Jaká je role skleníkových plynů ve vývoji klimatu? Jsou OZE doplňkem nebo východiskem?

V únoru 2010 byla zpracována Aktualizovaná státní energetická koncepce (SEK) České republiky vycházející z koncepce schválené v r. 2004. Má charakter dlouhodobého výhledu se strategií do roku 2030 a charakter vize do roku 2050. Je nutné zdůraznit, že velké energetické zdroje jsou investičně náročné a musí pokrývat očekávané spotřeby energií na 1-2 generace dopředu! Aktualizace SEK byla podložena zprávou Nezávislé odborné komise pro posouzení energetických potřeb ČR v dlouhodobém časovém horizontu (tzv. Pačesova komise) dle zadání vlády z r. 2007.

Obavy ze ztráty spolehlivosti dodávek energií pro investory a spotřebitele byly hlavními motivy pro práci komise se snahou:

• Snížit energetickou náročnost ČR.
• Uspokojit rozvoj společnosti energiemi.
• Motivovat k investicím do špičkových inovací a snížení emisí.
• Omezit rizika zásobování ČR energií.

SEK akcentuje rozvoj obnovitelných zdrojů energií (OZE) ve vazbě na mezinárodní závazky ČR vůči Evropské unii (EU). Je zdůrazněno pečlivé vyvažování ekonomických dopadů na konečné spotřebitele a trh s elektřinou i konkurenceschopnost OZE tuzemských proti zahraničním. Nesoulad daný polohou a geomorfologií terénu existuje a je projednáván zástupci ČR a EU. SEK je determinována evropským rámcem, který v dokumentech EU konstatuje:

• Energetická soběstačnost EU není dosažitelná. Evropa dováží více než 50 % paliv (uhlí, ropu, zemní plyn, U) s odhadem růstu přes 80 % do roku 2030.
• Manévrovací možnosti Unie v dodávkách energie jsou omezené.
• EU nemá vliv na tvorbu světových cen paliv.

Proto je v EU důrazně prosazováno co nejširší uplatnění obnovitelných zdrojů energie (OZE) s využitím lokálních podmínek pro jejich rozvoj.

Dalším důvodem je snaha o zpomalení globálního oteplování snížením emisí skleníkových plynů, především oxidu uhličitého (CO₂). Poněkud stranou zůstává ale fakt, že zásadní látkou skleníkového efektu je voda ve formě par a kapek. Na skleníkovém efektu se podílí dle různých studií až z 86 %! CO₂ se na skleníkovém efektu podílí max. 26 %. Z toho antropogenního původu je méně než 1/10! Naprostá většina CO₂ a metanu (CH4) pochází z přirozeně probíhajících přírodních aerobních a anaerobních procesů. Nejvíce CO₂ vstupuje do atmosféry desorpcí z ohřívajících se oceánů. Přesto je prosazována tendence zásadně snížit spotřebu fosilních paliv, zejména uhlí. Cílem je minimalizovat tzv. „uhlíkovou stopu“. Právě emisím skleníkových plynů je přisuzována zásadní úloha v globálním oteplování Země a pozorovaných změnách klimatu. Bez uhlíkatých paliv se lidstvo v dohledné době neobejde – nemá za ně ekvivalentní a hlavně spolehlivou náhradu fungující nezávisle na počasí a probíhajících klimatických změnách. Navíc např. výroba surového železa a stavebních hmot je bez paliv na bázi uhlí ekonomicky nezvládnutelná!

Zcela jsou přehlíženy Milankovičovy (klimatické) cykly - kvaziperiodicky se opakující změny v příjmu slunečního záření. Jsou způsobeny hlavně změnami excentricity dráhy oběhu Země kolem Slunce. Řídícím prvkem je gravitace Slunce a planet, hlavně Jupiteru a Venuše, v kombinaci s nehomogenitou příjmu záření Zemí. Máme-li se zabývat klimatem, pak platí:

Změny klimatu se neměří na roky, potřebujeme delší časové řady, nejlépe stovky tisíc let.

• Z nich vyplynou střídání dob ledových (glaciálů) a meziledových (interglaciálů).
• Za více než 1/2 miliónu let se na území Evropy vystřídalo celkem 5 glaciálů.
• Ledové doby vždy trvaly asi 100 tis. let, doby meziledové v průměru jen okolo 11 tis. let!

Připusťme si, že nyní žijeme v krátkém teplejším období interglaciálu, pravděpodobně u jeho konce. V tu dobu prokazatelně byly výkyvy atmosférických jevů, hlavně teplot, nejvýraznější. A to právě nyní pozorujeme! Globálnímu oteplování se umíme přizpůsobit, ale s ochlazením vůbec nepočítáme, jednoduše se s ním nevypořádáme! Bude spojeno se zkrácením vegetačního období s kritickým dopadem do produkce krmiv a potravin v mírném pásmu.

Obnovitelné zdroje energie
V EU je předpokládáno, že rozhodující podíl elektřiny a tepla bude vyráběn OZE – větrnými a fotovoltaickými elektrárnami doplněných o vodní elektrárny klasické a přečerpávací (případně přílivové) a bioplynové stanice. Připusťme, že se jedná o zdroje nestabilní závislé na momentálních přírodních podmínkách, zejména na území ČR. Proto musí být bezmála stoprocentně zálohovány. To energetickou soustavu silně prodražuje s dopadem na konečné spotřebitele energií. Velmi diskutovaná je diverzifikace zdrojů výroby elektřiny. Ne vždy se upozorňuje na nepřipravenost distribučních soustav, jejich omezenou kapacitu, nutnost plošného rozšíření a s tím spojené náklady. Že se přenášejí do výrobních nákladů a cen výrobků, tj. na konečného spotřebitele, s dopady na konkurenceschopnost výrobků na světovém trhu.

OZE jsou ve všech zemích EU podporovány dotacemi na výstavbu a hlavně zvýhodněnými výkupními cenami. Obecně dotace znevýhodňují tradiční výroby a deformují tržní vztahy. Pro výzkum a vývoj i nastartování inovačních technologií jsou dotace nutné. Dlouhodobé uplatnění ale nevede k ekonomické samonosnosti příslušné inovace a neúměrně ochuzuje rozpočtové zdroje!

Pro posouzení efektivity energetických zdrojů je používáno vedle nákladů na jednotku instalovaného výkonu, nákladů na primární zdroje vztažené na jednotku produkované energie a ročního fondu pracovní doby i několik další parametrů [7]. Jedněmi z nich jsou:

Doba energetické návratnosti EPT (energy payback time) – tj. za jakou dobu vyrobí energetická výrobna stejné množství energie pro vnější odběratele, jako bylo celkem vynaloženo na její stavbu, provoz za celou dobu životnosti a úplnou likvidaci. Pro srovnání je EPT:

• uhelné nebo jaderné elektrárny 3 – 4 měsíce (životnost min. 30 let)
• větrné elektrárny 8 – 16 měsíců (životnost cca 15 let)
• fotočlánků (ve stř. Evropě) 4 – 12 let (životnost cca 15 - 20 let)

Parametr energetické výkonnosti – výtěžný poměr HR (harvest ratio) – tj. kolikrát více energie za dobu životnosti energetický zdroj vyrobí, než bylo vynaloženo na jeho stavbu, celou dobu provozování a úplnou likvidaci po skončení jeho životnosti. Pro srovnání je HR:

• uhelné nebo jaderné elektrárny 120 – 140 x
• větrné elektrárny 12 – 30 x
• sluneční elektrárna s fotočlánky (ve stř. Evropě) 2 – 5 x

Relativně příznivé podmínky pro stavbu větrných elektráren jsou v ČR v pohraničních horách a na Českomoravské vrchovině [10], kde je průměrná rychlost větru ve výšce 100 m nad 6,0 m.s^-1. Tam jsou ale také Národní parky, chráněné krajinné oblasti nebo státní přírodní rezervace, kam větrné elektrárny nepatří. Některá z uvedených území jsou zařazena v systému Natura 2000 jako místa důležitá pro život a migraci chráněných živočichů. Řada těchto lokalit je vzdálena od míst spotřeby, což prodražuje investiční náklady na 1 MW instalovaného výkonu a přenos výkonu do distribuční soustavy. Ty jsou v krajních případech srovnatelné s uhelnou i jadernou elektrárnou. Občas není vítr žádný nebo příliš silný ohrožující bezporuchový provoz. Skutečný fond pracovní doby a tím množství produkované elektřiny v MWh.rok^-1 řady větrných elektráren je u nás významně nižší, než je běžné např. u pobřeží Severního moře. Výsledkem jsou vyšší výrobní náklady, problémy se splácením úvěrů apod.

Z uvedených parametrů je patrné, že i fotovoltaika je poněkud problematický energetický zdroj. Navíc s růstem povrchové teploty a stářím fotočlánků jejich účinnost klesá. Nemluvě o zaprášení nebo zasněžení povrchu fotočlánků.

Bez dotací na vykoupenou elektřinu by se patrně žádné větrné, fotovoltaické ani bioplynové elektrárny nestavěly. Přesto jen do fotovoltaiky v ČR při cca o 10 % vyšším instalovaném výkonu byly vloženy investice srovnatelné s náklady na výstavbu 1 bloku JE Temelín o výkonu 1000 MW! Je dobré připomenout, že intenzita slunečního záření a počet slunečných dnů je u nás o desítky procent nižší, než je tomu např. ve státech jižní Evropy. Původním záměrem EU bylo instalovat fotovoltaické panely přednostně na střechy obytných nebo hospodářských budov, nikoliv na zemědělskou půdu! Lobbingem se u nás zavedly vůbec nejvyšší dotace ze státního rozpočtu a dlouhodobé smlouvy na výkup elektřiny z celé EU! Boom OZE z velké části zaplatí konečný spotřebitel elektřiny. Takže energie ze Slunce, vody a větru ani zdaleka není zadarmo.

Rovněž je EU zdůrazňována produkce biopaliv (rychle rostoucích dřevin nebo travin či bylin) a to jak pro vytápění, tak i obilnin k produkci motorových paliv pro snížení závislosti na dovozu ropy ze zemí Blízkého východu. Je dobré zdůraznit, že lidé začali topit začátkem 20. století uhlím, protože byl nedostatek dřeva. Každá rostlinná výroba potřebuje základní živiny – dusík, fosfor¹ a draslík stejně jako další prvky - S, Ca, Mg, ale i stopové prvky, např. B, Cu, Fe, Mo, Zn, Mn. Jejich zdrojem jsou statková a průmyslová hnojiva [6]. Proto se jedná o cestu nákladnou. Jinak nelze dosahovat vyšších výnosů a tím přijatelné efektivity produkce. S ohledem na nízkou hustotu energie v biopalivech je neúčelná jejich přeprava na vzdálenosti přesahující 20 km! Čistý zisk energie z biopaliv je významně snižován spotřebou energie na obdělávání půdy, výživu a ošetření vegetace, sklizeň, uskladnění a přepravu. To si zaslouží zpracování analýzy životního cyklu (LCA) všech biopaliv. Otázkou zůstává, čím nahrazovat výpadky v kvantitě a kvalitě produkce biopaliv v případech neúrody vyvolané nepříznivými podmínkami v době vegetace a sklizně, např. velké teplo a sucho nebo naopak chladno a velké množství srážek [4] [5].

Samostatnou kapitolou je spoléhání na produkci bionafty a bioalkoholu z produktů zemědělské výroby. To může být doplňkem sortimentu, ale z globálního pohledu je to slepá cesta! Buď se uživíme, nebo budeme na biopaliva jakékoliv generace jezdit. Obojí paralelně nelze zvládnout s ohledem na růst populace a životní úrovně. Při rostoucím počtu obyvatel na Zemi musí být zemědělská půda přednostně využívána k produkci potravin a krmiv [5]. Pro pohon motorových vozidel je dlouhodobě perspektivní využití plynů na bázi metanu (zemní plyn, karbonský plyn, bioplyny nebo metan separovaný z bioplynů) a elektřina. To je v zájmu trvale udržitelného rozvoje, ale zdůrazňuji kvalitativního rozvoje. Ten byl formulován konferencí v Rio de Janeiru před 25 lety. Že se tyto zásady do praxe neprosadily, je smutná skutečnost! Rostoucí spotřeby energií ze všech na světě spotřebovaných motorových paliv, elektřiny, fosilních a recentních paliv se z největší části v konečné fázi přemění v nízkopotenciální teplo emitované do přízemní vrstvy atmosféry. Viz chladící věže elektráren, spaliny všech topenišť, výfukové plyny, chlazení všech spalovacích motorů a elektromotorů, ztráty tepla ze všech vytápěných objektů a z teplé vody jako nejmarkantnější případy. Podobně těžba, úprava a zpracování rud kovů včetně zpracování kovů hutními a strojírenskými technologiemi na konečné výrobky je spojena se značnými emisemi tepla do troposféry – přízemní vrstvy atmosféry. Přednostní spalování zemního plynu má také svůj problém. Spálením 1 molu metanu je do atmosféry emitován 1 mol CO₂ a 2 moly vodní páry. Voda v podobě par a kapek je vůbec nejdůležitější látkou způsobující skleníkový efekt! Všechny tyto emise tepelné energie z antropogenních zdrojů do atmosféry se podílejí i na změřeném oteplování troposféry, zvýšeném tání ledu v Severním ledovém oceánu, ledovců v Grónsku, Skandinávii a velehorách. Tím se také přivádějí i do severního Atlantiku značné objemy sladké vody, což ovlivňuje změřený pokles intenzity proudění v Golfském proudu o 30 %! Ten dosud otepluje klima v západní a střední Evropě o 5 – 7º C Ale tímto se může klimatický systém Země rozvrátit!

Zásadním problémem světa jsou trvale rostoucí spotřeby všech energií. Z dostupných údajů lze dopočítat, že energetická spotřeba vztažená na osobu je v USA 2,2 x vyšší², než je v EU, 10 x vyšší než v Číně, kde ale enormně roste!

Závěry
Mají-li se souběžně a dlouhodobě řešit problémy spolehlivého zásobování všemi energiemi, elektřinou v první řadě, pak se energetická soustava ČR neobejde bez zemního plynu (pro lokální vytápění, systémy CZT a paroplynové elektrárny) a jaderné energetiky při útlumu energetiky na bázi uhlí. Jen tak lze kompenzovat i výpady dodávek energií z OZE! V Evropě bude do 5 let nedostatek výrobních kapacit elektráren. Nákupy ze zahraničí jsou proto nereálné, nemluvě o extrémních cenách v době energetických špiček nebo výpadku některých zdrojů! Proto do budoucna je nezbytné:

• Šetření všemi formami energie je nutností s minimalizací ztrát během výroby, rozvodu a užití.
• Šetrné využívání energetických zdrojů na bázi fosilních paliv.
• Zvyšování účinnosti a životnosti obnovitelných zdrojů energií.
• Řešení akumulace a regenerace energie. Spolehlivé, výkonné a technologicky zvládnuté jsou přečerpávací elektrárny. Elektrochemické aj. procesy jsou dražší a s kratší životností.
• Řešení spolehlivosti energetických soustav, především elektroenergetiky, s předcházením blackoutu.
• Nástup vodíkové energetiky je limitován cenou vodíku dosud vyráběného z 95 % z fosilních paliv. Elektrochemická výroba je energeticky náročná – 2–3x více energie se spotřebuje na výrobu a skladování vodíku, než kolik jí lze získat z palivových článků. Samostatným problémem je bezpečnost pro výbušnost vodíku ve směsi se vzduchem v širokém rozmezí koncentrací.
• V současnosti je velký zájem soustředěn na tzv. rychlé - množivé jaderné reaktory využívající k produkci energie U 235 i U 238 [12]. Mají účinnost využití jaderného paliva cca 40 % proti stávajícím reaktorům se zpomalenými neutrony, jejichž energetická účinnost v produkci elektřiny je kolem 3,5 %. Tím by se životnost využití jaderných paliv prodloužila na více než 1000 let!
• Hudbou budoucnosti v rozvoji energetických zdrojů zůstává termojaderná fúze intenzivně zkoumaná 60 let [1]. Slibné výsledky jsou očekávány od výzkumného fúzního reaktoru stavěného v rámci projektu ITER za mezinárodní spolupráce v jihofrancouzském Cadarache.
• Spotřebním stylem života a enormním čerpáním neobnovitelných zdrojů planety žijeme v zemích tzv. „bohatého severu“ na úkor většiny obyvatel Země. Příští generace vystavujeme nemalým problémům! Spotřebovává-li cca 20 % lidstva 80 % zdrojů planety, je to jednou z příčin migrace obyvatelstva v současnosti a potenciálním zdrojem konfliktů v následujících letech.

Ing. Miroslav Richter, Ph.D., EUR ING,
FŽP UJEP v Ústí n. L.

Seznam literárních odkazů
[1] MLYNÁŘ, J., ENTLER, S., 2015: Energie hvězd pro lidstvo. Pro-Energy, ISSN 1802-4599, Praha, ročník 9, 1/2015, s. 40-42
[2] VĚTROVEC, V., 2015: Číňané vykročili k rychlým jaderným reaktorům. Pro-Energy, ISSN 1802-4599, Praha, ročník 9, 1/2015, s. 36-37
[4] BECHNÍK, B., 2013: Energetická soběstačnost. Sborník z konference Obnovitelné zdroje energií. Kouty nad Desnou, CEMS Pra ha, s. 63 – 70.
[5] DOLEŽEL, J., 2014: Nikde není psáno, že nemůže být hladomor. (http://ceskapozice.lidovky.cz/profesor-dolezel-nikde-neni-psano-ze-nemuze-byt-hladomor-pe5-/tema.aspx?c=A140812_153825_ pozice-tema_kasa)
[6] KLÍR, J. a kol. 2007: Rámcová metodika výživy rostlin a hnojení. Pra ha: VÚRV, v. v. i., 2007, aktualizovaný dotisk 2008, 40 s.
[7] RICHTER, M., 2006: Úvod do průmyslových technologií. Skripta. Ústí nad Labem: FŽP UJEP, 300 s.
[8] ŠÍPAL, J., 2013: Obnovitelné zdroje energie a způsoby získávání elektrické a tepelné
energie z obnovitelných zdrojů. Skripta. Ústí nad Labem: FVTM UJEP, 128 s.
[9] URBAN, J., 2012: Úrodnost půdy a výživa rostlin. Zemědělec, s. 26.
[10] ŠAFÁŘOVÁ, M., 2006, Uhelná energetika má budoucnost. Czech Industry.
[11] BBC, 2007: The great global Warming Swindle. Mezinárodně oceněný dokumentární film.
[12] VĚTROVEC, Vl. 2016: Reaktor BN-800: Pohled na technologie zítřka, PRO-Energy,
ISSN 1820-4599, 1/2016, s. 34-36

¹ Známé zásoby fosforečných surovin jsou odhadovány na 50 let – přednostní musí být využití fosforu k produkci potravin a jeho recyklace cestou statkových hnojiv a čistírenských kalů. Odhadem recyklace sloučenin fosforu nepřekročí 30 %!
² Tím je definován postoj USA k arabským zemím Blízkého východu s největšími zásobami ropy a zemního plynu.