Jan Prehradný: Zelené zdroje nejsou růžové

Proto se odborníci snaží najít způsoby, jak dopady měnícího se klimatu co nejvíce zmírnit. Jednou z nejznámějších a nejviditelnějších snah na tomto poli je nezadržitelně se blížící konec fosilních paliv. Nejeden ekologický aktivista by uhelné elektrárny nejraději vypnul hned. Jenže tak jednoduché to není…

Vynikající vlastností současné energetické soustavy založené na uhelných a jaderných elektrárnách je její snadná regulovatelnost. Výrobu energie není složité přizpůsobit aktuálním požadavkům sítě, takže se vyrábí tehdy, kdy je potřeba. Jakmile poptávka po elektrické energii klesne, sníží se i výroba. Nastupující obnovitelné zdroje energie tuto schopnost zpravidla nemají. Fotovoltaické panely vyrábí jen tehdy, kdy svítí slunce, větrné elektrárny zase musí roztáčet dostatečně silný vítr. To znamená, že energie se produkuje i tehdy, kdy o ni není příliš zájem (a musí se složitě řešit, kam ji předistribuovat), zatímco jindy (třeba v zimě pod mrakem nebo v noci) jí je nedostatek. To energetikům dělá vrásky na čele. Nebude-li v síti rovnováha, zhroutí se.

Proto vědci prakticky po celém světě usilovně pracují na vývoji technologií, které dokážou energii v dobách přebytku uložit a při nedostatku opět uvolnit. Omezit se na „obyčejné“ baterie nemůžeme. Nestačily by. Jedním z pracovišť, které se akumulaci energie věnuje, je Centrum výzkumu Řež, spadající do Skupiny ÚJV, konkrétně jeho sekce Výzkum a vývoj technologií v energetice. Jejím ředitelem je Jan Prehradný.

Daniel Mrázek: Ukládáním energie se dnes zabývají různá vědecká a výzkumná pracoviště. Jakou roli v této oblasti hraje Skupina ÚJV?

Jan Prehradný: Docela významnou. ÚJV vzniklo v 50. letech minulého století jako výzkumná organizace zaměřená zejména na jaderný výzkum. Součástí toho byly pokročilé technologie, a tak jsme se etablovali hned v několika technických oborech, hlavně pak v energetice. V některých oblastech jsme se dostali na špici nejen v Česku, ale i v Evropě. Přičemž tyto technologie nemusí nutně souviset s jádrem.

DM: Proč se téma akumulace energie v současnosti tolik skloňuje? Je to záležitost jen posledních let, nebo známe akumulaci i z historie?

JP: Samozřejmě že ji známe i z historie. Vždyť to byla jedna z prvních dovedností, o kterou se lidé pokoušeli poté, co se naučili zacházet s ohněm. Teplo přece potřebovali, i když zrovna oheň nehořel. Zkoušeli proto nahřívat různé kameny. To je ostatně něco, s čím se dodnes vyrovnávají ti, kteří používají krbová kamna. Večer si zatopí, jenže přes noc oheň vyhasne a oni se probudí do zimy. Proto existují keramické vložky, které se nahřejí a teplo uchovají.

Dnes se o akumulaci energie bavíme hlavně kvůli nutné rovnováze mezi elektrickou energií vyrobenou a spotřebovanou. Velmi narůstá význam obnovitelných zdrojů, hlavně ze slunce a větru. Jenže v jejich případě nedokážeme produkci energie nijak zvlášť regulovat. Musíme si tedy pomoct ukládáním energie. Do jisté míry to umíme už teď, ale to do budoucna rozhodně stačit nebude.

DM: Proč na to nestačí baterie?

JP: V žádném případě nechci baterie odsuzovat. V příštích letech nás určitě čeká masivní rozvoj bateriových úložišť. Jsou situace, kdy se bez baterií neobejdeme. Řekněme si ale příklad z praxe. Kdo má počítač, na kterém běží důležité systémy nebo cloudové úložiště, má k němu postavenou „úpéesku“. To je něco jako bateriové úložiště. Stojí několik tisíc korun a po případném výpadku proudu dokáže počítač udržet v chodu minutu až dvě. To stačí akorát na to, aby se mohl počítač bezpečně vypnout. Ano, tu dobu můžu prodloužit zvýšením kapacity baterie, ale nebude to zrovna nejlevnější a také ta baterie zabere více prostoru. Nemluvě o tom, že s postupem času se kapacita baterií snižuje. Teď si vezměte, že nepotřebujete udržet v chodu jeden počítač, ale celé město. Ne pouze v řádu minut, ale v řádu hodin, nebo dokonce i týdnů a měsíců. A zároveň chcete co nejdelší životnost.

DM: Kdy se tedy hodí baterie a kdy jiná technologie?

JP: Technologie, které zmíním za chvíli, mají dlouhou dobu náběhu. Přepnutí mezi jejich nabíjením a vybíjením není rychlé. A to je právě výsada baterií, takže jsou ideálním řešením, jak překlenout dobu spouštění těch alternativních technologií.

DM: Pojďme si tedy představit, jaké jsou ty ostatní možnosti ukládání energie.

JP: Vrátíme se zase k historii. Na konci 80. let se začala stavět vodní přečerpávací elektrárna Dlouhé stráně. Není teď důležité, že stavba z různých důvodů trvala skoro 20 let. Podstatné je, že to je snad ten nejlepší způsob akumulace energie a těžko někdy někdo vymyslí dokonalejší. Vyčerpat si v dobách přebytku vodu na kopec a pak ji v dobách nedostatku spustit zpátky je úplně ten nejefektivnější způsob velkokapacitní akumulace. Může být jak krátkodobá, tak dlouhodobá. Není mnoho způsobů, jak si v létě uložit energii a vystačit s ní pak celou zimu. Voda tohle krásně umí.

O tom, jak důležité vodní přečerpávací elektrárny celosvětově jsou, dostatečně mluví fakt, že v celkové kapacitě akumulačních systémů tvoří v současnosti asi 80 %. Bohužel lokalit, kde by se mohly takové elektrárny budovat, není mnoho. A protože potřeba akumulace bude s rozvíjejícími se obnovitelnými zdroji stoupat, musíme hledat další řešení.

Ing. Jan Prehradný, Ph.D.

Absolvoval Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou na ČVUT v Praze, obor Jaderné inženýrství, kde následně získal také doktorský titul. Svou odbornou praxi zahájil na Státním úřadě pro jadernou bezpečnost, kde měl v letech 2007–2011 na starost evidenci kontrol na jaderných zařízeních v ČR a kde se začal intenzivně zabývat systémem SKŘ a palivem v jaderných elektrárnách.

V letech 2011–2014 pracoval ve ŠKODA JS, kde se věnoval optimalizaci palivových vsázek v jaderných elektrárnách Dukovany a Temelín. Následně přešel na akademickou půdu a na Fakultě strojní ČVUT pracoval jako vědecko‑výzkumný a akademický pracovník a měl na starosti VaV projekty. Od roku 2017 pracuje v Centru výzkumu Řež jako vedoucí oddělení Jaderného palivového cyklu a od roku 2022 jako ředitel sekce Výzkum a vývoj technologií v energetice.

DM: Dost se mluví o ukládání energie do vodíku. Co si o tomto způsobu myslíte?

JP: Vodík se dá vyrobit elektrolýzou vody. Přebytečnou elektřinu tedy použijeme na tu elektrolýzu, vy robíme vodík a ten pak můžeme použít například pro pohon vodíkových vozidel, nebo z něj zpětně vyrobit elektřinu. Je to určitě nadějný způsob, který v ukládání energie sehraje významnou roli. Ale – a teď to bude znít divně – i vodík bych zařadil do historie. Osobně si totiž myslím, že na něm už moc nevyzkoumáme. Z vědeckého hlediska se jedná o dobře popsaný proces, který se může zdokonalovat, ale žádné převratné objevy v této oblasti už nečekám. Proto jsme výzkum vodíku na našem pracovišti už opustili.

DM: Tak se zaměřme na to, na čem zrovna bádáte…

JP: Aktuálně prověřujeme možnosti ukládání energie do tepla, odborně tomu říkáme Thermal Energy Storage, zkráceně TES. Nepochybuji, že to má potenciál, stačí si uvědomit, jak velké množství ve spotřebách energií tvoří právě vytápění. Akumulace tepla je navíc velmi efektivní. Ukládat se dá různě. Třeba do pevných látek. To je podobné tomu, co jsme zmínili na začátku, když jsme se bavili o tom, že lidé v pravěku nahřívali kameny nebo že se využívají keramické vložky do krbových kamen. Systém se skládá z velké izolované nádoby, ve které je naskládaný kámen. Ideální je čedič, protože nepopraská. Skrz tuto vrstvu kamenů nechám prostupovat horké teplonosné médium, typicky třeba vzduch. Tím se kameny ohřejí. No a pak zpětně tepelnou energii kdykoliv odeberu.

DM: Bavili jsme se o tom, že musíme vyřešit rovnováhu v elektrické energetické síti, ale ukládání tepla mi z tohoto konceptu jaksi uniká…

JP: No, a jak myslíte, že to teplo vyrobíme? Přece tou přebytečnou elektrickou energií. Účinnost elektroohříváků sahá ke stu procentům, takže teplo z elektřiny vyrobím velmi efektivně, téměř bezztrátově. Ostatně i z tohoto uloženého tepla můžeme získat zpátky elektřinu – ohřejeme médium, které roztočí turbínu. Tady už ale narážíme na nízkou účinnost. Výhodnější je pak využít naakumulované teplo pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla, nebo přímo pro vytápění. Tam ta účinnost je opět velmi vysoká. Problém ale je, že tento způsob ukládání se nedá použít pro nějaké rychlejší cyklování, na denní bázi ho nepoužijeme – hodí se spíše pro dlouhodobější ukládání a menší výkony nabíjení a vybíjení.

DM: Tak to je trochu těžkopádnější než vložka do krbových kamen…

JP: To je pravda… Pokud bych potřeboval rychlejší nabíjecí a vybíjecí cykly, třeba že přes den nabíjím, v noci vybíjím, využiji jinou formu TES. Teplo neuložím do kamenů, ale roztavených solí, zpravidla jde o směs KNO₃ a NaNO₃ , ale zvolit lze i jiný materiál v závislosti na požadované teplotní hladině. Je to už poněkud složitější technologie, ale právě umožňuje rychlejší cyklování i při velmi vysokých výkonech. Skládá se ze dvou nádrží s roztavenou solí. Ve studenější nádrži má sůl teplotu necelých 300 °C, v teplejší něco přes 500 °C. Při nabíjení systému vezmu sůl z chladnější nádrže, nechám ji projít tepelným výměníkem nebo elektroohřívákem, kde se ohřeje, a pošlu ji do teplejší nádrže. Při vybíjení naopak – z teplejší nádrže přečerpám sůl přes tepelný výměník do chladnější nádrže. Rychlými cykly by mohl disponovat i další způsob, a to s využitím latentního tepla.

DM: Tak si ho popišme.

JP: Na rozdíl od roztavených solí systém nepotřebuje dvě nádrže, ale jen jednu. V ní máme například směs hliníku a křemíku, která má velmi dobré teplofyzikální vlastnosti. Přímo v nádrži jsou umístěny i elektroohříváky, které nádrž dobíjí, a pak je tam systém trubek s nějakým médiem, které teplo pro změnu odebírá. Tento systém je ve srovnání s předešlým jednodušší – obejdu se bez čerpadla a vyhnu se dalším provozním komplikacím. Velkým problémem ale je vysoká korozivnost směsi hliníku a křemíku. Věřím tomu, že tento systém bude použitelný, ale nejdřív musíme přijít na to, z čeho ty nádoby a další komponenty vyrobíme, aby měly dostatečně dlouhou životnost.

DM: Na vašem pracovišti se věnujete i superkritickému oxidu uhličitému. Co se za tímto zajímavým názvem skrývá?

JP: Superkritický oxid uhličitý (sCO₂ ) je oxid uhličitý ohřátý nad kritickou teplotu a stlačený nad kritický tlak, takový stav na rozhraní mezi kapalinou a plynem. Technologie není ještě zcela vyvinutá, ale už teď víme, že má úžasnou výhodu – kombinuje totiž některé vhodné vlastnosti plynů a kapalin. Do superkritického oxidu uhličitého energii neuložíme, ale nás zajímá jako nosič tepla a můžeme ho využít jako náhradu klasického parního cyklu. Klasická parní turbína se roztáčí rozpínáním páry. Díky vysoké hustotě a nízké viskozitě superkritického CO₂ jsem v superkritickém oběhu schopen dosáhnout velmi vysokých energetických toků na turbíně při minimálních ztrátách. Docílím tím velmi efektivní přeměny tepelné energie na mechanickou práci při minimálních rozměrech turbostroje. Účinnost současných parních okruhů se pohybuje mezi 35 a 40 %, při použití sCO₂ očekáváme účinnost bezmála 50%. Možná ještě důležitější vlastností je díky velmi malým rozměrům komponent výrazně vyšší flexibilita výroby elektřiny.

DM: V jaké fázi vývoje s tím superkritickým oxidem uhličitým jste?

JP: Společně s dalšími partnery na to máme několik běžících projektů. V rámci jednoho z nich instalujeme v Teplárně Mělník sCO₂ smyčku. Na ní začneme v příštím roce testovat mimo jiné megawattovou turbínu, jejíž rotor bude mít v průměru asi dvacet centimetrů. Kdyby se jednalo o parní turbínu se stejným výkonem, zabere prostoru výrazně více. Tato experimentální smyčka by měla ověřit funkčnost a spolehlivost komponent a celého oběhu v měřítku blízkém průmyslovému využití. Něco jiného totiž je, když nám technologie funguje v malém provedení v laboratoři, nebo když má sloužit na velkých energetických systémech.

DM: A jak to vypadá s vaším TESem?

JP: Uvažovali jsme, že postavíme experimentální jednotku s kamenivem, ale usoudili jsme, že by to nemělo valný smysl. Jak jsem říkal, doba nabíjení a vybíjení je příliš dlouhá – ale zase ne natolik dlouhá, aby dokázala poskytovat teplo třeba celou zimu. Proto v Řeži realizujeme malou experimentální jednotku s roztavenými solemi, hotovo by mělo být příští rok. A zároveň připravujeme i jednotku ve větším, již energetickém měřítku, a to opět v mělnické teplárně. Výhodou této technologie je, že je krásně škálovatelná. Když budu chtít zvětšit kapacitu, jednoduše přistavím další nádrže. Jsem tak schopný reagovat na aktuální situaci a energii ukládat podle toho, co je zrovna potřeba. Máme tu i zajímavý ekologický aspekt – až po 30 letech skončí roztaveným solím životnost, dají se použít jako hnojivo. Odpadá tak složitá likvidace.

DM: Představili jsme dva systémy – TES a superkritický oxid uhličitý. Dají se spojit?

JP: Určitě! Řekl jsem, že není moc výhodné uloženou tepelnou energii přeměnit zpátky na energii elektrickou. To kvůli nízké účinnosti turbín. Pokud bychom ale TES doplnili o systém se superkritickým oxidem uhličitým, situaci to změní. Sice pořád bude nejvýhodnější nakumulované teplo využít na ohřívání či vytápění, ale pokud bude potřeba z uloženého tepla vyrobit elektřinu, ne bude energetická ztráta tak vysoká jako v případě parního okruhu. Ostatně mluvil jsem o tom, že v Mělníce připravujeme TES i smyčku s sCO₂ , takže věřím tomu, že se nám časem podaří oba systémy propojit.

DM: A nakonec se tyto systémy spojí s dalšími bezemisními technologiemi a vznikne bezemisní teplárna.

JP: Přesně tak, je to náš sen do budoucna. Pomocí větru, fotovoltaiky nebo plynových kotlů vyrobíme elektřinu, kterou uložíme do baterií, vodíku nebo TESu. Vodík můžeme využívat formou standardních palivových článků nebo ho přimíchám do plynových kotlů. Celá tato teplárna by pak měla variabilně reagovat na všechny provozní režimy, které nás mohou čekat.

DM: To by mě zajímalo, co to udělá s cenou energií…

JP: No, levné to nebude, ale nebude existovat ani nic levnějšího. Doba levné elektřiny skončila, protože už neexistují levné systémy. Obnovitelné zdroje způsobují enormně špatnou situaci na energetickém trhu. Můžeme se tvářit, že to není politicky korektní, ale bohužel je to pravda. Proto čím dál víc budou potřeba akumulační systémy, neobejdeme se bez nich. Zapojením mnoha a mnoha malých, velmi variabilních zdrojů do sítě jsme si vytvořili problémy, které musíme vyřešit. Pokud síť nebude v rovnováze, spadne. Naštěstí to není skokové, a máme tedy čas to řešit postupně. Naším úkolem je zabezpečit, aby energetická síť i v budoucnu fungovala tak spolehlivě, jako funguje v současnosti.

Převzato z časopisu Komora. Autor článku: Daniel Mrázek