Setrvačníky se valí vpřed

16.1.2015

SKLADOVÁNÍ ENERGIE  – Před několika tisíci lety se poprvé roztočil někde na Středním východě první hrnčířský kruh.

Jeho autor si rozhodně nemohl uvědomovat, jak velký půvab bude mít stejný vynález pro jeho dnešní potomky. A nejen během kroužků keramiky.

Setrvačník vyrobený z ocelového jádra a uhlíkových vláken, která jsou dostatečně pevná, aby se kolo mohlo točit s frekvencí několika desítek tisíc otáček za minutu.
Setrvačník vyrobený z ocelového jádra a uhlíkových vláken, která jsou dostatečně pevná, aby se kolo mohlo točit s frekvencí několika desítek tisíc otáček za minutu.

Hrnčířský kruh je totiž především primitivním, ale v principu účinným a praktickým zařízením na skladování energie. Když ho hrnčíř svou silou roztočil, velká část jeho námahy v něm zůstala uložena a stačilo jen průběžně „doplňovat ztráty“, aby se kruh nepřestal točit a výroba nestála. Ke stejnému účelu se používaly a stále používají setrvačníky u řady přístrojů, kde mají sloužit například k překonání drobných výpadků v dodávkách energie, a zaručují tedy hladký chod.

Stačí k tomu kinetická energie hmoty setrvačníku, tedy roztočeného kola, která v systému zůstává uložena, a ztrácí se jen v důsledku odporu vzduchu a odporu čepu kola. Ty byly u pár tisíc let starých technologií samozřejmě značné, ale na začátku 21. století už je situace trochu jiná. Díky rozšíření a poklesu cen vhodných materiálů (především uhlíkových vláken) pro výrobu velmi pevných setrvačníků, ložisek s velmi nízkým odporem a díky jejich ukládání do vakua dnes vznikají systémy, které „roztočenému kolu“ dávají nové možnosti: skladování  elektřiny ve velkém. První provozy tohoto typu na světě už stojí.       

Systém rekuperace energie pro automobily firmy Volvo. Zdroj: Volvo
Systém rekuperace energie pro automobily firmy Volvo. Zdroj: Volvo

Pokud si za pár let koupíte vůz Volvo, při brzdění ve vašem autě jedna část vašeho vozu nabere na rychlosti. Výrobce totiž plánuje, že někdy po roce 2020 začne do svých vozů montovat setrvačníky, které budou sloužit jako krátkodobá úložiště energie. Energie, jež by jinak přišla během zastavování vozu vniveč, jen by zahřála brzdové destičky.

Systém by měl podle současných představ fungovat tak, že auto začíná šetřit palivo už v okamžiku, kdy řidič sešlápne brzdový pedál: automaticky ihned vypne spalovací motor a „brzdí setrvačníkem“ s pomocí brzd v případě, kdy je zastavení velmi ostré. Díky tomu může v ideálních (tedy vlastně těch nejhorších možných) podmínkách, třeba při jízdě v koloně nebo ve městě, hlavní pohonná jednotka, motor, zůstat až polovinu jízdní doby vypnutá, tvrdí dnes Volvo.

Jádrem systému rekuperace energie odvozeného od zařízení KERS vozů formule 1 je setrvačník o průměru zhruba 20 centimetrů, váží zhruba sedm kilogramů a aby byl dostatečně pevný a při otáčkách se nerozpadl, je vytvořený z uhlíkových vláken. Může dosahovat rychlosti 60 tisíc otáček za minutu a ano, točí se ve vakuu, protože jinak by takové zařízení jednoduše ani fungovat nemohlo, ztráty by byly příliš veliké. Dohromady se vším nutným vybavením váží systém KERS zhruba 60 kilogramů, což je na systém rekuperace ve skutečnosti relativně malá hmotnost.

Výkony známe jenom z velmi kusých údajů vypuštěných samotnou automobilkou, která je samozřejmě aktivně cenzuruje. Pokud ale na nich je větší část pravdy, jízda vozem s podobným systémem by mohla být velmi živá. Automobilka setrvačníkem vybavila prototyp vozu S60 T5, na němž srovnávala výkony s běžným vozem stejného typu. Systém rekuperace energie dokáže zlepšit čas zrychlení z 0 na 100 km/h ze 7 na 5,5 sekundy. Setrvačník má energie maximálně jen na 10 sekund výkonu na pomoc pohonu vozu, ale jak rychle se vybíjí, tak rychle se nabíjí: stačí k tomu jen pár sekund brzdění ze středních či vyšších rychlostí.

Švédská specialita? Rozhodně ne

Setrvačník není jen zvláštní libůstkou švédské automobilky. Skladování energie v pohybu roztočeného kola je stará technologie, která se používá po celém světě. Setrvačník je vlastně historicky prvním akumulátorem energie, protože setrvačnosti rotující hmoty kotouče poháněného nohou využívali hrnčíři zřejmě již před několika tisícovkami let. Už v 19. století páry pomáhal svou kinetickou energií překonávat mrtvé body mechanismu parních strojů a dnes je poměrně běžnou součástí vyrovnávající chod všech druhů pístových spalovacích motorů, mechanických lisů a jiných strojů.

V posledních letech se postupně ovšem začalo mluvit o tom, že by se setrvačníková kola mohla dokutálet k novým použitím. Příčiny jsou různé: za prvé se díky rozvoji obnovitelných zdrojů více mluví o nestabilitě rozvodných sítí. Také se zvyšuje rozdíl mezi cenou elektřiny v době přebytku a v době maximální spotřeby, a tak je vyšší motivace přijít s nějakým relativně levným systémem skladování energie. A svou roli hraje i pokrok ve vývoji a využití materiálů: například v setrvačníku Volvo využitá uhlíková vlákna jsou ideálním materiálem pro takto namáhané díly, ale jejich cena klesala jen postupně. Podobné je to i se systémy pro vytváření vakua, které umožňují roztočit kola do velmi vysokých otáček, a tím výrazně zvýšit množství skladované kinetické energie (její množství stoupá s druhou mocninou rychlosti, zatímco v případě hmotnosti je to jen lineárně).

Systémy navíc mají zajímavé výhody, které jiným metodám skladování energie chybí. Kola jsou nejen rychlá, ale také dokáží svou energii rychle předat: se zpožděním pouhých zlomků sekundy. K akumulaci výkonu se dají využít také velmi jednoduše: setrvačník se upevní na hřídel elektromotoru, jehož energii potřebujeme akumulovat. Elektromotor nejprve setrvačník rozhýbe, a když jeho výkon přestane stačit, setrvačník ho udrží v pohybu a skladovanou energii jednoduše vrací do systému. Nevýhodou je, že celkem vzato nemohou setrvačníky skladovat nijak ohromná množství energie bez enormního nárůstu hmotnosti či rychlosti. Hodí se tedy jako krátkodobá rezerva, ale na skladování většího množství energie už jsou nepraktické.

Průřez systémem Beacon Power. Válec z uhlíkových vláken s ocelovým jádrem vyplňuje prakticky celý objem zařízení
Průřez systémem Beacon Power. Válec z uhlíkových vláken s ocelovým jádrem vyplňuje prakticky celý objem zařízení

20 MW

Zhruba takový krátkodobý výkon může mít několik „farem“ se stovkami setrvačníků, které provozuje firma Beacon Power v USA

I proto se s tímto způsobem skladování energie experimentovalo už dávno v minulosti. Například ve Švýcarsku zaváděli pokusně elektrické „gyrobusy“, tedy trolejbusy s jedenapůltunovým setrvačníkem pod podlahou na hřídeli. Ve stanici se autobus připojil ke stožáru a roztočil ho natolik, aby se akumulovalo asi 10 kilowatthodin (kWh) energie. Ta trolejbusu stačila na bezpečný dojezd k další zastávce, protože dojezd činil i v nejhorších městských podmínkách přes dva kilometry. Ale mohutný gyropskop zhoršuje jízdní vlastnosti, protože se přirozeně „valí“ ve směru rotace a nerad mění svůj „směr“ (přesněji rovinu rotace). Velké systémy se tedy ve vozidlech neuplatnily, a i proto Volvo uvažuje o tomto systému pouze jako doplňkovém.

Roztočme stovky kol

Existuje řada využití, kde se po setrvačnících žádný pohyb kromě rotace nechce. Jedním z nich je i energetika a setrvačníky si našly místo rovněž v energetické praxi. Nebylo to bez potíží, a jen ve velmi omezeném rozsahu, ale je to tak. Jde o zásluhu firmy Beacon Power, která v USA provozuje několik „farem“ se stovkami setrvačníků, jež dohromady mohou sloužit jako elektrárny o krátkodobém výkonu po zhruba 20 megawattech. Není to mnoho, ale systém je určený jen pro překonání rychlých výkyvů v poptávce. A to pouze na chvíli, než naskočí jiné zdroje, které mohou energii vyrábět dlouhodobě.

Systém rekuperace automobilky Volvo je odvozený od systémů vyvíjených pro využítí ve vozech formule 1
Systém rekuperace automobilky Volvo je odvozený od systémů vyvíjených pro využítí ve vozech formule 1

Beacon Power je zatím jen rozjíždějící se firma, ale už v příštím roce doufá, že by se mohla dostat do zisku. Ještě před pár lety to přitom ovšem vypadalo na pořádný skandál. Beacon Power byla založena s pomocí americké federální vlády, stejně jako nechvalně proslulý výrobce solárních článku Solyndra. Půjčka byla sice podstatně menší než na panely (cca 43 milionů proti cca 540 milionům), ale také šlo o politicky stejně „výbušný“ případ.

Firma si peníze půjčila na stavbu „farmy“ setrvačníků o maximálním výkonu 20 MW ve státě New York. Už měla zkušenosti: menší počet setrvačníků provozovala od roku 2008. Ovšem po dokončení nového provozu zkrachovala. Počítala, že vydělá na změně předpisů pro dodavatele energií, jejich zavádění se ovšem zpozdilo a plány firmy „vyletěly komínem“. Zdálo se, že další Solyndra je na spadnutí.

Jak se ale ukázalo, na strategii Beacon Power něco bylo a firmu za několik měsíců koupila soukromá investiční společnost Rockland Capital, která se zavázala splatit 70 % dlužné částky. Dokonce poskytla kapitál na stavbu další farmy o stejném výkonu v Pennsylvánii. Oba provozy dnes už pracují na plnou kapacitu.

Beacon Power využívá stejných pokroků v technologiích jako Volvo. Její setrvačníky jsou vyrobeny také z uhlíkových vláken, která jsou lehká a přitom velmi pevná, a také se točí ve vakuu, aby se snížily ztráty a zvýšila životnost. Protože jsou ovšem její stroje stacionární, jsou těžší a točí se pomaleji. Díky tomu mohou být především ložiska setrvačníku jednodušší, a tedy levnější.

Praktické zkušenosti nejsou zatím údajně špatné. Firma už celkem nasbírala miliony hodin provozních zkušeností. Díky jejímu působení na trhu se také mohlo snížit množství zdrojů, které musí být neustále připravené naskočit do provozu podle potřeby tak, aby zůstala zachována stabilita sítě (tedy aby poptávka náhle nepřerostla nad nabídkou). Za tento výkon se totiž musí producentům platit, i když zrovna nevyrábí, a to samozřejmě z peněz všech spotřebitelů. Setrvačníky umožnily snížit jejich množství asi o pětinu, přitom jsou na stavbu levnější než záložní elektrárny, jež obsahují přece jen složitější a dražší technologii. Pokud bude jejich provoz bezproblémový a levný, stará dobrá roztočená kola by v příštích letech mohla najít nové uplatnění.

Autor: spe

Svět plný energie > Zajímavosti > Setrvačníky se valí vpřed

Aktuality
16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

15.4.2019 OZE dodaly v Německu 65% elektřiny

AKTUALITY - První týden v březnu Německo zažilo energetickou premiéru: obnovitelné zdroje energie (OZE) vyrobily rekordních 65 % veškeré elektřiny. celý článek

11.3.2019 Ve Fukušimě není místo pro hlínu

AKTUALITY - Osm let po havárii Fukušimy se její likvidátoři potýkají s nepříjemným problémem - nedostatkem místa pro nebezpečný odpad.  celý článek

4.2.2019 Jak skladovat elektřinu v betonu

SKLADOVÁNÍ ENERGIE - Švýcarský start-up zkouší prorazit s velmi netradiční „baterií“, která se neobejde bez jeřábu. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ

Redakce:
Josef Janků,
Jakub Merta, Jan Gregor

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt:

Aktuality
16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

15.4.2019 OZE dodaly v Německu 65% elektřiny

AKTUALITY - První týden v březnu Německo zažilo energetickou premiéru: obnovitelné zdroje energie (OZE) vyrobily rekordních 65 % veškeré elektřiny. celý článek

11.3.2019 Ve Fukušimě není místo pro hlínu

AKTUALITY - Osm let po havárii Fukušimy se její likvidátoři potýkají s nepříjemným problémem - nedostatkem místa pro nebezpečný odpad.  celý článek

4.2.2019 Jak skladovat elektřinu v betonu

SKLADOVÁNÍ ENERGIE - Švýcarský start-up zkouší prorazit s velmi netradiční „baterií“, která se neobejde bez jeřábu. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ

Redakce:
Josef Janků,
Jakub Merta, Jan Gregor

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt: