![Nazeleno.cz – úspory energie, izolace, zdravý životní styl, biopotraviny, ekologie [logo]](/img/nazeleno-logo.gif){kind=logo}
Levný způsob skladování energie: Řešení pro fotovoltaiku
Jak souvisí fotosyntéza se skladováním elektrické energie? Podaří se realizovat projekt osobních elektráren, které jsou postaveny na katalyzátoru z kobaltu a fosfátu a neslibují nic menšího než úplnou nezávislost na elektrické síti?
03. 03. 2011 | Jan Kozderka
Ve zkratce:
K uložení energie by byla elektřina v elektrolyzátoru použita na rozložení vody na vodík a kyslík, které by uživatel skladoval zvlášť. Tím by se energie uchovávala v chemické vazbě. Jakmile by elektřinu uživatel znovu potřeboval, pustil by vodík a kyslík do palivového článku, ve kterém by se sloučily na vodu a vytvořily tak opět elektrický proud.Když Daniel Nocera z MIT (Massachusetts Institute of Technology) v roce 2007 oznámil, že se jeho týmu podařilo rozklíčovat fotosyntézu, nejen odborníci v oboru alternativních energií zpozorněli: znamenalo by to totiž, že největší problém alternativních zdrojů energií – skladování vyrobené energie – by byl vyřešen. Jinak řečeno, kombinací solárních a palivových článků by bylo možné vytvořit „osobní elektrárnu“, malý a levný systém, který by podle potřeby vyráběl elektrickou energii mimo cyklus uhlíku. Co se od té doby událo? Blíží se nějaké praktické využití tohoto objevu?
„Napodobení fotosyntézy umožní výrobu a skladování elektrické energie bez znečišťování atmosféry CO2.“
Nejprve si spotřebu energií dejme do perspektivy. V roce 2009 byl celosvětově spotřebovávaný elektrický výkon
12,5 TW, minulý rok to bylo 13,6 TW. Někteří odborníci odhadují, že pokud udržíme současný ekonomický růst, budeme v roce 2050 potřebovat 30 TW. Zatím je většina energie kryta z fosilních (neobnovitelných) zdrojů, jako je uhlí, ropa nebo zemní plyn.
Nazeleno doporučuje |
– Odsolování vody |
Když bychom pěstovali biomasu na veškeré obdělatelné půdě na planetě, na které se nepěstuje jídlo, její energetický výkon by byl pouze 5–7 TW. Vodní elektrárny se v současné době podílejí na výkonu zhruba 0,8 TW s technicky dosažitelným maximem 1,6 TW. Výkon větru do deseti metrů nad zemí má teoretické maximum 2 TW, do 100 metrů nad zemí 6 TW. A jádro? Na vytvoření výkonu například 8 TW by se musel po čtyřicet let každý druhý den spustit jeden blok Temelína.
Oproti tomu prakticky využitelný energetický výkon slunce je 800 TW. Technologie na zachycování slunečního záření se neustále vyvíjejí, doposud však zůstává jeden zásadní problém – jak energii skladovat?
Energetická hustota jako výhoda fosilních paliv
Obrovskou výhodou fosilních paliv, která jsou jistou formou skladování sluneční energie, jakousi sluneční konzervou, je jejich velká energetická hustota. Energie je uchovaná v chemické vazbě, a tak tekutá paliva mají hustotu přibližně 44 MJ/Kg (38 MJ/litr).
Nejlepší olověné baterie mají hustotu 0,17 MJ/Kg, nejlepší Li-ionové 0,72 MJ/Kg. Navíc potíž s bateriemi je a vždy bude v tom, že elektrony, o jejichž skladování ve své podstatě jde, mají stejný elektrický náboj, proto se odpuzují a tak se jich do prostoru dá natěsnat jen poměrně malé množství. Kouzlo chemické vazby je právě v tom, že se elektrony spárují.
V roce 2009 dosáhla celosvětová spotřeba elektřiny 12,5 TW, minulý rok to bylo 13,6 TW
Zde se dostává ke slovu vodík, který má v plynném skupenství při tlaku 700 barů energetickou hustotu 143 MJ/Kg (5,6 MJ/L). Tím se už fosilním palivům konkurovat dá. Je to nejběžnější prvek ve vesmíru a je součástí každé molekuly vody. A každá rostlina je schopná oddělit atom vodíku z molekuly vody pomocí fotosyntézy.
Jak funguje fotosyntéza?
O tom, jak fotosyntéza v principu funguje, se vědělo již dávno. V první fázi sluneční paprsky rozbijí molekulu vody na kyslík, který rostlina vypouští do ovzduší, a vodík ve formě sloučeniny zvané NADPH. Ve druhé fázi dojde za pomoci CO2 k přeměně NADPH na karbohydráty, neboli cukry – tedy látky, jejichž energii živočichové využívají k pohonu svých tělesných schránek, případně po zkvašení cukrů k pozvednutí nálady, či k útěku od společenských norem. Požitím špenátu i vína nepřímo konzumujeme sluneční světlo.
Co se však nevědělo, bylo, jak přesně k rozbití molekuly vody dochází, protože část rostliny, ve které tento proces probíhá, je zdánlivě složitá. Díky objevu Daniela Nocery se však ukázalo, že složitý je hlavně orgán, který chrání rostlinu proti vysoce reaktivnímu vodíku. Samotná část, která chemické vazby rozbíjí, je jednoduchá, jedná se o krystal ve tvaru kostky, složený z manganu, vápníku a kyslíku. Zcela obyčejný minerál, vlastně kousek kamene.
Princip osobní elektrárny
V roce 2008 Nocerův tým nahradil ve výše zmíněném krystalu prvky kobaltem a fosfátem a vytvořil tak katalyzátor, který za pomocí elektrod z levné slitiny dokáže nízkoenergetické vazby mezi vodíkem a kyslíkem ve vodě přeměnit při dodání elektrické energie na vysokoenergetické vazby mezi atomy kyslíku navzájem a atomy vodíku navzájem. Jeho elektrolyzátor by stál okolo 20 dolarů oproti konkurenci, která nabízí podobné zařízení za 10 až 50 tisíc dolarů.
Stanou se osobní elektrárny běžnou součástí našich životů?
Princip uchovávání energie z fotovoltaiky by vypadal následovně: K uložení energie by byla elektřina v elektrolyzátoru použita na rozložení vody na vodík a kyslík, které by uživatel skladoval zvlášť. Tím by se energie uchovávala v chemické vazbě. Jakmile by elektřinu uživatel znovu potřeboval, pustil by vodík a kyslík do palivového článku, ve kterém by se sloučily na vodu a vytvořily tak opět elektrický proud.
Vodík je velmi výbušný a s jeho skladováním je problém v mobilních aplikacích, jako jsou dopravní prostředky, ale tam, kde není problém s prostorem, je technologie již zralá. Prozatím nejdražší část systému je palivový článek, ale i zde se rýsuje řešení v podobě tzv. Bloomboxu, keramického článku firmy Bloom energy, na jehož vývoji se podílí i český odborník Martin Janoušek.
Výroba elektráren v Indii
Koncem roku 2008 založil Daniel Nocera firmu Sun Catalytix, jejímž cílem je co nejdříve a co nejefektivněji uvést technologii na trh. V průběhu roku 2009 a 2010 firma sbírala peníze a všelijaká ocenění. Začátkem roku 2011 kapitán indického průmyslu a podle časopisu Fortune 23. nejvlivnější podnikatel světa Ratan Tata oznámil finanční injekci do společného projektu ve výši 15 milionů dolarů. První elektrolyzátory by se měly na trhu objevit v roce 2012.
Pokud někoho napadne otázka proč zrovna Indie, jednou z možných odpovědí je fakt, že kromě nízkých nákladů na výrobu dává použití minielektráren největší smysl právě v rozvojových zemích, kde ještě není tolik rozšířená elektrická přenosová soustava. A tak podobně jako osobní počítače vytlačily mainframové, je možné, že se v poměrně blízké budoucnosti dočkáme vytlačení stávající distribuční sítě osobními elektrárnami.
Komentáře ke článku