Energetická krize buší na dveře stále důrazněji, přesto si zatím jen málokdo uvědomuje skutečnou podstatu nadcházejících trablů. Problém totiž není ani tak v nedostatku energetických zdrojů, jako spíš v tom, že tuto energii neumíme efektivně skladovat. Přitom by stačilo tak málo: mít účinný, levný, lehký a ne moc velký akumulátor.
Dnes musí dnem i nocí běžet problematické elektrárny, krajinu omotávají drahá vedení a nezanedbatelná část výkonu se přitom ztrácí v rozvodech. Přitom kolem nás slunce nabízí mnohonásobně víc energie, než potřebujeme. Kam by však šlo tuto energii ze dne na noc, z léta na zimu, nebo z místa výroby pod kapotu automobilu na libovolně dlouhou dobu uskladnit?
Co se změnilo od 19. století?
Skvělou budoucnost elektrické energii předpovídal ve svých románech už Jules Verne. V 19. století se to zdálo naprosto jasné, žádný jiný pohon není tak čistý, tichý, účinný a výkonný. Dokáže dokonce pracovat bez přítomnosti vzduchu.
Přesto nakonec zvítězily hlučné spalovací motory, které spotřebovávají atmosférický kyslík a vypouštějí jedovaté zplodiny. Důvod je jediný, ani po půldruhém století usilovného výzkumu se nepodařilo najít dostatečně levný, lehký a silný zdroj elektrického napětí.
Princip baterií a akumulátorů se nezměnil od doby, kdy Alessandro Volta sestavil první článek a znásobil jeho sílu uspořádáním do série. Stejně jako tehdy se i v nejmodernějších olověných, niklmetalhydridových či li-ionových akumulátorech ukládá energie v podobě chemické vazby. Dokonce i palivový článek není nic jiného než klasický elektrochemický článek, jen s tím malým rozdílem, že pracovní látky jsou do něj průběžně dodávány z vnějšku. Účinnost chemických článků není nijak skvělá, mají malou životnost, jsou závislé na pracovní teplotě a oplývají celou řadu dalších nectností.
Vyrobte si superbaterii!
„Škoda, že prostě nejde elektřinu nalít do nádrže jako benzín,“ povzdechl si asi nejeden konstruktér elektromobilů i dalších mobilních zařízení. Ve skutečnosti ale tahle cimrmanovsky naivní úvaha vůbec není tak prostoduchá, jak vypadá.
Všimli jste si, že když napájecí zdroj notebooku nebo jiného zařízení odpojíme od sítě, indikační LED (light emitting diode – svítící diody) v jeho pouzdře ještě nějaký čas svítí? Četli jste varování před úrazem hrozícím při demontáži televizoru i po jeho odpojení od sítě? Obojí má na svědomí běžná elektronická součástka zvaná kondenzátor. Právě ta je schopna v sobě elektřinu uchovat!
Že to funguje skoro stejně rychle a jednoduše, jako když se do sklenice nalije voda, se může každý přesvědčit jednoduchým pokusem. Když kontakty baterie spojíme s vývody kondenzátoru o velké kapacitě, po odpojení s ním můžeme na chvíli rozsvítit malou žárovku, nebo na delší dobu vhodnou LED. Rychlost a snadnost nabití i „vylití“ elektřiny vyplývá ze skutečnosti, že v kondenzátoru nemá podobu energie chemické vazby, ale elektrického náboje.
Jak skladovat elektřinu?
Výhody oproti klasickým článkům jsou na první pohled patrné: vysoká účinnost, krátká doba nabíjení, schopnost okamžitě podat plný výkon, odolnost proti přebíjení i extrémnímu vybíjení, životnost počítající se na desítky let, odolnost vůči otřesům, teplotě a dalším vnějším vlivům, nesrovnatelně větší počet nabíjecích cyklů atd. Háček je jen jeden, zato pořádný, běžné kondenzátory mají pro „skladovací“ účely příliš malou kapacitu.
Není přitom bez zajímavosti, že už na úsvitu věku elektřiny se pro její ukládání používaly právě kondenzátory. V druhé polovině 17. století se německý filozof a matematik Gottfried Willhelm Leibniz věnoval pokusům se sirnou koulí, kterou používal jako kondenzátor statické elektřiny získané třením.
V polovině 18. století sestrojil Pietter van Musschenbroek z holandského města Leiden tzv. leydenskou láhev, účinný kondenzátor, v němž šlo „skladovat“ statickou elektřinu. Pokusy s tímto zařízením se tehdy staly v odborném světě módou. Odzvonilo jim teprve po roce 1800, kdy Alessandro Volta sestrojil chemickou baterii – Voltův sloup. Ten dával lepší výsledky a kondenzátory postupně „degradovaly“ na prvky elektronických obvodů. Není však vyloučeno, že jejich návrat ke slávě zase začíná, protože výhody kondenzátorů při uskladňování elektrické síly jsou v době sílící energetické krize příliš lákavé.
Přichází éra superkondenzátorů?
Klasické kondenzátory se jako akumulátor z mnoha důvodů nehodí, už dnes se ale začíná stejný princip využívat u takzvaných ultrakondenzátorů. Nejde o nic jiného, než o jakési superkondenzátory s podstatně vyšší kapacitou. Stejně jako běžný kondenzátor se skládá z vodivých polepů (elektrod) a nevodivé vrstvy (dielektrika), která je odděluje a zabraňuje tak vybití náboje na elektrodách.
V tomto případě ale jsou „polepy“ tvořeny speciálně upraveným pórovitým uhlíkem, jehož vnitřní povrch má plochu stovky až tisíce čtverečních metrů v jednom gramu. Oproti stovkám mikrofaradů u běžných kondenzátorů zde kapacita dosahuje tisíců faradů, přičemž hustota energie je desetkrát až stokrát vyšší než u olověných akumulátorů. Použité suroviny jsou ekologicky nezávadné a počet nabíjecích cyklů se počítá ve statisících až milionech. Životnost je tedy podstatně delší než vydrží většina zařízení, které mají napájet.
„Je to velmi zelená forma uskladnění energie,“ konstatuje Bobby Maher z firmy Maxwell Technologies, která se výrobou ultrakondenzátorů zabývá.
Když baterie nestačí…
Naproti tomu množství ampérhodin zatím nedosahuje hodnot běžných u tradičních akumulátorů, především ale při stejné velikosti dokáží pojmout asi 25krát méně energie než li-ionový článek. Navíc jsou i dost drahé.
Malé ultrakondenzátory se proto používají zejména pro zálohování zdrojů v počítačích a dalších elektronických zařízeních. První ultrakondenzátor vyrobila firma General Electronics už roku 1957, skutečný rozmach ale začal až v posledních letech.
Obzvlášť skvělá budoucnost je předpovídána velkým ultrakapacitorovým jednotkám zejména v elektromobilech a v hybridních automobilech. Jejich vlastnosti je předurčují především pro pokrytí špičkového výkonu při startu, prudké akceleraci, při jízdě v těžkém terénu nebo stoupání. Tehdy totiž běžný zdroj energie (baterie, palivový článek atd.) nestačí. Zlepšují také energetickou bilanci elektromobilu či hybridního vozu tím, že ukládají elektřinu vyráběnou při brždění.
Zatímco nabíjení běžných baterií takto vytvořenou energií by bylo neefektivní, ultrakondenzátory jsou pro tento účel jako stvořené. Díky kompaktní konstrukci jimi navíc lze vyplňovat i ta místa konstrukce automobilů, která jsou dnes nevyužita.
Šance v unikátním materiálu
Zatím tedy musí ultrakondenzátorové baterie často pracovat v tandemu s jinou „úschovnou“ energie. Mnozí vědci ale doufají, že jim toto nedůstojné postavení nezůstane věčně.
Pokud by se při přijatelné ceně podařilo zvýšit energetickou hustotu na úroveň nejlepších dnešních akumulátorů, jejich vlastnosti by z nich dělaly nejen ideální zdroj pro elektromobily a další mobilní systémy, ale i pro uskladňování přebytků z alternativních zdrojů. Tím by odpadl jeden z největších problémů solární energetiky. Stačí si uvědomit, že na střechu každého domu dopadne za rok víc sluneční energie než jeho obyvatelé dokáží spotřebovat. O větru, který se zbůhdarma prohání kolem snad ani není třeba mluvit…
Potíže dnešních ultrakondenzátorů má na svědomí hlavně skutečnost, že póry v uhlíku jsou nestejnorodé a stále ještě zbytečně velké. Současný výzkum se ubírá vytvořením elektrod z uhlíkového aerogelu, unikátního materiálu s obrovským vnitřním povrchem. Na tomto principu již firma Cooper Electronic Technologies vyrobila baterie, jejichž hustota energie se blíží lithiovým článkům. Pro nízké napětí jsou zatím vhodné jen pro elektroniku, další vývoj by ale měl vést i k bateriím do elektromobilů a hybridních vozů.
Baterie z nanovláken
Možnosti dalšího zlepšení kapacity ale nabízejí zejména nanotechnologie. Pórovitý uhlík by mohla nahradit jakási plástev, sestavená z obrovského množství uhlíkových nanotrubic, jejichž průměr představuje desetitisíciny průměru lidského vlasu. Díky tomu patrně půjde skladovat elektřinu doslova na atomové úrovni, a tak docílit kapacitu srovnatelnou s nejlepšími chemickými akumulátory, nebo i větší, při podstatně nižší hmotnosti.
Tuto myšlenku v současnosti rozvíjí několik předních vědeckých pracovišť. Patrně nejdál je skupina odborníků z proslaveného amerického Massachusetts Institute of Technology (MIT). Snaží se uspořádat uhlíkové nanotrubice do rovnoběžně uspořádaných „pláství“ a získat tak v malém objemu obrovský vnitřní povrch.
„Tato konfigurace umožní získat superkondenzátory se stejnou nebo ještě věší hustotou energie, jakou disponují dnešní běžné baterie, “ konstatuje Joel E. Schindall, profesor na katedře elektroinženýrství a počítačů MIT.
V současnosti ale není problém ani tak technický, jako spíš ekonomický. Nanomateriály jsou totiž stokrát až tisíckrát dražší než suroviny pro elektrody současných ultrakondenzátorů. Vědci z MIT ale věří, že čas, kdy kondenzátorová baterie z nanovláken bude stejně drahá jako dnešní běžné články, jednou přijde.
Princip ultrakondenzátoru
Ultrakondenzátorová technologie je natolik nová, že se ještě nevžilo jednotné označení, a tak se můžeme setkat i s pojmy jako ultrakapacitor, superkondenzátor, pseudokondenzátor, dvouvrstvový kondenzátor a podobně.
Pracuje na stejném principu jako klasický kondenzátor, kde vrstva nevodiče mezi dvěma vodivými vrstvami umožňuje vznik trvalého elektrického pole. Kapacita závisí na ploše elektrod a vlastnostech i tloušťce nevodivé vrstvy. Ultrakondenzátor má proto vodivé vrstvy (tzv. aktivní elektrody) z pórovitého uhlíku s obrovským vnitřním povrchem, dutiny jsou zaplněny elektrolytem. Mezi oběma elektrodami je navíc velmi tenká oddělující vrstva (separátor). Po přivedení napětí se v elektrolytu oddělí elektrony od kladných iontů, přičemž tyto náboje putují ke „své“ elektrodě s opačným znaménkem. Na stěnách dutin uhlíkových elektrod tak vzniknou dvě velmi rozlehlé nevodivé vrstvy s příznivými vlastnostmi. To vede k dosažení kapacity o jeden až dva řády vyšší než u klasických kondenzátorů.
Porovnání vlastností
olověný článek ultrakondenzátor kondenzátor
nabíjecí čas: 1-5 hod 0,3-30 s 0,001 až 0,000001 s
hustota energie (Wh/kg): 10-100 1-10 pod 0,1
počet nabíjecích cyklů: 1000 přes 500 000 přes 500 000
spec. hmotnost (W/kg): přes 1000 přes 10 000 přes 100 000
účinnost: 0,7-0,85 0,85-0,98 přes 0,95
Dnešní běžné typy akumulátorů
• Olověné
Předností je velký výkon, spolehlivost a nízká cena, nedostatkem nízká hustota energie (přibližně 50 Wh/kg), citlivost na nízké teploty, malá životnost.
• Niklkadmiové
Vyšší hustota energie a životnost než u olověných akumulátorů. Kadmium je těžký toxický kov s negativním dopadem na životní prostředí
• Niklmetalhydridové
Lepší parametry než olověné a niklkadmiové, nevýhodou je silný paměťový efekt (jev, při kterém po neúplném vybití poklesne kapacita) a samovybíjení.
• Li-ionové
Velká hustota energie, dobrá efektivnost a životnost, nízké samovybíjení, není paměťový efekt. Nevýhodou je především vysoká cena, takže se zatím uplatňují téměř výhradně jen v elektronice (kamery, fotoaparáty, mobilní telefony, notebooky atd).
• Palivové články
Vedle obtížně skladovatelného vodíku dokáží efektivně využívat i jiné uhlovodíky, například paliva biologického původu. K nevýhodám patří především vysoká cena, nutnost pracovat při vysoké provozní teplotě, nižší životnost a mechanická odolnost, nutnost odvádět zplodiny procesu.
