Jak ukládat českou energii pomocí gravitace

Gravitace je sice dle definice přírodní fyzikální jev, ale zařízení využívající její sílu k výrobě či akumulaci energie se nepočítají mezi obnovitelné zdroje energie (OZE). Při současném rychlém tempu jejich růstu však budou hrát gravitační úložiště stále důležitější roli, ať již jde o projekty gigantických kovových závaží v někdejších důlních jamách, nebo zejména o vodní díla na principu dvou nádrží v různých výškách – přečerpávací elektrárny. Které nové projekty se v této oblasti u nás chystají a nakolik jsme schopní je vybudovat za použití vlastních surovin, zařízení, pracovních sil a zkušeností?

Termín přečerpávací vodní elektrárny (PVE) zaznívá v souvislosti s energetickou koncepcí jen zřídka. Přitom po­dle Energetického regulačního úřadu (ERÚ) u nás ročně tato díla vytvoří více než jednu terawatthodinu (TWh) elektrické energie, navíc jsou schopná velmi rychle, v turbínovém režimu do sta vteřin, reagovat na výkyvy rovnováhy v přenosové soustavě. Když je energie nadbytek, a tudíž je i levná, fungují jako velký spotřebič – čerpají vodu z dolní nádrže do horní. Naopak při nedostatku (tedy i vyšší ceně) přecházejí do turbínového režimu, kdy voda vypuštěná z horní nádrže vyrábí pomocí gravitace elektřinu. Její množství lze plynule regulovat, což pro provozovatele přenosové soustavy představuje spolehlivý prvek pro řízení stability sítě. V minulosti se oba režimy překrývaly se dnem a nocí, dnes se však stále více díky zapojování zdrojů závislých na slunci a větru přepínají mezi čerpadlovým a turbínovým provozem i během dne.

V současnosti neexistuje v oblasti výroby ani akumulace energie žádné zařízení – ať již tradiční elektrárny, nebo moderní bateriová či vodíková úložiště –, které by bylo takto rychlé a flexibilní, nabízelo stejně vysokou účinnost akumulace (více než 75 procent) a zároveň i dlouhou životnost – ta se u přečerpávacích vodních elektráren odhaduje na vyšší desítky až stovku let. A je tu ještě jeden významný bonus: u naší nejznámější a největší PVE Dlouhé stráně se před pár lety uskutečnila modernizace na „start ze tmy“ v případě blackoutu. Praktická zkouška prokázala, že by energie akumulovaná v horní nádrži dokázala rozběhnout přes rozvodnu v Krasíkově turbogenerátory v tepelné elektrárně Chvaletice, a tím obnovit provoz soustavy během necelé hodiny.

Dokonalé vodní baterky

Po celém světě dnes fungují stovky přečerpávacích vodních elektráren, jen v Německu pětatřicet. U nás – když nepočítáme ty malé jako ta na Černém jezeru na Šumavě, která byla jako první postavena již v roce 1930, i když z dnešního pohledu jde co do výkonu a akumulace spíše o menší „pilotní“ projekt někdejších Západočeských elektráren – máme jen tři hlavní velká díla: Štěchovice II na Vltavě (v provozu od roku 1947, ale v první polovině devadesátých let kompletně přestavěné s využitím původní horní nádrže na Homoli), Dalešice na Jihlavě jako součást komplexu Dukovany (od 1978) a jeden ze „sedmi divů“ Česka – Dlouhé stráně na Divoké Desné, největší přečerpávací vodní elektrárna ve střední Evropě (od 1996). Všechny dnes provozuje společnost ČEZ a průběžně také modernizuje, aby byla schopná fungovat v dynamicky se měnících podmínkách české i stále více propojené evropské energetiky.

„Na Dlouhých stráních byla předloni navýšena úložná energetická kapacita o dalších dvě stě megawatthodin (MWh), na celkových 3 700 MWh,“ popisuje současný stav Martin Schreier ze společnosti ČEZ. „Toto číslo udává, kolik elektrárna umí na jeden zátah dodat do energetické soustavy. Dalešice dokáží uložit 2 300 MWh a Štěchovice II 200 MWh, takže dohromady zvládnou hodně přes šest tisíc MWh – to by třeba dokázalo plně nabít baterie 165 tisíc elektro­mobilů střední třídy. Modernizace a navyšování výkonu proběhlo postupně také na Dalešicích a v listopadu 2021 celková ‚ozdravná kúra‘ štěchovické přečerpávací elektrárny s modernizační opravou turbíny a generátoru.“

Výstavbu nových projektů u nás ale nevidí příliš optimisticky: „Vybudování nové přečerpávací elektrárny je dnes obtížně proveditelné – vedle značné finanční i časové náročnosti vstupuje do hry především ekologický a společenský aspekt. Řešením je proto využití lokalit, kde už existuje jedna nebo ideálně dvojice nádrží s dostatečným spádem, které můžeme snadno propojit. V našem případě vychází s ohledem na náklady, časovou náročnost i výsledný výkon nejlépe soustava vodních děl Orlík–Kamýk – přestavba by byla součástí modernizace vodní elektrárny Orlík, která musí být v následujících letech tak jako tak provedena, přičemž nenastanou zásahy do konstrukce hráze ani nové zábory půdy. Hotovo bude v ideálním případě do roku 2030.“

Jaká je finanční a časová náročnost i ekologické dopady a kde jsou u nás vhodné lokality pro přečerpávací elektrárny, pokud by se měly budovat na zelené louce, přesněji řečeno na zeleném kopci a údolí? „V roce 2010 jsem se podílel na vypracování vyhledávací studie pro ministerstvo průmyslu a obchodu, kde jsme vybírali z 50 lokalit a k dalšímu sledování jsme jich doporučili 18,“ říká Miroslav Kopřiva, někdejší hlavní inženýr a ředitel výstavby PVE Dlouhé stráně. Dnes je těchto lokalit již jen šest – ve hře jsou Šumný důl a Červená jáma v Krušných horách, Smědavský vrch v Jizerských horách, Spálená a Velká Morava v Jeseníkách nebo Slavíč v Beskydech. Odhady ceny výstavby se pohybují v řádu nižších desítek miliard korun, ale co do návratnosti investic vycházejí ve srovnání s jinými energetickými projekty zdaleka nejlépe.

„I podle současných propočtů, které zohledňují zvyšující se ceny vstupních materiálů, energií i lidské práce, ukazují rozhodující parametry, jako jsou čistá hodnota projektu (NPV) a vnitřní výnosové procento (IRR), že by se podobné vodní dílo dokázalo zaplatit během deseti let. Navíc i jeho výstavba by byla relativně krátká. Dlouhé stráně se sice stavěly téměř 20 let, jenže to bylo z důvodu útlumu výstavby v osmdesátých letech. Dle mého odhadu by dnes podobný projekt zabral od prvního kopnutí ke spuštění celého díla do provozu kolem šesti let,“ říká Kopřiva.

Ještě před osmi lety byl ve hře také ojedinělý projekt v ceně zhruba 50 mi­liard korun, který plánoval propojit 24 kilometrů dlouhým potrubím Vltavu s Dunajem přes přečerpávací vodní elektrárnu na Lipně, čímž by vznikla mezinárodní PVE využívající přirozený výškový rozdíl dvou povodí. O pár let později vznikl také návrh projektu na propojení soustavy jezer vzniklých po zatopení povrchových hnědouhelných dolů v severních Čechách. Ani jeden z nich se však za poslední roky nijak neposunul – z důvodů finančních, respektive nepříznivé vodní bilance.

Mnohem palčivějším problémem než financování je dnes spíše fenomén NIMBY (odmítavý postoj místních ve stylu „ne na mém dvorku“) a poukazování na ekologické dopady podobných projektů. Vždyť i mnohá, již letitá vodní díla se (například v Německu) stávají terčem kritiky radikálních „ekologů“ – a co by se asi dělo, kdyby měla být vybudovaná díla nová. „Jelikož se stavba Dlouhých strání protáhla až za sametovou revoluci v roce 1989 a do místního zastupitelstva se tehdy dostali lidé z čerstvě založené Strany zelených, museli jsme otázku ekologie začít více řešit,“ vzpomíná Kopřiva.

„Jejich prvotním cílem bylo stavbu coby neekologickou zastavit. Seznámili jsme je dopodrobna s celým projektem, vyslechli jejich připomínky a mnohé také zapracovali – tehdy se teprve dokončoval násyp horní nádrže a byl prostor mnoho věcí ještě změnit. Nakonec sami uznali, že bude nejlepší celý projekt co nejrychleji dokončit. A dnes, když se procházíte vzrostlým lesem po cestách mezi dolní a horní nádrží, nemáte šanci poznat, že jsme kdysi seřízli vršek jednoho kopce a vyrubanou horninu rozprostřeli po jeho úbočích. Soustavná měření od horní po spodní nádrž až po mnoha kilometrech toku říčky Desné nezjistila již při výstavbě žádné nadlimitní hodnoty ropných látek z asfalto-betonového těsnění nádrže, což bylo tehdy také velké ekologické téma.“

Přečerpávací elektrárny ale nemusejí být jen gigantická díla přetvářející krajinu. Mnohem menší plánuje v rámci komunitní energetiky Ondřej Mikmek, starosta obce Slatinice na Olomoucku. „Nejdřív se mi všichni smáli a sám jsem již tento projekt dvakrát odpískal, ale nakonec zpracujeme do letošního září první studii proveditelnosti, poté vše projednáme s občany a do tří let bychom chtěli celé dílo postavit a spustit do provozu. Nestavíme žádné velké nádrže, pro naše potřeby postačí vertikální nádoby, podobné jako zásobníky na obilí umístěné na vrcholu a úpatí Malého Kosíře.“

Výkon bude sice v porovnání s velkými vodními díly miniaturní, v řádu pouhých jednotek megawattů (MW), ale pokud se tento „pilotní“ projekt podaří rozjet, mohly by se jím inspirovat i okolní obce a propojit se v rámci komunitní energetiky. „Nepůjde o ostrovní systém, budeme propojeni se soustavou a poskytovat jí služby výkonové rovnováhy,“ dodává Mikmek. „Ale primárním cílem je samozřejmě zapojení této ‚baterky‘ do cirkulární energetiky obce spolu s dalšími zdroji, jako je fotovoltaika či bioplynová stanice, a maximální úspora nákladů na energiích pro naše obyvatele.“

Dokonalé kovové baterky

Na stejném principu jako přečerpávací vodní elektrárny mohou fungovat i takzvaná hlubinná gravitační úložiště. Jde o technologii, kterou zkoumají technici již několik desetiletí, až před pár lety ji skotský startup Gravitricity posunul na novou úroveň, kterou chce využít v širší praxi. Jejich systém spočívá – zjednodušeně řečeno – na obřím závaží (o hmotnosti zhruba 600 tun) zavěšeném na soustavě ocelových lan, které se pomocí kladkostroje buď spouští do hloubky až jeden kilometr, přičemž energii vyrábí, nebo naopak vytahuje nahoru a energii spotřebovává.

Akumulační kapacita i výkon takového úložiště je oproti PVE nižší, v řádu jednotek MWh, ale stejně jako v jejím případě jde o zařízení s velmi rychlým náběhem, dokonce ještě rychlejším než u přečerpávací elektrárny – z nuly na „stovku“ (sto procent výkonu) zrychlí během vteřiny. Také účinnost akumulace energie je ohromující (až 80 procent), navíc nabízí plynulou regulaci výkonu. A životnost tohoto zařízení je odhadována na nejméně 25 let, jež však může být při soustavné údržbě a modernizacích podobně jako u PVE mnohem delší. Což se v praxi teprve ukáže, protože jde stále jen o „laboratorní“ projekt, pro jehož pilotní provedení si skotská společnost vybrala Česko i další místa ve střední Evropě a Německu, kde se teprve likvidují doly, kdežto ve Spojeném království je jich již většina několik desítek let uzavřená a jejich průzkum a nové využití by bylo příliš nákladné.

Jako jedna z perspektivních lokalit byl vytipován důl Darkov. V současnosti je sice po ukončení těžby ve stadiu likvidace, ale stále funguje v režimu aktivního důlního díla. „V médiích se objevily zprávy, že Český báňský úřad tento projekt firmě Gravitricity a státní firmě Diamo zatrhl, protože se řídí zastaralou báňskou legislativou. Ani jedno z toho není pravda,“ vysvětluje Martin Štemberka, předseda Českého báňského úřadu.

„Naše bezpečnostní předpisy patří mezi nejmodernější v Evropě a vyžadují využití moderních bezpečnostních systémů. Jejich poslední novelizace proběhla loni, takže rozhodně nejsou zastaralé. Možná se někomu mohou zdát přísné a zajištění bezpečnosti podle nich nákladné, ale jejich cílem je chránit bezpečnost osob i důlních děl s ohledem na rizika v dolech ostravsko-karvinského revíru. Tím nejzásadnějším je výbuch metanu – ten hrozí i v dole, v němž se již netěží, což platí i pro Důl Darkov,“ konstatuje Štemberka.

A dodává: „Jáma, o níž se hovoří jako o vhodné pro vybudování gravitačního úložiště, je v současné době stále součástí tohoto postupně likvidovaného dolu. A jelikož i zde pořád existují báňská rizika, platí v něm báňské předpisy. Z technického hlediska lze při likvidaci jámu bezpečným způsobem oddělit od zbytku dolu. Pak by mohla fungovat jako podzemní objekt, jako je třeba tunel, a nic by nebránilo výstavbě gravitačního úložiště bez nutnosti dodržovat báňské bezpečnostní předpisy pro uhelné doly.“

Navzdory titulkům, že Česko promarnilo příležitost stát se prvním státem na světě s komerčně fungujícím gravitačním úložištěm, probíhají nyní jednání mezi firmami Gravitricity a Diamo coby vlastníkem dolu jak celou situaci během léta uspokojivě vyřešit. „Od roku 2020 jsme v Česku navštívili čtyři hlubinné doly – Staříč, Frenštát, ČSA a Darkov. Všechny byly pro zařízení kompatibilní, v žádném nebyl zásadní technický problém,“ říká Lukáš Adámek, konzultant společnosti Gravitricity.

A dodává: „Kapacita tohoto pilotního projektu bude dvě MWh a zařízení se modeluje primárně pro účely podpůrných služeb pro provozovatele přenosové soustavy, ale je využitelné i jako lokální úložiště – ve finále bude zřejmě využita kombinace obou účelů podle toho, po kterých bude v daný čas poptávka.“ Podobných úložišť by v budoucnu, alespoň dle počtu důlních děl s patřičnou hloubkou přístupných jam, mohlo u nás fungovat minimálně dalších deset.

Jak je to s investiční návratností, je zatím velká neznámá. „Primárním účelem pilotního projektu není investiční návratnost, ale odbavení veškerých technických a technologických výzev. V praxi to znamená, že rozpočet na takový projekt obsahuje vysokou míru nepředvídatelnosti, ale po jeho úspěšném provedení by kapacity a výkony dalších zařízení měly být vyšší,“ konstatuje Adámek. Každopádně i při nákladech v řádu desítek milionů na zabezpečení důlního díla a instalaci technologie by díky následně nízkým provozním nákladům měla být návratnost investice srovnatelná s mnohem nákladnějšími přečerpávacími vodními elektrárnami.

Peníze, materiály, technologie i lidé

Gravitační úložiště sice vyžadují velké počáteční investice – v případě PVE desítky miliard, u gravitačních úložišť v podzemí jde o desítky milionů –, ale návratnost je poměrně krátká, navíc fungují stabilně mnoho let s nízkými náklady na provoz. Co se týče materiálů, byly staré přečerpávací elektrárny budovány z toho, co se při jejich stavbě na daném místě vytěžilo. „Sypaná hráz horní nádrže se postavila z kameniva, které se získalo při jejím hloubení, stejně jako její dno – to je ze štěrku nadrceného přímo na místě z odstřeleného skalního masivu,“ vzpomíná „otec“ Dlouhých strání Miroslav Kopřiva.

„Na stavbě se podílely stovky pracovníků z blízkého i vzdáleného okolí, ale samotný provoz elektrárny následně vyžaduje jen několik desítek osob obslužného personálu, vyjma pravidelných odstávek na údržbu nebo generálních oprav, při nichž se provádí i modernizace a zvyšování výkonu. Na turbínách Dlouhých strání byla původně sedmilopatová oběžná kola, ale při posledních generálních opravách nastal technologický pokrok a ČKD Blansko Engineering navrhlo devítilopatové kolo s lepší účinností, vyšší odolností proti kavitaci a s regulací výkonu v turbínovém režimu od jednotek MW do jmenovité hodnoty,“ odpovídá na další otázku ohledně původu technologií a zařízení Kopřiva.

S tím souhlasí i Martin Schreier ze společnosti ČEZ: „Na přechod do éry moderní energetiky máme dnes připraveno 40 soustrojí na více než 22 vodních elektrárnách všech typů včetně přečerpávacích s celkovým výkonem přes 1 400 mega­wattů, tedy zhruba tři čtvrtiny výkonu jaderné elektrárny Dukovany. Na všech těchto akcích je přitom významná stopa českých strojírenských a technologických firem.“ Stejné perspektivy má podle Chrise Yandella, projektového manažera společnosti Gravitricity, i projekt gravitačního úložiště na Darkově: „Stavební práce plánujeme zabezpečit výhradně pracovními silami z moravskoslezského regionu, stejně i následný provoz úložiště a výrobu technologií z firmy ve Frýdku-Místku.“