Novákoviny

Kritických problémů, kterým čelí naše civilizace, by asi každý dokázal vyjmenovat řadu, jeden ale mezi nimi nejspíš bude chybět: akumulace elektrické energie. Snaha vyvinout levný, lehký, účinný akumulátor s vysokou kapacitou se může zdát zanedbatelná vedle takových výzev jako je populační exploze nebo znečištění. Ale není: úspěch by neznamenal nic menšího než zahnání strašidla energetické krize.

 

Ještě nikdy v historii nebyla žádná civilizace tak závislá na energii jako je ta naše. Není pravda, že bez elektřiny by se vrátil středověk, protože na konci středověku planeta živila pouhých 500 milionů obyvatel, zatímco dnes je to 7 miliard; bez elektřiny by nastala Apokalypsa, proti které byl středověk ráj na zemi. Přitom konec fosilních paliv je v dohledu, jaderná energie také není bez vad a termojadernou fúzi se ani za 60 let výzkumu nepodařilo dostat z laboratoří do praxe. Přesto někteří odborníci tvrdí, že nedostatkem energie netrpíme.

"Energetická krize neexistuje," tvrdí profesor Ad van Wijk z Delft University of Technology. "Všude kolem nás jí je mnohem víc, než potřebujeme. Jen je rozptýlená; není k dispozici tehdy, kdy bychom ji potřebovali."

Jinými slovy: neumíme ji efektivně uskladňovat, protože současné akumulátory jsou drahé, nevýkonné a po všech stránkách nepraktické. Vynálezce dokonalého akumulátoru nejspíš dostane Nobelovu cenu, protože bude moci oprávněně tvrdit, že zabránil energetické krizi.

 

Nic nového pod sluncem

Na přelomu 18. a 19 století italský fyzik Alessandro Volta prokázal, že elektrický proud vzniká na styku dvou různých kovů ve vlhkém kyselém prostředí a prověřil všechny dostupné kovy z hlediska jejich schopnosti vytvářet dvojice produkující proud. Výsledkem bylo sestavení vzestupné řady kovů podle velikosti vznikajícího napětí. Později tuto řadu ještě doplnil o grafit a některé slitiny kovů. Roku pak sestrojil z mědi a zinku tzv. Voltův sloup, což byla vlastně první prakticky použitelná elektrická baterie.

 

 

obr: Princip Voltova článku je známý už dvě století - je tak primitivní, že si ho každý může snadno sestrojit z toho, co najde doma. Většina dnešních akumulátorů je jen obměnou Voltova článku

 

 

Na principu, který objevil Volta, pracují elektrické články a akumulátory dodnes - pouze s tím rozdílem, že v současnosti nejčastěji používají lithium. Najdete je prakticky všude, od mobilů až po elektromobily. Dvě stě let technického vývoje se nemohlo neprojevit, a tak mají oproti Voltově sloupu celou řadu předností: jsou lehké, netrpí samovybíjením (alespoň ne tolik jako jiné typy) a především mají příznivou hodnotu tzv. energetické hustoty, což je poměr hmotnosti a kapacity.

Zdálo by se tedy, že problém je vyřešen - ale není. A nejen proto, že mají i záporné vlastnosti: nesnášejí hluboké vybíjení, za určitých okolností mohou vzplanout nebo explodovat a během činnosti se silně zahřívají, takže je obtížné z nich vytvářet baterie o velkém výkonu. Mají také nízkou životnost: stárnou, i když se nepoužívají. S tím vším se snad dá něco dělat a technici na tom pracují. Ale ani největší nasazení vývojových týmů nic nezmění na tom, že lithium je drahé a levnější nikdy nebude. Spíš naopak.

Lithium je kov lehčí než voda a vysoce reaktivní (vzplane i při pouhém styku se vzduchem nebo s vodou), takže se v přírodě vyskytuje jen ve sloučeninách. Jeho výroba proto je nejen nákladná, ale i energeticky náročná - součástí výrobního postupu je také elektrolýza. Hlavní ložiska se navíc nacházejí daleko od místa spotřeby (Bolivie, Chile, Argentina) a část v politicky nestabilních oblastech.

Světové zásoby odhaduje US Geological Survey na 13 milionů tun, zatímco geologové z University of Michigan mluví o 39 milionech tunách. Přitom právě výroba lithiových článků a akumulátorů dramaticky zvedla poptávku i produkci lithia: roku 2000 se vyrobilo okolo 300 000 tun, v současnosti je výroba více než dvojnásobná a dál strmě roste. Podle Credit Suisse v současnosti se poptávka po ročně zvyšuje o 12 procent, už brzy to ale bude 25 procent.

Názory na to, zda zásoby stačí na očekávaný boom elektromobilů a akumulátorů pro alternativních zdroje energie se liší, většina odborníků ale soudí, že ne. Hledají se proto levnější způsoby recyklace článků i nová ložiska (nadějné výsledky přinesl mimo jiné také geologický průzkum v Krušných horách) - nic to však nemění na tom, že lithiové akumulátory zůstanou drahé, a že zásoby lithia jsou stejně konečné jako zásoby fosilních paliv. Odborníci hledají i jiné cesty skladování energie.

 

Příliš vzdálené naděje

Jednu z možností představují palivové články v kombinaci s tzv. vodíkovým hospodářstvím. Princip je jednoduchý: základem energetiky by nebyla fosilní paliva, ale vodík, který by se vyráběl z vody pomocí energetických přebytků alternativních zdrojů, jaderných elektráren (jejichž výkon také nejde regulovat podle potřeb sítě) i jinými metodami. Takto uložená energie by se pak v případě potřeby měnila v elektrickou v palivových článcích. V nich se vodík slučuje s kyslíkem za vzniku vody a na elektrodách článku se vytváří elektrické napětí. Poprvé se proslavily jako zdroj energie v lunárních lodích Apollo, dnes jimi jsou vybavovány experimentální elektromobily a nechybí ani snahy je miniaturizovat pro notebooky a další mobilní techniku.

 

 

obr: Baterie ultrakapacitorů

 

 

Palivové články ale mají některé nectnosti podobné lithiovým akumulátorům: především jsou drahé, protože se neobejdou se bez katalyzátoru, jímž je nejčastěji platina nebo jiné drahé kovy. Další problém je bezpečné a levné skladování vodíku. V neposlední řadě má ukládání elektřiny formou vodíku poměrně nízkou účinnost okolo 40 procent (u klasických akumulátorů to je okolo 80 procent). Problém skladování se dá vyřešit nahrazením vodíku uhlovodíky (například vyrobených z biomasy) - jenže tím se neřeší problém uskladnění elektrické energie.

Nejednoho laika asi nad zdlouhavě se nabíjejícím akumulátorem napadlo, proč tam ty elektrony nejde nacpat najednou, třeba jako vodu do nádoby. Celé generace elektrotechniků nemožnost rychlého nabíjení složitě zdůvodňovaly - a přesto to jde. Obyčejná elektronická součástka zvaná kondenzátor například umí okamžitě po nabití e nakrátko rozsvítit žárovku. Copak je tak těžké udělat kondenzátor, do kterého by se vešla energie i na delší svícení?

Odpovědí je zařízení zvané superkondenzátor, ultrakondenzátor, ultrakapacitor nebo superkapacitor. V principu jde o obyčejný kondenzátor, jeho vnitřní elektrody jsou však speciálně upravené, takže kapacita je mnohonásobně vyšší. Přitom nabít lze téměř okamžitě a hustota energie dosahuje desetkrát až stokrát vyšších hodnot než u olověných akumulátorů. Použité suroviny neohrožují životní prostředí a počet nabíjecích cyklů se počítá ve statisících až milionech - vydrží tedy víc než většina zařízení, které mají napájet.

"Je to velmi zelená forma uskladnění energie," konstatuje Bobby Maher z firmy Maxwell Technologies, která se výrobou ultrakondenzátorů zabývá. Navíc je to i forma velmi levná, protože ultrakapacitory se obejdou bez nedostatkových materiálů: vyrábějí se převážně z uhlíku. Z hlediska výroby elektromobilů je navíc důležité, že ultrakapacitor je schopný okamžitě uvolnit velké množství energie (například při akceleraci) a stejně snadno energii i pojme - lze jej nabít během několika vteřin, ale umí i pojmout energii vznikající při brždění.

Ultrakapacitory ale zatím mají i nevýhody. Především mají zatím nižší energetickou hustotu než lithiové akumulátory a jsou poměrně drahé. V současnosti se proto používají nejčastěji jako záložní zdroje. V některých elektromobilech také pracují společně s klasickými akumulátory, za které zaskakují při akceleraci a rozjezdu nebo ukládají energii vznikající při brždění, aby se zvýšil dojezd.

Na vývoji ultrakapacitorů vědci usilovně pracují; pokrok si slibují zejména využitím nanotechnologií. Zatímco dnes jejich elektrody tvoří pórovitý uhlík, v budoucnu by jej měla nahradit jakási voština sestavená z obrovského množství uhlíkových nanotrubic, jejichž průměr představuje desetitisíciny průměru lidského vlasu. Díky tomu patrně půjde skladovat elektřinu doslova na atomové úrovni a dosáhnout nevídaných parametrů.

"Tato konfigurace umožní získat superkondenzátory se stejnou nebo ještě věší hustotou energie, jakou disponují dnešní běžné baterie, " konstatuje Joel E. Schindall, profesor na katedře elektroinženýrství a počítačů Massachusetts Institute of Technology, která se tímto problémem zabývá. "Přitom budou menší a lehčí."

 

Umění možného

To je však zřejmě ještě vzdálená perspektiva - a příznivcům elektromobilů a alternativních energií se nechce čekat. Jednu z cest představuje snaha využít nanotechnologie i při zlepšování lithiových akumulátorů. Jedním z vědců, kteří se problémem zabývají je Yi Cui ze Stanford University: "Chceme do akumulátoru dostat ještě víc lithia - ale tak, aby to bylo bezpečné. Snažíme se proto rozmístit atomy lithia na jakési prostorové síti tvořené uhlíkovými nanovlákny pětsetkrát tenčími než lidský vlas. Díky tomu zůstanou na správných místech během nabíjení i vybíjení. Baterie tak bude bezpečnější, snese větší zátěž a půjde ji rychleji nabíjet." O využití nanotechnologií při vývoji se kromě mnoha dalších zahraničních pracovišť snaží také česká skupina HE3DA (High Energy 3D Accumulator) vedená Janem Procházkou.

 

 

obr: Rozestavěná Gigafactory. Po dokončení má odstartovat energetickou revoluci 

 

 

Ale i to je zřejmě ještě běh na dlouho trať. Elon Musk, zakladatel a CEO společnosti Tesla Motors vyrábějící elektromobily na to tedy raději chce jít přes ekonomiku: velkosériovou výrobou lithiových akumulátorů sníží jejich ceny.

Tesla Motors se tak zřejmě chce stát jedničkou nikoliv ve výrobě elektromobilů, ale ve výrobě jejich komponent, především akumulátorů. Masivními investicemi do výzkumu a vývoje se jí už teď podařilo, že náklady na jednu kWh se u jejích akumulátorů pohybují mezi 200 až 400 dolarů, což je nejníže ze všech výrobců elektromobilů. Muskovy konstruktéři  také zlepšili  další ukazatele akumulátorů, především bezpečnost a rychlost nabíjení.

Dalším Muskovým krokem má být Gigafactory - obří továrna s více než 6 tisíci zaměstnanci, která by měla do roku 2020 vyrůst v nevadské poušti. Chce dodávat levné akumulátory nejen ostatním výrobcům elektromobilů, ale také provozovatelům alternativních zdrojů energie, elektrárenským společnostem pro akumulaci produkce v době nízkého odběru, podnikům i domácnostem. Jde o tzv. decentralizovanou energetiku, při níž se velká část produkce elektrické energie přesune od velkých elektráren k většímu množství menších zdrojů v obcích, podnicích a rodinných domcích.

Součástí tohoto záměru je i akumulátor Powerwal pro domácnosti, který Musk představil veřejnosti počátkem května. V rodinných domcích by měl uchovávat energii z fotovoltaických panelů a větrných generátorů, nebo se nabíjet z rozvodné sítě během období, kdy je elektřina levná.

I Gigafactory ovšem bude závislá na vývoji cen lithia - a tak řada expertů považuje plány Elona Muska za poněkud megalomanské. Přízrak energetické ovšem i tak požene snahu vyvinout "akumulátor snů" dopředu stále rychleji. Cesta však zřejmě vede spíš přes ultrakapacitory nebo jiné principy, které se obejdou bez problematických surovin.

 

Jan A. Novák

Psáno pro časopis Moderní řízení

You have no rights to post comments