A přece se točí…

Akumulace mechanické energie v rotujících setrvačnících patří k méně známým způsobům (krátkodobého) skladování energie. Setrvačník se obvykle roztočí elektromotorem, existují však i aplikace využívající jako primární zdroj přímo mechanickou energii. Technologii blíže popisují ředitel Ústavu termomechaniky AV ČR Jiří Plešek s kolegy Jaroslavem Zapomělem, Jiřím Šonským a Janem Gruberem.

Kde všude nacházejí setrvačníkové akumulátory uplatnění? — Slouží k akumulaci energie, která by jinak byla mařena v dopravě nebo při realizaci různých technologických procesů (např. při brzdění vlaků nebo souprav metra). Dále ke krytí energetických špiček, používají se jako záložní nebo havarijní zdroje elektrické energie, velké setrvačníkové farmy slouží k vyrovnávání rozdílů mezi výrobou a spotřebou elektrické energie. Kromě toho se setrvačníky používají i pro generování velkých až velmi velkých proudů, které by vedly k poškození jiných typů akumulátorových zařízení – například v experimentálních tokamacích. Setrvačníky jako akumulátory energie nacházejí uplatnění také u satelitů, vesmírných sond a kosmických lodí, u nichž je primárním zdrojem energie Slunce. Setrvačníky mohou uchovávat energii po dobu, kdy se zařízení nacházejí ve stínu.

Rozvíjí se nějak koncept gyrobusů – městských autobusů poháněných setrvačníky? — V gyrobusech se setrvačníky roztáčejí v nabíjecích stanicích na konci trasy nebo na jednotlivých zastávkách a na vzdálenost jednotek km pak fungují jako elektrické generátory, jež plně dostačují k pohonu vozidla. Ten je tichý a není potřeba vést trolejové vedení. Experimentovalo se s nimi ve Švýcarsku, Kongu a Belgii. Systém je to zajímavý, alespoň pro tuto chvíli se však komerčně neprosadil.

Pro řadu aplikací nejsou setrvačníky vhodné, především kvůli nízké energetické hustotě. Jaké mají naopak výhody? — Mají dlouhou životnost, která je dána pouze životností a mechanickým opotřebením rotujících částí a v průměru činí kolem dvaceti let. Počet cyklů nabití a hlubokého vybití je prakticky neomezen, elektrický příkon a výkon při nabíjení a vybíjení může dosahovat velkých hodnot, aniž by došlo k jejich poškození, a ani úplné vybití nemá vliv na jejich funkčnost. Ke svému provozu nepotřebují klimatizované prostory, takže mohou pracovat i při velmi nízkých teplotách. Protože setrvačníkové nádoby jsou zcela uzavřené, fungují i v prašném nebo agresivním prostředí nebo v prostředí zamořeném radiací.

Jaké vlastnosti musí rotor mít, aby dobře plnil svou funkci? — Vhodná jsou tělesa těžká, rychle rotující a s pravidelným rozložením hmoty kolem osy otáčení. Množství uložené energie závisí na hmotnosti setrvačníku přímo úměrně, ale na frekvenci otáčení dokonce s druhou mocninou. Zdesetinásobíme-li rychlost otáčení, vzroste uložená energie stonásobně, ale zároveň vzroste i mechanické namáhání, proto je nesmírně důležitá pevnost použitého materiálu v tahu. Setrvačníky jsou konstruovány tak, aby měly co největší moment setrvačnosti při co nejmenších rozměrech a hmotnosti. A pravidelné rozložení hmoty je kriticky důležité proto, aby síly působící na setrvačník byly vyvážené.

O jaké frekvenci otáčení se řádově bavíme? — Pomaloběžné setrvačníky se pohybují přibližně od 5000 otáček za minutu a rychloběžné až do 50 000 otáček za minutu. Jsou však konstruovány i lehké setrvačníky s rychlostmi otáčení až několik set tisíc otáček za minutu.

Jaké množství energie lze do setrvačníku akumulovat? — Průměrné měrné množství akumulované energie se pohybuje od 5 Wh/kg u pomaloběžných setrvačníků do 100 Wh/kg u rychloběžných setrvačníků z uhlíkových kompozitů. Největší vyráběné setrvačníky jsou schopny akumulovat energii až 5 MJ (1,4 kWh) a mají hmotnost kolem 10 tun.

Zmínili jste uhlíkové kompozity. Jaké další materiály připadají pro výrobu rotorů v úvahu? — Kromě kompozitních materiálů na bázi uhlíkových vláken se používá vysokopevnostní ocel nebo ocelolitina. Rotory mohou být vyrobeny z jednoho materiálu nebo složeny z ocelového hřídele, na kterém je nasazen prstenec z kompozitního materiálu. Pokud není limitujícím faktorem velikost setrvačníku, je z hlediska energetické hustoty kompromisem mezi ocelí a uhlíkovými kompozity hliník. Podobných parametrů dosahuje překvapivě také dubové dřevo nebo balza. Tyto materiály ale nejsou vhodné, protože nelze zajistit jejich homogenitu a je třeba řešit napojení na magnetické části. Hypoteticky by bylo možné zkonstruovat rotor z rovinného grafenu – pokud bychom měli způsob, jak takový homogenní kus grafenu vyrobit. Kotouček o průměru 1 cm a výšce 1 mm by teoreticky zvládl 7,5 milionu otáček za minutu a uskladnil by 10 kJ energie při hustotě 15 MJ/kg, což je srovnatelné s energetickou hustotou proteinů nebo palivového dřeva. Disk z grafenu o průměru 1 metr a výšce 10 cm by uskladnil 10 GJ, tedy 2,8 MWh.

Jak jsou na tom setrvačníky se ztrátami? — Hlavními příčinami samovybíjení jsou energetické ztráty v ložiskách, odpor způsobený třením vnějšího vzduchového prostředí a ztráty v motor-generátoru. Tření v ložiskách lze minimalizovat použitím keramických nebo hybridních valivých ložisek místo kovových. Téměř nulový odpor proti otáčení vykazují bezkontaktní ložiska pracující na principu magnetické levitace. Ta jsou výhodná i proto, že nepodléhají mechanickému opotřebení – jejich pohyblivé a nepohyblivé části se vzájemně nedotýkají. Tření vnějšího prostředí lze omezit uzavřením setrvačníku do vakuové nádoby. Ztráty v motor-generátoru jsou způsobeny vířivými proudy. Ty jsou v elektrickém vinutí statoru a jiných elektricky vodivých částí rotačního stroje indukovány rotujícím magnetickým polem permanentních magnetů rotoru. Snížení těchto nežádoucích jevů lze dosáhnout vhodným konstrukčním řešením, jako jsou tenké, vzájemně nevodivě oddělené plechy místo masivních částí, elektrické vinutí tvořené vodiči vyrobenými z tenkých, vzájemně nevodivě oddělených drátů místo drátů a tyčí velkého průřezu.

Můžete blíže popsat ona magnetická ložiska? — Řešení je více. K uložení rotoru lze použít aktivní magnetická ložiska. Ta však vyžadují řídicí systém, což zvyšuje jejich složitost a nároky na provoz a údržbu. Další možností jsou pasivní magnetická ložiska využívající vysokoteplotní supravodivé keramické materiály. Jsou to sloučeniny yttria, barya, oxidů mědi a dalších prvků. Tato ložiska pracují na principu interakce magnetického pole permanentních magnetů (spojených s rotující částí) a supravodivých proudů tekoucích ve vysokoteplotních supravodičích (stacionární část). Pasivní prvky jsou konstrukčně i provozně jednodušší, a proto i spolehlivější.

Říkáte „vysokoteplotní“ supravodivé materiály. Co to znamená? O supravodivost při pokojové teplotě jistě nejde.¹⁾ — Jsou to materiály, které ke svému provozu sice potřebují kryogenní zařízení, ale k chlazení postačuje relativně levný a snadno dostupný tekutý dusík, jehož teplota je pod 77 K. Po zchlazení na teplotu asi 90–110 K se tyto materiály stávají supravodiči II. typu. Část zůstává v normálním stavu a část přechází do stavu supravodivého. Supravodivou částí protékají supravodivé proudy a normální částí prochází magnetické pole permanentního magnetu, které svými okraji proniká do supravodivé oblasti. Tím spolu supravodivé proudy a magnetické pole permanentního magnetu silově interagují (obr. 1). Při náhlém přerušení chlazení nepřestává levitační síla působit na rotor okamžitě, ale až s určitým časovým zpožděním, protože supravodivé magnety se ohřívají pomalu.

Levitace permanentního magnetu nad supravodivou keramikou.Snímek Ústav termomechaniky AV ČR

Loni jste v rámci Týdne vědy a techniky prezentovali veřejnosti setrvačník levitující při pokojové teplotě. Ten je stabilizován jak? — Jedná se o technologii řízení zpětnou vazbou, kterou vyvinul Jiří Šonský. Využívá kombinaci permanentních magnetů s aktivními magnetickými ložisky. Permanentní magnety kompenzují vlastní tíhu rotoru a aktivní magnetická ložiska zajišťují stabilitu uložení (viz video níže, pozn. red.). Magnetickou indukci v pracovní mezeře snímá Hallův senzor a zpětnovazební smyčku udržuje na konstantní úrovni pomocí elektromagnetu. Díky elektrodynamickému tlumení je potlačena dynamická nestabilita systému a celkový příkon regulačního elektromagnetu je velmi nízký. Náš experimentální setrvačník s nekrytým rotorem, tedy za atmosférických podmínek, vykázal ztrátu 36 % otáček za hodinu. Ve vakuové komoře lze očekávat ztráty podstatně nižší.

Demonstrace aktivní stabilizace levitace permanentního magnetu.

Není provoz setrvačníků s desetitisíci otáček za minutu nebezpečný? — Obecně platí, že jednodušší zařízení jsou spolehlivější. Bezpečnost se zvyšuje zdvojením kritických prvků a přidáním záložních zdrojů, které by např. umožnily napájení řídicího systému nebo zdroje chlazení supravodivých ložisek po dobu nutnou k zastavení setrvačníku v případě neočekávaného výpadku dodávky energie z primárního zdroje. Vyšší bezpečnosti se dosahuje i přidáním bezpečnostních prvků a senzorů monitorujících chod setrvačníkového zařízení. Aktivní magnetická ložiska se doplňují klasickými valivými ložisky, která zamezují poškození elektromagnetů v důsledku nárazu čepu hřídele na stacionární část ložiska. Setrvačníkové nádoby se vyrábějí z vysokopevnostní oceli doplněné vrstvami kevlaru nebo jiných kompozitních materiálů s vysokou pevností a možností absorpce mechanické energie, aby odolaly částečné nebo úplné destrukci rotoru. Na velkých setrvačníkových farmách se setrvačníky zapouštějí do země, aby v případě závažné poruchy mohla být část energie pohlcena okolním terénem.

Rozhovor vychází s podporou Ústavu termomechaniky AV ČR