Blackout už nikdy více. Inovativní elektrárna odolá i hurikánu

Elektrická síť v USA je vybudována tak, aby vydržela nápor silných dešťů, sněhové nadílky, větrů i blesků. S hurikánem Sandy v roce 2012 si ale neporadila.

Hurikán Sandy v číslech

Zdroj: Nation.time.com

Osm milionů domácností na severovýchodním pobřeží USA se tehdy ocitlo bez elektřiny. Blackout zasáhl více než každého pátého obyvatele státu Connecticut.

Mikrosítě spásou?

Přitom existuje způsob, jak i při hurikánu zajistit nepřerušený přísun elektrické energie. Jsou jím záložní mikrosítě, které by měly nahradit obří stožáry s dlouhým elektrickým vedením, u něhož hrozí například přetrhnutí pod vahou padlého stromu.

Oproti tomu mikrosíť tvoří krátké kabely, jež jsou často vedeny pod zemí a připojeny k malým generátorům operujícím nezávisle na regionálních sítích.

Zatím má toto řešení ještě daleko k dokonalosti. Záložní zdroje v malém měřítku vyrábí elektřinu z fosilních paliv, což je ale neefektivní, hlučné, a navíc neekologické.

Ekologické generátory

Ačkoliv jsou dieselové generátory stále ještě jediným řešením pro mnoho měst (například v nemocnicích), lidé touží po ekologické alternativě.

Solární a větrná energie by byly naprosto ideální, ale oba tyto obnovitelné zdroje potřebují k zajištění nepřerušené dodávky energie hodně prostoru a nákladné velkokapacitní baterie.

Firma FuelCell z Bridgeportu, největšího města státu Connecticut, ovšem tvrdí, že vlastní technologii, která by mohla představovat budoucnost produkce elektrické energie.

Technologii, která by odolala hurikánům, a navíc by pomohla snížit emise skleníkových plynů, jež jsou hlavní příčinou globálního oteplování.

Čistá alternativa

Technologie sice vypadá slibně, ale je natolik dobrá, aby skutečně fungovala? Tři generátory, které jsou zatím součástí energetického systému v Bridgeportu, naznačují důvody, proč věřit této čistší alternativě.

Kurt Goddard, viceprezident pro vztahy s investory ve FuelCell Energy, při prohlídce bridgeportského projektu ukazuje jeho první součást: brownfield o ploše 0,75 km², na němž stojí elektrárna na zemní plyn. Ta je připojena k městské distribuční síti Bridgeportu. Vyrábí 15 MW elektřiny, což je dost pro 1 500 amerických domácností.

Jen pár bloků od elektrárny přitom stojí řady předměstských domků. Něco nemyslitelného v případě továren na fosilní paliva, které produkují škodlivé zplodiny obsahující síru a dusík.

Jiná, lepší chemická reakce

Firma FuelCell Energy prodává palivové články podobné těm používaným v autech na kapalný vodík. Místo vodíku spalují produkty FuelCellu zemní plyn a v procesu přitom nevznikají žádné škodlivé emise.

Spalování fosilních paliv je v podstatě jen chemická reakce, při níž dochází k přesunu elektronů za vzniku tepla. Teplo produkované v uhelné elektrárně se používá na výrobu páry, která pak pohání turbíny, jež převádějí pohybovou energii na elektrickou.

V každém z těchto kroků se ale část energie ztrácí. Oheň je prudká chemická reakce a teplo vyrábí neefektivně. Proto je při pálení uhlí proměněna na elektřinu jen asi třetina jeho energie (nafta, fosilní palivo často používané v malých generátorech, je ještě ztrátovější).

MOHLO BY VÁS ZAJÍMAT: 

Elektropokrok nezastavíš. Gigafactory už chrlí nejvíc baterií na světě

Copyright po čínsku aneb jak se krade unikátní česká technologie pro baterie HE3DA

V palivových článcích FuelCellu probíhá ta samá chemická reakce, ale v řízenější podobě. K výměně elektronů se používají kovové elektrody, a protože má tento proces méně kroků – žádný oheň, pára ani turbíny –, je daleko více energie z fosilního paliva převedeno na elektřinu. Generátory od FuelCell Energy tak mohou dosáhnout až 66procentní účinnosti.

Z vesmíru zpět na zemi?

Tyto vlastnosti dělají palivové články ideální volbou pro vesmírné mise. Už v padesátých letech minulého století pracovala NASA při misích Gemini (předcházely misím Apollo, které dostaly člověka na Měsíc) se soukromými společnostmi na vývoji takových palivových článků.

Od devadesátých let se palivové články začaly používat jako energetické zdroje pro velké budovy, jako jsou nemocnice a univerzity. Ale ty, které používají klasická fosilní paliva jako ty od FuelCell Energy, stále ještě vypouštějí „skleníkový“ oxid uhličitý, ovlivňující klima planety.

Elektrárny FuelCell jsou v tomto směru čistší, neprodukují žádné emise síry ani dusíku. Jejich technologie už pokročila natolik, že už jsou také schopny nákladově efektivně zachytávat oxid uhličitý.

Teplo a elektřina

„Tamten dům patří finančnímu řediteli univerzity,“ ukázal Goddard na béžovou stavbu. Méně než tři metry od domu stojí generátor FuelCell Energy, zabírající místo zhruba pro tenisový kurt. Tento generátor poskytuje hlavním částem kampusu univerzity v Bridgeportu elektřinu i teplo.

Teplo je nezbytným vedlejším produktem používání fosilních paliv. V případě generátoru FuelCell je část tepla spotřebována samotným palivovým článkem, který používá roztavenou sůl.

Ta přesouvá elektrony mezi elektrodami. Aby systém fungoval, musí být sůl v kapalné podobě, což se děje při teplotě okolo 370 °C. Část tepla, které vzniká při reakci, je proto využita k udržení této potřebné teploty.

Ze zbytku je vyrobena elektřina pomocí externího generátoru, případně pokud je potřeba, je teplo využito v externím ohřevném systému.

MOHLO BY VÁS ZAJÍMAT: 

Brzda v rozvoji elektromobility? Nedostatek některých surovin, třeba kobaltu

Reinkarnace uhelných dolů. Mění se v solární elektrárny

Letní energie pro klimatizace

Generátor podle Goddarda ušetří univerzitě na elektřině 300 tisíc dolarů za rok. V létě, když si obyvatelé Bridgeportu zapínají klimatizaci, totiž město musí nastartovat svou uhelnou elektrárnu.

Stará elektrárna byla hlavním zdrojem elektřiny pro město v sedmdesátých letech, když byl Bridgeport průmyslovou oblastí. Od té doby ale počet obyvatel města klesl a díky tomu dnes město po většinu roku uhelnou elektrárnu nepotřebuje.

Když je ale horko a přísun ze státní sítě nestačí, musí město zaplatit firmě, která uhelnou elektrárnu provozuje, deseti- až dvacetinásobek tržní ceny elektřiny, aby elektrárnu spustila a dodala městu potřebné množství.

Tyto výdaje se pochopitelně odráží na výši poplatků pro obyvatele Bridgeportu. Díky FuelCell Energy už se univerzita nemusí tolik spoléhat na státní síť a ušetří tak až deset procent nákladů na elektřinu.

V nouzových situacích by generátor FuelCell mohl dokonce sloužit jako ona mikrosíť. Když v roce 2012 udeřil hurikán Sandy, studenti Bridgeportské univerzity se museli celé dny obejít bez elektřiny.

Pokud by kampus zasáhla další bouře, mikrosíť od FuelCellu bude připravena napájet některé kolejní budovy a aulu. Elektřiny by bylo dost na to, aby si studenti mohli nabít své telefony, být v teple uvnitř budov a aby měli přístup k teplé vodě.

Zachytávání uhlíku

Ačkoliv jsou dnešní generátory of FuelCellu „ultra nízkoemisní“, což znamená, že nevypouštějí žádnou síru, dusík ani pevné částice, pořád ještě ale vypouštějí oxid uhličitý.

Na pobřeží Atlantiku v Bridgeportu Goddard ukazuje ještě jedno zařízení a vysvětluje, jak firma řeší zachytávání této zbývající škodlivé emise. Palivový článek od FuelCellu nabírá zemní plyn (metan, CH₄) a vodu (obsahující kyslík, O₂). Tyto dvě sloučeniny spolu za pomoci kovového katalyzátoru zreagují.

Katalyzátor přemění metan a vodu na vodík a oxid uhličitý (CO₂). Na kladné elektrodě (která přitahuje elektrony) dále reaguje CO₂ s kyslíkem a je přeměněn na uhličitan (anion uhličitanový). Ten má skupenství roztavené soli, jež přenáší náboj z jedné elektrody na druhou. Nakonec reaguje vodík s uhličitanem na záporné elektrodě (která uvolňuje elektrony) a tvoří se voda a oxid CO₂ (viz schéma).

SCHÉMA: Metanové palivové články se zachycením uhlíku

1. Metan a voda reagují za přítomnosti kovového katalyzátoru, vzniká vodík a oxid uhličitý.
2. Vodík a ionty uhličitanu spolu reagují, vzniká voda a oxid uhličitý, přitom se uvolňují elektrony.
3. Oxid uhličitý a kyslík spolu reagují a vznikají uhličitanové ionty, jež pohlcují elektrony.
4. Uvolňuje se přebytečný oxid uhličitý, který může být zachycen a uskladněn pod zemí.

Chemické reakce způsobují tok elektronů uvnitř článku a tak vzniká elektřina.

Zbývá CO₂

Přebytečná voda může být vypouštěna do kanalizace bez dalších úprav. Posledním krokem je zachycení zbývajícího CO₂ vznikajícího na anodě.

Při testech firma FuelCell Energy zjistila, že emise CO₂ z elektrárny většinou obsahovaly vodík i vodu. A tak přišla s řešením, které spočívá v použití kondenzační nádoby na vodu, jež je zchlazením z procesu odstraněna, a kompresoru k oddělení vodíku od oxidu uhličitého (za použití tlaku tak, že se jeden prvek zkapalní dříve než druhý).

Přebytečný vodík je pak vrácen do palivového článku a stlačený CO₂ se skladuje. Co s uskladněným CO₂?

V malých množstvích se dá prodat do továren používajících plyn k sycení nápojů. Ve velkém může být poslán do zámoří k uskladnění v podzemních zvodních (zvodeň je ložisko podzemních vod, pozn. red.) nebo může být prodán ropným společnostem, jež CO₂ používají jako vytlačení zbytků ropy z téměř vyčerpaných ropných polí.

MOHLO BY VÁS ZAJÍMAT: 

Pomůže nám pochopení chování včelího roje vyřešit klimatické změny?

I s těmito přídavnými kroky je obecná energetická bilance bezemisních palivových článků pořád lepší, než je tomu u tradiční technologie zachytávání uhlíku.

Třetinová úspora

Podle viceprezidenta pro technologii ve společnosti FuelCell Energy Tonyho Lea je navíc jejich metoda přijde na 40 dolarů za kubík. Tradiční metody zachytávání CO₂ vychází na více než 60 dolarů za kubík.

Finanční úspora plyne také z energetických úspor. Například uhelná elektrárna může zachycovat veškerý CO₂, který produkuje, ale musí obětovat asi 20 procent produkované elektřiny.

S technologií FuelCell k takové ztrátě nedochází, protože zachytávací proces je integrován do systému.

Inovace společnosti FuelCell Energy je natolik významná, že se jí zabývá i ropný gigant ExxonMobil. Tento startup by totiž obří firmě mohl pomoci se zachytáváním uhlíku. V roce 2015 zachytil ExxonMobil konvenční technologií 6,9 milionu kubíků oxidu uhličitého, což je množství, které vypustí do ovzduší asi milion aut za jeden rok.

Poté, co ExxonMobil veřejně změnil svůj postoj a uznal, že změna klimatu je skutečnou hrozbou, uvědomil si naléhavost tohoto problému. Nyní musí najít ekonomičtější způsob, jak se s narůstající produkcí CO₂ a jeho zachycováním poprat.

MOHLO BY VÁS ZAJÍMAT: Bezpečných 15 TWh v Temelíně. Mise Martina Romana splněna, 6 let po jeho odchodu

Podle International Energy Agency, pařížské mezivládní organizace zaměřené na energii a změnu klimatu, svět potřebuje zachytit až šest miliard kubíků CO₂ do roku 2050. Akcionáři energetického gigantu ExxonMobil proto na firmu tlačí, aby podnikla kroky, které zajistí, že změna klimatu neznehodnotí jejich majetek. Náklady procesu zachytávání CO₂ proto musí být výrazně nižší.

ExxonMobil už nyní spolupracuje s FuelCell Energy na vývoji verze jejich technologie, která by vyráběla elektřinu z fosilních paliv a zároveň zachytávala všechny emise CO₂. Tyto dvě společnosti získaly granty od ministerstva energetiky USA k otestování této technologie v elektrárně Barry Power Station v Alabamě. Stavět se začne na začátku příštího roku.

Zní to jako pohádka?

Palivové články mají dlouhou historii a není pochyb o tom, že mohou poskytovat řešení pro mikrosítě. FuelCell Energy zatím postavila největší soustavu palivových článků na světě v Jižní Koreji. Produkuje 59 MW elektrické energie, tedy dost na zásobování 60 tisíc domácností. Nedávno však firma dostala další objednávku na stavbu 40MW elektrárny na Long Islandu v New Yorku. Je vidět, že poptávka po jejích produktech existuje.

ExxonMobil má ještě vyšší ambice. Chce stavět daleko větší verze elektráren FuelCell, produkující i stovky MW, které by mohly zachytávat CO₂ i pro největší elektrárny na zemní plyn. V tomto měřítku ale budou (zatím) problémem výše nákladů.

Například 15MW elektrárna FuelCell v Bridgeportu stála 60 milionů dolarů, tedy čtyři tisíce dolarů za kilowatt. To je o hodně víc, než by stála stavba jakéhokoliv jiného zdroje elektřiny.

GRAF: Kolik činí náklady na 1 kW podle zdroje
Cena je v dolarech za 1 kw.

Zdroj: TheAtlas.com

Už dnes se ale investice vyplatí, když získáme čistou a spolehlivou cestu k nepřerušené dodávce elektřiny při přírodních katastrofách. Cena se zdá ještě přijatelnější, když k tomu přičteme zachytávání CO₂ ve velkém měřítku, speciálně pokud se přitom nemusí snižovat výkon hlavní elektrárny.

Naopak zařízení od FuelCell vyrobí ještě elektřinu navíc, kterou budeme potřebovat k zásobování rostoucí světové populace i s ohledem na přechod na elektrická auta.

/Článek v anglickém originále vyšel na serveru Quartz. Autorem je britský novinář Akshat Rathi./