Čína ujela světu. První obří baterie bez lithia má energii pro 200 tisíc lidí

Článek si také můžete poslechnout v audioverzi.

V evropské politice, na unijní i státních úrovních, se v posledních letech opakovaně připomínalo, že nám i po přechodu od fosilních paliv hrozí nová závislost. Místo plynu a ropy z Ruska či Středního východu bychom se tentokrát mohli stát do značné míry závislými na bateriích (či nutných surovinách) z Asie a především z Číny.

Z různých důvodů situace není úplně identická, jisté společné rysy se tu najdou. Evropa i proto – a také proto, že to je prostě výhodné – investuje do nových závodů na výrobu baterií, automobilky a další zájemci zase zoufale shánějí nové zdroje surovin. Včetně zatím ne úplně úspěšně završených snah o rozjezd těžařského průmyslu v Evropě, například na českém Cínovci.

Doposud tyto snahy asijskou dominanci ve výrobě lithiových baterií příliš nenarušily. Čína sice přímo těží jen zhruba 13 procent světového lithia, ale má zdaleka největší zpracovatelské kapacity na světě. Zhruba 60 procent světového lithia se přepracovává právě tady. A z Číny pochází zhruba 75 procent všech baterií dodaných na trh.

Západní svět se pokouší dominanci Pekingu narušit, Čína ovšem do sektoru investovala dlouhodobě a strategicky s podporou státu a její nadvládu nepůjde narušit snadno. Země je v bateriích světovou jedničku, protože si toto postavení postupně a cílevědomě vybudovala. A tamní výrobci jsou na špici kvalitou i cenou.

Zatímco Západ tedy dohání lithiové baterie, je otevřenou otázkou, zda mu zároveň trochu neujíždí vlak v dalších bateriových technologiích. Právě v Číně byla totiž letos uvedena do provozu první velká baterie, která by mohla být v některých oblastech zajímavým konkurentem a nástupcem lithiových baterií. Na stejné technologii se v Evropě pracuje proti tomu v „kapesním měřítku“. Zajímavou roli v tom hrají i čeští výzkumníci.

Pravda, celé to trvalo podstatně déle, než autoři projektu původně slibovali. Největší „nelithiová“ baterie světa byla v čínském Dalianu připojena k sítí 29. září 2022. Projekt vanadové baterie Dalianu byl schválen čínským Národním úřadem pro energetiku v dubnu 2016. Původně byl odhad jeho zprovoznění mnohem optimističtější, hovořilo i o roce 2018 (později 2020 a pak 2021), zjevně tedy zprovoznění nebylo tak bezproblémové, jak tvůrci předpokládali – či alespoň jak veřejně tvrdili.

Systém byl postaven a integrován společností Rongke Power ve spolupráci s dalšími společnostmi a také čínskou Akademií věd. Úložiště s maximálním výkonem 100 MW a celkovou kapacitou 400 MWh je založen na technologii vanadové průtočné baterie. Elektrická energie se v něm skladuje v kapalném elektrolytu, jehož nejdůležitější složkou je právě kov vanad.

Vzhledem k tomu, že průměrná denní spotřeba elektřiny v Číně činí 2 kWh na obyvatele, může úložiště teoreticky pokrýt denní poptávku po elektřině 200 tisíc obyvatel. Jeho hlavním úkolem ovšem bude především vyrovnávání špiček ve spotřebě, a tím snižování ceny a zvyšování spolehlivosti dodávek elektřiny v regionu.

Baterie je složena z několika menších celků, každého o výkonu 20 megawattů (MW) a odpovídající kapacitě 80 MWh. Jde o první fázi stavby. Ve své finální podobě by úložiště mělo mít dvojnásobné parametry: má se tedy nakonec skládat z deseti jednotek o výkonu 20 megawattů a celkovou kapacitou 800 megawatthodin (MWh). Bude tak schopno dodávat špičkový výkon 200 MW po celé čtyři hodiny.

Celková cena projektu má činit 3,8 miliardy juanů, tedy zhruba 13 miliard korun. První fáze výstavby vyšla tedy údajně na polovinu, zhruba 6,5 miliardy korun. V přepočtu to znamená cenu zhruba 16 milionů korun na megawatthodinu.

To je poněkud vyšší cena než ta, za kterou se dnes dodávají velká lithiová úložiště (pásmo cca 300 až 400 dolarů za kWh u velkých úložišť). Průtočné baterie mají ovšem své výhody, navíc jde o první podobně velký projekt tohoto druhu a trh není vůbec konkurenční. V tuto chvíli neexistují jiní dodavatelé, kteří by byli schopni takto velkou zakázku splnit.

V případě lithiových baterií už je více na výběr a technologie je mnohem vyzrálejší. Na konci roku 2021 činila podle Bloomberg NEF celková kapacita bateriových úložišť na světě zhruba 56 GWh a maximální výkon 27 GW. Největší lithiová baterie zprovozněná v říjnu 2022 v Kalifornii má maximální výkon 350 MW a kapacitu 1,4 GWh.

Průtočné baterie ale už nyní nabízejí možnosti, které lithiové v dohledné době nemají šanci napodobit. Jednou je bezpečnost. Elektrolyt z vanadových baterií sice není sám o sobě zdraví neškodný, obsahuje totiž kyselinu sírovou, ale také není zvláště nebezpečný. V případě úniku hrozí lokální znečištění, ale na rozdíl od lithia vanad na vzduchu nezačne hořet. V případě baterie v Dalianu jsou si tvůrci a úřady údajně tak jisti bezpečností systému, že v budovách v areálu úložiště údajně vznikají i velké kancelářské prostory.

Kolik elektřiny se do baterie vejde, je také dáno primárně velikostí nádrže na elektrolyt. V podstatě tedy stačí ho „dolít“ nebo přistavět další nádrž a baterie se v tomto ohledu „zvětší“.

Vanadové průtočné baterii nevadí hluboké vybití a může za svou životnost absolvovat podle výrobců desítky tisíc cyklů, aniž by se její kapacita výrazně změnila. Nejmenší životnost z celého systému má obecně řečeno membrána, a i tu výrobci udávají v hodnotách přesahujících 10 tisíc cyklů. V principu pak není nemožné membránu vyměnit, i když s tím spojené náklady lze těžko odhadovat – záleží samozřejmě na ceně membrány samotné i konstrukci celé baterie.

Naopak nevýhodou jsou poměrně malé měrné výkony baterie. Energetická hustota vanadových baterií tedy nesnese přímo srovnání s klasickými lithiovými bateriemi. Společnost Rongke Power, která největší průtočnou baterii světa postavila, pracovala v posledních letech s klasickou technologií vanadových průtočných baterií a u svých baterií dosahuje energetické hustoty cca 12 až 15 kWh na m3 elektrolytu. Lithium-iontové baterie jsou v tomto ohledu téměř o řád lepší, řádově v nízkých stovkách kWh/m3 podle typu a určení.

Nevýhodou této technologie je jak poměrně nízký obsah energie, tak například také poměrně nízký rozsah pracovních teplot, který se pohybuje mezi 10–40 °C. V důsledku to znamená, že baterie potřebuje poměrně robustní systém řízení teploty. Což zvyšuje spotřebu bateriového systému na provoz a snižuje celkovou účinnost skladování energie. Nutnost poměrně přesné regulace teploty také samozřejmě zvyšuje pořizovací náklady.

Odpadní teplo z baterií (tedy při nabíjení) má údajně v Dalianu také najít využití. Má posloužit pro dodatečný ohřev v rámci místního systému dálkového vytápění. Neznáme ovšem přesné specifikace zařízení. Navíc maximální teplota systému (zmíněných 40 °C) je pro potřeby dálkového vytápění příliš nízká. Není tedy jasné, jak přesně se využívá a zda bude tento zdroj dávat ekonomický smysl.

Čínský projekt je na kilometry před zbytkem světa. O využití průtočných baterií alespoň uvažují nebo na něm pracují týmy z celého světa, žádný ovšem ne v takovém měřítku.

Český startup Pinflow staví první systémy o výkonech desítek kW. V Austrálii například vzniká baterie o výkonu 2 MW a kapacitě 8 MWh. Ve Velké Británii funguje zkušební systém s kapacitou 5 MWh. V Německu společnost RWE zkoumá možnost stavby obřích baterií s využitím podzemních komor jako nádrží na elektrolyt. V praxi zatím podobné systémy zkoušela pouze do řádu nižších stovek kilowatthodin kapacity.

V tomto kontextu je přitom zajímavé, že technologie, kterou výrobce rekordní čínské baterie používá, má svůj původ ve Spojených státech – a to přímo ve státem dotovaném výzkumu. Licence na využití technologie byla dokonce vázána na to, aby se výsledné baterie „z velké míry“ vyráběly na půdě Spojených států.

Povolení k využití získala původně americká společnost, která ovšem dlouho nemohla získat investora. Nakonec našla čínského partnera, který ovšem výrobu, a nakonec i vývoj, přenesl výhradně do Číny. Americké ministerstvo energetiky, které mělo na dodržování licence dohlížet, si několik let této skutečnosti nevšimlo. Zareagovalo – a licenci čínské firmě odebralo – až ve chvíli, kdy se na držitele licence zeptali reportéři rádia NPR. Podle hlasů z oboru to není nic nezvyklého, úřad prostě má dlouhodobý podstav a nezvládá v tomto ohledu plnit své zákonné povinnosti.

Licencovaná technologie je přitom poměrně důležitá. Výsledky pocházejí z projektu Pacific Northwest National Laboratory, který se z veřejných peněz uskutečnil v letech 2007 až 2011. V jeho rámci se podařilo vyvinout a demonstrovat nové složení elektrolytu pro vanadové baterie. Obsahuje stále zdraví nebezpečné látky, ale „vylepšená receptura“ pomohla jak ke zvýšení měrné energetické hustoty baterie, tak i k rozšíření rozsahu pracovních teplot.

V americké laboratoři vyvinutý elektrolyt byl opět založen na solích vanadu rozpuštěných ve směsi kyseliny sírové a nově také kyseliny chlorovodíkové. Směs umožňuje zlepšit rozpustnost solí vanadu, díky čemuž je možné dosáhnout vyšších energetických hustot (nad 20 kWh na m³). To je pořád příliš málo na to, aby baterie posloužila pro nějaké dopravní prostředky. Ale i u baterie, která bude stát na jednom místě, jsou menší rozměry výhodou. Už proto, že je zapotřebí méně elektrolytu, který také něco stojí.

Výhodou je i nižší citlivost na teploty. Baterie s chlorným elektrolytem údajně mohou pracovat v rozmezí zhruba 0–50 °C. To stále není ideální, baterie stále vyžaduje spolehlivý systém na řízení teploty, ale proti starším typům je to zlepšení.

Čínská společnost Rongke Power, která baterii pro Ta-lien vyráběla, by tedy už neměla mít přístup k americké technologii. Není jasné, zda a do jaké míry se to podepíše na jejím postavení současné jedničky – kterou je alespoň podle letošní zprávy o stavu oboru. V Číně se rozběhla totiž nejen výroba, ale také výzkumný program, a to ve spolupráci s tamními výzkumnými ústavy.