Energetika - Mýty a skutečnost

Tento text měl být původně jen krátkou reakcí na propagandu zveřejněnou na BL v článku Jakuba Wolfa, ale nakonec se poněkud rozrostl a klade si za cíl vyvracet oblíbené rádobyekologické mýty. Protože v jisté fázi délka přerostla hranici únosnou pro línější čtenáře (mé osoby nevyjímaje), rozdělil jsem výsledek na krátký seznam mýtů a skutečností, následovaný delším výkladem, jak jsem k uvedeným tvrzením dospěl.

1. Energetická účinnost rozvodné soustavy je mizerná a většina vyrobené elektřiny se ke spotřebiteli ani nedostane - Navzdory tomuto oblíbenému tvrzení propagátorů důsledné decentralizace činí skutečné ztráty na vedení v ČR jen necelých 10 % a celková účinnost soustavy se pohybuje nad 80 %.

2. Akumulace snadno vykompenzuje nespolehlivost větrných a solárních elektráren - Skutečnost je taková, že navzdory počtu dostupných i budoucích akumulačních technologií mezi nimi není žádná, která by dokázala ekonomicky, energeticky a ekologicky přijatelně skladovat energeticky zajímavá množství energie. Čili nespolehlivý zdroj zůstane ještě dlouhou dobu nepoužitelným.

3. Vodík je neomezený zdroj energie a tedy i spása světa - Ve skutečnosti je vodík pouze nosičem energie, kterou je nutno nejprve vyrobit jiným způsobem, přičemž vznikají stejné, nebo větší ztráty, než v klasické elektrické síti.

4. Kogenerace v jaderných elektrárnách není možná - Ve skutečnosti jí technicky nic nebrání, avšak jejímu rozumnému využití brání velká vzdálenost JE od velkých měst, kde by se teplo dalo využít. Kdybych chtěl použít populističtější argumentaci, mohl bych tvrdit, že vzdálenost je velká kvůli protijaderným aktivistům, kteří vyvolávají strach z jaderných zařízení. :-)

5. Jaderné elektrárny jsou hrozně drahé a nevyplatí se - Ve skutečnosti jsou děsivé stavební náklady bohatě vykompenzovány obrovským trvalým příjmem z elektrárny s malými provozními náklady. Např. Temelín stál "strašlivých 100 miliard", ale když si představíte velkoobchodní cenu kolem 1 Kč/kWh a výkon 2 GW, snadno zjistíme, že při nákladech kolem 20 hal/kWh vydělá 1,6 milionu Kč/hod, což odpovídá 100 miliardám za cca 8 let (JE pracuje 24 hod/den po většinu roku). Jaderná elektrárna je zlatý důl.

6. Betonářská a ocelářská lobby propaguje JE, protože se na ni spotřebuje hrozně moc betonu a oceli - Skutečnost je taková, na JE se spotřebuje 6x méně betonu a 10x méně oceli, než na adekvátní množství elektráren větrných. Navíc materiály pro JE podléhají přísným a přísně kontrolovaným standardům, které zaručují vysokou bezpečnost a nikoli snadný zisk dodavatele. Pro lobbysty jsou tedy evidentně zajímavější VěE.

7. Poruchovost jaderných elektráren je strašlivá - Ve skutečnosti se jen v novinách každou chvíli dočteme o každé drobnosti, nad kterou by v jiném podniku jen mávli rukou. Pohled do statistik nás snadno přesvědčí, že právě JE jsou zjevně nejspolehlivější elektrárny vůbec.

Mýtus první - energetická účinnost

Autoři textů brojících za decentralizaci energetiky obvykle tvrdí, že rozvodná soustava má neuvěřitelně mizernou účinnost a že většina vyrobené energie ke spotřebiteli vůbec nedojde, ale jaksi nám zapomínají říci nějaká konkrétnější čísla. Pojďme se tedy podívat, jak je to doopravdy:

Jakmile se začneme problémem zabývat doopravdy, zjistíme, že samotný pojem energrtická účinnost není v případě rozvodné soustavy tak jednoduchý, jako při posuzování běžných věcí. Máme za energetickou účinnost považovat účinnost řetězce transformátorů, rozvoden a vedení mezi elektrárnou a spotřebitelelm? - Zde narazíme na první obtíž: Každý spotřebitel dostává energii z více zdrojů, od kterých vede různě dlouhá cesta a jejich poměrné zastoupení se v průběhu dne i roku mění. Pojďme ale dále a podívejme se, co nás čeká potom: Část energie pro jistotu soustavou projde dvakrát. - V době přebytku nabíjí přečerpávací elektrárny a v době maxima spotřeby znovu vstoupí do sítě. - Jakmile se nad tím podrobněji zamyslíme, zjistíme, že zde vznikají další otázky: Jak dlouho tam energii skladují? Pokud skladování trvá nějakou dobu, stihne se za tu dobu nezanedbatelné množství vody odpařit, nebo prosáknout pryč? Co když naopak nějaká naprší? Který z vlivů v dlouhodobém průměru převáží? ... Postupně takto vzniká mnoho otázek a odpovědi obvykle obsahují další otázky. Tento odstavec si nekladl za cíl na ně odpovědět, ale čtenáře seznámit s tím, jak banálně vypadající problém vlastně vůbec není banální.

Naznačený gordický uzel lze naštěstí rozetnout pohledem z opačné strany: Navštivme stránky českého statistického úřadu a zkusme účinnost odvodit z globálních parametrů soustavy. Spočítáním poměru (vyrobená energie - ztráty v rozvodech) / vyrobená energie dostaneme pro období 1993-2004 účinnosti 92-94 % (účinnost soustavy se skoro každý rok o kousek zlepší). V průzkumu můžeme jít i dále a zjistit, jak se nám projeví akumulace a možná i nějaké další, zde nezmíněné vlivy. Vezměme tentokrát poměr (spotřeba + vývoz) / (výroba + dovoz), tedy zcela globální účinnost, ve které jsou zahrnuty všechny ztráty, nezávisle na tom, zda o nich víme, či nevíme. Výsledek je 78-83 %. Podrobnější analýzou můžeme vysledovat, že tato účinnost nám v průměru roste o 0,33 %/rok, případně pokud budeme předpokládat, že výrazné poklesy z let 1991 a 1993 se nebudou opakovat, vyjde pro 1994-2004 dokonce +0,58 %/rok. Obecně tedy můžeme předpokládat, že nárůst v nejbližších letech se bude nejspíše pohybovat v rozsahu 0,3-0,5 %/rok, tedy že za každé 2-3 roky vzroste o 1 %.

Mýtus druhý - akumulace

Elektrickou energii lze akumulovat mnoha způsoby, ale každý má nějaký ten háček, který se projeví buď na energetické účinnosti (nabijeme určité množství energie, ale při vybíjení získáme o něco méně), nebo na účinnosti finanční (zařízení něco stojí, má nějakou životnost, náklady na provoz, údržbu a likvidaci), nejčastěji však oběma způsoby najednou. Pokud navíc začneme uvažovat na úrovni skutečné energetiky, zjistíme, že budeme potřebovat obrovské kapacity a dalším důležitým parametrem se pro nás stane objem a hmotnost zařízení. Při úvahách o masovém nasazení alternativních zdrojů brzy zjistíme, že požadované kapacity dosáhnou nečekaně gigantických hodnot a že přibude další parametr, zvaný samovybíjení.

Začněme od tradiční metody - přečerpávací elektrárna (PVE). Prozkoumáme-li energetické účinnosti reverzovatelných turbín, dostáváme cca 60-90 %. Při akumulaci se ovšem účinnost projeví 2x, čímž dostaneme 36-81 %. Dále musíme započíst účinnost generátoru, jenžto se sice pohybuje slušně nad 90 %, ale pokud přenos provedeme 2x, dostaneme se o kousek blíže. Buďme optimisté a předpokládejme účinnost turbín 80 % a generátorů 95. Po vynásobení nám tak vyjde 76 %. Při pohledu na stránku Encyklopedie energie zjistíme, že jsme se v odhadu trefili a že účinnost cyklu velkých moderních PVE je 75-77 %. Taktéž se dočteme, že účinnost malé, staré PVE byla 50 %, ale není uvedeno, zda celkově, nebo v jednom směru.

Nyní se podívejme na potřebný objem nádrže. Předpokládejme, že budeme stavět PVE s rozdílem hladin 500 m. Přemístění 1 m³ nám při použití učiva fyziky pro ZŠ vyjde 5 MJ, takže elektrárna s rozdílem 500 m vykazuje měrnou kapacitu 1,35 kWh/m³. Nyní si můžeme udělat jistou představu, při srovnání s PVE Dlouhé stráně (536 m, 2,7 hm³, největší PVE ve střední evropě), kde vychází kapacita cca 4 GWh.

Poznámka: hm³ je hektometr krychlový, tedy krychle o straně 100 m. Kdybychom ji postavili na zem, bude zabírat jeden hektar.

ČR za rok 2004 spotřebovala 52 TWh, tedy průměrně 4,3 TWh/měs, 1 TWh/týden, 140 GWh/den. K uchování jednodenní spotřeby bychom si museli pořídit 35 elektráren Dlouhé stráně, nebo jednu, s horní nádrží o úctyhodném objemu 100 hm³, což si lze představit, jako 100 m hluboký, kilometr dlouhý a stejně široký "bazén" umístěný na kopci tak, aby střední hladina ležela 500 m nad střední hladinou podobně velké nádrže dolní. Kdo byl na exkursi v Temelíně, nejspíše si dokáže představit, jak obrovské tam mají chladící věže, ... které by z takové nádrže vyčnívaly jen malý kousek nad hladinu:-) Obdobně si můžeme představit srovnání s nejhlubší vodní nádrží v ČR, v Dalešicích, jenžto při hloubce 85 m a ploše 480 ha (což je roztaženo do celkem 22 km délky řeky), má objem 127 hm³. Kdybychom tedy vedle vybudovali menší pohoří a na něm ještě jednu takovou nádrž s hladinou o 500 m výše, ... :-)

PVE má ovšem pro ekology jednu velkou nevýhodu - jak jsme před chvílí viděli, je to poněkud velké monstrum, které tedy neodpovídá podmínce decentralizace. Zkusme prozměnu něco menšího, co všichni důvěrně známe a můžeme mít doma pod postelí, tedy Akumulátory. Dnes dostupné jsou olověné (Pb), NiCd, NiMH, NiFe, Li-Ion, Li-Pol, vodíkové (H) a vysokoteplotní (VT). Při pohledu do nabídek různých výrobců akumulátorů můžeme dospět k následujícímu zjištění: Ve větším, než kapesním provedení se vyrábějí jen Pb, NiCd, NiFe, H, NiMH a VT.

Olověné jsou levné, ale mají dost malou cyklickou životnost - to znamená, že je můžeme nabít a vybít např. celkem jen 500-1000x (existují i lepší typy, ale ty jsou zároveň ve větším poměru dražší) a také malou časovou životnost - několik let. Po prohledání hromady katalogových listů a ceníků nakonec dostaneme nejmenší odpis něco přes 2 Kč/kWh (každá kWh akumulátorem prošlá se nám zdraží o 2 Kč) a energetickou účinnost okolo 73 %. Mezi příjemné vlastnosti patří snadná recyklovatelnost a měrná kapacita okolo 40 Wh/kg.

NiCd a NiFe (někteří čtenáři mohou být překvapeni, že běžně existují i v poněkud větším, než malém provedení a mají i jiné vlastnosti), jsou podstatně dražší než Pb, ovšem dosažitelná cyklická životnost činí až několik tisíc cyklů a časová běžně nad 20 let. Vysoká cena tyto výhody ovšem bohatě vyváží, takže s odpisem pod 2 Kč/kWh také počítat nemůžeme. Energetická účinnost se pohybuje okolo 50 %. Recyklace je náročná, měrná kapacita do 30 Wh/kg. Ekology také nepotěší vysoký obsah kadmia (desítky % hmotnosti). Dobře snášejí mráz v nabitém i vybitém stavu. NiFe jsou ještě odolnější, mají delší životnost, jsou levnější, neobsahují kadmium, ale mají nižší energetickou účinnost.

Vodíkové akumulátory jsou poněkud zvláštní - Při nabíjení v nich vzniká plynný vodík, který se při vybíjení zas spotřebuje, jedná se tedy o tlakové nádoby. Vykazují některé exotické vlastnosti, např. možnost přesně měřit množství uložené energie (manometrem :-)) a sdílení společné nádoby více články - díky tomu vykazují všechny články vždy stejnou kapacitu, což eliminuje obvyklé potíže při sériovém zapojení. Vykazují velmi vysokou měrnou kapacitu (která závisí především na konstrukci nádoby, jenžto tvoří většinu hmotnosti), značnou cyklickou životnost (10 000 cyklů i více), ale také vysoké samovybíjení (10 %/den). Tyto akumulátory by se možná hodily k vyrovnávání denních rozdílů (avšak nepodařilo se mi zjistit podrobnosti, takže to berte s rezervou). Jejich speciálním případem jsou pak NiMH, kde se vodík ukládá v podobě hydridu kovu (MH = metal hydrid). Velké NiMH vykazují měrnou kapacitu až 80 Wh/kg. v tomto provedení se prý osvědčily v elektromobilech, ale momentálně se mi nepodařilo o nich najít žádné podrobnosti. Při pokusu o aproximaci odpisu podle malých NiMH (měrný odpis na malém článku snížen ve stejném poměru, jako malý/velký Pb) článků vychází nad 5 Kč/kWh.

Vysokoteplotní akumulátory jsou další exotickou skupinou. Základní myšlenka je, použít prvky s vysokým rozdílem potenciálu, čímž se dosáhne vysokého článkového napětí (a tím i vysoké měrné energie) a dále tyto prvky použít v čisté formě, takže mohou tvořit většinu hmotnosti. Problém ovšem spočívá v tom, že používané prvky jsou kapalné za poněkud vyšších teplot (100-400 °C), takže tyto akumulátory se musí před nabíjením/vybíjením ohřát, nebo trvale udržovat na pracovní teplotě. Nepříjemné pracovní podmínky jsou vykoupeny opravdu vysokou měrnou kapacitou (např. Na-S měl v roce 1993 200 Wh/kg a teoretická hranice je až 760 Wh/kg, cyklická životnost 1500 nabíjecích cyklů a 30 tepelných). Tyto akumulátory se zdají být pro energetiku výhodné, ale není mi známo, jaká je jejich cena a tedy i odpis (avšak obvykle se uvádí, že je jen tak tak únosná pro elektromobily, takže nejspíš také nad 2-5 Kč/kWh).

(Reverzibilní) palivové články - Obvykle se jedná o kyslíkovodíkové systémy, jejichž speciálním případem je dříve zmíněný vodíkový akumulátor. Primárním problémem nasazení všech vodíkových systémů ve velké energetice je velmi malá měrná hustota plyného vodíku (cca 100 g/m³ při atm. tlaku, která vede k nutnosti používání obrovských tlaků (každý systém má ovšem svůj limit, kdy už přestává fungovat správně - obvykle mírně nad 10 MPa, tedy 10 kg/m³), což vede k obrovským pracovním objemům. S vodíkem můžeme dosáhnout teoreticky neuvěřitelných 40 kWh/kg, ale díky malé měrné hustotě se dostáváme na obrovské objemy (při 10 MPa 400 kWh/m³). Na stlačení se navíc spotřebuje energie, což sníží účinnost o cca 2 % při 10 MPa. U některých systémů se předpokládá použítí mnohem vyšších skladovacích tlaků (až 100 MPa), což ovšem vede k dalšímu zvýšení ztrát. Další možností je zkapalňování, ale to je v případě vodíku také značně náročné, teoreticky nám sice "užere" jen asi 1,25 %, prakticky ovšem díky dvoustupňové kompresorové soustavě a převodu spinového uspořádání z orto na para ztráty dosáhnou cca 40 %. Z důvodu vysokých ztrát při zkapalňování jej můžeme z energeticky využitelných technologií vyřadit a dále se zabývat pouze vysokotlakou metodou.

Po důkladném prostudování stránek projektu HydrogenIX jsem zjistil, že palivové články jsou o dost horší, než jsem předpokládal. Teoretická hranice účinnosti je kolem 90 %, ale pouze při nulovém výkonu. Nezanedbatelný výkon můžeme odebírat teprve v oblasti ohmické polarizace, kdy se účinnost pohybuje mezi 50 % při maximálním proudu a 76 % na začátku. Reálně energeticky využitelnou se tedy jeví oblast kolem 60-70 % (autoři uvádějí hodnoty bližší 50 %, neb při jimi plánovaném použití v automobilech se priorita přesouvá k menším rozměrům a tedy i vyšší zátěži). Další nepříjemné zjištění bylo, že prakticky dosažitelná účinnost elektrolýzy končí u cca 80 %. Vynásobením obou hodnot a účinnosti komprese tak dostáváme celkovou akumulační účinnost, jenžto vychází 47-55 %, což je pro energetiku zjevně málo (porovnejte s 83 % u rozvodné soustavy v roce 2004). Nutno ovšem podotknout, že jsem ještě ani neřešil, že se musí buď zároveň skladovat i kyslík, nebo se účinnost dále sníží o kompresi vzduchu na stejný tlak, pod jakým je přiváděn vodík a že při použití vzduchu je prakticky dosahovaná elektrochemická účinnost ještě horší, než předchozí vypočtené hodnoty.

Dlužno podotknout, že zjištěními z předchozího odstavce jsem byl sám poněkud zaskočen, neb jsem očekával výsledky okolo 70-80 % a problém jsem viděl spíše ve skladování a bezpečnosti. Osobně se domnívám, že navzdory mizerné účinnosti se tzv. vodíková ekonomika brzy prosadí, avšak její použití hospodaření s energií ve svém důsledku výrazně zhorší. Zajímavé bude také sledovat, jak se propagátoři vodíku vypořádají se svými kamarády, jenž protestují proti GMO a nanotechnologiím, až zjistí, že moderní nádoby pro skladování vodíku budou stále více využívat kompozity s uhlíkovými nanotrubičkami a další nanočástice nejspíše časem nahradí kovy, využívané pro skladování vodíku v hydridech. Obdobně lze očekávat, že levná a energeticky opravdu zajímavá výroba vodíku bude nejspíše využívat geneticky modifikovaných řas - solární elektrárna pak bude vypadat jako "krytý bazén" napojený přes zařízení pro separaci vodíku, kompresorovnu, a zásobník do palivových baterií.

Stlačený vzduch - Tohle vypadá na první pohled velmi hezky a jednoduše: Při „nabíjení“ stlačíme vzduch (nebo jiný plyn) a při „vybíjení“ jej necháme třeba roztáčet turbínu. Dokonce to nejen hezky vypadá, ale i pár desítek let funguje a to v kapacitách až do stovek kWh, což se jistě „ekologickým“ decentralizátorům zdá být docela dobrý začátek. Jenže skutečnost je taková, že už při použití učiva ZŠ snadno zjistíme, že při stlačování se v ideálním případě „jen“ polovina energie ztratí v podobě tepla. Takže teoreticky dosažitelná účinnost je 50 %, prakticky musíme započítat i účinnost kompresoru.

Setrvačníky - Zde není možné jednosnačně určit měrnou kapacitu. - Ta je totiž dána rychlostí. Rychlost je omezena odstředivou silou a pevností materiálu. Množství energie roste s hmotností a 2. mocninou rychlosti. Rychlost roste s otáčkami a poloměrem prstence. Odstředivá síla roste úměrně poloměru a 2. mocnině otáček. ... Z toho plyne, že měrná uložená energie roste s poloměrem prstence. Případné zájemce o podrobnosti tímto odkazuji na tabulky pro střední školu a pokusné výpočty. Celkově se to dá shrnout do konstatování, že čím větší monstrum vymyslíte, tím větší měrné energie dosáhnete:-)

Pojďme ale k futurističtějším metodám skladování - Superkondenzátory jsou něco mezi elektrolytickými kondenzátory na velmi malé napětí a akumulátory. Podobně, jako kondenzátory mají prakticky neomezený počet nabíjecích cyklů, narozdíl od nich mají ale vyšší kapacitu, která je však stejně mizerná v porovnání s jakýmkoli akumulátorem (10 Wh/kg).

Supravodivé cívky si narozdíl od superkondenzátorů nemůžete snadno koupit domů a práce s nimi není tak jednoduchá, neb mají velmi nízké pracovní teploty (obvykle 4 K, tedy cca -269 °C - existují také vysokoteplotní - za vysoké se zde považují teploty kapalného dusíku, tedy 77 K, resp. -195 °C, ale z těch se nedají vyrábět cívky), ale v mém žebříčku prakticky použitelných velkokapacitních akumulačních metod již léta stojí na prvním místě. Mají totiž teoretické limity hmotnostní i objemové hustoty energie opravdu vysoké (řádově MWh/m³) a dají se téměř neomezeně rychle nabíjet i vybíjet. - Jenže právě v tom je skryt háček, který mi nedávno objasnil jeden pán z Cernu, tedy z místa, kde se takové věci běžně prakticky používají. Supravodič může svou supravodivost v určitém místě náhle a zcela nečekaně ztratit v důsledku kvantových jevů, jako je zásah vysokoenergetickou částicí z nějakého radioaktivního rozpadu, či kosmického záření. Ztráta supravodivosti nastane sice ve velmi malém objemu, ale protože vodičem prochází obrovský proud, začne se dané místo okamžitě ohřívat, čímž se ztráta supravodivosti rychle šíří. To může být velmi nepříjemné, neb v důsledku toho se veškerá uskladněná energie v krátké době uvolní. Jestliže bereme v úvahu, že 1 kg TNT při svém výbuchu uvolní přibližně 1 kWh, dospějeme k děsivému zjištění: Energie, která odpovídá jednodenní spotřebě ČR odpovídá atomové bombě o síle 140 kT TNT.

Při decentralizovaném použití nakonec narazíme na problém s velmi vysokou investicí do zařízení, které navíc díky vysoké nebezpečnosti (ona taková týdenní spotřeba jednoho běžného činžáku by jej také hravě srovnala se zemí.) nemůže vyrábět a servisovat každý, ale jen akreditované firmy, které k tomu mají povolení a vybavení, takže monopolů se nezbavíme. U malých zařízení navíc vznikne problém s vysokou dolní hranicí nákladů na chlazení, které by cenu 1 kWh zvýšily na mnohonásobek dnešní vysoké ceny pro domácnosti s malou spotřebou.

A jak že problém řeší ve zmíněném Cernu? - Tam naštěstní není obvyklým cílem skladovat energii, ale v požadovaném objemu vytvořit magnetické pole požadovaných parametrů. To sice nakonec vede k určitým množstvím energie, jenže její hustota není zdaleka taková, jakou bychom potřebovali při energetickém využtí. Cívka je tedy natolik obrovská, že může být navinuta silným kabelem, který je tvořen lanem s měděnými vodiči, které jsou pokryté vrstvou supravodiče. Při ztrátě supravodivosti tedy proud prochází dost silným měděným vodičem, který průchod požadovaného proudu přežije. Aby nedošlo k lokálnímu přehřátí, je to projistotu zařízeno tak, že se při detekci tohoto jevu celé vinutí záměrně okamžitě zahřeje nad pracovní teplotu a tak se energie ztrácí rovnoměrně v celém objemu. Celé je to prý docela efektní podívaná, neb se za velmi krátkou dobu odpaří veškeré přítomné kapalné hélium a rychle expandující plyn musí být nedestruktivním způsobem odveden pryč.