Akumulace energie

Když se řekne akumulace, většina si představí to, co dobře zná, především tedy olověné baterie. Akumulace obnovitelné energie v novém energetickém systému ale představuje mnohem více možností. Může se jednat o akumulaci do potenciální energie vody, do  přečerpávacích elektráren — u nás jsou v provozu tři — do podzemních pneumatických zásobníků, které v USA a v Německu pracují úspěšně a s vysokou účinností již přes dvacet let — přičemž stlačený vzduch se používá jako spalovací vzduch v plynových turbínách; či Evropskou unií podporovaných nových typů těchto zásobníků, recyklujících i teplo vzniklé kompresí; do redox flow baterií, které umožňují regenerovat elektrolyt externě a po jeho načerpání do baterie lze okamžitě odebírat proud. Tyto baterie se vyrábějí na bázi vanadu a mají vysoký počet pracovních cyklů. Redox flow baterie se používají již i v  řádu jednotek MWh, jak již několik let lze vidět v berlínské firmě Younicos, která projektuje ostrovní 100% obnovitelné systémy.

Jsou navrženy pochopitelně i bateriové systémy s lithium polymerovými nebo lithium železo fosfátovými. Vedle chemických akumulačních systémů, které mají omezenou dobu pracovních cyklů a pak by měly být recyklovány, existují i systémy, které mohou mít mnohem větší životnost, jsou to systémy mechanické — setrvačníky. Stacionární setrvačníková akumulační stanice je instalována v saském městě Zwickau a eliminuje v síti tramvajové linky odběrní špičky při rozjezdu tramvají a naopak akumuluje energii vznikající při brzdění.

Rovněž se čeká na zdokonalení nové koncepce fyzikální akumulace, především v oblasti superkondenzátorů, které budou použitelné teoreticky neomezený počet cyklů nabíjení a vybíjení. Zde se pravděpodobně uplatní nanotechnologie a nové uhlíkové materiály. Současné výzkumy jsou velice povzbuzující.

Mimořádně slibný je zcela nový systém akumulace energie, který byl navržen a pilotně odzkoušen ve Frauenhoferově institutu — výroba a skladování obnovitelného metanu. Přebytečný proud, například z velikých větrných parků v moři, rozloží elektrolýzou vodu na vodík a kyslík. Pro vodík ale neexistuje žádná obecná distribuční síť a její vybudování by bylo velmi nákladné. Vodík může ale reagovat s oxidem uhličitým za vzniku metanu.

Obnovitelně získaný metan může být vtláčen do celoevropské sítě zemního plynu a použit jako zdroj energie pro lokální kogeneraci, topení i pohon aut. Potřebný oxid uhličitý může pocházet ze spalování biomasy, z čištění bioplynu či z atmosféry. V posledním případě je celkový proces analogií fotosyntézy. Na počátku máme sluneční energii, transformovanou do větru a oxid uhličitý ze vzduchu a z této kombinace vzniká organická látka, sloužící jako obnovitelný zdroj energie. Současná infrastruktura rozvodů a podzemních zásobníků zemního plynu umožňuje širokou aplikaci této metody. Touto cestou lze eliminovat nežádoucí výrobní špičky větrných parků a zajistit obnovitelnou energii pro celé spektrum aplikací. Pro metan vedle toho existuje mnohem větší akumulační kapacita než pro elektřinu. V BRD existuje akumulace elektřiny v síti o velikosti 0,07 terawatthodin, ale schopnost akumulace metanu do plynového potrubí a plynových zásobníků je 200 terawatthodin, což odpovídá spotřebě plynu na tři měsíce. V letošním roce by měla být realizována jednotka o velikosti 10—20 do provozu by měla jít v polovině roku 2012.

Akumulace do přečerpávacích elektráren nezbytně nevyžaduje budování drahých a přírodu měnících horních nádrží na odřízlých špičkách kopců; v poslední době byly navrženy přečerpávací elektrárny ve vytěžených povrchových dolech, kdy by odpadla složitá výstavba nových nádrží.

Jedním z dalších  perspektivních způsobů propojujících segment dopravy a energetiky je systém „Car to Grid“, který umožňuje obousměrnou komunikaci mezi akumulátorem elektromobilu a elektrickou sítí. Tento systém se již zkouší v Kalifornii pod zkratkou C2G. V případě milionů aut budou elektromobily disponovat značnou akumulační kapacitou, zvládající denní fluktuace výkonu proměnných zdrojů.

Obnovitelná architektura a stavitelství

Hovořit o architektuře a stavitelství z hlediska energetické spotřeby a obnovitelných zdrojů je mimořádně důležité, protože budovy v EU spotřebovávají 40 % koncové energie. Řešení ale existuje. Již dnes, vedle nízkoenergetických a pasivních budov, stojí domy, které jsou schopny vyrobit více energie než samy spotřebují — „solarplus“ domy. Ve srovnání s celkovým počtem domů je jich zatím málo, ale prokazují, že mohou existovat. Jejich průkopníkem je freiburgský architekt Rolf Disch. Přijmutím potřebné legislativy by bylo možné započít vlnu energetické sanace domů a povolovat výstavbu jen těch, které budou splňovat současné nejvyšší energeticky dosažitelné parametry. Požadovat po majitelích domů, aby pronajímané byty opatřili energetickými průkazy.

Současný cenový rozdíl mezi domy obyčejnými a domy pasivními je v Německu a Rakousku 10—15 % ceny. Německo se rozhodlo, že bude energeticky sanovat 3 % bytového fondu ročně, to znamená, že během třiceti let by se měla zásadně snižovat energetická spotřeba. Mnozí ale požadují zvýšení rychlosti rekonstrukcí.

Uvedené úsporné domy nemusí nutně být energeticky nezávislé, protože spotřeba na metr podlahové plochy se počítá za celý rok. To znamená, že v chladném období určitou spotřebu mají. Tepelně nezávislé domy ovšem již také existují. Jsou to domy, které mají na střeše solární kolektory a uprostřed domu velikou svislou izolovanou nádobu na vodu, která umožňuje celoroční akumulaci tepla pro vytápění slunečním teplem.

Na základě sedmnáctileté zkušenosti vyvinula firma Ebitsch dům, jehož energetická spotřeba na vytápění je kryta pouze ze sluneční energie. Dům je vybaven 3,8 kW fotovoltaickou fasádou, která komunikuje se sítí a teplo je zajištěno pomocí 40 m2 vysokovýkonných slunečních kolektorů a sezónního zásobníku o objemu 30 m3. Teplo z tohoto zásobníku se vybíjí podle patentovaného procesu po vrstvách a izolovaná nádrž může být umístěna ve sklepě, pod domem nebo v jeho okolí.

S energetickou spotřebou budov souvisí komplexní cyklus výroby stavebních hmot, dopravy, vlastní výstavby, využívání, renovace až po odstranění celé stavby.

Z pohledu celostního řešení (Braungart prosazuje název „cradle to cradle“) jsou především navrhovány domy z lokálních přírodních a/nebo recyklovatelných materiálů, se sluneční energetikou a akumulací energie. Tento princip rovněž počítá s polyfunkcionalitou budov, například s možností snadné přestavby kancelářské budovy na obytnou.

Inovativním příkladem velikého celku je nově budované sluneční město — Masdar City. Pod mottem: „Žádný odpad, žádný uhlík“ se v Abu Dhabi, jednom státu Spojených arabských emirátů, buduje město budoucnosti. Podle svého tvůrce, významného britského architekta Normana Fostera, zpochybní toto město všechnu dosavadní urbanistickou praxi. Do centra města nebudou připuštěny soukromé osobní automobily, bude se recyklovat 99 % všech odpadů a  spotřeba vody bude redukována na 50 % průměru. V komplexu města budou výzkumné kapacity, univerzita a komerční instituce, které se budou věnovat obnovitelným energiím. Město by mělo být dokončeno v roce 2012.

Závažným dokumentem, který spatřil světlo světa již před více lety, je Evropská sluneční charta. Tato listina definuje pravidla nové architektury a urbanismu, především ve smyslu využívání přírodních energií, obnovitelných materiálů, orientace staveb podle klimatických linií, práce se stínem a přirozeným větráním, zelení a vodou. Podporuje rovněž sdruženou funkcionalitu, to znamená, že na menší ploše preferuje různé typy osídlení a funkcí, například školy, výrobu, bydlení a rekreaci. Rýsuje tak nový pohled na koncepci budoucí architektury a urbanismu. Pod tento dokument se podepsalo několik desítek světové proslulých architektů, vedle již zmíněného Normana Fostera například i Renzo Piano či Richard Rogers.

Důležitým aspektem nové energopolitické koncepce je příklad. Budou-li poslanci sedět v parlamentu, jehož budova bude přestavěna do energoautarkní podoby, těžko budou říkat, že obnovitelné energie nemají žádný smysl. Tak jako němečtí poslanci, kteří sedí v historické budově Bundestagu, jejíž spotřeba energie je kryta z 80 % z obnovitelných zdrojů. Dlužno podotknout, že energetická rekonstrukce budovy Reichstagu byla naplánována v prvním polovině devadesátých let.

Obnovitelná architektura znamená rovněž učení se v přírodě, využívání nízkopotenciálního tepla a chladu, studium klimatizace termitišť či hliněných hnízd jihoamerického ptáčka hrnčiříka. Obnovitelná architektura pomůže vnést do dnešní stavební uniformity novou různorodost a je stálou výzvou kreativitě urbanistů, architektů, stavbařů a plánovačů.

Všechny obnovitelné zdroje energie s výjimkou geotermální energie a energie přílivu jsou výslednicí slunečního svitu. Proudění vzniká mezi místy s rozdílnou teplotou; voda stéká z hor do nížin, protože po  výparu kondenzovala ve vyšších polohách; biomasa roste, protože prší a svítí; vlny na moři vznikají větrem.

Fotovoltaika

Jakkoliv se fotovoltaika v českých zemích dnes stala téměř vulgárním slovem, jedná se o budoucí královnu obnovitelných zdrojů. Již s dnešní účinností okolo 15 % se v okolních zemích počítá do roku 2030—40 s pokrytím výroby cca 35 % elektřiny. Celosvětová spotřeba elektřiny by mohla být pokryta ve fotovoltaické elektrárně o čtverci 380 * 380 km, což je například jen část zastavěné plochy v EU.

Účinnost fotovoltaiky se stále zvyšuje. V laboratořích byly ověřeny články, které mají účinnost přesahující 45 %, tedy takovou, jaká se blíží nejvyšší účinnosti paroplynového okruhu. Rovněž materiálové možnosti fotovoltaiky se velmi dynamicky rozšiřují. Na seznamu fotovoltaicky využitelných prvků nalezneme především křemík, ale i germanium, selen, měď, indium, galium a celou paletu dalších prvků na dotaci vrstev. Ve hře jsou články z organických barviv, články mající různé vrstvy pohlcující vždy určité spektrum záření, články, které se nanášejí ofsetovou technikou.

Zajímavá je relace, kterou uvádí právě výrobce ofsetově nanášených článků, firma Nanosolar — jeden kilogram jejich materiálu CIGS vyrobí za svou životnost stejné množství elektřiny jako 5 kg uranu v konvenčním reaktoru.

Zájem přitahují nové materiály, především uhlíkové nanostruktury. Existují také nová a účinná geometrická uspořádání — především koncentrátorové články, šetřící drahý fotovoltaický materiál a mající již dnes vysokou účinnost (22 %). Tyto typy jsou ale aplikovatelné pouze na místech s vysokou intenzitou slunečního svitu — od Sicílie či jižního Španělska k rovníku. Vedle nich se ale i v našich šířkách prosazují různé samonaváděcí a odrazné systémy, které mohou zvýšit výtěžnost fotovoltaiky cca o 25 %.

S výjimkou biomasy nelze ovšem otázku energetické účinnosti obnovitelných zdrojů nijak přeceňovat. Z prostého důvodu — primární energii (slunce, vítr, vodní energii, mořské vlny nebo příliv) nekupujeme, ani ji nemusíme těžit, upravovat či transportovat, ani se zabývat jejím odpadem jako v případě popele z uhlí nebo jaderného odpadu. A tak místo účinnosti je důležitějším parametrem energetická a ekonomická návratnost, životnost produktu či efektivní využití materiálu a možnost jeho recyklace.

I v současné době se v neinformovaných kruzích často opakuje, že fotovoltaika nevyrobí tolik elektrické energie, kolik bylo potřeba na její vlastní výrobu. To odpovídalo v počátcích výroby fotovoltaických zdrojů, dnes tomu tak ale zdaleka není. Podle použití technologie a lokalizace zařízení se fotovoltaický systém energeticky zaplatí v průměru za 10—20 % času. Je zřejmé, že i tato doba se bude stále snižovat působením mnoha faktorů. Stále roste efektivita fotovoltaických komponent. Již se například dělají panely bez hliníkových rámů, což snižuje energetickou návratnost s ohledem na vysokou spotřebu energie na výrobu hliníku. Další vývoj fotovoltaické technologie je dán především širokou výzkumnou bází, protože tento vývoj lze realizovat prakticky na každé dobře vybavené technické univerzitě či ve vývojovém centru velikých fotovoltaických firem, kterých je několik desítek.

Fotovoltaika velmi brzy dosáhne bodu zásadního ekonomického obratu — již diskutované „grid parity“. To potvrzují expertní studie energetiků i názory vedoucích pracovníků fotovoltaického průmyslu.

Solárně termické elektrárny

Tyto systémy jsou relativně novým typem obnovitelného zdroje. Jedná se o žlabové koncentrátory, které mají v ohnisku absorpční trubku a jsou během dne natáčeny tak, aby optimálně přijímaly sluneční energii. V trubkách vzniká pára, která se částečně vede do konvenční turbíny a částečně se používá na roztavení eutektické směsi solí. Teplo roztavených solí bude sloužit jako zásobárna energie pro období bez potřebné intenzity svitu slunce.

První elektrárna tohoto typu byla postavena ve Španělsku a jmenuje se Andasol-1. Na ploše 200 ha  má elektrický výkon 50 MW. S mnohem  větším solárně termickým projektem se počítá v severní Africe, kde by se mělo postavit množství obdobných elektráren, kombinovaných s větrnými parky na vhodných místech. Vyrobený proud by se přenášel pod mořem speciálními vysokonapěťovými stejnosměrnými kabely, a měl by pokrývat celkem 15 % evropské potřeby. Projekt by měl stát 400 miliard euro, jmenuje se Desertec a má své zastánce i odpůrce. Odpůrci se nechávají slyšet, že za stejnou cenu lze postavit potřebné kapacity i v Evropě, a že se opět jedná o zneužívání někdejších kolonií. Příznivci jsou velicí energetičtí hráči, investoři a koncerny, jako RWE, Eon, EdF, Vattenfall. Nechtějí přijít o monopolní postavení velikých energetických firem.

Veliké zdroje tohoto typu jsou sice obnovitelné, ale nejsou decentralizované. Kdyby měla část vyrobeného proudu sloužit pro spotřebu severoafrických měst, byla by tato nevýhoda částečně kompenzována.

Příště: větrná energie, mořská energie, vodní síla, Norsko jako evropská baterie, biomasa