Při pohledu na nádrž s etanolem v americkém automobilu se často mluví o obnovitelných zdrojích energie. To, co se však málokdy přizná, je proces jeho výroby. Většina z více než 200 závodů na výrobu ethanolu v USA stále využívá k ohřevu kukuřice spalování zemního plynu. Tento proces se však právě zásadně mění. V Big Stone City v Jižní Dakotě byl právě spuštěn systém, který funguje jako obří elektrický toster – využívá více než 200 modulů s uhlíkovými bloky, které se zahřívají na 2 400 °C, aby uložily přebytečnou větrnou energii jako teplo.
Tento projekt představuje jeden z největších projektů pro ukládání energie jakékoliv kindy na světě. Společnosti POET a Antora Energy oznámily, že jejich 5 gigawatthodná tepelná baterie již začala dodávat energii do bioprocessingového závodu. Namísto klasických chemických procesů využívá systém prostě jen pevnou uhlíkovou hmotu, která dokáže udržet teplo po několik dní.
Jak funguje „obří toster“ z uhlíku?
Základní princip je fascinující svou jednoduchostí. Antora Energy využívá metodu odporového ohřevu, která je velmi podobná tomu, jak funguje topinkovač nebo ohřívací element v elektrickém ohřívači. Když je v síti k dispozici levná a nadbytečná elektřina (například z větrných turbín), proud protéká skrze bloky pevného uhlíku. Tím se uhlík zahřeje na extrémní teplotu až 2 400 °C, což je stav, kdy materiál začne zářit jasným bílým světlem, podobně jako tekutá láva.
Uhlík je pro tento účel ideální z několika důvodů:
- Vysoká teplotní odolnost: Uhlík zůstává pevný až do teplot přes 3 000 °C, což je zhruba dvojnásobek teploty tání oceli.
- Rychlá tepelná vodivost: Umožňuje rychlé nabití baterie.
- Schopnost držet teplo: Bloky dokážou akumulovat energii a uvolňovat ji postupně po dobu několika dní, což řeší problém s nestabilitou obnovitelných zdrojů.
Celý systém se skládá z více než 200 modulárních jednotek vyrobených v gigafactory společnosti Antora v San Jose, Kalifornie. Celý proces od prázdného pozemku až po první dodávky energie trval méně než 12 měsíců.
Proč zvolit uhlík místo lithia?
V době, kdy se svět soustředí na lithium-iontové baterie, Antora Energy nabízí odlišný směr. Hlavním argumentem je cena a dostupnost. Uhlík je čtvrtým nejvíce vyráběným průmyslovým materiálem na planetě a jeho cena je přibližně desetkrát nižší než u lithia.
Dalším klíčovým faktorem je bezpečnost. Na rozdíl od lithium-iontových článků, které mohou trpět termickým runaway (nekontrolovaným tepelným rozvojem a požárem), uhlíkové bloky jsou stabilní. Navíc Antora uvádí, že jejich systém má životnost přes 20 let bez degradace kapacity při nabíjení a vybíjení, což je u chemických baterií velkým problémem.
Z hlediska dodavatelského řetězce jde o strategickou výhodu. Zatímco lithium vyžaduje těžbu vzácných minerálů často v problematických regionech světa, uhlík lze získat z běžných průmyslových procesů a využít materiály dostupnější lokálně. To zvyšuje energetickou bezpečnost regionu.
Řešení problému s přebytkem větrné energie
Jedním z největších problémů obnovitelných zdrojů je tzv. curtailment, neboli omezení výroby. Dochází k němu v okamžicích, kdy větrné turbíny vyrábějí více elektřiny, než je síť schopna spotřebovat, a tato energie se musí prostě „vyhodit“.
Projekt v South Dakotě využívá speciální tarifní model ve spolupráci s dodavateli elektřiny Otter Tail Power. Baterie se tak nabíjí v hodinách, kdy je větrná energie nejlevnější a nadbytečná. Tím, že systém „nasaje“ tento přebytek, pomáhá stabilizovat síť a zároveň snižuje náklady na výrobu biopaliv.
Tento model je však aplikovatelný mnohem šířeji. Průmyslové teplo představuje zhruba dvoutřetininu globálních emisí uhlíku, protože většina továren, pecí a kotlů stále spaluje fosilní paliva. Pokud dokážeme ukládat vítr nebo slunce jako teplo o teplotě tisíců stupňů, můžeme dekarbonizovat i ty nejnáročnější odvětví, jako je výroba cementu či oceli.
Technologie TPV: Elektřina ze světla
Ačkoliv je primárním účelem dodávat teplo přímo do procesu (např. pro výrobu páry v ethanolovém závodě), systém má i druhou schopnost. Pomocí technologie thermophotovoltaics (TPV) lze přebytečné teplo přeměnit zpět na elektřinu.
Princip spočívá v tom, že modifikované fotovoltaické články zachycují infračervené záření emitované žhavým uhlíkem. Je to podobné jako u solárních panelů, ale místo slunečního světla využívají zářící materiál. I když je přeměna tepla zpět na elektřinu méně efektivní než přímé využití tepla, představuje to flexibilní nástroj pro budoucí energetické sítě.
V porovnání s jinými technologiemi, jako jsou například finské „pískové baterie“, které pracují s teplotami kolem 500–600 °C pro vytápění měst, je Antora Energy schopna dosáhnout mnohem vyšších teplot. To otevírá dveře k využití v těžkém průmyslu, který vyžaduje extrémní teplo, nikoliv jen teplou vodu.
Jak se z tohoto tepla zpět vytvoří elektřina?
K tomu slouží technologie termofotovoltaiky (TPV). Články fungují podobně jako solární panely, ale místo slunečního světla využívají intenzivní infračervené záření, které vyzařuje uhlíkový blok při teplotě 2 400 °C.
Je systém bezpečný, když pracuje s tak extrémními teplotami?
Ano, na rozdíl od lithia je uhlík velmi stabilní. Nemůže dojít k chemickému požáru (thermal runaway). Celý systém je navržen jako uzavřené modulární jednotky, které jsou odolné vůči vysokým teplotám a fungují bez pohyblivých částí.
Může se tato technologie využít i v průmyslu mimo výrobu biopaliv?
Určitě. Díky schopnosti dosáhnout teplot přes 2 000 °C je ideální pro dekarbonizaci těžkého průmyslu, jako je výroba cementu, skla nebo oceli, kde je potřeba vysokoteplotní teplo, které nelze snadno nahradit elektřinou.
