Spolehlivé dodávky elektrické energie jsou v dnešní době naprosto klíčové. I krátkodobý výpadek může způsobit vážné problémy jak v domácnostech, tak zejména v průmyslu a kritické infrastruktuře. Představme si běžnou domácnost – při výpadku proudu přestávají fungovat všechny elektrické spotřebiče včetně systémů vytápění. To může být zvláště v zimním období velmi nepříjemné, a to i v případě, kdy je k dispozici dostatek paliva, protože moderní kotle vyžadují pro svůj provoz elektrickou energii.

V průmyslovém prostředí jsou však dopady výpadků elektřiny mnohem závažnější. Zde nejde jen o nepohodlí, ale o zásadní narušení výrobních procesů, které může vést k významným ekonomickým ztrátám. Problémem přitom není jen úplný výpadek – i krátkodobý pokles napětí může způsobit zastavení výrobních linek nebo poškození citlivých zařízení.

Tyto problémy nejsou nové – už v počátcích computerizace se ukázalo, jak citlivé jsou počítačové systémy na kvalitu dodávek elektřiny. Tehdy stačil krátký výpadek napájení a došlo ke ztrátě dat nebo dokonce poškození hardware. První řešení těchto problémů pomocí záložních zdrojů (UPS) se velmi osvědčilo a používá se dodnes.

Moderní doba však přináší nové výzvy. S rostoucí složitostí průmyslových procesů, digitalizací a především s přechodem na obnovitelné zdroje energie vzniká potřeba mnohem sofistikovanějších řešení. A právě zde přicházejí ke slovu bateriová úložiště, známá pod zkratkou BESS (Battery Energy Storage System). Tato technologie představuje výrazný pokrok oproti klasickým záložním zdrojům – nabízí nejen větší kapacitu a výkon, ale především mnohem širší možnosti využití.

Co je bateriové úložiště?

Zkratka BESS pochází z angličtiny a znamená Battery Energy Storage System (česky – bateriový systém). Ačkoliv se běžně používá termín „bateriové úložiště“, z technického hlediska systém využívá akumulátory, nikoli baterie. Rozdíl je zásadní – zatímco baterie jsou určeny k jednorázovému použití a po vybití se musí zlikvidovat, akumulátory lze opakovaně nabíjet. Termín „bateriové úložiště“ se však v praxi natolik vžil, že ho budeme používat i nadále.

Jak jsme již zmínili, moderní elektronická zařízení a průmyslové systémy jsou velmi citlivé na kvalitu dodávek elektřiny. Problém představují zejména dva typy poruch: krátkodobé poklesy napětí (tzv. podpětí) a úplné výpadky napájení. V obou případech může dojít k přerušení činnosti zařízení, ztrátě dat nebo dokonce k fyzickému poškození citlivých komponent.

Jak systém bateriových úložišť funguje?

Pro pochopení fungování systémů BESS je důležité seznámit se s jejich základní strukturou a hlavními komponenty. Každá část systému má svoji specifickou funkci a všechny společně vytvářejí komplexní řešení pro spolehlivé ukládání a využívání elektrické energie.

Akumulátory

Na obrázku pod číslem 1.

Jádrem každého systému BESS jsou akumulátory. Zatímco první UPS zařízení ještě fungovala s olověnými akumulátory, moderní úložiště energie sází na Li-Ion technologii. Důvodem je jejich vysoká energetická hustota, dlouhá životnost a relativně nízké samovybíjení.

Ačkoliv se stále nejčastěji používají lithium-iontové (Li-Ion) akumulátory, postupně se prosazují i další technologie, které přinášejí vylepšenou bezpečnost, delší životnost nebo nižší ekologickou zátěž. Ve velkém měřítku se již běžně využívají lithium-železo-fosfátové (LiFePO₄) akumulátory, které jsou bezpečnější a neobsahují toxické kovy. Sodíkovo-sirné (NaS) baterie nacházejí uplatnění ve stabilizaci sítě a skladování velkého množství energie, ale vyžadují vysoké provozní teploty.

Mezi experimentální technologie patří například solid-state baterie (baterie s pevným elektrolytem), které slibují vyšší kapacitu a bezpečnost, ale zatím nejsou dostupné pro masové nasazení. Další zajímavou inovací jsou pískové baterie, využívané zatím jen v pilotních projektech pro dlouhodobé tepelné ukládání energie.

Řídicí jednotka a pokročilé řízení bateriového úložiště (2)

Řídicí jednotka (CPU) a energetický management

Moderní řídicí jednotka (Central Processing Unit – CPU) se stará o inteligentní řízení energetických toků v bateriovém úložišti. Optimalizuje nabíjení a vybíjení na základě aktuálního stavu nabití, poptávky po energii a cenových výkyvů na trhu. Využívá pokročilé algoritmy a umělou inteligenci, které umožňují prediktivní řízení a efektivní využití uložené energie. U velkých průmyslových systémů se stále častěji implementují machine learning modely, které na základě historických dat dokáží předvídat špičky spotřeby a optimalizovat distribuci výkonu.

Management akumulátoru (BMS – Battery Management System)

BMS (Battery Management System) zajišťuje bezpečný provoz akumulátorů a hlídá provozní limity, aby se minimalizovalo jejich opotřebení a maximalizovala životnost. Kontroluje:

• Mezní napětí při nabíjení a vybíjení
• Teplotní podmínky pro bezpečný provoz
• Ochranu před přetížením a zkratem
• Vyrovnávání napětí mezi jednotlivými články (balancování článků)

BMS je klíčový zejména u velkých úložišť s Li-Ion nebo LiFePO₄ akumulátory, kde dochází k dynamickému řízení jednotlivých článků pro maximalizaci výkonu a bezpečnosti.

Bezpečnost a vzdálené monitorování

Současné řídicí jednotky jsou vybaveny pokročilými monitorovacími technologiemi. Provozovatelé mohou sledovat aktuální stav bateriového úložiště:

• Lokálně přes palubní rozhraní v počítači nebo na ovládacím panelu (3)
• Dálkově prostřednictvím cloudu, což umožňuje automatické upozornění na poruchy a prediktivní údržbu

Střídač a regulátor nabíjení

Důležitou součástí BESS je střídač/měnič/invertor (4), který zajišťuje přeměnu stejnosměrného proudu z akumulátorů na střídavý proud používaný v běžné elektrické síti. Současně slouží jako nabíječ akumulátorů při ukládání energie. Moderní měniče dosahují účinnosti přes 95-98 % a dokáží velmi rychle reagovat na změny v síti.

Takto generovaná elektřina slouží k napájení spotřebičů v domácnosti (5) nebo ve firmě. Pokud je k dispozici přebytek obnovitelné energie, bylo by možné dodávat elektřinu i do veřejné sítě (6).

Mnoho střídačů zároveň funguje jako nabíjecí regulátory, což umožňuje nabíjení akumulátorů zpětně ze sítě, pokud je to potřeba.

U systémů s DC připojením jsou na střídači k dispozici přípojky pro solární panely (7) nebo větrné elektrárny (8) (viz obrázek). U systémů se střídavým napětím (AC) jsou solární panely připojeny k samostatnému PV střídači, který je dimenzován na dodávku do sítě. To znamená, že AC úložiště energie je ideální pro rozšíření stávajících fotovoltaických systémů, které nemají možnost připojení akumulátoru přímo ke střídači.

K čemu jsou nezbytné systémy pro ukládání energie?

Vraťme se k příkladu s UPS zařízeními. Jeden výpadek napětí u jediného počítače může způsobit značné problémy. V moderních provozech, kde jsou stovky počítačů propojeny do komplexních sítí, však mohou být následky výpadku napájení mnohem závažnější. Výpadek může spustit řetězovou reakci vedoucí ke kolapsu celých systémů, což přináší nejen okamžité škody, ale často i dlouhodobé následky v podobě ztráty dat nebo poškození zařízení.

Moderní energetika se mění rychlým tempem a spolu s tím se mění i požadavky na stabilitu dodávek elektřiny. Tradiční elektrická síť byla navržena tak, aby pracovala s velkými, stabilními zdroji, jako jsou uhelné, jaderné nebo plynové elektrárny. Tyto zdroje dodávaly energii rovnoměrně a předvídatelně, takže síť mohla poměrně snadno udržovat rovnováhu mezi výrobou a spotřebou.

Dnes se ale stále více přechází na obnovitelné zdroje, jako jsou solární a větrné elektrárny, které mají jednu zásadní nevýhodu – jejich výkon kolísá v závislosti na počasí. Slunce nesvítí v noci a vítr nefouká neustále, což znamená, že výroba energie se ne vždy shoduje s tím, kdy ji spotřebitelé potřebují. Právě zde hrají klíčovou roli bateriová úložiště (BESS – Battery Energy Storage System), která pomáhají překonat tyto výzvy.

Přechod na obnovitelné zdroje energie a útlum konvenčních elektráren zásadně mění požadavky na stabilitu a řízení sítě. Musíme se vypořádat s několika klíčovými faktory:

• Vyrovnávání výkyvů v produkci obnovitelných zdrojů – obnovitelné zdroje energie, jako jsou fotovoltaické a větrné elektrárny, nevyrábějí elektřinu rovnoměrně, protože jejich výkon závisí na počasí. Stačí průchod oblačnosti, pokles rychlosti větru nebo noční hodiny a výroba klesá, přestože spotřeba může být stále vysoká. Naopak ve slunečných dnech nebo při silném větru mohou tyto zdroje produkovat více energie, než je aktuálně potřeba. Pokud se tento přebytek neuloží, dochází k jeho neefektivnímu využití nebo dokonce k přetížení sítě, což může vést k omezení výroby nebo zbytečným výkyvům v dodávkách. Bateriová úložiště řeší tento problém uchováním přebytečné energie pro pozdější použití, například v době, kdy výroba neodpovídá poptávce. Díky tomu pomáhají stabilizovat síť, snížit závislost na záložních fosilních zdrojích a umožnit efektivnější využití obnovitelných zdrojů.
• Prostorové oddělení výroby a spotřeby – významným faktorem je také skutečnost, že optimální lokality pro instalaci obnovitelných zdrojů často neleží v blízkosti center spotřeby. Umístění elektráren je podmíněno vhodnými přírodními podmínkami, dostupností pozemků, připojením k síti a řadou dalších faktorů. To klade zvýšené nároky na přenosovou soustavu.
• Změny ve způsobu využívání elektřiny – současně s proměnou zdrojů se mění i charakter spotřeby. S rostoucím počtem elektromobilů a chytrých domácností dochází k velkým změnám ve spotřebě elektřiny a jejímu nárůstu. Významným faktorem je rozvoj elektromobility – připojování velkého množství nabíjecích stanic vytváří nové požadavky na distribuční sítě. Když se večer vrací tisíce lidí z práce a připojí své elektromobily k nabíjení, vzniká výrazná odběrová špička, kterou musí síť zvládnout. Bateriová úložiště mohou pomoci tyto špičky vyrovnávat tím, že dodají energii do sítě v době, kdy je potřeba, a v době nízkého zatížení ji opět uloží.
• Přechod na decentralizovanou energetiku – dříve byla výroba elektřiny centralizovaná – velké elektrárny dodávaly elektřinu do celé sítě. Dnes se ale čím dál více domácností a firem stává zároveň výrobci i spotřebiteli (tzv. prosumery), kteří si elektřinu vyrábějí pomocí vlastních fotovoltaických elektráren. Bez bateriového úložiště je však jejich schopnost využívat vlastní energii omezená – většina vyrobené elektřiny se spotřebovává okamžitě a přebytky se musí posílat do sítě. Bateriová úložiště umožňují efektivně ukládat vlastní vyrobenou energii a využít ji tehdy, kdy je potřeba, což zvyšuje energetickou soběstačnost a snižuje závislost na distribuční síti.

Jaké výhody systémy bateriových úložišť nabízejí?

Bateriová úložiště představují víc než jen zálohu pro případ výpadku. Jejich přínos je komplexní a zahrnuje několik klíčových oblastí:

• Stabilizace sítě a okamžitá reakce na výpadky – elektrická síť potřebuje neustále udržovat rovnováhu mezi výrobou a spotřebou energie. Jakákoliv nerovnováha může způsobit kolísání napětí nebo dokonce výpadek. BESS funguje jako rychlá záloha, která dokáže během milisekund dodat chybějící energii nebo naopak přebytečnou energii uložit. Rychlost reakce je zde klíčová – čím rychleji systém zareaguje na problém v síti, tím menší je riziko přerušení provozu, který má vždy jak ekonomický dopad, tak může způsobit mnohem závaznější dopady – zvláště v nemocnicích, v dopravě nebo výrobních závodech, může každý větší výpadek způsobit velmi vážné následky.
• Finanční úspory chytrým využíváním energie – cena elektřiny se v průběhu dne mění podobně jako tarify u mobilních operátorů. V noci, kdy je spotřeba nižší, bývá elektřina levnější, zatímco přes den její cena roste. Bateriový systém (BESS) umožňuje nakupovat elektřinu v době nízkých cen a ukládat ji do baterií, případně využít výkyvy cen i během dne, například v období přebytku energie na trhu. Tuto uloženou energii lze následně využít v době dražší elektřiny, čímž dochází k optimalizaci nákladů. Pro firmy je tato strategie obzvlášť výhodná, protože jim umožňuje snížit platby za rezervovaný příkon – tedy maximální množství energie, které mají smluvně zajištěné a za které musí platit i tehdy, pokud ho plně nevyužijí. Bateriové úložiště pomáhá tyto špičkové odběry pokrýt, takže firma nemusí zbytečně navyšovat rezervovaný příkon a platit za kapacitu, kterou reálně nevyužije.
• Snížení nákladů na energii – baterie umožňují optimalizovat spotřebu elektřiny v závislosti na ceně energie v průběhu dne nebo během špičkových časů, kdy je elektřina nejdražší. Nabíjení probíhá v době nízkého tarifu nebo při nadbytku vlastní vyrobené energie, což pomáhá minimalizovat odběr drahé elektřiny z distribuční sítě. Tento model řízení spotřeby je zvláště výhodný pro podniky, které mohou snížit své provozní náklady bez nutnosti měnit výrobní procesy.
• Integrace obnovitelných zdrojů energie – solární a větrné elektrárny vyrábějí elektřinu v závislosti na povětrnostních podmínkách, což může způsobovat výkyvy v dodávkách. Baterie umožňují ukládání přebytečné energie vyrobené v době nadbytku a její využití ve chvílích, kdy výroba klesá. Tímto způsobem se zvyšuje energetická soběstačnost domácností i firem, snižují se náklady na nákup elektřiny a zároveň dochází ke snížení uhlíkové stopy.
• Možnost dodávky energie do sítě – majitelé bateriových systémů mohou prodávat přebytečnou uloženou energii zpět do distribuční sítě a tím získávat dodatečné příjmy. Tato praxe, známá jako energetický arbitráž, umožňuje vlastníkům baterií nakupovat elektřinu za nižší ceny, například během období nízkého tarifu, a prodávat ji zpět do sítě, když jsou ceny vyšší. Tímto způsobem mohou optimalizovat své náklady na energii a zároveň přispívat ke stabilizaci elektrické sítě.
• Škálovatelnost a flexibilita – bateriové úložiště lze snadno přizpůsobit aktuálním potřebám přidáním dalších akumulátorových modulů. To znamená, že systém může růst spolu s rozšiřováním výrobních kapacit firmy nebo s navyšujícími se energetickými nároky domácnosti. Investice do BESS tak není jednorázovým krokem, ale lze ji postupně rozšiřovat podle aktuálních požadavků.
• Zvýšení energetické bezpečnosti – v době rostoucích cen energií a častějších výpadků v dodávkách elektřiny se bateriové úložiště stává cenným prvkem energetické bezpečnosti. Chrání firmy i domácnosti před nečekanými výpadky a poskytuje spolehlivý záložní zdroj energie. To je zásadní nejen pro kritickou infrastrukturu, jako jsou nemocnice či datová centra, ale i pro běžné domácnosti, které se chtějí chránit před neplánovanými přerušeními dodávky elektřiny.
• Pokročilý monitoring a prediktivní řízení – moderní systémy BESS jsou vybaveny pokročilým monitoringem, který provozovatelům poskytuje detailní přehled o tocích energie v reálném čase. To umožňuje přesně sledovat, kolik energie systém v daném okamžiku vyrábí, spotřebovává a ukládá. Na základě těchto dat mohou provozovatelé identifikovat období s nejvyšší spotřebou a optimalizovat využití uložené energie. Důležitou funkcí je také sledování cenových tarifů a predikce spotřeby. Systém dokáže automaticky vyhodnocovat, kdy je výhodné energii nakupovat a kdy ji naopak čerpat z baterií. To je zvláště přínosné u větších instalací, kde rozdíly mezi špičkovými a mimo špičkovými tarify mohou znamenat významné finanční úspory. Řídicí jednotka také pracuje s předpovědí počasí a historickými daty o spotřebě. Díky tomu může lépe plánovat nabíjení a vybíjení baterií – například zajistit dostatečnou rezervu energie před obdobím s očekávanou nízkou výrobou z fotovoltaických panelů. Jako doplňkovou funkci nabízí systém také vzdálený monitoring technického stavu baterií a ostatních komponent. To umožňuje včasnou identifikaci případných technických problémů a zajištění preventivní údržby. To přispívá k delší životnosti systému a minimalizaci výpadků způsobených technickými problémy.
• Ekologický přínos a snižování emisí CO₂ – využitím bateriového úložiště k optimalizaci spotřeby elektřiny a integraci obnovitelných zdrojů dochází k významnému snížení uhlíkové stopy. Méně závislosti na elektřině vyráběné z fosilních paliv znamená nejen ekologičtější provoz, ale také pozitivní dopad na udržitelnost celého energetického systému.

Kde se systémy bateriových úložišť používají?

Využití BESS zahrnuje širokou škálu aplikací od domácích instalací až po velké průmyslové systémy.

Domácnosti s fotovoltaikou

Pro domácnosti s fotovoltaickými systémy představují BESS klíčový prvek pro maximální využití vyrobené energie. Během dne, kdy je výroba nejvyšší ale spotřeba často nízká, se energie ukládá do akumulátorů. Večer a v noci, kdy spotřeba stoupá, se využívá uložená energie místo drahého odběru ze sítě.

Optimální velikost domácího úložiště závisí na několika faktorech:

• Výkon fotovoltaického systému
• Typický průběh spotřeby domácnosti
• Požadovaná míra energetické soběstačnosti
• Ekonomické parametry (ceny elektřiny, investiční náklady)

Běžně se pro domácnosti instalují solární systémy s kapacitou 5–16 kWh, kdy jejich přesná velikost závisí na individuálních potřebách každé domácnosti či firmy. Při volbě správné kapacity bateriového úložiště je nutné zvážit spotřební návyky, velikost objektu, dostupné zdroje energie a požadavky na energetickou soběstačnost.

Menší úložiště s kapacitou 5–10 kWh jsou vhodná zejména pro domácnosti s nižší spotřebou elektřiny, které chtějí optimalizovat vlastní spotřebu vyrobené solární energie. Typickým využitím může být ohřev teplé užitkové vody, kde se přebytečná solární energie ukládá do baterie a večer se využívá k provozu bojleru či jiných spotřebičů. Tento rozsah kapacity postačuje také pro menší rodinné domy se standardní spotřebou a běžným denním režimem, kde se většina elektřiny spotřebovává ráno a večer.

Větší systémy s kapacitou 10–16 kWh a více jsou vhodné pro větší rodinné domy, kde je vyšší spotřeba elektřiny nejen na běžný provoz domácnosti, ale také na elektrické vytápění nebo nabíjení elektromobilu. Tento rozsah kapacity se uplatní zejména v domech s vyšší soběstačností, kde majitelé chtějí minimalizovat odběr elektřiny z distribuční sítě a co nejvíce využít vlastní vyrobenou energii. Pokud domácnost využívá například tepelné čerpadlo, je větší baterie prakticky nutností, protože umožní efektivnější řízení spotřeby.

Správná dimenze bateriového úložiště by vždy měla vycházet z důkladné analýzy spotřeby a výrobních možností. Pokud je kapacita příliš malá, baterie se rychle vybije a část vyrobené solární energie bude zbytečně odcházet do sítě. Naopak příliš velká baterie nemusí být ekonomicky efektivní, protože se nebude plně nabíjet a využívat. Optimální řešení tak vždy spočívá ve správném vyvážení mezi výrobou, spotřebou a požadovanou úrovní energetické nezávislosti.

Komerční a průmyslové aplikace

V komerčním a průmyslovém sektoru nacházejí uplatnění větší systémy BESS. Zde plní několik klíčových funkcí:

• Zajištění nepřerušeného napájení kritických procesů
• Optimalizace nákladů na elektřinu pomocí řízení spotřeby
• Vyrovnávání odběrových špiček pro snížení rezervovaného příkonu
• Maximalizace využití energie z vlastních obnovitelných zdrojů

Velikost těchto systémů se pohybuje od desítek do stovek kilowatthodin podle konkrétních požadavků provozu.

Podpora energetické infrastruktury

Velkokapacitní BESS s kapacitou 20 MWh a více se uplatňují jako důležitý prvek energetické infrastruktury. Provozovatelé obnovitelných zdrojů je využívají pro optimalizaci dodávek do sítě – místo odpojování elektráren při přebytku výroby mohou energii uložit a dodat ji do sítě v době vyšší poptávky.

Inovativní aplikací je využití BESS pro rychlonabíjecí stanice elektromobilů. Bateriové úložiště umožňuje vybudovat výkonnou nabíjecí stanici i v lokalitách s omezenou kapacitou sítě. Úložiště se průběžně nabíjí menším výkonem a při připojení elektromobilu dokáže poskytnout vysoký výkon pro rychlé nabíjení.

Bateriová úložiště včera, dnes a zítra

Myšlenka ukládání energie pro pozdější využití má dlouhou historii. Již před sto lety vznikaly přečerpávací vodní elektrárny jako první velkokapacitní systémy pro ukládání energie. V době nižší spotřeby čerpají vodu do výše položené nádrže, při vysoké spotřebě ji využívají k výrobě elektřiny. Tato technologie je velmi účinná a spolehlivá, její realizace však vyžaduje vhodné geografické podmínky a značné investice.

Současný stav

Dnešní bateriová úložiště představují univerzálnější řešení. Pokrok v technologii akumulátorů, výkonové elektroniky a řídicích systémů umožňuje stavět vysoce účinná úložiště prakticky kdekoli a v širokém rozsahu výkonů. Dominantní technologií jsou lithium-iontové akumulátory, které nabízejí optimální kombinaci technických a ekonomických parametrů. Vedle nich se rozvíjejí i další koncepty jako průtokové baterie nebo setrvačníková úložiště.

Výhled do budoucnosti

S pokračující transformací energetiky bude význam systémů pro ukládání energie dále růst. Očekávaný vývoj zahrnuje:

• Zvyšování energetické hustoty a životnosti baterií a akumulátorů
• Snižování investičních nákladů díky masové výrobě
• Vývoj nových typů akumulátorů (např. lithium-sirné, organické)
• Zdokonalování řídicích systémů a jejich integrace do chytrých sítí
• Rozšiřování aplikací v energetice i dalších odvětvích

Bateriová úložiště typu BESS budou hrát klíčovou roli při přechodu na udržitelnou energetiku založenou na obnovitelných zdrojích. Jejich schopnost efektivně vyrovnávat výkyvy ve výrobě a spotřebě energie je činí nepostradatelným prvkem moderních energetických systémů.