Ad Elektřina ze Slunce

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.