo priemyselné procesy, jednoduché minerálne zásobníky môžu byť podstatne lacnejším riešením.
Výskumníci preto čoraz častejšie hovoria o budúcnosti energetiky ako o kombinácii viacerých druhov akumulácie. Krátkodobé výkyvy budú vyrovnávať elektrochemické batérie, niekoľkodňové až niekoľkotýždňové obdobia môžu pokrývať vysokoteplotné tepelné zásobníky a sezónne rozdiely vo výrobe energie budú pravdepodobne riešiť vodík, prečerpávacie elektrárne alebo podzemné zásobníky tepla. Takýto prístup umožňuje využiť silné stránky každej technológie a zároveň minimalizovať ich nevýhody.
Ďalšie príklady materiálov schopných akumulovať teplo
Nielen piesok dokáže udržať teplo. Aj keď fínska piesková batéria patrí medzi najznámejšie projekty, rozhodne nie je jedinou technológiou založenou na vysokoteplotnom skladovaní energie. Po celom svete vznikajú riešenia, ktoré využívajú rôzne minerálne materiály od vulkanických hornín cez keramické tehly až po roztavené soli. Ich spoločným cieľom je nahradiť fosílne palivá pri výrobe priemyselného tepla.
Pozrite si
Jedným z prvých veľkých demonštračných projektov bola technológia Electro-Thermal Energy Storage (ETES) spoločnosti Siemens Gamesa. Namiesto piesku využívala tisíce ton vulkanických kameňov uložených v dobre izolovanom zásobníku. Elektrina z veterných elektrární zohrievala na približne 750 °C vzduch, ktorý následne odovzdával teplo horninám. Systém bol navrhnutý tak, aby dokázal nielen dodávať teplo, ale prostredníctvom parnej turbíny aj spätne vyrábať elektrinu. Hoci Siemens Gamesa komerčný rozvoj technológie napokon zastavil, projekt významne prispel k výskumu vysokoteplotných zásobníkov.
Podobnou cestou sa vydala americká spoločnosť Rondo Energy, ktorá namiesto piesku používa špeciálne žiaruvzdorné tehly. Tie sa pomocou elektrických ohrievačov rozžeravia na teploty presahujúce 1 000 °C a následne odovzdávajú teplo priemyselným prevádzkam. O technológiu už prejavili záujem výrobcovia ocele, cementu, chemikálií či potravín – odvetví, ktoré patria medzi najväčších producentov emisií oxidu uhličitého. Práve vysokoteplotné procesy totiž doteraz vo veľkej miere záviseli od spaľovania zemného plynu alebo uhlia.
Najväčšia priemyselná tepelná batéria na svete v akcii. 100 MWh systém od Rondo Energy v Kalifornii využíva solárnu energiu a bez prerušenia dodáva priemyselnú paru s teplotou presahujúcou 1000 °C. Zdroj: Rondo Energy
Ďalším príkladom je izraelská spoločnosť Brenmiller Energy, ktorá vyvinula systém bGen využívajúci drvené horniny na akumuláciu tepla. Teplota uloženého média dosahuje približne 600 °C a energia sa využíva na výrobu pary alebo horúcej vody pre priemyselné podniky. Podobné riešenia dnes testujú desiatky firiem na viacerých kontinentoch, čo naznačuje, že vysokoteplotné tepelné zásobníky sa postupne presúvajú z laboratórií do komerčnej praxe.
VEDELI STE, ŽE…
Približne polovica konečnej spotreby energie v Európskej únii pripadá na výrobu tepla – na vykurovanie budov, prípravu teplej vody a priemyselné procesy. Elektrina tvorí len časť celkovej energetickej spotreby. Z tohto pohľadu je niekedy výhodnejšie uložiť prebytočnú obnoviteľnú energiu priamo vo forme tepla, než ju najprv akumulovať v batériách a neskôr opäť premieňať na teplo pomocou elektrických zariadení. Práve preto sa vysokoteplotné tepelné zásobníky považujú za dôležitý prvok budúceho energetického mixu.
Možno z piesku opäť vytvoriť elektrinu?
Jednou z najčastejších otázok pri pieskových batériách je, či dokážu uložené teplo premeniť späť na elektrinu. Teoreticky áno, prakticky však ide o oveľa zložitejší proces než samotné skladovanie tepla.
Na spätnú výrobu elektriny je potrebné využiť tepelný motor alebo turbínu pracujúcu na princípe rozdielu teplôt. Čím vyššia je teplota zásobníka, tým väčšia môže byť účinnosť premeny. Ani pri veľmi vysokých teplotách však nedosahuje hodnoty typické pre priame elektrochemické batérie. Zatiaľ čo si moderné lítiové akumulátory dokážu pri nabíjaní a vybíjaní zachovať viac než 90 percent energie, pri premene elektrina → teplo → elektrina vznikajú výrazne vyššie straty.
Práve preto spoločnosť Polar Night Energy zdôrazňuje, že jej technológia nie je určená predovšetkým na spätnú výrobu elektriny. Najväčší ekonomický aj ekologický prínos prináša tam, kde sa energia spotrebuje priamo vo forme tepla, teda pri vykurovaní domácností alebo v priemyselných procesoch. V týchto prípadoch totiž odpadá energeticky náročná spätná konverzia.
Napriek tomu výskum pokračuje. Niekoľko univerzitných tímov aj technologických spoločností pracuje na systémoch Power-to-Heat-to-Power, ktoré by dokázali vysokoteplotné zásobníky využiť aj ako zdroj elektriny počas dlhodobých výpadkov obnoviteľných zdrojov. Ak sa podarí zvýšiť účinnosť týchto systémov, mohli by sa v budúcnosti stať dôležitou súčasťou energetických sietí založených prevažne na vetre a slnku.
Piesková batéria nám ukazuje, že technologické inovácie nemusia vždy znamenať zložitejšie riešenia. Niekedy sa stačí pozrieť na známe materiály novým spôsobom. Fínski inžinieri namiesto vzácnych kovov využili obyčajný minerálny materiál, ktorý je lacný, odolný a dostupný takmer kdekoľvek na svete. V spojení s obnoviteľnými zdrojmi energie tak vznikol systém, ktorý síce nenahradí lítiové batérie, no môže významne znížiť spotrebu fosílnych palív pri vykurovaní miest a priemyslu.
Zároveň ide o začiatok širšej transformácie. Vývoj vysokoteplotných tepelných úložísk, sezónnych zásobníkov energie či systémov Power-to-Heat naznačuje, že budúcnosť energetiky nebude stáť na jedinej technológii. Skôr pôjde o premyslenú kombináciu viacerých riešení, ktoré umožnia využívať energiu z vetra a zo slnka vtedy, keď ju bude spoločnosť skutočne potrebovať. A ak sa tento prístup osvedčí vo väčšom meradle, možno raz nebude symbolom energetickej revolúcie lítium, ale celkom obyčajný piesok.
Zdroje: Polar Night Energy (1, 2, 3), Interesting Engineering, The Guardian, IEA, Nature, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Applied Energy (1, 2), Siemens Gamesa, Rondo Energy, Brenmiller Energy, Európska komisia, Európska environmentálna agentúra, Európska komisia, Európska environmentálna agentúra
(KAM)
