Podíl obnovitelných zdrojů na výrobě elektrické energie rychlým tempem stoupá po celém světě. Podle analytické společnosti Ember vyrobily obnovitelné zdroje až třicet dva procent elektrické energie v roce 2024. V Evropské unii to bylo dokonce čtyřicet sedm procent.

Větrné, vodní a solární elektrárny sice nepotřebují k výrobě energie pro klima destruktivní spalování fosilních paliv nebo štěpení jaderného paliva, zato jsou v případě větrných, vodních a solárních elektráren více či méně závislé na počasí. Co když ale počasí obnovitelným zdrojům nepřeje?

Větrné, vodní a solární zdroje jsou zdroji svého druhu. Vyrábějí energii tím, že se napojí na již existující energetický tok: kinetickou energii větru či tekoucí vody nebo proud slunečního záření a mění je na elektrickou energii. Jejich nevýhodou však je, že vyrábějí nikoliv tehdy, kdy stoupá spotřeba po energii, nýbrž jen tehdy, když vane vítr, svítí slunce a v přehradách je dostatek vody.

Pro budování čistých energetických systémů je tak klíčové ukládání energie z období, kdy panuje počasí příhodné pro výrobu obnovitelné energie. Jaká technická řešení v současnosti pro ukládání čisté energie máme k dispozici?

Jak ukládat energii

Technické možnosti ukládání energie lze snadno rozdělit podle doby, po kterou jsou schopny uchovat získanou energii. Od kondenzátorů schopných uložit a vybít energii jen v řádu několik milisekund, po velkokapacitní úložiště pro sezónní ukládání energie z léta na studenou zimu.

Každý energetický systém však má své vlastní specifické potřeby dané regionálním klimatem i tím, s jakými zdroji pracuje. V zemích s tropickým klimatem možná nevanou tak silné větry, ale zpravidla je v nich dostatek vody v mohutných řekách a slunečního záření přes den, což umožňuje stavět přehrady s výkonnými generátory.

Takovou zemí je například Brazílie, kde vyrábějí energii především z vodních zdrojů a sezónní ukládání energie není příliš potřeba. V zemích s kontinentálním počasím, jako je například Česká republika, kde se střídají studená a teplá roční období a potenciál vodních zdrojů pro výrobu energie je takřka vyčerpán, je ukládání energie nutností.

Jednak je třeba ukládat denní přebytky. Například v jarních a letních obdobích obrovské množství energie ze slunce vyrobené přes den a uložit je pro spotřebu v noci. Ještě větším úkolem je ukládat energii v řádech měsíců, například z léta na studenou zimu.

Ukládání do přečerpávacích elektráren je nákladné

V České republice je nejznámějším příkladem již existujícího zařízení pro ukládání energie elektrárna Dlouhé Stráně v Jeseníkách postavená společností ČEZ za účelem stabilizace sítě a uchování přebytků výroby především z jaderných reaktorů v Dukovanech.

Dlouhé Stráně fungují na jednoduchém principu. Zpravidla v noci, kdy jaderné reaktory dodávají více energie, než je potřeba, začnou mohutná čerpadla v údolí centrální části Hrubého Jeseníku pumpovat vodu z dolní do horní nádrže, položené o více než pět set metrů výše. V denní špičce pak operátoři elektrárny otevřou stavidla a voda hnaná gravitační silou na turbíny pohání generátor vyrábějící elektrickou energii.

S rostoucím výkonem obnovitelných zdrojů přechází elektrárna do nabíjecí fáze častěji i přes den, kdy je třeba uchovat energii ze slunce, popřípadě ve větrném počasí energii z větrných turbín. Přečerpávací elektrárna dokáže uchovat energetické přebytky v řádech hodin a dnů.

Dlouhé Stráně jsou jedním z klíčových prvků české energetické sítě a spolu s dalšími třemi přečerpávacími elektrárnami Dalešice, Štěchovice II a Černé jezero vyrovnávají výrobu a spotřebu energie. Celkový instalovaný výkon těchto zařízení je 1 171 megawattů, jde tedy o výkon větší, než výkon jednoho dukovanského jaderného reaktoru.

Ministerstvo životního prostředí vybralo v minulém roce šest nových lokalit pro výstavbu přečerpávacích vodních elektráren. Podle ministra Petra Hladíka má těchto šest lokalit potenciál zdvojnásobit stávající výrobní kapacitu přečerpávacích elektráren.

Energetický analytik Oldřich Sklenář z Asociace pro mezinárodní otázky však upozorňuje, že jde o finančně nákladná zařízení, jejichž stavba trvá mnoho let. V případě Dlouhých Strání šlo o takřka dvě desetiletí. „Nyní je vhodnější investovat prostředky do jiných typů úložišť. V porovnání s přečerpávací vodní elektrárnou lze velmi snadno budovat velkokapacitní bateriová úložiště. Kapacity ukládání potřebujeme co nejdříve. Nemůžeme si dovolit čekat pouze na výstavbu přečerpávacích vodních elektráren. Z našich i zahraničních zkušeností navíc víme, že realizace těchto staveb se velmi často dostává do časového zpoždění.“

S tím souhlasí i ředitel Asociace pro akumulaci energie Jan Fousek: „Co se týče přečerpávacích vodních elektráren, tam už mnoho nových akumulačních kapacit nevznikne, z důvodu složitého a dlouhotrvajícího plánování a výstavby“ uvedl Fousek pro Deník Referendum a dodal, že „proto se v posledních letech klade důraz právě na výstavbu bateriových úložišť, která nyní bude výrazně akcelerovat.“

Globální trend tomu dává za pravdu. Na celém světě v současnosti fungují přečerpávací elektrárny s výkonem přibližně 140 gigawattů. Během jedné dekády však přečerpávací technologii ve výkonu předběhly bateriová úložiště o celkovém výkonu přibližně 150 gigawattů. Bateriová úložiště tedy nyní představují relativně nový a dynamicky se rozvíjející sektor.

Baterie mají největší potenciál

Baterie jsou chemickým úložištěm energie. Trhu dosud dominují lithiové články a jejich největší výhodou je, že mohou v řádech milisekund dodat do sítě potřebný výkon. Především u solárních zdrojů dokáží baterie zásadním způsobem proměnit to, jak dosud fotovoltaické systémy fungovaly. Kombinovaná výroba solárních panelů s bateriovým úložištěm totiž dokáže zajistit vysokou výrobu energie přes den, avšak do sítě může takový kombinovaný systém poslat energii až v čase vysoké poptávky.

Velkou výhodou je, že bateriové technologie lze snadno škálovat. Existují zavedené odběratelsko-dodavatelské řetězce jak velkokapacitních bateriových systémů, tak menších, které si lze pořídit například do rodinného domu k fotovoltaickým panelům.

Dle výpočtu Fraunhoferova institutu přitom náklady na vyrobenou energii jsou u solárních zdrojů v kombinaci s bateriemi významně nižší než u jakýchkoliv konvenčních elektráren. Ceny lithia a tedy i bateriových článků globálně klesají. Podle dat společnosti Bloomberg ceny baterií v Číně klesly tak výrazně, že jsou nyní osobní auta s elektrickým pohonem levnější než auta se spalovacím motorem.

Řada úspěšných bateriových projektů již v České republice funguje. Podle mluvčího ČEZ Martina Schreiera je cílem největší energetické společnosti v České republice spustit do roku 2030 úložiště v celkové kapacitě tři sta megawattů. „Do tohoto cíle jsou zahrnuty jak bateriové systémy fungující například v kombinaci se stávajícími energetickými bloky, tak i nové bateriové kapacity plánované u vznikajících a projektovaných bezemisních výroben v čele s fotovoltaickými elektrárnami,“ uvedl pro Deník Referendum Schreier.

Odvrácenou stranou boomu lithiových baterií je ale rostoucí těžba vzácných surovin spojená s devastujícími dopady na životní prostředí a lidská práva. Lithium se těží například na solných pláních v Chile nebo dobýváním lithiové horniny v Austrálii, plány na těžbu lithia existují v Srbsku, Portugalsku i v České republice v okolí obce Cínovec v Krušných horách. Na suroviny nutné k přechodu na čisté zdroje se dlouhodobě zaměřuje rovněž Čína. S lithiem a dalšími vzácnými prvky jsou tak spojená i stále vážnější geopolitická rizika. Ostatně právě geopolitickou situací Evropská komise a členské státy ospravedlňují otevírání nových dolů kritických surovin v Evropě.

Devastaci lidských životů i životního prostředí v problematických lithiových dolech však může podle organizace Ember vyřešit přechod na sodíkové články. Ty nejsou v komerčních variantách tak efektivní jako lithiové baterie, jelikož mají nižší energetickou hustotu, avšak Mezinárodní energetická agentura očekává, že jejich konkurenceschopnost vzroste a k roku 2030 již deset procent instalovaných baterií bude používat technologii sodíkového článku. Na rozdíl od lithia je sodík běžným prvkem — je základním kamenem mořské i jedlé soli. Lze ho tedy těžit v solných dolech nebo získávat z mořské vody.

Sezónní ukládání

Pro energetické systémy v zemích s kontinentálním klimatem je zásadní zajistit dostatek energie v zimních obdobích. K dispozici je celá řada zařízení od nejrůznějších typů statických bateriových systémů, ukládání do stlačeného vzduchu nebo tepelných úložišť.

Nejde přitom o závratně složité technologie. Podle Oldřicha Sklenáře lze přebytky z obnovitelných zdrojů uchovávat ve formě tepla: „zdaleka nejlevnějším způsobem ukládání energie je ohřev vody a její uchovávání v tepelně izolovaných nádržích. Ohřev může být zajištěn pomocí elektrokotlů, napájených přebytečnou elektrickou energií z obnovitelných zdrojů.“

Takový postup lze využít především v teplárenství. Zatímco nyní získávají teplárny teplo spalováním uhlí a zemního plynu, v budoucnu mohou jejich provozovatelé využívat zmíněných přebytků z výroby obnovitelných zdrojů v kombinaci s průmyslovými tepelnými čerpadly.

Takové technologie používají v Dánsku, kde například v obci Dronninglund ohřívají v létě vodu v solárních kolektorech, aby ji uložili do izolovaných nádrží k spotřebě v zimě.

Nevýhodou ukládání tepla do vody je limitní teplota 98 stupňů Celsia, na kterou lze vodu ohřát tak, aby ji bylo možné lehce skladovat. Proto jsou nyní na trh uváděny systémy, které pracují s ohřevem písku nebo solí. Ty dokáží pracovat s násobně vyšší teplotou a tedy i s větší kapacitou.

Zelené plyny

Podle analytika Oldřicha Sklenáře však v současnosti nejnadějnějším technickým řešením k zajištění energie v zimě jsou takzvané zelené plyny. Jde především o bioplyn a z něj odvozený biometan. Bioplyn lze vyrobit v bioplynových stanicích z rozkládající se organické hmoty, často odpadků. Zdrojem bioplynu jsou i čističky odpadních vod. Biometan je pak očištěnou podobou bioplynu a jde v podstatě o stejnou látku jako zemní plyn.

Podle analýzy sdružení pro biomasu BIOM z roku 2022 lze pokrýt až čtvrtinu české spotřeby zemního plynu právě domácí výrobou bioplynu. Více než polovina již existujících bioplynových stanic se navíc nachází v těsné blízkosti plynovodů, a jak upozorňuje Akční plán podpory rozvoje využívání biometanu vypracovaný Ministerstvem životního prostředí, jde snadno bioplynové stanice připojit k plynárenské síti a očištěný bioplyn — biometan — skladovat ve stávajících velkokapacitních plynových zásobnících a následně spalovat v již existujících plynových elektrárnách v době zvýšené poptávky.

Bioplyn je ale skleníkovým plynem, jeho hlavní složkou je metan, který je mnohem agresivnějším skleníkovým plynem než oxid uhličitý, byť se v atmosféře rozpadá dříve. Uvolňuje se však i rozkladem organické hmoty na skládkách či vyvětráváním z odpadních vod. Čím více bioplynu zachytíme, tím méně můžeme vytěžit fosilního plynu, jehož těžbou, přepravou a spalováním přidáváme do atmosféry prvky, které by jinak ležely netknuté pod zemským povrchem.

Dalším zeleným plynem může být i vodík. Musí být ale vyroben elektrolýzou za použití energie z obnovitelných zdrojů. Vodík hraje především v plánech Evropské komise a německé vlády významnou roli. Přebytky obnovitelné energie lze přeměnit na vodík a ten skladovat či přepravovat pomocí upravených plynovodů. V případě potřeby ho lze využít pro výrobu energie ve vodíkovém článku nebo získat energii jeho spalováním.

Molekula vodíku je ale velmi malá, a proto snadno unikne z přepravníku nebo úložiště. Vodík se musí navíc skladovat za velmi nízkých teplot, což je energeticky vysoce náročné. Podle analýzy Bloombergu cena za výrobu a využití vodíku nebude po následující dekády klesat. „Vodíkové technologie se pohybují na samém limitu našich současných technologických možností,“ upozorňuje Oldřich Sklenář a dodává, že „nástup vodíkových technologií bude mnohem pomalejší, než dříve experti a politici očekávali“.

Potřebné technologie máme, použijme je

Mezinárodní energetická agentura v roce 2021 uvedla, že „všechny technologie potřebné k dosažení nezbytného rapidního snížení celosvětových emisí do roku 2030 již existují a politické kroky, které mohou podpořit jejich zavádění, se již osvědčily“. To platí i pro technologie ukládání energie. V České republice je ale zásadní problém moc velkých energetických korporací otištěná v zákonech a regulacích, které bránily rozvoji úložišť energie.

„Řada velkokapacitních bateriových úložišť už v tuzemsku existuje,“ uvedl pro Deník Referendum Jan Fousek z Asociace pro akumulaci energie, „tato úložiště ale mohla vznikat pouze v kombinaci s dalšími energetickými zdroji, což jejich rozvoj značně omezovalo.“

Energetický regulační úřad bránil připojování samostatných úložišť. To má změnit novela energetického zákona Lex OZE III, kterou v polovině března podepsal prezident. „Díky schválení novely energetického zákona, která zavádí podmínky pro akumulaci a agregaci flexibility nastane boom celého segmentu. Zákon v nové podobě představuje základní stavební kámen pro systematický rozvoj akumulace,“ řekl Fousek Deníku Referendum.

Uvolnění pravidel pro rozvoj infrastruktury ukládání energie posílí pozici obnovitelných zdrojů. Spíše než zázračný technologický průlom bude pro další rozvoj čisté energetiky klíčové, zda si provozovatelé obnovitelných zdrojů a úložišť vybojují své místo v systému, který dosud nahrával především fosilnímu průmyslu.