Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Energetické toky v ekosystému

Soustava zpětných vazeb
 |  10. 4. 2008
 |  Vesmír 87, 254, 2008/4

Energie je neviditelná a nehmatatelná, ale život se bez ní neobejde. Každý z nás musí denně v průměru přijmout tolik potravy, aby získal alespoň 2000 kcal (zhruba 8400 kJ) energie. Když je příjem energie dlouhodobě menší, přestává postupně naše tělo fungovat. Větší nedostatek energie může vést až k úplnému kolapsu. Energie, kterou lidské tělo využívá, musí pokrýt úsilí nezbytné k získávání a zpracování energie, musí zajistit reprodukci a nahradit energetické ztráty. Z potravy tedy musí lidské tělo získat větší množství energie, než kterou do procesu získávání potravy vloží, neboli energetická návratnost (viz Vesmír 87, 113, 2008/2) musí být větší než jedna. Zopakujme pro jistotu, že energetická návratnost je poměr množství energie z procesu získané k množství energie do procesu investované.

Návratnost ve světě vinných kvasinek

V systémové ekologii se ukázalo, že energetické toky jsou jedním z klíčových konceptů k pochopení funkce ekosystémů. Skoro každý ekosystém je otevřený, se složitou soustavou kladných i záporných zpětných vazeb. V takových systémech je opravdu obtížné význam energetické návratnosti postihnout. V jednoduchém systému, jakým je například láhev čerstvého vinného moštu s několika málo vinnými kvasinkami, lze koncept energetické návratnosti demonstrovat snadno. Na počátku se vinné kvasinky cítí jako v ráji. Je tam nekonečné množství cukru, stačí se jen natáhnout, přeměnit cukr na alkohol a oxid uhličitý, a je dobře. Kvasinky jsou silné a zdravé, mají energie nazbyt, a tak činí, co je každému organizmu vlastní – využívají přebytečnou energii a množí se. A protože cukru je kolem hodně, množí se kvasinky víc a více. Jenže po určitém čase začne být kolem nich těsno a cukru nedostatek. Energie získaná z cukru přestává stačit na pokrytí všech funkcí. Kvasinky už tak zdravé nejsou, slábnou a množí se méně a méně. Populace, která tak šťastně a vesele prosperovala, začne strádat. Občas dojde i na požírání jedněch druhými. Jak cukru ubývá a je energeticky stále nákladnější ho získat, energetická návratnost v populaci kvasinek postupně klesá. Nakonec kvasinky sotva přežívají, na množení jim už energie nezbývá a populace rychle spěje k zániku.

I ve složitějších otevřených ekosystémech, než je láhev vinného moštu s kvasinkami, se uplatňuje princip energetické návratnosti. Sluneční záření zajišťuje stálý přísun energie. Spletitý systém zpětných a kladných vazeb udržuje ekosystém v dynamické rovnováze a umožňuje mu, aby dlouhodobě fungoval bez větších výkyvů. Ke kolapsům dochází jen zřídka, a příčina obvykle souvisí s nějakým zásadním zásahem zvenčí, jímž je porušen systém zpětných vazeb, popřípadě změněn režim přísunu energie do systému.

Vzrůstající složitost společnosti

Přestože energetická návratnost je snadno pochopitelný princip popsatelný jednoduchou formulkou, odhad či výpočet energetické návratnosti není vždy triviální. Podmínek k tomu, abychom mohli energetickou návratnost co nejpřesněji určit, je několik. Musíme vymezit subjekt, systém či proces, pro který chceme určit energetickou návratnost. Může to být strom v lese nebo například celá pstruhová populace v horské říčce. Vedle toho je nutné popsat a znát co nejpřesněji všechny energetické vstupy a výstupy, energetické vazby a toky a jejich návaznosti, a to v prostoru i v čase. Nutné jsou mnohdy i detailní znalosti o fyzikálních a chemických procesech, které jsou klíčové v přeměnách jednoho druhu energie na jiný.

Ani lidská populace (její existence, její aktivity a civilizace) principu energetické návratnosti neunikne. Jedinec (a ani společnost) nemůže dlouhodobě vydávat více energie, než kolik jí potřebuje. Tak jako veškerý život, jsme i my závislí na dostupných energetických zdrojích v rámci ekosystému Země. Na rozdíl od ostatních živočišných druhů a rostlin jsme se naučili vyžívat nejen vlastní metabolickou energii z potravy, ale i energii potřebnou k přípravě té potravy, kterou by náš metabolizmus nebyl schopen v syrovém stavu zpracovat. V tomto smyslu bylo tepelné zpracování potravy revolučním krokem.

S rozvojem vynalézavosti našich pradávných předků a s šířením zemědělství postupně energetická návratnost vzrůstala. Jako jediný druh rostlinné i živočišné říše jsme neinvestovali zlepšující se energetickou návratnost jenom do růstu populace, ale také do zvýšení strukturovanosti a složitosti (komplexity) společnosti. A nezůstalo pouze u potravy a ohně jako jediných zdrojů energie. Člověk vymyslel a zdokonalil využití energie ve formě zvířecí práce, energie ze dřeva (biomasy) či větrné a vodní energie. To umožnilo další rozvoj společnosti a další vylepšování energetické návratnosti. Stále více energie se investovalo do složitosti společnosti a do výrobků a služeb, které nesouvisely přímo se získáváním potravy, ale usnadňovaly život. Až do počátku 18. století byla společným jmenovatelem pro veškerou energii, kterou se lidstvo naučilo využívat, závislost zdrojů na přímé sluneční energii. Přes všechna vylepšení a úspěchy lidské nápaditosti pracovaly ještě okolo roku 1750 (kdy lidská populace zdaleka nedosahovala ani jedné miliardy) tři čtvrtiny lidí v zemědělství. Poměr energie získané metabolickou přeměnou potravy k energii získané mimo lidské tělo byl přibližně 4 : 1. Energetická návratnost získávání potravy se před průmyslovou revolucí vylepšovala jen pozvolna.

Energetické zdroje ve vyspělé civilizaci

Velkou změnu přineslo využívání fosilních paliv, nejprve uhlí, později zemního plynu a ropy. Jaderná energie v druhé polovině 20. století byla pak třešničkou na energetickém dortu. Dostupnost energie z fosilních paliv se stala impulzem k industriální revoluci a rozvinuté technické civilizaci. Využití fosilních paliv umožnilo rychlou intenzifikaci zemědělství a rychlý růst lidské populace. Postupná mechanizace, zavedení umělých hnojiv a pesticidů vedly až k zelené revoluci v druhé polovině 20. století. Dnes (kdy na světě už žije téměř sedm miliard lidí) se věnuje zemědělství přibližně 15 % světové populace, ve vyspělých zemích je to ještě méně (např. v USA jen 2 %). Využívá se transformovaná energie dodaná zvenčí (paliva). V nejvyspělejších státech je poměr energie pocházející zvenčí (exosomatické) k energii získané v lidském těle (endosomatické) téměř 100 : 1. Energetická návratnost investic naší civilizace jako celku je díky lehce přístupným a snadno zpracovatelným fosilním palivům veliká. Dostatečné množství přístupné energie (paliv) a dobrá energetická návratnost jsou podmínky nezbytné pro zdravý současný i budoucí rozvoj civilizace. Jak je to s energetickou návratností jednotlivých zdrojů, které máme a budeme mít k dispozici? Přesný výpočet není možný, neboť je závislý na definici systému, a to nejen v prostoru, ale i v čase. Les například sázíme a pečujeme o něj s perspektivou užitku v horizontu několika desítek let. Naopak větrnou energii máme k dispozici okamžitě, pokud ovšem zrovna dostatečně fouká. Energetická návratnost je ale také funkcí času a místa, kde energii využíváme. Elektrická energie ze solární elektrárny daleko v poušti musí být dopravena do vzdálených městských aglomerací, a to v čase, kdy na poušti svítí slunce a ve městě je noc.

  • Uhlí. Bylo prvním z fosilních paliv, které jsme se naučili využívat. Dnes je stále tichým dříčem v pozadí a přispívá přibližně 23 % k (primární) energii, kterou máme k dispozici. Uhlí lidé znali a využívali již dávno, ale jeho dostupnost byla omezená. Teprve s vylepšením parního stroje, které umožnilo čerpat vodu v dolech mnohem efektivněji, se těžba uhlí rozšířila, což mělo za následek explozivní rozvoj průmyslu a dopravy. Dnes se uhlí využívá především v elektrárnách, což usnadňuje odhad energetické návratnosti. Průměrná energetická návratnost uhlí při výrobě elektrické energie je dnes okolo 10. I když ani uhlí není pod zemským povrchem nekonečně mnoho, jeho zásoby jsou ještě velké. Samozřejmě je na nás, jak s ním budeme hospodařit a na jak dlouho nám zásoby vystačí. Uhlí má špatnou ekologickou pověst. Existují sice technologie snižující negativní dopad těžby i spalování uhlí, nejsou však energeticky zadarmo, a při jejich zavedení je nutné počítat se snížením energetické návratnosti výroby elektrické energie. Mnoho se také hovoří o využití uhlí k výrobě kapalných paliv. Jde o proces vyzkoušený a známý, ale zdaleka ne bezproblémový. Nejenže energetická návratnost transformace uhlí na kapalná paliva je přibližně kolem 3, ale ekologická zátěž je mnohem větší, než kdyby se zvýšilo využití elektrické energie z uhlí v dopravě.
  • Ropa. Energetickou královnou je už přes sto let. Představuje 40 % veškeré energie, kterou dnes naše civilizace spotřebuje. Přes 90 % ropy se propálí v dopravě. Jen velice malá část se používá k výrobě elektrické energie. Zbývajících necelých 10 % není využíváno jako zdroj energie, ale je to základní surovina výrobků chemického průmyslu (od plastikových hraček po léky). Ropa je poměrně snadno zpracovatelná, snadno přepravitelná, snadno skladovatelná, se širokou škálou využití. Technologie hledání ropy zaznamenala obrovské pokroky a využívá nejmodernější vymoženosti – od satelitů po seizmický výzkum a moderní počítačovou technologii. Energetické prostředky investované do hledání nových ropných polí jsou obrovské. Hledá se v odlehlých nehostinných končinách, mnoho kilometrů pod mořským dnem. Každý suchý vrt, který nepřinese očekávané výsledky, zhoršuje energetickou návratnost. Přes veškeré úsilí se velkých ropných polí nachází méně a méně. Energetická návratnost ropy se snižuje. V počátcích ropné éry dosahovala závratné hodnoty 100. Byla kvalitní, snadno dostupná a nebylo třeba ji dopravovat tak daleko. Dnes, kdy je spotřeba ropy mnohonásobně vyšší, vzdálenost od ropných polí do míst spotřeby veliká a kvalita ropy mnohem nižší, je energetická návratnost mezi 10 a 20. A energetická návratnost nových ropných polí, která dnes nacházíme hluboko pod mořským dnem či na dálném severu, se bude pohybovat už jen mezi 5 až 8. Existují obrovské zásoby ropných písků a břidlic v Kanadě, USA, Venezuele i jinde. Čísla zásob jsou působivá, ale bližší pohled už tak růžový není. V kanadské provincii Alberta se ropné písky těží a zpracovávají již od r. 1967. Energetická návratnost výroby ropných produktů z ropných písků se uvádí v rozmezí 2–4. I tato ne právě oslňující návratnost je však možná jen na úkor značné ekologické zátěže. Navíc technologie zpracování ropných písků potřebuje enormní množství vody a podpůrný zdroj energie, který umožní ropné písky zpracovat. Bez místních vydatných zdrojů zemního plynu by k těžbě ropných písků nejspíš ani nedošlo. Je ovšem otázka, zda neexistuje energeticky výhodnější způsob jak zemní plyn z Alberty zužitkovat.
  • Zemní plyn. Je blízkým příbuzným ropy a pokrývá (podobně jako uhlí) asi 23 % naší primární energetické spotřeby. Často se ropná naleziště s nalezišti zemního plynu překrývají. Zemní plyn má mnoho využití od vytápění, přes výrobu elektrické energie až po životně důležitou výrobu zemědělských hnojiv. Jeho distribuce a skladování jsou obtížnější než v případě ropy. Energetická návratnost zemního plynu v místě těžby je vysoká, ale prudce klesá přepravou na velké vzdálenosti. Podobně jako v případě ropy je energetická návratnost také funkcí velikosti naleziště. Energetická návratnost zemního plynu přepravovaného ropovody je podobná jako u ropy, tj. její hodnota se dnes pohybuje někde mezi 10–20 a postupně klesá. Například v roce 2005 bylo ve Spojených státech navrtáno rekordních 27 335 nových vrtů, což bylo o 66 % více než v roce 2000. Přesto celková produkce poklesla o 5 % a v témže období cena zemního plynu pro domácnosti vzrostla o dvě třetiny. Velkou překážkou v přepravě zemního plynu jsou oceány. Přeprava plynu potrubím není technicky realizovatelná, a tak jedinou možností, která ještě není ztrátová, je mezikontinentální přeprava zemního plynu v kapalné formě. Zkapalňování a přeprava kapalného plynu je energeticky náročná, spotřebuje až 30 % energie. Navíc přeprava zkapalněného zemního plynu představuje značné bezpečnostní riziko. Zemní plyn lze také použít k přípravě vodíku, kterému se v poslední době dostalo hodně publicity. Základním a velice častým nepochopením role vodíku ve využívání energie je fakt, že vodík není v přírodě volně k dispozici. Je pouze nosičem, mezistupněm v procesu zpracování a využívání energie. Výroba i spalování vodíku jsou nutně spojeny s energetickými ztrátami, které vedou k snížení energetické návratnosti původního primárního zdroje. Použití vodíku v energetickém řetězci může mít svoje místo, ale jen potud, pokud je to energeticky výhodný způsob jak dopravit jinak nevyužitelnou energii od energetického zdroje do místa spotřeby. Konverze zemního plynu na vodík je energeticky ztrátová a nezdá se, že by přinášela nějaké praktické výhody.
  • Jaderná energie. Ve fosilních palivech je akumulována sluneční energie, která dopadala na povrch Země před desítkami milionů let. Pominemeli okrajové energetické zdroje, jakými jsou geotermální energie a energetické zdroje využívající slapové síly (příliv), je jaderná energie jediným významnějším energetickým zdrojem, který nesouvisí se sluneční energií. Principy využití jaderné energie jsou známy více než padesát let, ale zatím se podařilo úspěšně využít jen štěpení. Jakkoli je jaderná fúze krásná a elegantní, stále ještě odolává jako užitečný energetický zdroj. Nezdá se, že úspěchu bude dosaženo dříve než za padesát let, pokud se to vůbec kdy podaří. Jaderná energie pokrývá přibližně 6 % primární energetické potřeby naší civilizace a využívá se téměř výlučně k výrobě energie elektrické. Odhad energetické návratnosti jaderné elektrárny je obtížný, musí se započítat stavba jaderné elektrárny, těžba a výroba jaderného paliva, likvidace jaderných odpadů a likvidace vyřazených jaderných bloků. Stavba jaderné elektrárny trvá okolo deseti let a vyžaduje velké energetické investice do výstavby a do výroby složitých vysoce specializovaných zařízení. Výstavba jaderných elektráren i výroba jaderných paliv je závislá na energii z fosilních paliv. Energetická návratnost jaderných elektráren je okolo 5. Kromě toho podobně jako v případě fosilních paliv jsou vhodné palivové zdroje omezené.
  • Vodní energie. Tato čistá obnovitelná energie se dnes využívá téměř výhradně k výrobě energie elektrické. Poměrně velké energetické investice je nutné vložit na počátku do stavby přehrady, ale pak vodní dílo může spolehlivě fungovat po mnoho desítek i stovek let. Energetická návratnost je 10–40 (podle místa a velikosti). Bohužel téměř všechna vhodná místa pro stavbu vodních elektráren byla za posledních sto let využita. Skoro se stoprocentní jistotou lze tvrdit, že i všechny vodopády velikosti Niagarských byly již objeveny.
  • Větrná energie. Lidstvo ji využívá již dlouhá tisíciletí v lodní dopravě či jako zdroj pro vykonávání mechanické práce (čerpání vody, mletí apod.). Za posledních dvacet let došlo k obrovskému rozvoji využití větrné energie pro výrobu energie elektrické. Energetická návratnost je závislá na lokalitě, a podle různých pramenů se pohybuje mezi 5–20. V některých případech může dosáhnout i úctyhodných 80. Přesto však se na celkové energetické bilanci větrná energie podílí jen málo. Vhodných míst k stavbě větrných farem není mnoho. Úlohu také hrají estetické aspekty. Některá místa vhodná pro stavbu větrných farem jsou příliš daleko od míst, kde je energie potřeba. Problematické je také připojení do elektrické sítě, která v zájmu stability musí budovat záložní zdroje pro případ, kdy vítr nefouká.
  • Sluneční energie (energie ze solárních článků) patří podobně jako energie vodní a větrná mezi obnovitelné zdroje a v posledním desetiletí zaznamenává velký rozvoj. Bohužel stejně jako energie větrná podléhá rozmarům počasí a střídání dne a noci. Ne všechna místa jsou pro využívání přímé sluneční energie vhodná. Většina solárních článků přeměňuje sluneční záření na elektrickou energii, která je buď využívána lokálně, nebo je – podobně jako větrné elektrárny – propojena do elektrické sítě. Na Zemi dopadá desettisíckrát více energie ve formě slunečního záření, než kolik jí dnes lidstvo spotřebovává. Technologie solárních článků je poměrně dobře propracovaná a na mnoha slibných aplikacích se pracuje. Základním materiálem pro výrobu solárních článků bude i v nejbližší budoucnosti křemík, který je jedním z nejrozšířenějších prvků na Zemi. Výroba křemíku vhodného pro solární aplikace je však velice energeticky a technologicky náročná. Energetická návratnost sluneční energie závisí na lokalitě a její hodnota je od 2 do 10.

Odstrašující případ?

Výrobě agropaliv 1) z biomasy se věnuje v médiích hodně pozornosti. Je jistě zajímavé bojovat za volnost cestování na všech frontách a hledat všechny možnosti jak získat dostatek pohonných hmot pro spalovací motory. Za zmínku proto stojí, že při zahrnutí všech energetických vstupů, zjevných (fosilní paliva spotřebovaná zemědělskými stroji, energie potřebná na zpracování atd.) i skrytých (umělá hnojiva, pesticidy atd.), je energetická návratnost ve většině případů okolo 1. Znamená to tedy, že energeticky je výroba agropaliv ztrátová či jen velice málo výhodná. Spletité ekonomické vztahy se systémem dotací a daňových úlev pomáhají tuto skutečnost zakrýt. Navíc výroba agropaliv konkuruje produkci potravin, což je v době, kdy se lidská populace rychle blíží sedmi miliardám a kdy ještě zdaleka nemůžeme prohlásit, že jsou všichni sytí, trend téměř kriminální.

Je namístě přání, abychom s portfoliem energií, které máme k dispozici, hospodařili moudře a prakticky. Abychom například netrvali na tom, že projevem naší svobody je právo propálit dva litry dotovaného agropaliva kvůli tomu, že si dojedeme pro limonádu v nerecyklovatelné plastikové láhvi.

Literatura

www.energybulletin.net
www.energybulletin.cz
Science 312, 1743, 2006
R. Righelato, D. V. Spracklen: Carbon Mitigation by Biofuels or by Saving and Restoring Forests?, Science 317, 902, 2007
M. E: Himmel et al.: Biomass Recalcitrance: Engineering Plants and Enzymes for Biofuels Production, Science 315, 804, 2007

Poznámky

1) Pozn. red.: Dáváme přednost termínu agropaliva (místo termínu biopaliva).

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Ekologie a životní prostředí

O autorovi

Martin Kašík

Dr. Martin Kašík (*1952) vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu UK. Pracoval v Ústavu vakuové techniky a ve Výzkumném ústavu kovů. Od r. 1991 pracuje v USA, kde se zabývá hmotnostní spektroskopií.

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
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...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

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

 

Objednat předplatné