Setrvačník: elektřina uložená v pohybu

Datum 04.01.2016

Každý jistě zná situaci, kdy má rozdělanou práci na počítači, sleduje zápas v televizi nebo má například rozpečenou večeři v troubě a z ničeho nic vypadne elektřina. Řešením mohou být záložní zdroje energie.

Systém představuje velmi rychlý záložní zdroj energie – na plné otáčky, tedy 9 000 rotací za minutu, se generátor zvládne roztočit během 150 milisekund. Zařízení tak může v případě výpadku dodávky elektrické energie sloužit k překlenutí doby mezi výpadkem a naskočením záložního agregátu, které je časově nesrovnatelně náročnější.

Proud sice po čase naskočí, neuloženou práci vám ale již nikdo nevrátí, skóre zápasu se mezitím změnilo a lasagne už také nebudou al dente. Tyto drobné domácí komplikace člověk většinou zapomene hned poté, co se o ně druhý den podělí s kolegy v práci, v některých odvětvích ovšem mohou mít výpadky elektrického proudu doslova fatální následky.
Typickým příkladem jsou datová centra či serverovny, které nejenže pracují s mimořádně citlivou elektronikou, jež může nečekané zamezení přívodu elektrické energie poškodit, ale zejména s choulostivými daty, jejichž případné poškození představuje podstatně větší komplikaci, než hmotné ztráty.
Proto je dnes standardním vybavením podniků nebo nemocnic záložní zdroj energie pro případ nečekaného výpadku.

Tyto zdroje mají řadu podob – od akumulátorů s rychlým nástupem avšak omezenou kapacitou, přes pomalé, ale dlouhodobě spolehlivé dieselové agregáty, až po setrvačníky.
Ty v sobě částečně kombinují to nejlepší z obou předchozích metod – mohou ukládat poměrně velká množství energie (v řádu desítek až stovek kWh) a v případě potřeby mají téměř okamžitý nástup. Podobně, jako akumulátory, energii nevyrábí, ale pouze ukládají. Způsob, jakým tak činí, je ovšem od elektrických akumulátorů diametrálně odlišný.

V rychlosti je síla

Zatímco akumulátory přeměňují při nabíjení elektrickou energii na chemickou a naopak, setrvačníky pracují obdobným způsobem s mechanickou energií. Srdcem setrvačníku je rotor, který je po přivedení napětí roztočen elektromagnetem, který jej obklopuje.
Zařízení tak při nabíjení funguje jako elektrický motor, který pohání stále rychleji rotující rotor, jenž tím získává pořád větší a větší energii. Při odpojení vnějšího napájení pak zařízení slouží jako elektrický generátor poháněný pohybem rotoru.
Aby bylo množství energie, kterou tímto způsobem zařízení schraňuje, co nejvyšší, je potřeba, aby byl rotor co nejtěžší a dosahoval co největších otáček. U moderních setrvačníků se tak i mnoha set kilogramů těžké rotory otáčejí těžko uvěřitelnou rychlostí několika desítek tisíc otáček za minutu.
S tím ale také bohužel souvisí pravděpodobně největší nevýhoda setrvačníků – kvůli technologické náročnosti představují poměrně velkou investici a vyžadují častou a pravidelnou údržbu. Tyto nedostatky by však mohl v budoucnu zmírnit nový typ setrvačníku, který vyvíjí konstruktéři společnosti Siemens.

Přes vakuum pomocí spojky

Inovovaný setrvačník je tvořen 260 kg ocelovým rotorem, který se pohybuje ve vakuové komoře a je nadnášen magnety, což výrazně snižuje servisní náročnost. Nad rotorem je pak umístěn elektromotor pocházející z klasické sériové výroby, nejde tedy o žádnou speciální a nákladnou součástku.
Protože motor pracuje v běžném atmosférickém tlaku, vývojáři museli vymyslet způsob spárování činnosti motoru s rotorem pohybujícím se ve vakuu. Na rotoru i na hřídeli elektromotoru je proto přidělán spojkový disk.
Pro zpětné zužitkování energie rotoru pak stačí roztočit motor na otáčky rotoru (konkrétně 9 000 otáček za minutu) a aktivováním elektromagnetu vytvořit potřebnou trakci mezi oběma disky.
Motor se tím přemění na generátor poskytující potřebné množství energie. Samotná vakuová komora rotoru je od okolí oddělena deskou z magneticky neutrální keramiky, která tak proces výměny energie nijak nenarušuje.
Díky nižším pořizovacím nákladům a snazší údržbě by měl nový setrvačník najít uplatnění nejen jako záložní zdroj, ale i jako pomocný zdroj energie v průmyslu či výzkumu. Nahromaděnou energii totiž dokáže uvolnit během krátkého a energeticky velmi intenzivního pulzu, což je ideální vlastnost např. pro pohon jeřábů, které potřebují po relativně krátkou dobu velké množství energie.
Inovovaný setrvačník by mohl konkurovat i výkonným superkondenzátorům, jež rovněž zvládají uvolňovat uloženou energii ve velmi krátkém okamžiku, oproti setrvačníku však mají podstatně kratší životnost.