Európa sa vracia k vynálezu spred 200 rokov. Rieši problém fotovoltiky a veternej energie

Keď sa hovorí o ukladaní energie, väčšina pozornosti smeruje k lítiovým batériám. Popri nich však existuje technológia, ktorá funguje na oveľa jednoduchšom princípe a v posledných rokoch opäť priťahuje pozornosť energetikov. Zotrvačníkové úložiská energie by mohli pomôcť riešiť rastúci problém európskej energetiky, ktorou je stabilita elektrickej siete v čase prudkého rozvoja obnoviteľných zdrojov.

Elektrická sieť patrí medzi najkomplexnejšie stroje, aké ľudstvo vybudovalo. Funguje pritom podľa jednoduchého pravidla. Energia, ktorú domácnosti, firmy a priemysel spotrebujú, musí byť prakticky v rovnakom okamihu vyrobená.

Desaťročia túto rovnováhu pomáhali udržiavať veľké uhoľné, plynové či jadrové elektrárne. Ich obrovské turbíny a generátory sa neustále otáčali vysokou rýchlosťou, čím vytvárali prirodzenú zotrvačnosť siete. Ak nastala porucha alebo výkyv, systém mal určitý čas na reakciu.

S rastúcim podielom solárnych a veterných elektrární sa situácia mení. Fotovoltické panely ani výkonová elektronika veterných elektrární totiž takúto fyzickú zotrvačnosť neposkytujú. Elektrická sústava sa preto stáva citlivejšou na náhle výkyvy výroby aj spotreby.

Práve tu vstupuje do hry technológia, o ktorej bežný človek možno ani nikdy nepočul. Zotrvačníkové úložisko energie, známe aj pod anglickým názvom flywheel, neukladá elektrinu do chemických článkov. Namiesto toho ju premieňa na pohyb. Najjednoduchšie si ho možno predstaviť ako technologicky extrémne vyspelého vĺčka. Čím rýchlejšie sa točí, tým viac energie v sebe uchováva.

Obrovský disk roztočený na desaťtisíce otáčok

V centre každého systému sa nachádza rotor, teda masívny disk vyrobený z ocele alebo moderných kompozitných materiálov. Jeho úlohou je akumulovať energiu vo forme rotácie. Keď je v sieti prebytok elektriny, elektromotor začne rotor rozbiehať. Energia, ktorá by inak zostala nevyužitá, sa premieňa na kinetickú energiu pohybu. Moderné systémy dosahujú aj viac ako 60-tisíc otáčok za minútu.

Keď sieť potrebuje pomoc, proces sa obráti. Rotor sa začne spomaľovať a elektromotor sa prepne do režimu generátora. Pohybová energia sa premieňa späť na elektrinu. Aby boli straty čo najnižšie, rotor sa nachádza vo vákuovej komore a často využíva magnetické ložiská. Prakticky sa tak eliminuje trenie, ktoré by ho prirodzene spomaľovalo.

Výsledkom je prekvapivo efektívny systém. Celková účinnosť nabitia a následného vybitia sa podľa konkrétnej konštrukcie pohybuje približne medzi 85 až 90 percentami, čo je porovnateľné s viacerými modernými batériovými úložiskami.

Wikimedia Commons/Birmingham Museums Trust

Nejde len o energiu

Pri zotrvačníkoch sa často hovorí o ukladaní energie, no ich skutočná hodnota spočíva v niečom inom. Dokážu totiž do siete vracať fyzickú zotrvačnosť, ktorú Európa postupne stráca odstavením tradičných elektrární.

Práve zotrvačnosť je jedným z dôvodov, prečo elektrizačné sústavy fungovali desaťročia stabilne. Obrovské rotujúce generátory pôsobili ako prirodzený tlmič otrasov. Keď nastal problém, ich nahromadená kinetická energia pomáhala krátkodobo vyrovnať výkyv.

Solárne panely nič podobné neponúkajú. Ak nastane náhla zmena podmienok, výkon sa môže meniť prakticky okamžite. Energetici preto hľadajú spôsoby, ako stratenú zotrvačnosť nahradiť.

A práve tu majú zotrvačníky veľkú výhodu. Kým moderné batériové úložiská dnes dokážu reagovať v rádoch desiatok milisekúnd, zotrvačníky poskytujú prakticky okamžitú inerciálnu odozvu. Vďaka tomu dokážu veľmi účinne stabilizovať frekvenciu siete a pomáhajú simulovať správanie veľkých rotujúcich generátorov.

Nejde teda o súboj medzi batériami a zotrvačníkmi. Obe technológie riešia podobný problém, no každá trochu iným spôsobom.

Výdrž na desaťročia bez degradácie

Jednou z najväčších výhod zotrvačníkov je životnosť. Kým chemické batérie sa postupne opotrebúvajú a po určitom počte cyklov strácajú kapacitu, mechanický systém dokáže pracovať výrazne dlhšie.

Moderné zariadenia zvládnu státisíce nabíjacích a vybíjacích cyklov bez výraznej straty výkonu. Prevádzková životnosť sa preto počíta na desaťročia. Výhodou je aj absencia lítia, kobaltu či ďalších strategických surovín, ktorých dostupnosť sa stáva čoraz väčšou témou európskej energetiky.

To však neznamená, že ide o dokonalé riešenie.

siemens-energy

Dôvod, prečo nezaplavili svet

Ak majú takú dlhú životnosť, vysokú účinnosť a dokážu pomáhať stabilizovať sieť, prečo ich nevidíme všade? Odpoveď je jednoduchá. Zotrvačníky sú výborní šprintéri, no slabší maratónci.

Dokážu veľmi rýchlo dodať veľký výkon, no iba počas relatívne krátkeho času. Nie sú vhodné na uchovávanie energie počas dní, týždňov alebo sezón. Ich hlavnou úlohou je vyrovnávať krátkodobé výkyvy v rozsahu sekúnd, minút alebo niekoľkých hodín.

Ďalším problémom je ekonomika. Výroba vysokootáčkových rotorov, vákuových komôr, magnetických ložísk a bezpečnostných systémov je technologicky náročná a drahá. V prepočte na uloženú megawatthodinu dnes často prehrávajú s modernými lítiovými batériami, ktorých cena v posledných rokoch výrazne klesla.

Nevýhodou je aj samovoľná strata energie. Hoci vákuové komory a magnetické ložiská straty výrazne obmedzujú, rotor sa nikdy netočí úplne bez odporu. Zotrvačníkové systémy preto postupne prichádzajú o energiu podstatne rýchlejšie než chemické batérie, čo ich predurčuje skôr na krátkodobé než dlhodobé skladovanie.

Práve preto ich nenájdeme v domácnostiach ani v elektromobiloch. Ich miesto je inde. Najväčší význam majú pri rozvodných uzloch, v priemyselných areáloch, pri veterných a solárnych elektrárňach alebo pri dátových centrách, kde aj krátky výpadok môže spôsobiť obrovské škody.

Zotrvačníky pravdepodobne nikdy nenahradia batérie. Európa ich však čoraz viac vníma ako technológiu, ktorá dokáže vyriešiť problém, na ktorý sa pri diskusii o ukladaní energie často zabúda. Nie je ním nedostatok elektriny, ale strata fyzickej zotrvačnosti, na ktorej bola elektrická sústava postavená celé desaťročia.

Čítajte viac z kategórie: Novinky