Zatímco dnes si představujeme elektrárny jako mohutné budovy s komíny či chladícím věžemi, naše děti si možná pod tímto výrazem spíše představí něco zcela jiného.
Energetický systém prakticky všech zemí světa prochází radikální změnou, jak se zvyšuje podíl obnovitelných zdrojů na úkor fosilních paliv. Zatímco v první dekádě roku 2000 došlo k obrovskému nárůstu výroby elektřiny ze zemního plynu a rok 2010 byl dekádou větrné a solární energie, první náznaky naznačují, že inovace v roce 2020 může být boomem „hybridních“ elektráren.
Typická hybridní elektrárna kombinuje výrobu elektřiny s bateriovým úložištěm na stejném místě. To často znamená solární nebo větrnou farmu spojenou s velkokapacitními bateriemi. Společná práce solárních panelů a bateriového úložiště může vyrábět obnovitelnou energii, když je sluneční energie během dne na vrcholu, a pak ji podle potřeby uvolňovat po západu slunce.
Pohled na připravované projekty v oblasti energetiky a skladování energie nabízí pohled na budoucnost hybridní energetiky. Například tým z Lawrence Berkeley National Laboratory spočítal, že o připojení k síti ve Spojených státech požádaly výrobní a bateriové projekty o celkovém výkonu 1 400 gigawattů. To je více, než kolik činí celkový výkon všech stávajících elektráren v USA dohromady. Největší skupinu nyní tvoří solární projekty a více než třetina těchto projektů je takzvaně „hybridních“: to jednoduše znamená, že zahrnují jak výrobny energie (solární články) a bateriové úložiště.
„Hybridní“ elektrárny nabízejí řadu výhod, zároveň ovšem samozřejmě jejich existence vyvolávají otázku, jak by měla elektrická síť fungovat, a jak bychom ji měli provozovat.
Proč jsou hybridy populární
S rozvojem větrné a solární energie začínají mít tyto technologie velký vliv na rozvodnou síť. Zajímavý je americký příklad, protože zahrnuje celou řadu různých trhů s různými podmínkami a politickými tlaky, a přitom společným rámcem. V pevně demokratické Kalifornii již solární energie má více než 25procentní podíl na roční výroby elektřiny a její podíl se rychle zvyšuje i v dalších státech, jako je Texas, Florida a Georgia. Ve státech „větrného pásu“, od Dakoty po Texas, došlo k masivnímu rozšíření větrných turbín, přičemž Iowa nyní získává většinu své energie z větru.
Tento vysoký podíl obnovitelné energie vyvolává otázku: Jak integrovat obnovitelné zdroje, které v průběhu dne vyrábějí velké, ale proměnlivé množství energie? Zde přichází na řadu skladování. Ceny lithium-iontových baterií v posledních letech rychle klesly, protože se zvýšila jejich výroba pro trh s elektromobily. I když existují obavy z budoucích problémů v dodavatelském řetězci, konstrukce baterií se bude pravděpodobně také vyvíjet.
Kombinace solární energie a baterií umožňuje provozovatelům hybridních elektráren dodávat energii ve špičce, tedy v „nejdražších“ hodinách, kdy je poptávka nejsilnější. To může být například v letních odpoledních hodinách a večer, kdy klimatizace běží na plné obrátky. Baterie také pomáhají vyrovnávat výrobu z větrné a solární energie, „vyhladit“ špičky poptávky a ukládají přebytečnou energii, která se jinak nevyrobila, či by se případně bez užitku vypouštěla do země.
Jaká je situace? Na konci roku 2020 bylo v USA v provozu 73 solárních a 16 větrných hybridních projektů. Jejich celkový maximální výkon je zhruba 2,5 gigawattů, maximální výkon baterií je zhruba 0,45 gigawattů (tedy 450 MW, což je výkon několika uhelných bloků).
Ovšem trh s těmito elektrárnami v posledních letech doslova explodoval, a počet podaných žádostí prudce roste. Do konce roku 2021 požádalo o schválení připojení k síti více než 675 gigawattů navrhovaných solárních elektráren, přičemž více než třetina z nich byla spojena s úložištěm. „Ve froně“ bylo pak dalších 247 gigawattů výkonu ve větrných elektrárnách. Z nich zhruba 19 gigawattů, tedy asi 8 % z nich, bylo hybridních.
Žádost o připojení je samozřejmě pouze jedním z kroků při vývoji elektrárny. Developer potřebuje také dohody o pozemcích a komunitách, smlouvu o prodeji, financování a povolení. V praxi to znamená, že do komerčního provozu se v USA v letech 2010-2016 dostala pouze přibližně jedna ze čtyř nových elektráren, která si požádala žádost o připojení. Jak ovšem vidno, zájem o hybridní elektrárny velmi silně roste.
Interpretaci situace poněkud komplikuje skutečnost, že v některých amerických státech, jako je Kalifornie, jsou baterie pro nové solární developery v podstatě nebyztností. Vzhledem k tomu, že solární energie velmi často tvoří většinu ten den vyrobené energie, budování pouze dalších solárních panelů nedává velký obchodní smysl. V současné době je tak 95 % všech navrhovaných velkých plánovaných solárních projektů ve frontě v Kalifornii vybaveno bateriemi.
Otázky do budoucna
Když odborníci z Berkley analyzovali tržní data, své závěry shrnuli do deseti jednoduchých bodů:
Investice do baterií se v mnoha oblastech Spojených států dnes již vyplatí. Autoři analýzy dospěli k názoru, že přidání baterií do solární elektrárny sice zvyšuje cenu, ale zároveň zvyšuje hodnotu vyráběné energie. Umístění výroby a skladování na stejném místě může přinést výhody v podobě daňových úlev, úspory stavebních nákladů a provozní flexibility. Při pohledu na potenciál příjmů v posledních letech a s pomocí federálních daňových úlev se zdá, že přidaná hodnota ospravedlňuje vyšší cenu.
Společné umístění znamená také kompromisy. Větrná a solární energie se nejlépe uplatní tam, kde jsou větrné a solární zdroje nejsilnější, ale baterie poskytují největší hodnotu tam, kde mohou přinést největší výhody pro síť, například vyrovnávání špiček ve spotřebě. To znamená, že při výběr nejlepšího umístění s nejvyšší hodnotou je v řadě případů nezbytně kompromisem mezi dvěma odlišnými požadavky. Federální daňové úlevy, na které investoři mohou dosáhnout pouze v případě, že budují baterie společně se solárními panely, mohou v některých případech vést k neoptimálním rozhodnutím.
Neexistuje jediná nejlepší kombinace, tedy třeba nejlepší poměr výkonu panelů ke kapacitě, či výkonu baterie. Hodnota hybridní elektrárny je částečně určena konfigurací zařízení. Větší baterie určuje, jak dlouho do večera může elektrárna dodávat energii. Hodnota noční energie však závisí na místních tržních podmínkách, které se v průběhu roku mění.
Pravidla trhu s elektřinou se musí vyvíjet. Hybridy se mohou účastnit trhu s elektřinou jako jedna jednotka nebo jako samostatné subjekty, přičemž solární výrobna a bateriové úložiště se na trhu pohybují a jednají nezávisle na sobě. Hybridy mohou být také buď prodejci, nebo odběrateli energie, případně obojí. To může být komplikované. Pravidla pro účast hybridů na trhu se stále vyvíjejí a provozovatelé elektráren mohou experimentovat s tím, jak své služby prodávají.
Malé hybridy vytvářejí nové příležitosti. Hybridní elektrárny mohou být také malé, například solární a bateriové v domácnosti nebo podniku. Takové hybridy se na Havaji staly standardem, protože solární energie nasycuje rozvodnou síť. V Kalifornii se zase odběratelé potýkají s častými odstávkami energie během období zvýšeného rizika lesních požárů – některá velkokapacitní vedení se totiž vypínají v rámci prevence požárů. Stále není jasné, jak by tyto hybridy „za elektroměrem“ měly být oceňovány, a jak mohou přispět k provozu sítě.
Hybridy jsou teprve na začátku své cesty, jejich vývoj ještě zdaleka není u konce. Jejich podobu bude ještě měnit další technologických vývoj, výsledky praktického experimentování. Přesto se zdá stále jasnější, že elektrárny budoucnosti budou „pod obojí“.
Netradiční řešení nebo nesmysl?
„Hybridní“ elektrárny kombinující obnovitelné zdroje energie s bateriemi lze dnes považovat v podstatě za nepříliš inovativní koncept. Rozhodně v jejich případě lze ještě leccos zlepšovat, ovšem samotná technologie staví na metodách, které v praxi používají už desetiletí. V bouřlivé době se ovšem řada firem či výzkumných týmů pokouší trh a investory přesvědčit, že je čas na mnohem nezvyklejší řešení.
Objevuje se tak celá řada řešení, které mají někdy zajímavý potenciál, ve většině případů ovšem nejspíše skončí ve slepé uličce. Izraelský kibuc Yahel nedaleko Rudého moře používá k levnému ukládání sluneční energie vzduchové baterie. Technologie dostala chytlavý marketingový název AirBattery. Přebytečná energie ze solárních panelů vyrábí přes den páru, jež se ukládá v podzemních nádržích a po západu slunce pohání turbíny, které vyrábějí elektřinu.
Relativně tenkou ocelovou nádrž se speciálním polymerovým obložením lze umístit přímo u zdroje energie, a tím pádem za nižší cenu. AirBattery dosahují oproti lithium-iontovým bateriím sice jen 80procentní účinnosti, která ale vlivem jejich stárnutí neklesá.
Klesat by naopak s rozšiřováním výroby měla cena, která je už dnes s fotovoltaikou srovnatelná. Společnost Augwind Energy, která technologii AirBattery rozvíjí, získala od investorů 60 milionů USD a během několika příštích let chce nainstalovat tisíce MWh kapacity.
Několik firem, například americký start-up Ubiquitous Energy, chce opatřit okna mrakodrapů fólií, která obsahuje průhlednou fotovoltaiku. Povlak má tloušťku několika nanometrů, vyrobenou elektřinu odvádí systém drobných drátků. Solární okna chce firma s tržbami přes tři miliardy amerických dolarů, která se zabývá aplikacemi ve spotřební elektronice, automobilech a zemědělství, začít ve velkém vyrábět do konce roku 2023.
Cena takto upraveného skla by měla být údajně zhruba o třetinu vyšší než v případě běžného skla a energetická účinnost nižší než u tradičních solárních panelů. Firma ale přesto věří v jeho masivní rozšíření a do roku 2050 chce mít celosvětově nainstalovaných 100 milionů čtverečních metrů solárního okenního skla.
Britský gigant BP hodlá využít městské budovy jako „virtuální elektrárny“ (což je další velký trend na energetickém trhu). Ve spojení s americkou technologickou společností Blueprint Power chce majitelům komerčních budov umožnit, aby prodávali přebytečnou energii uloženou v bateriích nebo vyrobenou na střechách pomocí solárních panelů a vytvářet virtuální elektrárny s vysokým výkonem i flexibilitou.
Blueprint Power už spolupracuje s pěti největšími newyorskými vlastníky komerčních nemovitostí, kteří disponují asi 10 miliony čtverečních metrů zastavěné plochy a již dnes generují 13 MW obnovitelné energie. Do konce roku 2022 by BP chtěla disponibilní výkon téměř ztrojnásobit na 36 MW. Demonstrační projekt v městské čtvrti Queens v New Yorku, jehož součástí bude i 150 nabíjecích stanic pro elektromobily, má i významný ekologický rozměr. S provozem městských a komerčních nemovitostí je totiž spojeno až 28 % celosvětových ročních emisí skleníkových plynů.
„Virtuální elektrárny“ se na rozdíl od jiných příkladů v tomto krátkém, nereprezentativním výčtu nepochybně ještě dočkají dalšího rozšíření. Podobné systémy nabízí vícero firem, za všechny jmenuje například Siemens.
To nápad společnosti DST Innovation z Walesu to bude mít s větším rozšířením těžší. Tato společnost připravuje výstavbu celého „zeleného města“, jehož součástí bude kromě solárních elektráren i přílivová elektrárny v Bristolském zálivu u Swansea ve Velké Británii.
Mezinárodní konsorcium vedené zmíněnou DST Innovations hodlá údajně investovat 2,2 miliardy amerických dolarů (cca 50 miliard korun) do stavby energeticky plně autonomního města nazvaného Blue Eden. Součástí jeho infrastruktury by údajně měla být přílivová elektrárna využívající mořských proudů. Její výkon by měl dosáhnout až 320 MW.
Ve městě by měl stát mimo jiné i závod na výrobu high-tech baterií, plovoucí solární elektrárna s plochou 72 tisíc metrů čtverečních a datové centrum o rozloze 94 tisíc metrů čtverečních. V plánu je výstavba výzkumného centra pro oceány a změnu klimatu a přibližně 150 ekologických domů ukotvených ve vodě. První práce na výstavbě Blue Eden mají odstartovat začátkem roku 2023, tak brzy uvidíme, jak moc se velkolepé sliby podaří ve skutečnosti naplnit.
