Betonové koule jako obří baterie. Kalifornie je testuje v oceánu

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

Obrovská betonová koule o průměru 9 metrů právě klesá na mořské dno – a není to kulisa ze sci-fi filmu. Jde o prototyp zcela nového typu baterie. Nápad vznikl v německém výzkumném institutu Fraunhofer IEE a testy probíhají v oblasti Long Beach v Kalifornii. Základní otázka je přitom překvapivě prostá: může mořské dno fungovat jako obrovský, nenápadný zásobník elektřiny z větru a slunce?

Proč vůbec hledáme nové způsoby ukládání energie z obnovitelných zdrojů

Obnovitelná energetika má jednu houževnatou nevýhodu. Elektřina vzniká tehdy, když svítí slunce nebo fouká vítr – ne nutně tehdy, kdy ji nejvíce potřebujeme. Klasické baterie jsou drahé a vyžadují velké množství vzácných surovin. Přečerpávací elektrárny zase přetvářejí celá údolí a vyvolávají odpor místních obyvatel.

Inženýři z Fraunhofer IEE si řekli: když na povrchu země chybí místo nebo společenská přijatelnost, proč se nepodívat pod vodu? Moře nabízejí obrovský prostor a tlak panující ve větších hloubkách lze využít jako bezplatné, přirozené „palivo" pro výrobu elektřiny.

Jak betonová koule-baterie na dně oceánu vlastně funguje

Projekt nese název StEnSea a staví na jednoduché fyzice. Celý princip lze popsat ve dvou fázích – 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 nitra koule ven. Tím se koná práce proti obrovskému okolnímu tlaku.
• Fáze vybíjení: jakmile poptávka po elektřině stoupne, ventily se otevřou a voda pod vysokým tlakem proudí dovnitř, pohání turbínu a generátor. Energie vynaložená na vyčerpání vody se vrátí zpět v podobě elektřiny.

Testovaná koule má průměr 9 metrů a váží přibližně 400 tun. Přesto je samotná koncepce překvapivě nenáročná na obsluhu – mechanické součásti tvoří hlavně čerpadla, ventily a generátor, tedy technologie důvěrně známé z jiných energetických instalací.

Odhady výzkumného týmu naznačují, že pouhých několik až několik desítek úplných nabíjecích cyklů by mohlo pokrýt roční spotřebu elektřiny průměrné domácnosti.

Životnost konstrukce je navržena na pět až šest dekád. Samotný generátor se počítá s výměnou přibližně každých dvacet let, aniž by bylo nutné celou kouli vytahovat na povrch – servis má probíhat přímo pod vodou.

Hluboké moře místo zaplavených údolí

Klíčem k úspěchu projektu jsou správné podmínky hluboko pod hladinou. Nejlepší parametry se dosahují v rozmezí 600 až 800 metrů pod mořskou hladinou. V těchto hloubkách je tlak vody dostatečně vysoký, aby systém dokázal uložit značné množství energie, přičemž stěny koule není třeba extrémně silné.

V těchto hloubkách se daří najít rovnováhu mezi třemi faktory:

Na rozdíl od přehrad nebo rozsáhlých nádrží na pevnině nevyžadují podmořské instalace přesídlení obyvatel ani přeměnu krajiny. Pobřežní oblasti Norska, Spojených států, Japonska nebo Brazílie jsou pro tento typ energetické výstavby obzvlášť vhodné – mají strmé podmořské svahy a dostatečné hloubky relativně blízko břehu.

Vědci zdůrazňují, že u klasických přečerpávacích elektráren brání dalšímu rozvoji omezené území a odpor ekologů. Na mořském dně naproti tomu prostorový potenciál roste a konflikty s místními obyvateli prakticky mizí.

Beton jako nový domov pro mořský život

Beton se zpravidla spojuje s mrtvou, šedou hmotou. Americký partner projektu, firma Sperra, se snaží tento obraz překonat prostřednictvím 3D tisku ve velkém měřítku. Místo hladkých monolitických povrchů inženýři tisknou konstrukce vrstvu po vrstvě a záměrně ponechávají kontrolovanou drsnost a póry.

3D tisk: koule-baterie jako umělý útes

Textura povrchu je zde zásadní. Drsný povrch s četnými prohlubněmi umožňuje rychlejší osídlení:

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

Místo cizího tělesa vhozeného do ekosystému má každá koule fungovat jako pečlivě navržený útes. Sperra ve své technické dokumentaci zdůrazňuje, že podobné struktury již prokazatelně pozitivně ovlivňují biodiverzitu. Dřívější pokusy probíhaly například na Bodamském jezeře, kde rychlý nárůst života na nových konstrukcích vědce příjemně překvapil.

Měření aktuálně probíhající v Kalifornii mají ověřit, zda v otevřeném oceánu proces probíhá obdobně. Vědci sledují nejen energetickou účinnost, ale také to, jak rychle a v jaké podobě se kolem betonového „baterie-útesu" začíná hromadit život.

Jak velká může taková podmořská elektrárna být

Současný prototyp o průměru 9 metrů je teprve začátek. Tým z Fraunhofer IEE již plánuje konstrukce podstatně většího rozměru – až 30 metrů v průměru. S rostoucí velikostí roste vnitřní objem, a tedy i množství energie, kterou lze „uzamknout" v tlakovém rozdílu.

V praxi to znamená možnost budovat celé podmořské farmy energetických zásobníků. Desítky koulí uspořádaných do skupiny by mohly spolupracovat s větrnou farmou na moři nebo rozsáhlou solární instalací na pevnině. Když výroba převýší potřebu, koule se „nabijí". Jakmile přijde bezvětrná noc, vydají energii na pokyn operátora sítě.

Kde toto řešení dává největší smysl

Tento typ zásobníků se nejlépe hodí do systémů, které již dnes silně investují do obnovitelných zdrojů. Příklady využití zahrnují:

• stabilizaci provozu pobřežních větrných farem,
• podporu sítí v oblastech, kde je stavba 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 jiný ekonomický model než u klasických baterií, které po zhruba patnácti letech vyžadují výměnu celých modulů.

Co se může pokazit a jaké jsou šance pro Českou republiku

Každá nová technologie přináší otázky. U podmořských betonových sfér jde především o bezpečnost a vliv na mořské ekosystémy. Inženýři musí předvídat důsledky poruch – například poškození ventilů nebo netěsností. K tomu přistupuje téma servisu ve velkých hloubkách, kde každý zásah vyžaduje specializované vybavení a proškolené posádky.

Je třeba brát v úvahu také interakce s rybolovem a lodní dopravou. Rozsáhlá pole koulí-zásobníků nesmí kolidovat s námořními trasami ani s oblastmi intenzivně využívanými rybářskými flotilami. K tomu se přidávají mezinárodní předpisy týkající se využívání mořského dna.

Pro Českou republiku vyvstává logická otázka: hodí se pro tuto technologii vůbec nějaké dostupné moře? Baltské moře, nejblíže situované k regionu střední Evropy, je ve srovnání s oceánem mělké a dosáhnout optimálního rozsahu 600–800 metrů je tam prakticky nemožné. To ale nevylučuje zapojení tuzemských firem – mohou vstoupit do dodavatelského řetězce v oblasti betonu, čerpadel, řídicích systémů nebo datové analytiky, zatímco samotné instalace vzniknou například u norského nebo portugalského pobřeží.

Ukládání energie na mořském dně dobře ilustruje širší trend: v energetické transformaci nejde už jen o stavbu nových panelů a větrníků. Stále důležitější roli hraje flexibilita celého systému – tedy schopnost uložit přebytky na později. Betonové koule využívající přirozený vodní tlak jsou jedním z nejhmatatelitelnějších a přitom intuitivně srozumitelných řešení, která mohou tuto skládačku pomoci složit.

Pro běžného spotřebitele zůstanou tyto konstrukce neviditelné, skryté stovky metrů pod hladinou. Jejich dopad by však mohl být velmi konkrétní: stabilnější účty za elektřinu, méně výpadků a lepší využití energie z větru a slunce. Pokud test v Kalifornii dopadne úspěšně, debata o tom, jakou roli má mořské dno v energetice hrát, teprve pořádně začne.