Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Ad Elektřina ze Slunce

(Vesmír 79, 672, 2000/12, Vesmír 80, 64, 2001/2 a Vesmír 80, 184, 2001/4)
 |  5. 8. 2001
 |  Vesmír 80, 427, 2001/8

Po přečtení článku Jiřího Touška v loňském čísle 12 si čtenář může udělat správný obraz o možnostech využití tohoto obnovitelného a ekologicky nejpřijatelnějšího zdroje energie pro budoucnost. Čtenář-neenergetik je však asi zmaten diskusí, která se k tomuto tématu rozvinula ve Fóru čtenářů v letošních číslech 2 a 4. Snad největším omylem je, že sluneční elektrárna o výkonu 1000 MW nahradí například jadernou elektrárnu téhož výkonu. Roční využití jaderné elektrárny je 7000 až 8000 hodin, to znamená z počtu hodin tropického roku, který činí 8765,76 hodiny za rok, 80 až 91 %, zatímco roční využití sluneční elektrárny v pouštní oblasti blízko rovníku je jen zhruba 16 %.

Pokusím se tuto skutečnost objasnit. Tok sluneční energie na Zemi je popsán sluneční konstantou. Ta činí 1369 W/m2 (viz Vesmír 69, 515, 1990/9 a Vesmír 77, 177, 1998/3), což znamená, že plochou 1 m2 ve střední vzdálenosti Země od Slunce, kolmou k toku záření, projde za sekundu energie 1369 J. Tato hodnota meziročně nepatrně kolísá, ale v dlouholetém průměru platí. Asi 25 % této energie se odrazí od atmosféry, takže přibližně můžeme počítat, že na vodorovnou nebo mírně nakloněnou plochu blízko rovníku dopadá kolem poledne 1 kW/m2. Den blízko rovníku trvá po celý rok přibližně 12 hodin, takže když Slunce v 6 hodin vychází, je dopadající výkon nulový a stoupá přibližně po sinusoidě až na 1 kW/m2 v poledne a opět klesá až na nulu v 18 hodin. Za těchto 12 hodin tedy dopadnou na uvedenou plochu zhruba 4 kWh, to znamená asi 1500 kWh za rok, pokud je zde po celý rok bezmračné počasí. V masovém měřítku bude možné používat asi jen sluneční články na bázi polykrystalického křemíku s účinností kolem 10 %, 1 m2 tedy vyrobí za rok 150 kWh elektrické energie.

Jestliže zvolíme jako modul sluneční elektrárny plochu 1 km2, vyprodukuje tento modul v celoročně osluněné poušti asi 150 milionů kWh (tj. jen jednu setinu elektřiny vyrobené v dokončené jaderné elektrárně Temelín). K výrobě 1 kg zkapalněného vodíku je třeba při účinnosti elektrolyzérů něco nad 90 % zhruba 38 kWh na výrobu plynného vodíku a 10 kWh na jeho zkapalnění, 1) takže včetně další spotřeby sluneční elektrárny se spotřebuje asi 50 kWh. Modul sluneční elektrárny o ploše 1 km2 může tedy vyrobit zhruba 3000 t kapalného vodíku za rok.

Položme si otázku, kolik km2 slunečních elektráren by bylo potřeba na výrobu vodíku, který by nahradil veškerou spotřebu prvotních energetických zdrojů lidstva v současné době. Podle Energy Statistic Yearbook, UNO 1997 (tato statistická ročenka OSN vyšla před několika měsíci a je k dispozici v Informačním středisku OSN v Praze) činila v roce 1997 celková spotřeba světa 8,42 miliardy toe, z toho fosilní paliva činila 7,53 miliardy toe 2) a prvotní elektřina (tj. elektřina vyrobená ve vodních a jaderných elektrárnách a v elektrárnách využívajících obnovitelné zdroje) 0,89 miliardy toe. Jak je patrno, fosilní paliva kryjí v současné době více než 89 % celkové světové spotřeby energie.

Výhřevnost 1 tuny vodíku činí 120 600 MJ, 1 tuna vodíku tedy představuje energii 2,88 toe. Pro nahrazení současné světové spotřeby prvotních energetických zdrojů by proto bylo nutno ze sluneční energie vyrobit 2,92 miliardy tun, zaokrouhleno 3 miliardy tun vodíku ročně. Poněvadž 1 km2 vyprodukuje v trvale osluněné oblasti blíže rovníku za rok 3000 tun vodíku, činila by potřebná plocha na pokrytí současné světové spotřeby prvotních energetických zdrojů přibližně 1 milion km2.

Podle zmíněné ročenky OSN bylo v roce 1997 na světě celkem 5,74 miliardy obyvatel, tedy průměrná spotřeba prvotních energetických zdrojů činila 1,47 toe na obyvatele. Ve skutečnosti ovšem jsou obrovské rozdíly mezi rozvojovými státy a státy průmyslovými – nejníže je Etiopie (0,03 toe na obyvatele), nejvýše USA (8,05 toe na obyvatele). Čína s 1,22 miliardy obyvatel vykázala 0,69 toe na obyvatele a Indie 0,29 toe na obyvatele. Počet obyvatel na světě stále roste, v rozvojových zemích trvá populační exploze. Průměrný roční přírůstek obyvatel světa je v 90. letech 1,6 až 1,7 %. V 60. letech však činil 2,3 %. Projevuje se tedy určitý pokles, ale koncem 21. století lze očekávat, že počet obyvatel na světě dosáhne 10 miliard. V řadě rozvojových států, které usilují o hospodářský růst, poroste i spotřeba prvotních energetických zdrojů na obyvatele, takže jejich světová spotřeba může koncem 21. století vzrůst na dvojnásobek hodnoty z roku 1997.

Otázkou zásobování světa vodíkem z pouštních a aridních (suchých, vyprahlých) oblastí s vysokou intenzitou slunečního záření se zabýval již v roce 1974 M. K. Hubbert, známý americký energetik-prognostik, ve své přednášce „Světové zdroje energií“. 3) Pokud jde o plochu pouštních a aridních málo obydlených oblastí na světě, uvádí se v přednášce, že mají rozlohu asi 40 milionů km2, tedy by mohly několikanásobně pokrýt výrobu vodíku pro světovou spotřebu energie i v budoucnu. Přitom se nacházejí na všech kontinentech kromě Evropy. Autor uvádí jmenovitě jihozápadní státy USA, severní Mexiko, poušť Atacama v Chile, severní část Argentiny, polovinu rozlohy Austrálie, jihozápadní část Afriky, 2000 km široký pás táhnoucí se Saharou, oblasti kolem Rudého moře, Arabský poloostrov, okolí Perského zálivu a pouštní oblast v Asii, táhnoucí se od Kaspického moře na východ, k Mongolsku.

Přitom je nutno uvážit, že na výrobu 1 kg vodíku je potřeba 9 kg demineralizované vody a vyrábí se zároveň 8 kg kyslíku. Pro modul např. 300 × 300 km, který by pokryl asi jednu dvanáctinu současné světové spotřeby energie a vyráběl ročně zhruba 2,7.108 tun vodíku, by bylo nutné do oblasti čerpat asi 2,5.109 tun demineralizované vody, tj. přibližně 80 metrů krychlových za sekundu (což je téměř průměrné množství vody, která protéká za 1 sekundu Vltavou v Praze). Takový modul by bylo možné budovat postupně z menších modulů, např. 100 × 100, které by byly vybaveny i potřebnými plochami elektrolyzérů, zkapalňovacích stanic, kabelovými a potrubními trasami, komunikacemi a sídlišti pro personál obsluhy i údržby. Výstavba takového modulu by mohla trvat i několik desetiletí.

Již se současnými technicky ovládnutými prostředky je tedy možné začít budovat po celém světě sluneční výrobny kapalného vodíku a dodávat ho potrubími nebo tankery na místa spotřeby, popřípadě zajistit i dopravu elektřiny supravodivými kabely. Je k tomu ovšem nutná jediná podmínka – široký konsenzus všech států světa, rozsáhlé mezinárodní dohody o výstavbě takových zařízení, o dlouhodobém zajištění vzájemných dodávek a o společném finančním zajištění výstavby a provozu celého energetického systému. Šlo by i vypočítat v dnešních cenách, kolik miliard amerických dolarů by to všechno stálo. Myslím však, že to nemá smysl – soudný čtenář pochopí, že je to hudba daleké budoucnosti. Přitom znovu zdůrazňuji – pro budoucnost lidstva je tato cesta nezbytná a je nutné na ní intenzivně pracovat.

Mám však za to, že pro 21. století existuje jediná možnost jak zabezpečit světovou spotřebu energie, a přitom snižovat exhalace oxidu uhličitého a metanu do atmosféry – rozvoj jaderné energetiky. Ostatní obnovitelné zdroje mohou být jen lokální pomocí.

Jaderné elektrárny jsou investičně nákladné, a proto je nutné jejich výkon využívat ročně co nejdéle. Odstavují se jen jednou za rok (modernější typy jednou za 18 měsíců) k výměně paliva a běžné údržbě. Tyto odstávky trvají obvykle jen tři až čtyři týdny. Z tohoto důvodu se využívají převážně pro krytí základní části denního diagramu zatížení elektrizační soustavy. Asi 20 % špičkového výkonu se pokrývá buď vodními elektrárnami – zejména přečerpávacími, nebo pružnými uhelnými a plynovými elektrárnami. V budoucnu by to mohly být vodíkové elektrárny, které by pomocí palivových článků mohly vyrábět elektřinu a teplo s účinností až 80 %. Tak by se mohl poprvé prakticky využít vodík v energetice. Jaderné elektrárny mohou zásobovat teplem horkovodní systémy vytápění velkých měst – horkovody lze nyní využívat i v délkách ke 100 km, neboť pomocí aditiv přidávaných do horké vody lze podstatně snížit ztráty třením v potrubí. Vodíkové elektrárny by zase mohly zásobovat teplem menší města nebo vesnice.

Poznámky

1) Viz knihu Jiřího Balajky „Vodík a iné nové nosiče energie“, Alfa, Bratislava 1982.
2) 1 toe = 1 tuna ropného ekvivalentu (oil equivalent). Energetici tuto hodnotu používají pro nejnázornější vyjádření množství energie – je to přibližně energie obsažená v 1 m3 ropy. Výhřevnost 1 toe činí 41 868 MJ – ve starých jednotkách 10 000 000 kcal. Podle výhřevnosti se na toe převádějí ostatní fosilní paliva, primární elektřina se pak zjistí dle koeficientů stanovených pro jednotlivé typy elektráren.
3) Podrobný výtah z této přednášky byl publikován v časopisu Československé vědeckotechnické společnosti „Technická práca“ v číslech 6 až 8 v roce 1976.

„Mluvit výlučně o úsporách je zakrývání vážného problému. Úspory mohou být známkou osobní slušnosti, ale nemohou být základem zdravé, vyčerpávající energetické politiky... Naším cílem je účinnost, nikoli odříkání... Amerika má technologické znalosti i technologie odpovídající 21. století a vyhovující životnímu prostředí, které jsou potřeba k tomu, abychom uspěli se základními požadavky: zvětšit úspory energie, obnovit a modernizovat naši energetickou infrastrukturu, zvětšit naše energetické zdroje takovým způsobem, který chrání a vylepšuje naše životní prostředí... Obnovitelné a alternativní zdroje jsou nadějí americké energetiky. Nyní však tvoří jen malý zlomek současných energetických potřeb. Den, kdy splní většinu našich potřeb, je ještě leta vzdálen. Do té doby musíme zabezpečit energetické potřeby státu s prostředky, které jsou pro nás dostupné,“ prohlásil viceprezident Dick Cheney ve svém projevu 30. dubna 2001 o energetické politice prezidenta G. Bushe.

O veřejných shromážděních organizovaných ministerstvem energetiky říká Spencer Abraham (státní tajemník ministerstva): „Energetická účinnost a rozvoj obnovitelných zdrojů jsou kritickými prvky prezidentovy energetické politiky. Veřejný hlas na těchto shromážděních nám pomůže určit témata pro budoucí výzkum a investice...“

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Ekologie a životní prostředí

O autorovi

Jan Neumann

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné