Jedinou alternativou je Slunce

Jak už jsem předeslal v jednom z předchozích článků Jak získat peníze na perpetuum mobile, při výběru vhodných řešení nějakého produkčního problému (zde konkrétně výroby elektrické energie) je nejdříve dobré zvážit kapacitní omezení všech dostupných zdrojů. Zúžíme tak svůj záběr jen na cesty, které nejsou předem slepé.

Před několika týdny jsem se zúčastnil přednášky Prof. Daniela Nocery, který je mimo jiné i vládním poradcem USA pro energetiku. Budu zde vycházet z poměrně aktuálních čísel a úvah, které prezentoval. Z doby, kdy jsem se o podobné problémy začal zajímat (na konci 80. let), si pamatuji přibližnou hodnotu celkové energetické spotřeby lidstva, která tehdy odpovídala trvalému příkonu okolo 8 TW. Dle Nocery toto číslo do roku 2000 vzrostlo na 12.8 TW, v roce 2007 dokonce až na 14.6 TW.

Spotřebu energie (W) lze vystihnout poměrně jednoduchým vzorcem, který není ničím jiným, než definitorickým rozdělením do tří členů:

W = N × (GDP/N) × (W/GDP)

Co jednotlivé členy znamenají, proč zrovna takové rozdělení? Je to poměrně logické:

  1. N je počet obyvatel; čím více obyvatel, tím vyšší spotřeba
  2. GDP/N je hrubý národní produkt na obyvatele; vyjadřuje skutečnost, že čím více se vyrábí, tím více se spotřebuje energie
  3. W/GDP je spotřeba na jednotku hrubého domácího produktu; ukazuje se, že tato hodnota je napříč různými ekonomikami téměř konstanta

Vzhledem k poslednímu bodu je tedy růst W dán hlavně nárustem počtu obyvatel a zvyšující se produkcí jednotlivých zemí. Např. kdyby měly všechny země na světě stejný hrubý domácí produkt na hlavu jako USA, byla by celosvětová spotřeba více než sedminásobná, konkrétně 102 TW.

Energetický problém lidstva má tedy dvě východiska, která je možné nezávisle kombinovat. Prvním je snížení spotřeby energie, druhým zvýšení její produkce. Když se podíváme na výše uvedený vzorec, snížení spotřeby by bylo možné buď přes

  1. Snížení počtu obyvatel,
  2. Snížení celkové výroby,
  3. Energetické zefektivnění výroby a domácností,

případně jejich kombinaci.

Asi tušíte, že pokud se na to díváme realisticky, ani jedna z těchto cest není příliš schůdná a těžko ji nějak direktivně ovlivnit, snad jen s výjimkou zefektivnění výroby (u domácností bychom nejspíš narazili, neboť by to vedlo k požadavku sníženého komfortu, na který jsou už lidé díky různým spotřebičům zvyklí). Nezbývá nám tedy než se soustředit na hledání nových zdrojů energie, případně lepší využití těch dosavadních. Nemůžeme očekávat, že lidé dobrovolně sníží svoji životní úroveň (nebo životní komfort, chcete-li), ale pokud se objeví nová výhodná a cenově dostupná technologie, začnou ji časem využívat.

Budeme tedy potřebovat stále více energie. Ale kde ji vzít? Ze současných nejvýznamnějších zdrojů by nám podle dosavadních odhadů ropa vystačila (při zachování konstantní spotřeby) na jedno až dvě století, zemní plyn asi dvakrát déle, uhlí bychom pak měli na možná 1000-2000 let. Za předpokladu pokračujícího růstu spotřeby však tyto hodnoty budou spíše poloviční až čtvrtinové. Až dojde ropa, mohli bychom současné ropné produkty (paliva, maziva, kosmetika, plasty apod.) vyrábět ještě nejakou dobu z uhlí, technologie k tomu máme již nyní, ovšem bylo by to mnohem dražší.

V každém případě jde o zdroje omezené a navíc při jejich spalování dochází k uvolňování nežádoucích plynů, zejména CO2, jehož obsah v atmosféře je již nyní o třetinu vyšší než v předprůmyslové éře. Pro výrobu elektrické energie je tedy ze současných technologií nejlepší jaderná energie, která není zdrojem skleníkových ani zdraví škodlivých plynů a pro níž máme relativní dostatek paliva (řádově staletí, navíc je zde možnost recyklace jaderného odpadu). Ani to však není řešení navždy, nehledě na to, že v některých zemích je výstavba jaderných elektráren omezena nebo zcela zakázána z obavy před možnou havárií a kvůli potížím s likvidací jaderného odpadu. Ač nechci tyto záležitosti nijak bagatelizovat, s našimi současnými možnostmi je jádro jedinou rozumnou možností ve velkém měřítku.

Zároveň je však třeba intenzivně pracovat na výzkumu a vývoji nových způsobů získávání a skladování energie, které by využívaly obnovitelných nebo reálně nevyčerpatelných zdrojů. Alternativ tu máme již několik: vodní a příbojové elektrárny, větrné elektrárny, spalování biomasy, geotermální zdroje, sluneční elektrárny. Jaderná fúze je zatím pohádkou budoucnosti. Otázkou je, co z toho má potenciál vytrhnout lidstvu trn z paty.

Většina výše jmenovaných využitelných energetických zdrojů (a to i včetně té ropy, plynu a uhlí) má tak jako tak původ ve sluneční energii. Záleží však na tom, co vše stojí (a případně vzniká jako vedlejší produkt) na cestě mezi sluncem a místem, kde energii spotřebujeme, a samozřejmě také jak je tento proces účinný a jaká je jeho celková kapacita. Vezměme to popořadě:

  • Biomasa: Teoretická účinnost fotosyntézy je 10.5%, ale u reálných rostlin a bakterií se pohybuje nejvýše v oblasti 0.5-1%. Kdybychom věnovali pětinu povrchu celé země výhradně produkci biomasy za účelem energetického využití, získali bychom celkově nejvýše 7-10 TW. Zpracování i spalování biologické hmoty je navíc zdrojem již zmíněných nežádoucích plynů. Obdělávání půdy pak vede k další spotřebě a emisi zplodin, paradoxně se k výrobě „bioenergie“ využívají zcela „nebio“ fosilní zdroje. To však lze pokládat za přechodný stav, postupem času by se mohla část produkce zpětně využívat ve vlastní výrobě.
  • Vítr: Teoretický limit větrných elektráren při předpokladu průměrné rychlosti větru 5 m/s a umístění ve výšce 10 nad zemí jsou pouhé 2 TW. Celkové množství kinetické energie ukryté v pohybu atmosféry sice odpovídá výkonu 870 TW, omezená účinnost větrných elektráren a nemožnost využití atmosféry v celém jejím objemu nám však nedá k dispozici více než zlomek této hodnoty. V současné době těžíme z energie větru pouhých 75 GW celosvětově.
  • Voda: Teoretický limit využitelné energie ze všech světových toků hydroelektrárnami je z globálního hlediska nepříliš významný – 7 TW, v praxi spíše o řád méně. Dalších několik stovek GW by nám mohlo přinést využití energie příboje a přílivu/odlivu, to se ale vzhledem k výrobním nákladům potřebných zařízení jeví jako značně neekonomické. Celkový výkon pohybu oceánských a mořských vod (příboj, příliv, mořské proudy) je v řádku desítek TW, ale využitelnost je malá a v praxi omezená spíše na pobřežní oblasti.
  • Geotermální zdroje jsou na tom podobně, ani při nejlepší vůli z nich nevytěžíme více než několik málo desítek TW.
  • Slunce: Teoretický limit je úctyhodných 120 000 TW. Jde o dobře distribuovaný zdroj, který navíc není svázán s žádným médiem – proud fotonů na Zemi dopadá přímo ze svého zdroje. Využití slunečního světla nevede k produkci zplodin.

Jak vidno, budoucnost je jednoznačně ve sluneční energii, resp. v jejím přímém využití. Ostatní typy elektráren budou vždy jen doplňkovými zdroji. Potíž solárních článků je bohužel zatím v tom, že elektřina jimi vyrobená je tisíckrát dražší než získaná konvenčními metodami a množství energie potřebné k výrobě článku se za celou jeho životnost nevrátí (nemluvě o surovinách, spotřebovaných a uvolněných během produkce). Mělo by však být jen otázkou času, kdy budou k dispozici technologie levnější a účinnější než ty dosavadní. Základní dva směry výzkumu jsou:

  • Přímá výroba elektrické energie ze světla, ať už jde o systémy anorganické (typicky polovodiče nebo sofistikované nanostruktury) či organické (princip umělé fotosyntézy). Výhodou tohoto systému je jejich uzavřenost, tj. že nevyžadují žádný přísun materiálu.
  • Přeměna světelné energie na chemickou, např. rozklad vody na vodík a kyslík nebo produkce kapalných paliv z jednodušších, běžně dostupných a obnovitelných látek. Výhodou této metody je, že zároveň řeší i problém skladování energie, neboť nevyrábí přímo elektřinu, ale energii ukládá do chemické vazby.

Osobně jsem přesvědčen, že se prosadí oba základní typy a budou existovat souběžně, každý tam, kde bude jeho využití výhodnější. Základní otázka pro hledače energetických alternativ má však každopádně jedinou rozumnou odpověď – Slunce. A jednou možná také jadernou fúzi, pokud se nám ji podaří někdy ochočit. To platí bez ohledu na to, co se nám snaží vsugerovat zelená lobby, které masivní dotování větrníků, vodních turbín a pěstování řepky připadá jako ta správná cesta z energetické krize.

Jak získat peníze na perpetuum mobile

Perpetuum mobile. Tedy… jeden z neúspěšných pokusů o něj.

Ekologická témata jsou v posledních letech jedněmi z nejfrekventovanějších a stále častěji s nimi žonglují i politici. Globální oteplování je celosvětový strašák a podrobnější zamyšlení nad jeho oprávněností nechám na některý z příštích článků. Samozřejmě nepochybuji o nutnosti vést lidi k úspornějšímu využívání energie a přírodních zdrojů obecně (ačkoliv je to dost sisyfovská práce), ani o nutnosti hledat a aplikovat jiné masové zdroje energie, než kterých využíváme nyní. Fosilních paliv nám zbývá řádově na jedno století, nukleární energie je dobrým řešením na mnohem delší dobu, ale zase vyvolává neustálé pochyby o její bezpečnosti, a ostatní dnes známé technologie uspokojí z celosvětové spotřeby maximálně desetiny procent až procenta.

Na vzedmuté vlně zájmu o stav životního prostředí, ale zároveň i strachu šířeného ekologisty (pozor, neplést s ekology, mám zde na mysli enviromentalistické aktivisty) se pochopitelně sveze kdejaký projekt. Tedy vedle těch seriózních i ty, jejichž jediným cílem je vysát z důvěřivého investora, nebo ještě lépe fondů evropské unie nějaký ten peníz. Každá upřímně míněná snaha o nalezení alternativních zdrojů energie nebo zefektivnění těch stávajících má určitě svůj smysl a rozhodně by nebylo rozumné ani zodpovědné předem zavrhovat nějaký výzkum jen proto, že nám připadá pravděpodobnost jeho úspěšného završení málo pravděpodobná. S tímto přístupem by spousta klíčových vynálezů nikdy nespatřilo světlo světa.

Jsou ovšem případy, kdy lze pouze na základě základních fyzikálních zákonů a odhadu celkových energetických bilancí bez zkoumání bližších detailů rovnou říci, že je úspěch vyloučen. Jestli za tím pak stojí prvotní záměr ziskuchtivého „výzkumníka“, nebo pouze jeho naivita a nedostatek znalostí v přírodních vědách, je otázkou z jiného soudku, kterou ať si řeší ti, z jejichž kapsy je to placené.

Každou chvíli se dočteme v novinách o novém úžasném projektu, založeném na větrné, vodní, geotermální, nebo třeba příbojové energii. V první vlně můžeme vyloučit jednoznačné snahy o projekty založené na předpokladu neplatnosti (resp. ignoraci) některého ze základních termodynamických zákonů. Jako první to odnese evergreen, snažící se tiše obejít 1. zákon termodynamiky, tedy perpetuum mobile prvního druhu, které vyrábí více práce než kolik energie přijme. Dalším velmi typickým případem jsou zařízení, která pro svoji činnost pouze odebírají teplo, tedy perpetuum mobile druhého druhu, ignorující pro změnu princip rostoucí entropie.

V druhé vlně se pak stačí zamyslet nad tím, jaká je maximální teoretická kapacita primárního zdroje energie, která by měla dané zařízení pohánět. Víme zhruba, kolik je na světě vodních toků a jaký jejich objem a potenciální energie v nich skrytá. Víme také přibližně, kolik na zemský povrch dopadá slunečního svitu a kolik v sobě nese wattů. Dokonce i na celkové množství kinetické energie větru existují (alespoň řádové) odhady. Konkrétním číslům se budu věnovat v dalším článku. Zatím se jen pokouším ukázat, že pokud se budeme držet naší matičky Země, existují zde limity, které nepřekročíme i kdyby se vědci a inženýři celého světa postavili na hlavu.

Vedle toho existují limity méně striktní a tedy v zásadě překonatelné, ovšem zřejmě nikoliv v současné době. Jsou jimi především omezení ekonomická. Budeme-li mít v ruce návrh nějaké metody výroby nebo skladování elektrické energie, můžeme na základě použité technologie odhadnout její finanční náročnost a tím pádem (při znalosti životnosti zařízení) i návratnost. Přitom lze samozřejmě vycházet pouze z technologií, které jsou v naší době dostupné, pokud součástí projektu není vývoj nějakých zásadně nových, které by se při výrobě uplatnily (což právě často není).

Samozřejmě i projekty, které si během své celé životnosti na sebe nevydělají, mohou mít svůj určitý smysl, a to v případě, kdy ušetří neobnovitelné zdroje, u nichž se dá v blízké budoucnosti čekat nárůst ceny. Ovšem to jen pokud se při jejich výrobě nespotřebují suroviny a energie vytvořené právě z takových nenahraditelných zdrojů, což většinou bohužel platí. Ne nadarmo se pak říká, že co není ekonomické, není ani ekologické. Cena přírodních zdrojů je totiž určena kombinací poptávky po nich, jejich dostupnosti a především pak celkového množství jejich zásob. Poptávku můžeme do určité míry omezit umělým navýšením ceny, dostupnost lepšími technologiemi těžby a zpracování. Množství dané suroviny na Zemi je však třeba brát jako předem dané (pro rýpaly: za předpokladu, že rychlost jejich spotřeby je mnohem větší, než rychlost jejich obnovy, což bezezbytku platí o všech fosilních palivech i nerostných surovinách).

Až se tedy příště zase dočtete o nějakém „převratném“ nápadu nebo vynálezu, který má lidstvo vyvést z energetické krize, zkuste se na něj podívat skeptickým okem a udělat si alespoň hrubý odhad, jestli spíše nespadá do říše snů než do našeho reálného světa. Možná vás pak překvapí, na co všechno lze v dnešní poněkud zpaničtělé době získat dotace. A možná pak také začnete kritičtěji přijímat hysterické „zaručené zprávy“ o geniálních projektech, zadupaných do země zlým ropným lobby (které je buďto odkoupilo a nyní drží pod pokličkou, nebo jejich autory zastrašuje a neumožňuje jim s nimi vyjít na veřejnost). Obávám se, že jsou to většinou právě nápady z kategorie těch, jejichž možnosti využití neleží ani v rovině teoretické.

Kdekdo by mohl namítnout, že zkusit se má všechno, že každý pokus o nalezení alternativního zdroje energie je chvályhodný nebo že předem nemůžeme vědět, jak nějaký výzkum dopadne. Jenže náš čas ani prostředky nejsou neomezené a čím více obojího ušetříme na projektech, které jsou odkázány k neúspěchu už na základě jejich základních předpokladů a principů, tím více nám zbyde na projekty alespoň potencionálně nadějné.