Betonové koule jako gigantické baterie. Kalifornie je testuje v oceánu

Na dně oceánu probíhá experiment, který může změnit způsob ukládání zelené energie

Obří betonová koule o průměru 9 metrů právě míří pod hladinu – nikoli jako kulisa sci-fi filmu, ale jako prototyp zcela nového typu baterie. Myšlenka se zrodila v německém výzkumném institutu Fraunhofer IEE a testy probíhají v oblasti Long Beach ve Spojených státech. Základní otázka je přitom překvapivě jednoduchá: může se mořské dno stát obrovským, nenápadným úložištěm elektřiny z větru a slunce?

Proč vlastně hledáme nové způsoby ukládání energie z obnovitelných zdrojů

Obnovitelné zdroje energie mají jednu zásadní nevýhodu: vyrábějí elektřinu tehdy, když svítí slunce nebo fouká vítr – ne nutně tehdy, kdy ji nejvíce potřebujeme. Klasické baterie postavené na kovech a složité chemii jsou drahé a náročné na suroviny. Přečerpávací vodní elektrárny zase vyžadují přeměnu celých údolí a naráží na odpor místních komunit.

Inženýři z Fraunhofer IEE dospěli k závěru, že pokud na souši chybí místo nebo společenská akceptace, vyplatí se podívat pod vodu. Moře nabízejí obrovský prostor a tlak ve větších hloubkách lze využít jako bezplatné, přirozené „palivo" pro výrobu energie.

Jak funguje betonová koule-baterie na dně oceánu

Projekt nese název StEnSea a staví na klasické fyzice v překvapivě jednoduchém systému. Celý princip lze shrnout do dvou fází: nabíjení a vybíjení.

• Fáze nabíjení: koule je uvnitř dutá a spočívá v hloubce několika set metrů. Když je v síti přebytek elektřiny z větrníků nebo solárních panelů, čerpadla vytlačí vodu z jejího nitra ven – přičemž překonávají obrovský okolní tlak.
• Fáze vybíjení: jakmile poptávka po energii stoupne, otevřou se ventily a voda pod vysokým tlakem proudí dovnitř, pohání turbínu a generátor. Energie vynaložená na vyčerpání vody se vrací zpět v podobě elektřiny.

Testovaná koule má průměr 9 metrů a váží přibližně 400 tun. Navzdory této hmotnosti je samotná koncepce provozně překvapivě nenáročná – mechanické součásti tvoří především čerpadla, ventily a generátor, tedy technologie dobře známé z jiných energetických instalací.

Odhady výzkumného týmu naznačují, že již několik málo úplných nabíjecích cyklů by mohlo pokrýt roční spotřebu elektřiny průměrné domácnosti.

Životnost systému je navržena na pět až šest desetiletí. Samotný generátor by se měl vyměňovat přibližně jednou za dvacet let, aniž by bylo nutné celou konstrukci vytahovat na povrch – servis se počítá přímo pod vodou.

Hluboké moře místo zaplavených údolí

Klíčem k úspěchu projektu jsou správné podmínky hluboko pod hladinou. Optimální parametry se nacházejí v rozmezí 600 až 800 metrů pod mořskou hladinou. V těchto hloubkách je tlak vody dostatečně vysoký pro efektivní ukládání energie, aniž by bylo nutné nadměrně zesílit stěny koule.

Na rozdíl od přehrad nebo velkých nádrží na souši nevyžadují podmořské instalace přesídlování obyvatel ani změny krajinného rázu. Pobřežní oblasti Norska, Spojených států, Japonska nebo Brazílie jsou pro tento typ energetické infrastruktury obzvláště vhodné – mají strmé podmořské svahy a dostatečné hloubky relativně blízko břehu.

Výzkumníci zdůrazňují, že klasické přečerpávací elektrárny naráží při dalším rozvoji na omezení terénu a protesty ekologů, zatímco prostorový potenciál na mořském dně roste a konflikty s místními obyvateli v praxi mizí.

Beton jako nový domov pro mořský život

Beton si většina lidí představuje jako šedou, mrtvou hmotu. Americký partner projektu, firma Sperra, se to snaží změnit prostřednictvím 3D tisku ve velkém měřítku. Místo hladkých, monolitických ploch inženýři tisknou konstrukce vrstvu po vrstvě a záměrně ponechávají řízenou drsnost povrchu a pórovitost.

3D tisk: koule-baterie jako umělý útes

Textura povrchu je zde naprosto zásadní. Hrubý, členitý povrch s četnými prohlubněmi umožňuje rychlé osídlení:

• mikroorganismů tvořících základ potravního řetězce,
• řas a dalších mořských rostlin,
• korálů a drobných bezobratlých,
• ryb hledajících úkryt a místa k žerování.

Každá koule má fungovat nikoli jako cizí těleso vhozené do ekosystému, ale jako pečlivě navržený útes. Technická dokumentace firmy Sperra uvádí, že podobné struktury již dnes pozitivně ovlivňují biologickou rozmanitost – dřívější pokusy prováděné třeba na Bodamském jezeře ukázaly, že rychlost osídlení nových konstrukcí živými organismy překvapila samotné vědce.

Aktuálně probíhající měření v Kalifornii mají ověřit, zda v otevřeném oceánu probíhá tento proces podobně. Vědci sledují nejen energetickou účinnost, ale také to, jak rychle a v jaké podobě se kolem betonového „bateriového útesu" shromažďuje život.

Jak velká může taková podmořská elektrárna být

Nynější prototyp o průměru 9 metrů je teprve začátek. Tým z Fraunhofer IEE již plánuje konstrukce výrazně většího měřítka – až 30 metrů v průměru. S rostoucí velikostí narůstá vnitřní objem, a tedy i množství energie, kterou lze „uzamknout" v rozdílu tlaků.

V praxi to znamená možnost budovat celé podmořské farmy energetických zásobníků. Desítky koulí rozmístěných ve skupině by mohly spolupracovat s mořskou větrnou farmou nebo rozsáhlou solární instalací na souši. Když výroba překračuje aktuální potřebu, koule se „nabíjejí" – a jakmile přijde bezvětrná noc, dodají energii na pokyn operátora sítě.

Kde má toto řešení největší smysl

Tento typ zásobníků se obzvláště hodí do systémů, které již intenzivně investují do obnovitelných zdrojů. Typické příklady využití zahrnují:

• stabilizaci provozu přímořských větrných farem,
• podporu sítě v oblastech, kde je výstavba nových vysokonapěťových vedení obtížná,
• ukládání energie ze solárních panelů v přímořských regionech,
• výkonovou rezervu pro velké aglomerace ležící blízko pobřeží.

Díky dlouhé životnosti koulí lze i relativně vysoké počáteční náklady rozložit na několik desetiletí provozu. To je zcela odlišný ekonomický model než u klasických baterií, které po deseti až patnácti letech vyžadují výměnu celých modulů.

Co se může pokazit a jaké jsou šance pro střední Evropu

Každá nová technologie přináší otázky. U podmořských betonových sfér jde především o bezpečnost a vliv na mořské ekosystémy. Inženýři musí předvídat následky havárií – například poruchy ventilů nebo netěsnosti. K tomu se přidává problém servisu ve velkých hloubkách, kde každý zásah vyžaduje specializované vybavení a vyškolené týmy.

Je třeba počítat také s interakcemi s rybolovem a lodní dopravou. Rozsáhlá pole koulí-zásobníků nesmí kolidovat s námořními cestami ani s oblastmi intenzivně využívanými rybářskou flotilou. Na to se vrství mezinárodní předpisy týkající se využívání mořského dna.

Pro země bez přístupu k hlubokému moři, jako je Česká republika, vyvstává otázka zapojení jinak. Baltské moře je příliš mělké na to, aby bylo možné dosáhnout optimálního rozmezí 600–800 metrů. To ale neznamená vyloučení z projektu – české a středoevropské firmy mohou vstoupit do dodavatelského řetězce v oblasti betonu, čerpadel, řídicích systémů nebo datové analytiky, přičemž samotné instalace by vznikaly například u norských nebo portugalských břehů.

Ukládání energie na mořském dně dobře ilustruje širší trend: energetická transformace se dnes netýká jen stavby nových panelů a větrníků. Stále důležitější roli hraje flexibilita celého systému – tedy schopnost uchovat přebytky na později. Betonové koule využívající přirozený tlak vody představují jedno z nejkonkrétnějších a zároveň intuitivně pochopitelných řešení, která mohou pomoci tuto skládačku poskládat.

Pro běžného spotřebitele zůstanou tyto konstrukce neviditelné, někde stovky metrů pod hladinou. Efekt však může být velmi hmatatelný: stabilnější účty za elektřinu, méně výpadků a lepší využití energie z větru a slunce. Pokud test v Kalifornii dopadne dobře, diskuse o tom, jakou roli má hrát mořské dno v energetice, teprve pořádně začne.