Článek
Přechod na obnovitelné zdroje energie, jako je větrná a solární energie, je klíčovým krokem k boji proti změně klimatu a zajištění udržitelné energetické budoucnosti. Tyto zdroje jsou však ze své podstaty přerušované – slunce nesvítí v noci a vítr nefouká vždy, když je elektřina potřeba. Abychom mohli na obnovitelné zdroje skutečně spoléhat a integrovali je ve velkém měřítku do naší elektrické sítě, potřebujeme efektivní a rozsáhlé systémy pro ukládání energie. Tyto systémy musí být schopny absorbovat přebytečnou elektřinu v době vysoké produkce (když fouká vítr nebo svítí slunce) a uvolnit ji zpět do sítě, když je poptávka vysoká nebo produkce z obnovitelných zdrojů nízká. Hledání inovativních a geograficky flexibilních řešení pro ukládání energie je proto jednou z největších výzev současné energetiky. Jedno z nejzajímavějších a nejvíce slibných řešení vyvíjí německá výzkumná organizace Fraunhofer-Gesellschaft v rámci projektu nazvaného StEnSea (pravděpodobně zkratka pro Stored Energy in the Sea – uložená energie v moři). Tento projekt navrhuje využít pro ukládání energie obrovský potenciál mořské hloubky.
Projekt StEnSea představuje kreativní reinterpretaci osvědčeného principu přečerpávacích vodních elektráren (Pumped Hydro Storage - PHS), ale s klíčovým rozdílem: namísto dvou vodních nádrží v různé nadmořské výšce na souši využívá tlakový rozdíl mezi vodou uvnitř duté sféry umístěné na mořském dně a okolní mořskou vodou. Když je k dispozici přebytečná elektřina, pumpuje se voda ven ze sféry proti tlaku okolní mořské vody, čímž se ukládá potenciální energie. Když je elektřina potřeba, voda proudí zpět do sféry přes turbínu, která vyrábí elektřinu. Tento koncept otevírá zcela nové možnosti pro lokalizaci velkokapacitního ukládání energie, nezávisle na horské topografii, která je nezbytná pro tradiční přečerpávací elektrárny.
Proč potřebujeme obří zásobníky energie? Výzva pro obnovitelné zdroje
Naše elektrická síť musí být v každém okamžiku vyvážená – množství vyrobené elektřiny se musí přesně rovnat spotřebě. Tradiční zdroje energie, jako jsou uhelné, plynové nebo jaderné elektrárny, lze poměrně snadno regulovat a přizpůsobovat jejich výkon aktuální poptávce. Obnovitelné zdroje, jako jsou větrné turbíny a solární panely, však fungují, když jim to přírodní podmínky dovolí. To může vést k situacím, kdy se vyrábí buď příliš mnoho elektřiny (v větrných dnech nebo za slunečného poledne), což může vést k přetížení sítě a nutnosti omezovat výrobu (a plýtvat tak potenciálně čistou energií), nebo příliš málo (za bezvětří nebo v noci), což vyžaduje rychlé spuštění záložních elektráren (často na fosilní paliva).
Pro řešení této intermitentnosti (proměnlivosti) obnovitelných zdrojů jsou nezbytné systémy pro ukládání energie ve velkém měřítku (grid-scale energy storage). Tyto systémy fungují jako obří „baterie“ pro elektrickou síť. Umožňují:
- Vyrovnávat kolísání: Absorbovat přebytek a dodávat elektřinu při nedostatku.
- Zlepšovat stabilitu sítě: Rychle reagovat na změny v produkci a spotřebě.
- Poskytovat záložní kapacitu: Nahradit výpadek jiného zdroje.
- Optimalizovat provoz sítě: Snižovat náklady na provoz a přenos elektřiny.
- Umožnit vyšší podíl obnovitelných zdrojů: Bez ukládání by bylo možné integrovat jen omezené množství obnovitelných zdrojů bez ohrožení stability sítě.
Potřebujeme systémy, které dokážou ukládat energii po dobu hodin, dnů nebo dokonce týdnů a uvolňovat ji s vysokou účinností a spolehlivostí.
Tradiční řešení: Přečerpávací vodní elektrárny a jejich limity
Nejrozšířenější a nejprověřenější technologií pro velkokapacitní ukládání energie v elektrických sítích jsou přečerpávací vodní elektrárny (PHS). PHS funguje na jednoduchém principu: využívá rozdílu potenciální energie vody v různých výškách. Skládá se ze dvou vodních nádrží umístěných v různé nadmořské výšce, spojených potrubím s čerpadly a turbínami (často ve formě reverzibilních čerpadlo-turbín, které dokážou fungovat v obou režimech).
Když je v síti přebytek elektřiny, PHS funguje v čerpacím režimu: spotřebovává elektřinu k čerpání vody z dolní nádrže do horní nádrže. Tím se energie ukládá ve formě potenciální energie vody. Když je elektřina potřeba, PHS přepne do turbínového režimu: voda proudí z horní nádrže dolů přes turbínu, která vyrábí elektřinu a dodává ji do sítě.
Výhody tradičních PHS jsou značné: jsou to osvědčené, spolehlivé technologie s dlouhou životností (desítky let). Mohou ukládat obrovské množství energie po dlouhou dobu (až dny nebo týdny) a dosahují poměrně vysoké účinnosti zpětného cyklu (kolem 70-85 %). Jsou schopny rychle reagovat na změny v síti.
Hlavní nevýhoda PHS je však geografická omezenost lokalit. Pro efektivní provoz PHS je nutná vhodná topografie – dvě nádrže v dostatečné výšce nad sebou a možnost vybudování infrastruktury (potrubí, strojovna) mezi nimi. Takové lokality se nenacházejí všude, jsou často v horských nebo kopcovitých oblastech a jejich výstavba může mít významné environmentální a sociální dopady (zábor půdy pro nádrže, změny vodních toků, vliv na ekosystémy). Tato geografická závislost omezuje jejich širší nasazení tam, kde jsou nejvíce potřeba, například v blízkosti velkých větrných farem na pobřeží nebo v rovinatých oblastech s vysokou spotřebou.
Další způsoby ukládání energie: Od baterií po vodík
Kromě PHS se pro ukládání energie v elektrických sítích používají nebo vyvíjejí i další technologie:
- Bateriové systémy: Velké bateriové farmy (často s využitím lithium-iontových baterií, podobně jako v elektromobilech) dokážou rychle reagovat na změny v síti a poskytovat služby stability. Jsou modulární a lze je umístit prakticky kdekoli. Jejich omezením je však zatím poměrně vysoká cena na jednotku uložené energie, omezená životnost (počet nabíjecích a vybíjecích cyklů) a jsou obvykle vhodnější pro krátkodobé až střednědobé ukládání (hodiny spíše než dny).
- CAES (Compressed Air Energy Storage - skladování energie ve stlačeném vzduchu): Využívá přebytečnou elektřinu k stlačení vzduchu, který se ukládá v podzemních jeskyních nebo velkých nadzemních nádržích. Při potřebě elektřiny se stlačený vzduch uvolní a expanduje přes turbínu, která pohání generátor. CAES má potenciál pro velké kapacity a dlouhé trvání, ale trpí nižší účinností a vyžaduje vhodné geologické útvary pro skladování stlačeného vzduchu (jeskyně, solné dómy).
- Termální ukládání energie: Ukládá energii ve formě tepla nebo chladu v materiálech jako jsou roztavené soli, keramika nebo voda. Používá se především pro vytápění, chlazení nebo průmyslové procesy, ale lze ji částečně využít i pro výrobu elektřiny (např. v koncentračních solárních elektrárnách).
- Vodík: Jak již bylo zmíněno, vodík může sloužit k ukládání energie. Přebytečná elektřina se použije k výrobě vodíku elektrolýzou. Vodík se následně skladuje (v nádržích, pod zemí) a při potřebě se použije v palivovém článku nebo speciální turbíně k výrobě elektřiny. Vodík nabízí potenciál pro velmi dlouhodobé a rozsáhlé ukládání, ale celý proces (výroba, skladování, konverze zpět) má zatím nižší celkovou účinnost a vyžaduje nákladnou infrastrukturu.
- Mechanické ukládání: Např. setrvačníky (flywheels) ukládají energii ve formě rotačního pohybu, ale jsou vhodné spíše pro krátkodobou stabilizaci sítě (sekundy až minuty).
Každá z těchto technologií má své místo v budoucím energetickém mixu, ale pro velkokapacitní a dlouhodobé ukládání s geografickou flexibilitou stále existuje mezera. A právě tu se snaží vyplnit koncept jako StEnSea.
Inspirace hydroenergií pod hladinou: Koncept StEnSea
Základní myšlenka StEnSea je geniálně jednoduchá: využít hydrostatický tlak vody v mořských hloubkách jako „horní nádrž“ a dutou sféru na dně jako „dolní nádrž“ s nulovým vnitřním tlakem (nebo tlakem mnohem nižším než okolní). Namísto výškového rozdílu na souši (potenciální energie daná gravitací a výškou) se zde využívá tlakový rozdíl (potenciální energie daná tlakem a objemem).
Když je přebytečná energie, čerpadlo uvnitř sféry spotřebovává elektřinu a vytlačuje vodu ven ze sféry proti vysokému tlaku okolní mořské vody. Představte si to jako tlačení prázdné láhve hluboko pod vodu – vyžaduje to sílu. Tato síla představuje uloženou energii. Čím hlouběji je sféra a čím větší je tlak, tím více energie lze do daného objemu uložit. Sféra je po „nabití“ (vyčerpání vody) téměř prázdná.
Když je elektřina potřeba, proces se obrátí. Turbína uvnitř sféry umožní mořské vodě proudit zpět do sféry, hnána vysokým tlakem okolní vody. Proud vody roztáčí turbínu, která pohání generátor a vyrábí elektřinu. Představte si to jako otevírání ventilu na potrubí ve velké hloubce – voda pod tlakem se hrne dovnitř. Sféra se po „vybití“ (napuštění vody) opět naplní vodou.
Jak StEnSea funguje? Sféry, turbíny a mořský tlak
Klíčovými komponenty systému StEnSea jsou:
- Duté sféry: Masivní, duté koule vyrobené z materiálu schopného odolat obrovskému vnějšímu tlaku mořské vody v hloubkách. Pravděpodobně se používá vyztužený beton nebo ocel. Tvar sféry je ideální pro odolávání vnějšímu tlaku, protože síly se rovnoměrně rozkládají po celém povrchu. Velikost sfér se může lišit v závislosti na požadované kapacitě. Sféry jsou umístěny na mořském dně a ukotveny.
- Reverzibilní čerpadlo-turbínová jednotka: Umístěná uvnitř sféry. Tato jednotka funguje buď jako čerpadlo (vytlačuje vodu ven při nabíjení) nebo jako turbína spojená s generátorem (vyrábí elektřinu při vybíjení tím, že nechá vodu proudit dovnitř).
- Připojení k síti: Systém sfér musí být kabelem připojen k elektrické síti na pevnině nebo k offshore infrastruktuře (např. offshore rozvodně větrné farmy).
Hloubka vody je pro systém StEnSea zásadní. Tlak vody roste přibližně o 1 bar na každých 10 metrů hloubky. V hloubce 500 metrů je tlak kolem 50 barů, v 1000 metrech 100 barů. Čím větší je tlak, tím více energie lze do daného objemu sféry uložit (na vytlačení stejného objemu vody proti vyššímu tlaku je potřeba více energie). Větší hloubka však také vyžaduje konstrukčně robustnější a dražší sféry schopné odolat tomuto tlaku. Pro komerční využití StEnSea se uvažuje o hloubkách od několika stovek metrů po tisíce metrů, kde jsou tlaky značné.
Projekt Fraunhofer StEnSea: Od teorie k prototypu
Koncept podmořského přečerpávacího skladování energie není zcela nový, ale Fraunhofer-Gesellschaft, přední německá organizace zaměřená na aplikovaný výzkum (provozující desítky institutů specializovaných na různá vědní a technická odvětví), stála za jedním z prvních praktických demonstračních projektů. Projekt StEnSea byl vyvíjen především v rámci Fraunhofer Institutu pro systémy větrné energie (IWES) nebo podobného institutu zabývajícího se energetickými technologiemi a mořským prostředím.
Výzkumný tým Fraunhoferu vyvinul koncept, provedl teoretické studie a simulace a následně přistoupil k demonstraci funkčnosti v reálných podmínkách. Prototyp systému StEnSea byl testován v Bodamském jezeře (Bodensee) na jihu Německa. Bodamské jezero, ačkoliv jde o sladkovodní jezero a ne o moře, nabízí vhodné podmínky pro testování podmořských technologií – dostatečnou hloubku (v testovací oblasti pravděpodobně několik desítek až sto metrů) a relativně kontrolované prostředí ve srovnání s otevřeným mořem.
Testovaný prototyp sestával z menší duté sféry (velikost se lišila v závislosti na fázi testování, ale pro rané testy to mohly být sféry o průměru několika metrů) s integrovaným čerpadlem/turbínou. Testy v Bodamském jezeře měly za cíl ověřit technickou funkčnost konceptu, chování sféry pod tlakem, účinnost čerpání a výroby elektřiny a spolehlivost komponent v podmořském prostředí. Úspěšné dokončení těchto testů prokázalo, že základní princip StEnSea funguje a je technicky realizovatelný. Vědci zapojení do projektu StEnSea pravděpodobně patřili mezi špičkové odborníky na mořské inženýrství, energetické systémy a materiálové vědy.
Klíčové výhody podmořského řešení
StEnSea koncept nabízí oproti tradičním řešením pro ukládání energie několik významných výhod, zejména v kontextu rozvoje offshore větrné energetiky:
- Geografická flexibilita: Nejdůležitější výhoda. StEnSea není závislá na konkrétní horské topografii. Může být umístěna na mořském dně prakticky kdekoli, kde je dostatečná hloubka, blízko pobřežních center spotřeby nebo přímo u offshore větrných farem. Tím se řeší hlavní omezení tradičních PHS.
- Integrace s offshore větrnými farmami: StEnSea lze umístit přímo v blízkosti offshore větrných farem. To umožňuje efektivně ukládat přebytečnou elektřinu přímo tam, kde vzniká, a využít stávající infrastrukturu pro připojení k síti. To snižuje ztráty při přenosu energie a zvyšuje spolehlivost dodávky elektřiny z větrných farem.
- Minimální využití půdy a vizuální dopad: Systém je umístěn na mořském dně, takže nezabírá cennou půdu na souši a nemá žádný vizuální dopad na krajinu. To může usnadnit získávání povolení ve srovnání s pozemními projekty, které často čelí odporu veřejnosti.
- Potenciál pro velmi velkou kapacitu a dlouhou dobu trvání: Stejně jako PHS, StEnSea má potenciál pro ukládání obrovského množství energie (řádově GWh) po dobu hodin až dnů, jednoduše zvětšením počtu nebo objemu sfér a využitím větší hloubky.
- Dlouhá životnost: Očekává se, že masivní betonové nebo ocelové sféry budou mít velmi dlouhou životnost v řádu desítek let, srovnatelnou s životností tradičních PHS.
- Použití osvědčených komponent: Zatímco koncept je inovativní, klíčové komponenty (reverzibilní čerpadla/turbíny, elektrické generátory) jsou založeny na osvědčených technologiích používaných v hydroenergetice.
Výzvy mořského prostředí
Ačkoliv jsou výhody značné, umístění systému do drsného mořského prostředí přináší i specifické výzvy:
- Vysoký tlak a konstrukce sfér: Hlavní technická výzva spočívá v konstrukci sfér, které dokážou spolehlivě odolat enormnímu tlaku mořské vody v požadovaných hloubkách (stovky až tisíce metrů). Vyztužený beton nebo ocel musí být extrémně pevné a odolné proti praskání. Testování a certifikace těchto struktur jsou kritické.
- Náklady na výrobu a instalaci: Výroba a doprava velkých, masivních sfér na místo instalace na mořském dně a jejich přesné umístění a ukotvení je technologicky i finančně náročné. Vyžaduje to specializovaná plavidla a podmořské stavební techniky.
- Drsné mořské prostředí: Komponenty systému (sféry, turbíny, kabely) musí odolat korozi slanou vodou, usazování mořských organismů (biofouling), vlivu mořských proudů a potenciálně i poškození způsobenému rybolovnými aktivitami nebo kotvami lodí.
- Údržba a opravy: Provádění údržby a oprav v podmořském prostředí, zejména ve velkých hloubkách, je složité, nebezpečné a drahé. Vyžaduje to využití dálkově ovládaných vozidel (ROV), potápěčů ve speciálních oblecích nebo ponorek. Spolehlivost a dlouhá životnost komponent jsou proto klíčové.
- Environmentální dopad: Ačkoliv StEnSea nezabírá půdu, jeho instalace může mít dopad na mořský ekosystém. Je třeba pečlivě posoudit vliv na dno (při pokládce a ukotvení sfér), potenciální vliv na mořské živočichy (např. hluk z čerpadel/turbín, změny proudění vody v blízkosti sfér) a vliv na podmořské biotopy.
- Regulace a povolení: Získání povolení pro instalaci energetických systémů na mořském dně může být složité a vyžadovat koordinaci s různými úřady a zainteresovanými stranami (rybáři, ochránci přírody, lodní doprava).
Energetická účinnost a škálovatelnost
Energetická účinnost zpětného cyklu (round-trip efficiency – kolik energie se získá zpět ve srovnání s tím, kolik se spotřebovalo na uložení) je u StEnSea srovnatelná s tradičními PHS, očekává se v rozmezí 70-80 %. Ztráty vznikají při čerpání, třením vody v potrubí, v turbíně/generátoru a při přenosu elektřiny kabelem.
StEnSea lze škálovat různými způsoby:
- Větší sféry: Zvětšení objemu sfér zvyšuje kapacitu ukládání.
- Větší hloubka: Umístění sfér do větších hloubek zvyšuje tlak a tím i množství energie, které lze uložit na jednotku objemu sféry.
- Větší počet sfér: Nejjednodušší způsob škálování je instalace více sfér na jednom místě, čímž se vytváří "park" podmořských úložišť.
Potenciální kapacita jednoho parku StEnSea s desítkami nebo stovkami sfér umístěných ve velkých hloubkách může dosahovat stovek megawattů (MW) výkonu a gigawatthodin (GWh) kapacity, což je srovnatelné s velkými pozemními PHS elektrárnami nebo velkými bateriovými farmami, ale s potenciálně delší dobou trvání dodávky.
Potenciální role v budoucím energetickém mixu
StEnSea by mohla hrát významnou roli v budoucím energetickém mixu, zejména pro země s dlouhým pobřežím a ambicemi v oblasti offshore větrné energetiky. Mohla by:
- Stabilizovat offshore větrné farmy: Přímo u větrné farmy by StEnSea pohlcovala přebytečnou energii v době silného větru a dodávala ji, když vítr zeslábne, čímž by se zvýšila stabilita a předvídatelnost dodávek z větrné farmy.
- Zásobovat pobřežní oblasti a ostrovy: Poskytovat spolehlivé dodávky energie pro pobřežní města, přístavy nebo ostrovní systémy, které mají omezené možnosti pozemního ukládání energie.
- Přispět k odolnosti sítě: Zlepšit schopnost elektrické sítě zvládat výkyvy v produkci a spotřebě.
- Snížit potřebu nových pozemních přenosových vedení: Tím, že ukládá energii blíže místu výroby nebo spotřeby, by mohla StEnSea potenciálně snížit potřebu nákladných a kontroverzních nových přenosových vedení na souši.
Srovnání StEnSea a klasické přečerpávací elektrárny
Základní princip ukládání potenciální energie pohybem vody v tlakovém gradientu je u obou technologií stejný, ale implementace je zásadně odlišná:
- PHS: Využívá gravitaci a výškový rozdíl mezi dvěma nádržemi. Omezeno vhodnou topografií. Vyžaduje velké plochy na souši. Viditelný dopad na krajinu. Osvědčená technologie.
- StEnSea: Využívá hydrostatický tlak mořské vody a hloubku. Geograficky flexibilní (podél pobřeží s dostatečnou hloubkou). Minimalizuje využití půdy a vizuální dopad. Nová technologie, vyžadující další vývoj a testování v plném měřítku.
StEnSea není zamýšlena jako náhrada tradičních PHS, ale spíše jako doplněk, který umožňuje využít potenciál vodní přečerpávací energie i v lokalitách, kde PHS nelze postavit, zejména v pobřežních oblastech a ve spojení s offshore větrnými farmami.
Budoucnost StEnSea a podmořského skladování energie
Projekt Fraunhofer StEnSea úspěšně prokázal technickou funkčnost konceptu na úrovni prototypu. Další kroky v jeho vývoji zahrnují:
- Testování větších prototypů: Vybudování a testování větších sfér a systémů v reprezentativnějších hloubkách moře.
- Pilotní elektrárny: Výstavba a provoz pilotní komerční elektrárny s větším počtem sfér pro ověření ekonomické životaschopnosti a spolehlivosti v dlouhodobém provozu.
- Optimalizace konstrukce a materiálů: Další výzkum s cílem snížit náklady na výrobu sfér a zvýšit jejich odolnost a životnost.
- Řešení environmentálních a regulačních otázek: Provedení detailních studií dopadů na životní prostředí a spolupráce s úřady na vytvoření regulačního rámce pro podmořské ukládání energie.
Fraunhofer-Gesellschaft pravděpodobně spolupracuje s průmyslovými partnery, aby posunul technologii StEnSea směrem ke komerčnímu nasazení. I když StEnSea není jediným konceptem pro podmořské ukládání energie (zkoumají se například i systémy s flexibilními vaky), představuje jeden z nejpropracovanějších přístupů využívajících pevné struktury.
Environmentální a regulační aspekty
Před komerčním nasazením StEnSea je nutné pečlivě posoudit a řešit potenciální environmentální dopady. Patří sem:
- Dopad na bentos: Narušení mořského dna při pokládce a ukotvení sfér.
- Hluk a vibrace: Potenciální vliv hluku z čerpadel, turbín a proudění vody na mořské živočichy, zejména savce a ryby.
- Změny proudění vody: Velké struktury mohou lokálně měnit mořské proudy.
- Elektromagnetická pole: Kabely připojující systém k síti mohou generovat elektromagnetická pole, která mohou ovlivnit některé mořské organismy.
- Riziko úniku látek: Potenciální riziko úniku maziv nebo jiných provozních kapalin ze zařízení.
Důkladné studie vlivů na životní prostředí a dodržování přísných ekologických předpisů budou nezbytné pro minimalizaci těchto rizik. Regulace pro instalaci energetické infrastruktury na mořském dně se v různých zemích liší a pro novou technologii, jako je StEnSea, může být nutné vytvoření nových pravidel.
Závěr: Inovace pod hladinou pro zelenější energetiku
Projekt StEnSea vyvinutý společností Fraunhofer-Gesellschaft představuje fascinující a slibné řešení pro výzvu velkokapacitního a dlouhodobého ukládání energie, která je klíčová pro úspěch globálního přechodu na obnovitelné zdroje. Využitím osvědčeného principu přečerpávací hydroenergie a jeho adaptací na podmořské prostředí s využitím tlakového rozdílu a dutých sfér Fraunhofer otevírá nové možnosti pro umístění energetických úložišť tam, kde jsou nejvíce potřeba – v blízkosti pobřežních oblastí a offshore větrných farem.
Úspěšné testování prototypu v Bodamském jezeře prokázalo technickou realizovatelnost konceptu. Ačkoliv před námi stále stojí významné výzvy spojené s konstrukcí sfér odolávajících vysokým tlakům, náklady na instalaci, údržbu v drsném mořském prostředí a posouzení environmentálních dopadů, potenciál pro vytvoření geograficky flexibilního, rozsáhlého a dlouhotrvajícího systému ukládání energie je obrovský.
StEnSea je více než jen technický projekt; je to symbol inovativního myšlení v oblasti energetiky a příklad toho, jak výzkumné instituce jako Fraunhofer hrají klíčovou roli při vývoji řešení pro nejnaléhavější výzvy naší doby. Pokud se podaří překonat zbývající překážky, podmořské sféry by se mohly stát důležitou součástí budoucí energetické infrastruktury, pomáhající stabilizovat sítě poháněné větrem a sluncem a přispívající k zelenější a udržitelnější budoucnosti. Sledovat další vývoj projektu StEnSea a dalších konceptů podmořského ukládání energie bude nepochybně nesmírně zajímavé.
