VERONICA - ČASOPIS PRO OCHRANU PŘÍRODY A KRAJINY

Frekvencia článkov na tému energia, Temelín, jadro, odsírenie niekoho irituje, iného nudí. Ten prvý pocit je správnejší: energia a jej premeny sú základom vývoja života a navyše príčinou vrások na čelách ekológov a prognostikov. Lebo k nej patria aj také problémy ako úspory, vyššia účinnosť, obnoviteľné zdroje, netradičné technológie, zdroje budúcnosti. A práve o tomto poslednom pojme bude reč najviac, lebo mnohé diskusie sa zplošťujú na problém jadro-fosilné palivá, čo vôbec neberie do úvahy ďalšie obrovské možnosti iných zdrojov.

Z fyziky si pamätáme klasickú definíciu energie - schopnosť konať prácu, pričom práca sa definuje ako účin síly a dráhy na ktorej pôsobí. Ak zdvihneme kilogramové závažie do výšky 10 cm, vykonáme (približne) prácu 1 Joule (J) a závažie bude mať rovnako veľkú potenciálnu energiu. Jednotka J je pre energetiku príliš malá a preto užívame v praxi tisícnásobok (kJ), miliónnásobok (MJ), alebo násobok miliardkrát väčší (GJ). Vzťahy medzi používanými jednotkami energie najlepšie ilustruje tabuľka:

S energiou súvisí výkon, čo je práca vykonaná za určitý čas: 1 sekundu, deň, mesiac.

Problémy s energetikou začínajú spoločnosti prerastať cez hlavu, pretože konzumná spoločnosť je nenásytná a spotreba neustále rastie. Ak napríklad prehistorický lovec potreboval ročne asi 3 GJ energie na životné funkcie a uspokojenie všetkých potrieb, primitívny poľnohospodár už 36 GJ, účastník priemyselnej revolúcie v 19. storočí 100 GJ a moderný Američan v 80. rokoch 350 GJ (pre porovnanie: ročná spotreba na obyvateľa v našich republikách je okolo 200 GJ).

Stonásobný rast spotreby spojený s obrovským prírastkom obyvateľstva vysvetľuje terajšiu ročnú spotrebu primárnej energie vyše 300 EJ (čítaj exadžaulov, 1 EJ = 10¹⁸ J), pričom rast za posledných sto rokov je v podstate exponenciálny a krytý z fosilných palív. Aj laikovi je zrejmé, že tento vývoj je absolútne neudržateľný; energiu musíme chápať ako súčasť ekosféry a podriadiť jej zákonitostiam, ak nemá spoločnosť skolabovať. Pre zaujímavosť sa však vráťme k domácej spotrebe 200 GJ za rok. Stredná práca, ktorú je človek trvale schopný vykonávať, je asi 45 W, takže napríklad staroveký otrok vyprodukoval za rok 131 kWh či 0,47 GJ energie, ak pracoval 8 hod. denne. Na každého z našich občanov pracuje 419 „otrokov“ a sme naozaj veľmi bohatí v porovnaní s rímskym patríciom, ktorému stačilo 5-10 otrokov na celkom príjemný život. Modernými otrokmi sú zásoby v hlbinách zeme a stroje na výrobu a rozvod energie - ťažko súmerateľné s ľudskými bytosťami, svoju cenu však majú vari vyššiu, než vieme doceniť! Energetika je dnes svetovým prioritným problémom, odvodeným od rastu obyvateľstva planéty, zvyšovania energetickej spotreby krajín tretieho sveta, nadmernej spotreby severu, dočerpávania neobnoviteľných zdrojov, obrovskej emisnej záťaže.

Je celkom zrejmé, že ľudstvo musí spojiť um, prostriedky a sily a vybudovať v najbližších 50 rokoch globálny celosvetový energetický systém založený na celkom nových produkčných technológiách, opierajúcich sa o obnoviteľné zdroje o výrazne menšej spotrebe. Systém musí integrovať milióny lokálnych zdrojov (a spotrebiteľov), prihliadať na miestne podmienky (napr. klimatické) a pravdaže, vychádzať z úplne inej filozofie výroby a spotreby.

Z hľadiska budúcnosti nás zaujimajú predovšetkým obnoviteľné zdroje energie:

Neobstojí argument konzervatívcov, že obnoviteľné zdroje sú limitované a nemôžu nahradiť tradičné fosilné palivá. Práve naopak, k dispozícii je obrovský potenciál a obmedzené (zatiaľ) sú len technické možnosti jeho využitia. Odhady hovoria o potenciále 500 EJ, čo je viac než je súčasná svetová spotreba. V prepočte na tmp ide len o 17 mld. tmp - pre porovnanie stredný odhad celkových zásob ropy je 430 mld. tmp a zásob zemného plynu 100 mld. tmp.

Nezastupiteľnú úlohu v energetike Zeme hrá slnko. Je to vlastne obrovský termojadrový reaktor, v ktorom sa syntetizujú héliové jadrá z protónov za nepredstaviteľne extrémnych podmienok (teplota 10 mil. stupňov, hustota plazmy 10 t/m³, tlak 100 mld. atmosfér).

Teplota vyžiarujúceho povrchu je však menšia - 6000 stupňov, napriek tomu každý 1 m² povrchu vyžiaruje výkon 60 000 kW. Tento obrovitý zdroj už funguje 5 mld. rokov a ďalších 15 mld. rokov životnosti má pred sebou. Celkový žiarivý tok slnka predstavuje 3,8 . 10²³ kW, z toho na Zem dopadá len zlomok 1,8 . 10¹⁴ kW - je to však stále 100-krát viac než je celková primárna energetická spotreba ľudstva! Atmosféra pohltí asi 30 % a v našej zemepisnej šírke môžeme počítať s využiteľným energetickým výkonom 0,256 kW/m² a s 2200 hodinami slnečného svitu. Je to určite dosť na inštaláciu kolektorov na ohrev vody. Pri ich súčasnej cene sa však sotva kto do investície pustí a na výrazné daňové a úverové zvýhodnenie márne čakáme.

Našu pozornosť zasluhuje predovšetkým biomasa. Definujeme ju ako ľubovolnú organickú hmotu dostupnú v obnoviteľnom cykle a premeniteľnú v energiu (napr. odpady z ťažby dreva, chovu hospodárskych zvierat, biomasu rastlín, organické súčasti komunálneho odpadu atď.). Mohla by pokrývať 15 % energetickej spotreby sveta, využíva sa však len sotva jedno percento biomasy. Vzniká vplyvom svetelného žiarenia, pričom účinnosť energetickej premeny je veľmi nízka, len 1 %. Napriek tomu sa ročne absorbuje energia vyše 3000 EJ.

Nedocenené je využitie odpadnej biomasy z poľnohospodárstva: v roku 1990 produkovalo poľnohospodárstvo v ČSFR 42 mil. t chlievskej mrvy, 18,7 mil. t močovky a 20 mil. t kejdy - napospol produkty, s ktorými boli obrovské problémy z hľadiska znečistenia vôd a pôdy. Pritom sú spracovateľné fermentáciou za neprístupu vzduchu na bioplyn s obsahom 50-70 % metánu s produkciou asi 1,5 m³ bioplynu na jeden kus veľkého dobytka a deň. Desaťtisícky takýchto zariadení na výrobu bioplynu pracujú úspešne v Číne. Bioplyn by mohol v budúcnosti pokrývať 10-15 % energetickej potreby poľnohospodárstva ČR a SR pri ročnej výrobe energie 54 PJ (1 PJ - pedadžaul = 10¹⁵ J), čo zodpovedá 1,8 mil. tmp.

Mimoriadne zaujímavým praktickým využitím biomasy v miernom pásme sú energetické lesy s vŕbou Salix Viminalis 082 vyšľachtenou vo Švédsku, alebo s jelšou (Alnus). Pokusné plantáže založili aj v Poľsku. V SR rastie pár týchto vŕb zatiaľ len ako kuriozita. Les poskytuje 15-18 t suchej biomasy/ha a pri úplnom spracovaní všetkých odpadov (listy, korene, tenké konáriky) daľších 4-7 t. Les sa „kosí“ po 3-5 rokoch pestovania a má životnosť 20-30 rokov. Drevo má výhrevnosť 4,5 MWh/t.

Okrem energetického efektu koreňový systém vŕb funguje aj ako biologická čistička odpadných vôd a tento efekt je prakticky využiteľný. Neskúsime to aj my?

Využitie energie vetra má len čosi viac ako tridsaťročnú históriu, ale za sebou aj neuveriteľný rozvoj, keď len v roku 1984 bolo v Kalifornii inštalovaných vyše 10 000 nových elektrární, a dnes ich v svete pracuje okolo 35 000 s výkonmi od 0,5 kW až po 2 MW. V ČR už pred dvoma rokmi predstavila ucelený výrobný rad od 32 po 600 kW Mostárna Vítkovice, závod Frýdek, menšie jenotky vyrába AEV Moravia Brno a Detvet Mostkovice. Investičné náklady predstavujú asi 20 Kč/kW inštalovaného výkonu. Základným predpokladom pre stavbu podobnej elektrárne je priemerná rýchlosť vetra najmenej 6 m/s a odhaduje sa, že v ČR je využiteľných plôch okolo 200 ha (Beskydy, Krkonoše, Jeseníky), takže celkový ročný prínos by mohol predstavovať 2 TJ. Nejväčšiou prekážkou rozvoja tejto alternatívnej energetiky je monopolné vlastníctvo prenosových sietí energetickými závodmi, ich neochota výkony prenášať a nízke výkupné ceny energie. Argument o hlučnosti týchto elektrární je lichý, o čom sme sa mnohí presvedčili v Dánsku, kde sú farmy v blízkosti stožiarov a nikomu to evidentne nevadí. Štíhle stožiare elektrární sú novou vizuálnou dominantou krajiny, na ktorú si treba asi zvyknúť.

V energetických premenách spojených s vývojom živej hmoty má kľúčový význam chemická energia. Je vlastne energetickým základom života vôbec a navyše konzervovaná vo fosílnych palivách a uvoľňovaná horením (oxidáciou) je základom energetiky. Pre palivové prepočty bol do energetiky zavedený pojem merného paliva, tj. paliva s výhrevnosťou 29,31 MJ.kg^-1 - jedna tona merného paliva (tmp) odpovedá asi 1,3 t čierneho a 2,4 t hnedého uhlia. Tradičné (a primitívne) spaľovanie uhlia je spojené s ťažko riešiteľnými problémami emisií škodlivín (oxid siričitý, uhličitý, oxid dusíka) a je pre budúcnosť neakceptovateľná. Výskum v tejto oblasti je zameraný na tak zvané čisté spaľovanie uhlia s cieľom spaľovať uhlie ekonomicky a ekologicky na úrovni zemného plynu.

Najprogresívnejšie spaľovacie technológie nového typu súvisia so splynovaním uhlia t. j. prevedením uhlia na plyn použiteľný v paroplynovom cykle, pričom plyn je odsírený a aj emisie oxidu uhličitého a oxidu dusíka sú výrazne nižšie. Je možné, že nové technológie dovolia využitie aj živičných pieskov a živičných bridlíc.

Modernými energetickými zdrojmi spojenými s premenami chemickej energie sú palivové články. Klasický článok pracuje s plynným vodíkom a kyslíkom, odpadom je voda za vzniku elektrickej energie.

Vo vývoji je zaujímavejší článok pre kombináciu zemný plyn (resp. petrolej) + vzduch. Palivové články boli vyvinuté pre kozmické účely a vývoj intenzívne pokračuje. Pretože napätie na článku je len okolo 1 V, praktická elektráreň sa bude skladať z tisícov článkov vzájomne spojených - takáto elektráreň je v stavbe v USA s 2MW blokom.

Najviac polemík je okolo jadrovej energie. Je to vlastne väzbová energia častíc jadra. Medzi súčtom hmotností nukleónov (častíc jadra) a celkovou hmotnosťou jadra je rozdiel, ktorý je podľa známej Einstenovej rovnice ekvivalentný energii.

1 kg hociakej hmoty prislúcha energia 2,5 . 10¹⁰ kWh = asi jednej tretine elektrickej energie vyrábenej v bývalej ČSFR za rok. Samozrejme táto energia nie je prakticky využiteľná; z 1 kg uránu získavame asi 2700 tmp, či ináč: energia 1 g uránu umožňuje napájať 10 000 žiaroviek s jednotkovým príkonom 100 W celý deň. To je prirodzene natoľko lákavé, že mnohé krajiny napriek mocnému protestnému hnutiu naďalej počítajú s vyutižím jadrovej energie a stavbou reaktorov. I ČR a SR. Vo vývoji sú pritom rýchle množivé reaktory. Od klasických sa líšia absenciou moderátora, pričom na štiepení sa zúčastňujú rýchle neutróny, k odvodu tepla sa používa tekutý sodík. Ich príťažlivosť spočíva vo fakte, že zatiaľ čo klasické reaktory využívajú prírodný urán z 0,6 % (po recyklácii plutónia z 2 %), rýchle množivé reaktory využijú prírodnú uránovú rudu na 100 % - tým sa potenciál uránových zásob zvyšuje stonásobne. Okrem toho je možné využitie prírodných zásob uránových surovín s nízkou koncentráciou uránu. Samozrejme len za predpokladu, že sa zvládnu mnohé vážne inžinierske problémy a verejnosť bude jadrovú energetiku akceptovať.

Veľké nádeje vkladá ľudstvo do jadrovej syntézy, pri ktorej spájame jadrá ľahších prvkov (napr. izotópov vodíka) na ťažšie (hélium). Surovín pre tento proces je dosť a nevznikajú problémy s radioaktívnym odpadom. Praktické problémy spojené so zvládnutím procesu sú však obrovské a výskumníci sú zatiaľ len na začiatku dlhej cesty k úspechu. Základom jadrovej syntézy je priblíženie jadier.

A práve tu je kameň úrazu číslo jedna: pri priblížení vznikajú obrovské odpudivé sily prekonateľné len mimoriadnou energiou dodávanou zvonku, napríklad zohriatím na stamilióny stupňov. Pri tejto teplote vzniká nové skupenstvo hmoty - plazma, ktorú možno izolovať len magnetickým poľom s extrémnou hustotou, a to je praktický prblém číslo dva. Vôbec pri jadrovej syntéze sme konfrontovaní s novými extrémnymi problémami, riešiteľnými len medzinárodnou spoluprácou. Vývojove najďalej sú pôvodne sovietske prstencové komory v toroidálnom poli, tzv. tokamaky.

Projekty sú neuveriteľne nákladné - napríklad týždňová prevádzka oveľa menšieho termoreaktora JET (UK) v Culhame stojí vyše 1 mil. libier! Nie je to však lepšia investícia než do zbrojenia?

Zvládnutie termojadrových reaktorov predstavuje vrchol technologického snaženia ľudstva. Vedľa seba pracujú extrémne kryogénne systémy s teplotami okolo absolútnej nuly a komora so 100 mil. stupňov, tritium ako surovina je jedovaté, používajú sa celkom nové kovové materiály, ako zliatiny titánu, niob, tantal atď. Vývojové úsilie sa však môže vrátiť globálnym riešením tzv. veľkej energetiky pre budúce generácie, rozhodne prijateľnejším než pomocou štiepnych reaktorov.

Nádejnou technológiou prakticky v podstate zvládnutou sú fotovoltaické články, ktoré priamo menia energiu žiarenia na elektriku. Ide o tenké doštičky z mono-, polykryštalických alebo amorfných polovodičov typu kremík, arzenid galitý, sírnik kademnatý. Ide o pôvodne kozmickú technológiu, pre východ embargovanú. Zatiaľ je neprijateľná cena, tá sa však vývojom určite zníži a optimisti predpokladajú, že napr. v USA v roku 2030 by približne polovička spotreby el. energie mohla byť krytá práve fotovoltaickými článkami so životnosťou najmenej 100 rokov. Najväčšia elektráreň s výkonom 6,5 MW je v kalifornskom Arcoflare.

Iné nezvyčajné zdroje sú magnetohydrodynamické. Princípom je spaľovacia komora, v ktorej horí palivo a vznikajúce spaliny (spolu s prísadami) čiastočne ionizované prúdia medzi dvoma pólmi silného elektromagnetu. Ak sa do prúdu ionizovaných spalín vložia elektródy kolmo na smer spalín, vzniká na nich stejnosmerné napätie.

Nutná je teplota spalín 3000 °C a použitie supravodivých magnetov. Spaľovacie komory sú odvodené od raketových motorov a najčastejšie spaľujú zemný plyn. Prvá elektráreň tohto typu bola postavená v USA už v roku 1959; veľké rozvojové plány mal bývalý ZSSR a v Rjazani mala stáť elektráreň s výkonom 500 MW.

Z enertgetického hľadiska má ľudstvo k dispozícii už dnes perspektívne technológie, opierajúce sa o obnoviteľné zdroje, a môže bez obáv čeliť budúcnosti. Pravda úspešne len vtedy, ak si politici zavčasu uvedomia nutnosť celkom iných prístupov k energetickým zdrojom (a spotrebe) a národohospodári potrebu výskumu a realizácie nových postupov. Obidvoje zatiaľ u nás chýbajú na škodu celej spoločnosti! Nechceme termojadrový reaktor ani magnetohydrodynamický zdroj, prečo by ale aj u nás nemohli jestvovať zariadenia na využitie biomasy, veterné elektrárne, slnečné kolektory? Alebo je pod úroveň vlády a parlamentu o týchto alternatívnych problémoch rokovať a nebodaj ich dokonca podporovať? Dokedy?