Energie a energetická návratnost

Energie v našem životě

Většina z nás má pocit, že fyziky bylo na střední škole více než dost, tak proč si tím lámat hlavu. Pojmy energie, výkon, rychlost, hmotnost, práce aj. známe. Rychlost je určitě důležitá – kdo by chtěl za překročenou rychlost platit na silnici pokutu? A práce? Pracujeme každý den hodně a dlouho. Tušíme, co jsou práce a energie. Prací přece vytváříme hodnoty pro sebe, svou rodinu i společnost – a to je to, co je důležité. Tu a tam si v denním tisku něco přečteme o energetickém sektoru, elektrárnách a megawattech. Něco nám dává smysl, něco moc ne, ale nehloubáme nad tím. Občas nás nějaký ekonom na stránkách téhož listu ujistí, že se energetický sektor podílí na národním důchodu jen pár procenty. Trochu se podivíme, protože se nám zdá, že v našem domácím rozpočtu to je více, a tak zkontrolujeme, jestli jsme vypnuli vše, co má být vypnuto, jestli jsme všude zhasli, a jdeme spát. Náš přístup k energii pramení z praktické zkušenosti. Nemusíme se její definicí nijak zvlášť zabývat. Hlavu si tím příliš nelámou ani ekonomové. Jenže je tomu skutečně tak? Není význam energie a přírodních zdrojů pro nás existenčně mnohem důležitější, než si uvědomujeme?

Energie fyzikálně

Slovo energie pochází – podobně jako mnoho jiných termínů, které dnes běžně používáme - z řečtiny. V tomto případě z řeckého slova energos (činný, pracující). Slovo energeia použil Aristoteles, když se pokoušel vysvětlit svět kolem sebe. Podle jeho definice každá existující věc, každá živá bytost obsahuje energii, která je spojena s jeho aktivitou. Dnes je význam slova energie úzce spjat s fyzikálním pojetím a fyzikální definicí energie. Fyzika energii definuje jako schopnost systému vykonávat práci. Práce z fyzikálního pohledu není nic jiného než přenos energie z jednoho systému do druhého. Tento přenos může i nemusí být spojen s transformací jedné formy energie v druhou. Například při elastické srážce je kinetická energie jednoho objektu předána jinému objektu opět ve formě kinetické energie. Při neelastické srážce je část, popřípadě celá kinetická energie transformována do jiné formy, například do energie tepelné. Pravidla přenosu energie z jednoho systému do druhého či přeměny jedné formy energie v jinou podléhají termodynamickým zákonům. Například tepelná energie nemůže samovolně přejít z tělesa studenějšího na těleso teplejší. Základní jednotka energie je joule. ¹⁾ Energie může být v systému vázána různými způsoby, v různých formách. S energií potenciální a kinetickou se snad každý důvěrně, a někdy i bolestně obeznámí při prvních pokusech vyšplhat se na strom či zvládnout jízdu na kole. O dalších, v životě méně zjevných formách – jako je energie chemická, elektrická, tepelná či nukleární – se pak každý poučí ve škole. Energie je přítomna všude kolem nás, a je jí hodně, ale ne vždy je snadno využitelná, ne vždy je přístupná.

Druhy energie a hustota energie

Pro pochopení dostupnosti využitelné energie v určitém zdroji je užitečný pojem hustoty energie. Hustota energie může být svázána s hmotností, objemem, popřípadě plochou. Zdroje s větší energetickou hustotou jsou snáze využitelné. Typickým příkladem energie spojené s hmotností je uhlí či ropa. Spálením jednoho kilogramu uhlí lze získat okolo 18–29 MJ, zatímco z jednoho kilogramu ropy lze získat zhruba 44 MJ. Na jeden kilogram nabitého akumulátoru však připadá asi jen 500 kJ. Již z těchto údajů je zřejmé, proč elektromobily mají stále tak špatný akční rádius a proč je tak obtížné jej podstatně zvětšit. Zemní plyn má hustotu energie asi 6000 MJ/m³ (při tlaku 20 MPa), zatímco ropa má několikanásobně více, a to zhruba 35 000 MJ/m³. Z těchto údajů je vidět výraznou výhodu ropy nad zemním plynem, který zabere mnohem větší objem, a tedy potřebuje větší a bytelnější nádrže, což je zjevnou překážkou jeho využití v osobní dopravě. Mnohem menší energetická hustota zemního plynu je také podstatnou nevýhodou a překážkou při jeho přepravě na velké vzdálenosti (například z oblasti Blízkého východu do USA či Japonska). Biomasa je příkladem energetického zdroje, u kterého je účelné pracovat s plošnou hustotou energie. Například dřevo má přibližně hustotu 1–12 milionů MJ/hektar. Menší plošná hustota energie znamená větší energetickou spotřebu na přepravu i sklizeň.

Užitečná je také klasifikace podle stavu látky či prostředí, ve kterém se využitelná energie nachází – pevná látka, kapalina, plyn, pole. Pevnou látku, kapalinu i plyn je možno bez větších potíží přepravovat a skladovat, kdežto energie vázané na pole – například sluneční záření, elektromagnetické záření či větrná energie – musí být využívány okamžitě.

Chceme-li tyto energie uchovat pro pozdější využití, musíme je přeměnit v nějakou jinou formu. Například větrné či sluneční energie, které nejsou geograficky rovnoměrně rozděleny a které podléhají denním cyklům i rozmarům počasí, lze použít na elektrolytickou přípravu vodíku. Vodík může být skladován i přepravován z místa výroby na místo spotřeby. Pak může být využit například k výrobě elektrické energie či jako palivo v dopravě. Je ovšem nutno opět připomenout, že termodynamické zákony neúprosně ukusují z původního energetického koláče. Při každé transformaci z jednoho druhu energie na druhý dochází někdy k menším, ale spíše k větším energetickým ztrátám (část energie unikne ve formě nevyužitelných tepelných či jiných ztrát). Z těchto důvodů mnohé na první pohled lákávé a slibné energetické projekty zůstávají dlouho (někdy i navždy) jen na papíře.

Energie a ekosystém

Termín ekosystém pravděpodobně poprvé použil J. Tensley, a to již v roce 1935. Studiem ekosystémů, tím, jak příroda funguje, jsou lidé fascinováni odpradávna a snaží se přírodě porozumět, jak nejlépe to jde. Jedním z prvních, kteří se o to pokoušeli systematicky, byl Aristoteles a po něm zejména jeho žák Theofrastos. Ekosystém je dynamický soubor určité ucelené části přírody. Definice ekosystému není omezena velikostí ani shora, ani zdola, může jím být trouchnivějící kmen či celá Země. Moderní systematické studium ekosystémů se rozvinulo v padesátých letech minulého století a jedním z prvních a významných přispěvatelů byl Howard T. Odum. Ukázalo se, že v dynamice ekosystému jsou důležité dva aspekty – biochemické cykly a energetické toky. Obecně v každém ekosystému, ať už je jím celá biosféra Země či jen malé horské pleso, platí přírodní a fyzikální zákony stejně jako v jakémkoli jiném systému – živém i neživém, mikroskopickém i makroskopickém. Opět tu vládnou omezení termodynamických zákonů. Při přenosu enegie z jednoho podsystému na druhý či při transformaci energie z jednoho druhu energie na jiný je určitá část energie přeměněna na energii, kterou již ekosystém či organizmus nedokáže využít. Využití užitečné vstupní energie nikdy není dokonalé. Proto každá část ekosystému – i každý živý organizmus – musí více energie přijímat, než dokáže vydávat. Fotosyntézou musí rostlina získat ze slunečního svitu více energie, než spotřebuje na svůj růst a reprodukci. Proteiny ulovené antilopy musí pro lva být dostatečným zdrojem energie, kterým dokáže pokrýt energii potřebnou na příští lov, energii pro vlastní metabolizmus a také reprodukci. Lidská populace, naše civilizace, každý člověk je součástí přírody, součástí ekosystému zemské biosféry. A tak i pro nás a pro veškerou naši činnost platí stejné principy a zákony jako pro jakýkoli jiný ekosystém. Z tohoto hlediska je jedno, jestli energii spotřebováváme na náš metabolizmus či reprodukci, nebo zda energii využíváme na svícení, dopravu či výrobu předmětů. Energetický vstup, zdroje energie, musí být větší, než kolik jí celkově naše civilizace spotřebuje. A energie spotřebujeme opravdu hodně – v různých formách a z různých zdrojů. Hodně jí také promarníme.

Biosféra Země a zdroje energie

Největším zdrojem využitelné energie pro ekosystém Země je bezesporu Slunce, které s minimálními výkyvy dodává energii ve formě slunečního záření již po několik miliard let. Pokud nedojde k nějaké neočekávané vesmírné katastrofě, bude ji dodávat po několik dalších miliard let. Slunce není jediným zdrojem energie, který ovlivňuje osudy naší planety. Je tu energie pocházející z gravitačního působení Měsíce, jež je odpovědná například za příliv a odliv. Je tu energie pocházející z radioaktivního rozpadu draslíku, thoria a uranu hluboko pod zemskou kůrou, která přispívá k zahřívání Země.

V prapočátcích života na Zemi první primitivní organizmy pravděpodobně nevyužívaly přímo sluneční záření, ale získávaly energii oxidací železa či manganu. Dnes však je bezesporu hlavním zdrojem energie zemské biosféry Slunce. Fotosyntéza transformuje sluneční záření na energii chemických vazeb ve formě glukózy. Takto akumulovaná sluneční energie je základním zdrojem energie prakticky pro celou zemskou biosféru, pro celý zemský ekosystém, a je distribuována prostřednictvím složitých mechanizmů a procesů až k vrcholům potravinových řetězců. Energetické toky a cykly jsou komplexní, mohou být lokalizované, ale mohou také zahrnovat prostory celé biosféry. Energie může být vyžívána a předávána v systému dále téměř okamžitě, ale také může být po delší dobu akumulována a skryta.

Extrémním příkladem dlouhodobé akumulace sluneční energie jsou fosilní paliva, která v sobě ukrývají sluneční energii dopadající na Zemi před desítkami milionů let. Působení různých geologických vlivů transformovalo organické látky, tvořené zbytky organizmů, na energii chemických vazeb uhlovodíků. Tato energie, která dočasně ze zemské biosféry „zmizela“, se do jejího koloběhu vrací. Je to energie, kterou se lidstvo naučilo využívat teprve nedávno (a velice rychle), a je to především lidská populace, která má z této energie prospěch. Lidská populace spotřebovává v současné době mnohem více energie, než kolik by jí byla schopna získávat přímo ze zemského ekosystému, závislého na bezprostředním slunečním záření. Na každého člověka dnes v průměru připadá spotřeba energie rovnající se práci přibližně 150 otroků.

Energetická návratnost

Má-li být nějaká substance pro organizmus či systém zdrojem energie, musí být tento zdroj energeticky výhodný. Neznamená to nic jiného, než že pro přežití a úspěšné fungování musí v průměru energie získaná z procesu převyšovat energii do procesu investovanou. Zdroj energie nemůže být ztrátový. Tato podmínka je kritickým faktorem ve všech ekosystémech, a proto se také právě systémová ekologie jako první pokusila definovat pojem energetická návratnost a pracovat s ním.

Energetická návratnost ²⁾ je definována jako poměr množství energie z procesu získané k množství energie do procesu investované. Tento poměr musí být větší než jedna, aby byly zajištěny podmínky pro přežití (viz rámeček Příklady energetické návratnosti pro různé zdroje 1 ). Tato podmínka je nezbytná. ³⁾ Brzy se ukázalo, že energetická návratnost je koncept použitelný v mnoha dalších oblastech systémové ekologie. A co je překvapující (i když logické), koncept návratnosti energie je užitečným nástrojem i v jiných oborech.

Charles Hall, C. J. Cleveland a další publikovali r. 1981 a r. 1984 v časopise Science4 dva články, v nichž ukazují, že koncept návratnosti energie je užitečný i pro ekonomii, která se často urputně brání „invazi“ přírodních zákonů. Jejich druhý článek, který má titulek „Energie a ekonomie Spojených států: biofyzikální perspektiva“, připomíná, že celé naše lidské snažení a celá naše civilizace byly, jsou a vždy budou součástí zemské biosféry. A tak, ať se nám to líbí nebo ne, pro každou naši činnost včetně ekonomiky platí stejná základní pravidla jako pro celý zemský ekosystém.

Historie využívání energie

Historie druhu Homo sapiens je spojena s postupným rozšiřováním využívání energie a dostupných energetických zdrojů. Potrava je pro každý živý organizmus zdrojem energie. Na rozdíl od ostatních živočichů se člověk postupně naučil využívat potravinové zdroje za hranicemi, které mu byly dány fyzickým a genetickým vybavením. Nástroje, lovecké zbraně a zvládnutí ohně otevřely cestu k novým zdrojům. Beze zbraní a kolektivní organizované spolupráce by byla velká zvířata nedostupným zdrojem proteinů. Tepelné zpracování potravy otevřelo cesty k využití potravinových zdrojů, které jsou jinak pro lidský organizmus obtížně stravitelné či nestravitelné. Zemědělství, domestikace zvířat a využívání zvířat k práci znamenalo další kvalitativní skok. Využití biomasy (dřevo, dřevěné uhlí), vodní a větrné energie bylo jen logickým pokračováním. Přes všechen prokrok však stále ještě velká část energie investované do procesu získávání energie závisela na přímé lidské či zvířecí práci. Energetická návratnost se díky dělbě práce a komplexnímu uspořádání lidské společnosti zvyšovala, ale stále nebyla nijak velká. To se výrazně a prudce měnilo se stále masovějším využíváním uhlí, zemního plynu a ropy, energetických zdrojů s vysokou energetickou návratností, zdrojů obsahujících akumulovanou sluneční energii z dávných geologických dob. Nejprve přišlo uhlí, které v energetické návratnosti znamenalo obrovský skok. Bezkonkurenční královnou se pak stala ropa (s energetickou návratností přes sto). Jenže časy se mění. Snadno dostupná ropa je pomalu, ale jistě pryč. Energetická návratnost fosilních paliv postupně klesá a dnešní ropa má energetickou návratnost někde okolo 20–30. Je tu ještě jaderná energie, která je jediným významnějším energetickým zdrojem nesouvisejícím se sluneční energií. Její energetická návratnost je však poměrně malá a nezdá se, že by se v nejbližší době nějak výrazně zlepšila. Navíc s jadernou energií souvisí řada technických i ekologických problémů. Celkem nedávno, před padesáti lety, jsme zvládli štěpnou reakci, ale jaderná fúze stále odolává a přes veliké úsilí to nevypadá na to, že by řešení bylo za dveřmi.

Energie pro příští generace

Příznivá zpráva je, že pokud pravidla hry náhle nezmění nějaký nečekaný katastrofický planetární či galaktický scénář, je jisté, že Slunce bude nadále primárním zdrojem energie zemské biosféry po mnoho dalších miliard let. S ropou, uhlím a zemním plynem, které vznikaly po mnoho desítek milionů let, na příliš dlouhou dobu však počítat nemůžeme. Příroda si postupně nastřádala fosilních paliv opravdu hodně, ale naší civilizaci to nebude stačit ani na pět set let. Nahradit dnešní zdroje energie z fosilních paliv můžeme jenom větším využíváním sluneční energie, doplněným o větší využívání energie jaderné. Nakonec již dnes lze pozorovat, jak se s přibývajícími informacemi o postupném vyčerpávání fosilních zdrojů staví stále více větrných elektráren a instaluje stále více solárních panelů, zintenzivňuje se výzkum. Je nepravděpodobné, že dojde k nějakému zázračnému objevu dosud neznámé substance s velkou hustotou snadno využitelné energie, která by nám a budoucím generacím dovolila snadno nahradit rychle ubývající fosilní paliva a pokračovat v bezstarostném plýtvání. V nedaleké budoucnosti se budeme muset spokojit s energetickými zdroji o menší energetické hustotě, energetickými zdroji vyžadujícími technologicky náročnější zařízení, energetickými zdroji s mnohem menší energetickou návratností. Je jen na nás, jak se k tomu postavíme, co přenecháme příštím generacím, jak budeme novým podmínkám schopni přizpůsobit sebe, svůj způsob života i celou společnost.

Pozn. redakce:

ERoEi – index energetické návratnosti je definován jako poměr množství energie z procesu získané k množství energie do všech fází procesu investované. S indexem energetické návratnosti je třeba zacházet opatrně, přestože v literatuře se uvádí, že metodika jeho stanovení je dobře propracovaná (viz např. www.eoearth.org/article/ten_fundamental_pri...), najdeme pro jednotlivé technologie také velmi rozdílné hodnoty indexu ERoEi. Jiné hodnoty než v zde uvedené tabulce najdete např. na www.aspoitalia.net/documenti/bardi/eroei/er.... Rozptyl hodnot je značný, např. pro velké hydroelektrárny 50–250, pro jaderné elektrárny 5–100. Bez podrobnější analýzy metodiky, externalit a dotací jednotlivých států jde tedy o velmi orientační číslo. Index také nevystihuje možný pokrok některých technologií.