Kapalný vzduch jako prostředek pro skladování energii z obnovitelných zdrojů

Obyčejný a všudypřítomný vzduch převedený do kapalného skupenství by v budoucnosti mohl poskytnout řešení jedné z největších výzev, kterými se zabývá současné inženýrství: Jak skladovat energii nepravidelně získávanou z obnovitelných zdrojů. 

Kapalný vzduch? Ano, zní to poněkud nesourodě, nicméně právě tato substance by v nadcházejících desetiletích mohla přispět svým dílem k přibrzdění globálního oteplování způsobeného nadměrnou produkcí oxidu uhličitého a vyřešit nedostatky na trhu energií z obnovitelných zdrojů. Velkou nevýhodou obnovitelné energie získávané z větrných a solárních zdrojů je nepravidelnost jejích dodávek. Například moderní větrné elektrárny jsou schopné vysokou poptávku po elektřině pokrývat pouze v reálném čase a na její skladování nemají žádná zařízení. Navíc jsou závislé na lokálním počasí a to je důvod, proč jejich kritici tvrdí, že za současného stavu a provozu nejsou schopny nahradit konvenční, palivové turbíny. A právě v tom je technologie skladování energie v kapalném vzduchu převratná.

Vizionář z garáže
Vše začalo téměř před půlstoletím v garáži britského vynálezce Petera Dearmana. „Začal jsem na tom pracovat už jako teenager. Bylo mi jasné, že přijde čas, kdy na Zemi nebude dostatek surovin na to, aby každý člověk jezdil automobilem. Věřil jsem, že to jde i jinak,“ říká Dearman, jinak také autor například resuscitačního zařízení Micro Vent, které se běžně používá v sanitkách, ale i takzvaného kryoautomobilu poháněného právě kapalným vzduchem. Vlastnost, že kapalný vzduch dokáže velmi rychle absorbovat teplo, ale i se vrátit do plynného stavu, chce však Dearman hlavně využívat k uchování energie z větrných turbín, které se otáčejí a vyrábějí elektřinu i v noci, kdy jí tolik nepotřebujeme.

Žádná velká věda
Jak tomu u velkých objevů bývá, ani na tom Dearmanově není zdánlivě nic složitého. Elektřina získaná větrnými elektrárnami v čase, kdy jí není zapotřebí – to znamená především v noci –, je využito k nashromáždění vzduchu, který se ve své nejběžnější podobě sestává z několika různých plynů. Ten je následně zbaven prachu, oxidu uhličitého a vodních par, které by v ochlazovacím procesu zmrzly na led.

Zbylý vzduch, z většiny dusík, je následně stlačen na 200násobek normálního tlaku, prudce zchlazen na −190 °C a tím přeměněn na kapalinu. Světle modré kompaktní médium, které má při stejném množství jednu tisícinu  svého objemu v plynném stavu, je tak připraveno k uskladnění. To vše se děje v obřích vakuových termoskách, aby se substance udržela ve zchlazeném a kapalném stavu. Při pokojové teplotě by se totiž zahřála a jednoduše vypařila, což by způsobilo prudké zvýšení tlaku uvnitř skladovací nádoby.

Poté, kdy poptávka po elektřině vzroste, například při příliš nízké rychlosti větru, se zkapalnělý vzduch zahřeje a změní na plyn, který je vypouštěn z nádrže. Díky tomu se kapalina odpařuje rychleji, než by se odpařovala za běžných podmínek. Výsledný tlak a tok plynutí jsou tak vysoké, že mohou pohánět větrnou turbínu, která elektřinu „dovyrobí“.

Opravdu chytré řešení
Pro tuto technologii byla založena nová společnost, Highview Power Storage. Ta na základě Dearmanovy teorie a jeho garážových pokusů vyvinula systém, který se snaží přebytečnou energii vyrobenou větrnými turbínami znovu využít a poslat do energetické přenosové soustavy.

Odborníci z Highview Power Storage proto vyrobili prototyp turbíny a uskladňovacího zařízení, částečně financovaný britskou vládou. Prototyp nyní prochází dvouletým testováním v elektrárně ve městě Slough, východně od Londýna.

Výsledky testů zaujaly odborníky z britského Institutu mechanického inženýrství (IMechE). Podle nich je docela možné, že kapalný vzduch může na poli skladování energie získané z obnovitelných zdrojů soupeřit s elektrickými akumulátory i vodíkovým pohonem. „Nejméně půl tuctu lidí se mě každý týden snaží přesvědčit, že vynalezli něco fantastického,“ říká Tim Fox, vedoucí odboru energie a životního prostředí v IMechE. „Zdá se ale, že vynález Petera Dearmana by takovým vynálezem skutečně mohl být. V tomto případě je to velice chytré zařízení,“ dodává. Fox apeloval na vládu, aby v připravované legislativě týkající se získávání elektrické energie podpořila společnosti, které působí v oblasti skladová.

Zatím to není příliš efektivní
Fox však také přiznává, že v současné době má technologie skladování energie v kapalném vzduchu jen 25% efektivitu. Avšak již byl podle Foxe vynalezen
způsob, jak využít přebytečný zmražený vzduch ve chvíli, kdy dokončí proces zkapalnění. „Tyto zbytky se proženou třemi nádržemi plnými štěrku. Štěrk dokáže nízkou teplotu udržet, čehož lze opětovně využít při dalším ochlazování. Tím se ušetří další energie a celková efektivita se zvýší na 50 procent,“ tvrdí Fox.

Zástupci společnosti Highview věří, že lze dosáhnout až 70% efektivity. S tím Fox souhlasí. Takového zvýšení je podle nich možné dosáhnout umístěním kryogenerátoru vedle jakékoli průmyslové továrny nebo elektrárny, jež produkují zbytkové teplo, které se v současné době bez jakéhokoli dalšího využití vypouští do atmosféry. Toto teplo pak může „nakopnout“ termální expanzi při zpětném ohřívání vzduchu a tím zesílit energii k pohonu turbín. Teplo na ohřev kapalného vzduchu by tak sice nepocházelo z obnovitelného zdroje, ale z celkového pohledu by to snížilo dopad konvenčních továren a elektráren na životní prostředí.
Dlouhý život tekutého vzduchu
„Baterie mohou mít 80% efektivitu, takže z tohoto pohledu za nimi kapalný vzduch pokulhává. Ale u nás v Británii baterie nevyrábíme. Zkoušíme proto všechno jiné a máme dostatek dobrých inženýrů, aby dokázali uvést do chodu i takovou technologii, s níž přišel Dearman,“ vysvětluje Fox.

Podle něho je výhodou Dearmanovy  technologie dlouhá životnost skladování energie v kapalném vzduchu. Nabízí totiž uchovávání energie po dobu dvaceti let, což je více než dvakrát déle, než nabízejí běžné technologie, které využívají baterie. Je to proto, že zařízení, kterých se ke skladování energie v kapalném vzduchu včetně kryogenické lednice, nádrže na uskladnění (vakuová termoska), turbíny a potrubí užívá, mohou vydržet právě dvě dekády, jsou-li kvalitně vyrobena. Životnost baterií mají výrobci mnohem méně pod kontrolou, zatímco lednici mohou vyrobit tak, aby vydržela pět, ale také třicet pět let.

Dvě mouchy jednou ranou

Odborníci z Institutu mechanického inženýrství říkají, že jednoduchost a elegantnost skladování energie jsou tak lákavé právě proto, že neřeší jen samotné skladování energie, ale i další problém, jímž je využívání odpadního průmyslového tepla.

Petera Dearmana úspěch jeho myšlenek těší: „Pracoval jsem na tom s přestávkami téměř padesát let. Nenacházím slova, kterými bych popsal, co cítím, když vidím, co se dneska děje s mými nápady.“

Zdroj: Priorita 01/2013 (SFŽP)