Některá rozvinutá světová společenství jsou dnes posedlá představou, že dokážeme odstoupením od fosilních paliv a přechodem na nízkouhlíkovou ekonomiku zabránit změnám klimatu, o nichž část společnosti předpokládá, že jsou zapříčiněny lidskou činností. Jakkoliv ke změnám klimatu dochází, věrohodné potvrzení antropogenních vlivů a jejich rozsahu chybí, jsou to jen dohady, založené na pochybných modelech.
Naopak, v jistých kruzích nechybí optimismus, že v krátké době, se stávajícím arsenálem technologií dokážeme změny klimatu omezit a že to bude vcelku za levný peníz, jenom chtít. Tito lidé se ohánějí strategií udržitelného rozvoje, ale zcela pomíjejí sociální a ekonomické aspekty udržitelného rozvoje. Na obrázku 1 jsou naznačeny trajektorie vývoje dekarbonizace tak, jak byly publikovány ve Světovém energetickém výhledu 2019 (WEO_2019) agenturou IEA v listopadu tohoto roku.
Stále více vědeckých kapacit se snaží tento přehnaný optimismus krotit, anebo alespoň uvádět na pravou míru tak aby léčení nemělo katastrofálnější účinky, než nemoc sama. Jak lze vyvodit z historických zkušeností, pak se bude jednat v lepším případě o „současné politiky“ než o bezbřehý optimismus „udržitelného rozvoje“. Krátký historický exkurz proto nebude na škodu.
Trocha historie[1]
Ekonomika tradičních historických nízkoenergetických společenství stagnovala nebo rostla jen ve zlomcích procenta ročně. V roce 1800 ve Francii poskytovalo dřevo více než 90 % veškeré energie
a v Paříži roku 1818 dávalo toto dřevo s dřevěným uhlím a trochou těženého uhlí celkem asi 20 GJ/osobu, tedy ne více, než za časů Marka Aurelia v Římě, ale také ne více, než jaká je dnes skutečnost například v Tanzanii nebo v Togu.
Přechod ze dřeva na uhlí byl pak první energetickou světovou revolucí. V třicátých letech 19. století začaly vysokotlaké parní stroje pohánět první železnice a lodě zaoceánské plavby, přičemž stále účinnější stacionární parní stroje začaly přebírat průmyslové použití. Do poloviny sedmdesátých let devatenáctého století zaujalo uhlí ve Francii polovinu celkového objemu primárních zdrojů energie
a od roku 1901 již uhlí a ropa kryly více než polovinu celkové konečné energetické spotřeby.
Druhá moderní energetická revoluce začala v roce 1882 s prvními elektrárnami postavenými
T. A. Edisonem. Během příštích padesáti let elektřina rozsvítila města a elektromotory transformovaly průmyslová odvětví, dopravu, stavebnictví a současně mechanizace zemědělství na bázi fosilních paliv uvolnila pracovní síly, potřebné k rychlé industrializaci a urbanizaci zemí a začala utvářet nový svět rostoucí délky života, vyšších příjmů, lepšího bydlení, pokroku ve vzdělávání a celkově většího bohatství.
Krátce po roce 1900 vzrostla celková spotřeba energie ve Spojeném království přes 150 GJ/osobu
(v USA a v Německu kolem 100 GJ) a mnohé ekonomiky rostly o 2 % ročně a v USA dokonce o 4 % ročně.
Třetí moderní energetická revoluce pak začala růstem rafinérských produktů z ropy. To muselo počkat až do padesátých let minulého století. Tehdy těžba na gigantických ropných polích Středního východu „poháněla“ poválečnou rekonstrukci Evropy a Japonska a objevily se obří ropné tankery, rozvinulo se soukromé vlastnictví automobilů a byla zahájena rozsáhlá výstavba nových ropovodů
a rafinérií a z kapalných uhlovodíků se stalo nejdůležitější fosilní palivo.
Do roku 1965 globální spotřeba ropy překonala uhlí a v roce 1973 byla spotřeba na špičce s 42% světové spotřeby primární energie a současně začala čtvrtá energetická revoluce s rostoucím podílem zemního plynu. Jeho široké využití bylo umožněno výstavbou transkontinentálních plynovodů spolu využíváním podmořských ložisek a také s možností přepravy velkými tankery na zkapalněný plyn.
V poválečných desetiletích byl zaznamenán také velký rozvoj využití vodní a jaderné energie, nicméně, fosilní paliva zůstávají dominantní. V roce 1950 dodávala fosilní paliva kolem
98 % světové primární energie a v roce 2000 klesla závislost na fosilních palivech jen velmi málo, na cca 90 %. Odchod od fosilních paliv byl zpomalen především hospodářskou modernizací Číny a tato země se stala světovým největším producentem uhlí a současně i největším dovozcem uhlovodíků. Roční průměrná spotřeba primárních energetických zdrojů vzrostla na 300 GJ/osobu v Severní Americe, na více než 150 GJ v nejbohatších evropských zemích a v Japonsku a Čína se dnes blíží
100 GJ a v průběhu 20. století spotřeba PZE narostla šestnáctkrát!
Protože minulé století současně zaznamenalo velký růst účinnosti konverze, průměrná globální dostupnost využitelné energie tak od roku 1900 do roku 2000 vzrostla více než 40x a tento nárůst vytvořil moderní svět bohatství, dlouhého života a propojenosti jako nikdy předtím, ale způsobil také významnou degradaci životního prostředí. Ovšem, většina společenství se s těmito výzvami dokázala vyrovnat velmi dobře. Fosilní paliva tak vedla mnoha způsoby ke zbohatnutí světa, ale také k tomu, že je čistější.
Rychlá oxidace uhlíku ve spalovacích procesech fosilních paliv však generuje CO2 a globální emise tohoto plynu vystřelily z 29 milionů tun v roce 1800 na téměř 2 miliardy tun v roce 1900, na
26 miliard tun v roce 2000 a ustavily nový rekord 37 miliard tun v roce 2018. I když velká část těchto emisí je absorbována v oceánech a dále biosférou, atmosférická koncentrace CO2 narostla z nějakých 280 ppm v roce 1800 na 410 ppm počátkem roku 2019. Toto je historicky bezprecedentní nárůst, protože během uplynulého tisíciletí zůstávaly koncentrace poměrně stálé v rozsahu
275-280 ppm.
Řešení se některým jeví velmi jednoduché: nahradit fosilní paliva bezuhlíkovými zdroji energie. Konec konců, planeta dostává dostatek slunečního záření, takže využití jeho pouhé desetiny procenta by mohlo uspokojit desetinásobně globální poptávku, než je ta dnešní. Ale – stejně, jako všechny předchůdkyně energetické revoluce – i dekarbonizace, pátá energetická revoluce, v níž se máme zbavit fosilních paliv a nahradit je doposud nejistou kombinací elektřiny z obnovitelných zdrojů (OZE), vodíku a jaderné energie, potrvá hodně dlouho a rozhodně není za rohem, jak se nám někteří (neodpovědní) politici snaží namluvit.
Skladbu globálních energetických zdrojů uvádí graf 2 a graf 3 pak uvádí závislost spotřeby energie na růstu populace.
Svět dnes těží kolem 15 miliard tun fosilních paliv s obsahem kolem 10 miliard tun uhlíku. Energie uvolněná jejich spalováním představuje téměř 90 % dodávek veškeré moderní energie, generuje globálně dvě třetiny elektřiny, vytápí domy asi 1 miliardy lidí, pohání 95 % pozemní, vodní a letecké dopravy a poskytuje nezbytné teplo a suroviny pro výrobu čtyř základních pilířů moderní civilizace: železa, cementu, plastů a čpavku!
Prvky a infrastruktura tohoto ohromného globálního systému fosilních paliv zahrnuje 1,25 miliardy silničních vozidel, stovky milionů topenišť a pecí, téměř 4 miliony kilometrů potrubí a stovky tisíc turbín, až po desítky tisíc velkých letadel a parních turbín a tisíce velkých ropných polí, tankerů a elektráren. Náklady na náhradu tohoto globálního mega systému by s největší pravděpodobností přesáhly 30 bilionů USD.
Energetické utopie a inženýrská realita[2]
Člověk zaznamenává, že doposud nedochází k žádné energetické změně: fosilní paliva trvale rostou,
v posledních letech 7 – 8x rychleji než obnovitelné technologie a to není samo sebou. Nároky na energii v rozvinutých zemích jsou téměř statické, dokonce s malým poklesem. Většina růstu tak jde na účet globální střední třídy, která narostla za dvacet let do roku 2015 na 1,5 miliardy osob. Světová banka předpokládá další růst na 2,5 miliardy do roku 2035, především v důsledku čínské iniciativy Hedvábná stezka a BP očekává další růst spotřeby energie o 40 % proti současnosti. Nežijte prosím
v iluzích: je to skutečný humanitární triumf. Je to uskutečnění nejvyšších cílů udržitelného rozvoje (podle OSN) – odstranění hladu a chudoby – což je hlavní hnací silou rostoucí spotřeby energie
v dohledné budoucnosti. Specifická Maslowova pyramida pro energii a její návratnost je na grafu 4.
A toto zlepšení humanitární situace bude téměř výlučně „poháněno“ fosilní energií. Data uvádějí, že do roku 2035 budou OZE dodávat asi 10 % potřeby energie, tedy méně, než jednu šestinu objemu, získaného z fosilních zdrojů. A tak lze spíše pozorovat hladký vývoj spíše, než přelomové okamžiky, naznačující významný jednorázový pokrok v energetickém sektoru.
Německo se často dává za příklad jako evropský vůdce s investovanými 800 miliardami eur do své Energiewende. Přitom snížení emisí oxidu uhličitého zdaleka není proporcionální vynaloženým prostředkům v uplynulých letech, neboť Německo si zatím udržuje svou průmyslovou výrobní základnu. Německá vedoucí pozice v OZE převážně demonstruje obtíže s využitím obnovitelných zdrojů v síti. Úspěchy OZE se převážně publikují v létě, kdy je poptávka po energii nejmenší. Ovšem
v zimě, kdy jsou solární panely zasněžené a po dlouhá období převládá anticyklonální povaha počasí, německá síť dostává z OZE jen velmi málo elektřiny. Skutečně, v zimě 2016-17 byla dvě období vždy po deseti dnech, kdy bylo vyrobeno jen velmi málo energie z OZE, pokud vůbec nějaká. Německá kapacita skladování elektřiny – většinou v přečerpávacích hydroelektrárnách – byla tristně nedostačující k vykrytí potřeb. Spotřeba elektřiny v obou těchto obdobích byla 800x větší, než přehrady mohly uskladnit k využití a výrobě proudu.
Zákazníci v Německu musí za tuto vedoucí pozici velmi vysokou cenu. Přenosové a distribuční soustavy s vysokým přístupem elektřiny z obnovitelných zdrojů jsou nezbytně méně hospodárné
v důsledku nestability dodávek zvláště z větrných a PV zdrojů. Německé ceny elektřiny tak jsou mezi nejvyššími na světě.
Mnoho lidí si neuvědomuje velmi rozdílnou povahu druhů energie, kterou dnes využíváme. Ale technologie výroby energie se mohou lišit sto až tisícinásobně v takových klíčových parametrech, jako je účinnost z hlediska materiálového využití, potřeby pozemků, nákladů po dobu životnosti
a záležitostí, spojených se skladováním energie. Na těchto čtyřech případech je vysvětlena efektivita, s níž systémy využívají cenné pokročilé materiály:
Parní turbína Siemens váží 312 tun a dodává 600 MW. To lze přepočíst na výkon na jednotku váhy – 1920 W/kg po dobu 40 let její provozní životnosti.
Finské tlakovodní reaktory (PWR) váží 500 tun a dávají 860 MW elektřiny, což se rovná 1700 W/kg po dobu více než 40 let. Kombinováno s parní turbínou je hodnota 1000 W/kg.
Jeden větrník 1,8 MW váží 164 tun: 56 t gondola, 36 t lopatky a 71 t věž. Z toho vychází jen 10 W/kg pro štítkový výkon, ale větrník má časové využití typicky 30 %, takže to odpovídá 3 W/kg dodávaného výkonu. Mořská instalace 3,6 MW s vahou 400 tun nad hladinou a časovým využitím 40 % pak vychází na 3,6 W/kg po dobu 20 let.
FW panely nástřešní instalace váží kolem 16 kg/m2 a s 40 W/m2 dodávají elektřinu
v přepočtu 2,5 W/kg po dobu dvacetileté životnosti.
Další faktor, který je nutno zvažovat, je potřebná plocha pro instalaci. Jak vítr, tak FV jsou svou povahou „naředěné“ daleko více než fosilní paliva, do nichž se sluneční záření koncentrovalo po mnoho let, nebo než jaderná energie, která je mnohem větší než energie chemická z fosilních paliv
a ta je pak mnohem větší než energie solární nebo větrná.
Zesnulý profesor David MacKay (a další autoři) propočítali, že rozloha pozemků pro instalaci 225 MW elektřiny je velmi rozdílná. Je to 15 akrů pro malý modulární jaderný reaktor (technologie ve vývoji), 2400 akrů pro modulární FV elektrárnu a průměrně 60.000 akrů pro průměrnou větrnou farmu.
Velmi se také liší technologie uskladnění energie. Tabulka 1 ukazuje hustotu energie pro různá paliva. Baterie v tabulce jsou olověné s kyselinou. Benzin obsahuje na 1 kg 50.000x více energie. Moderní lithium iontové baterie jsou lepší, ale zase ne o tolik: vědecký výzkum, věnovaný těmto bateriím přinesl padesátinásobné zvýšení hustoty energie, ale dostáváme se tak na limity, které s těmito materiály souvisejí tak, jak je známe. Jinými slovy, v dohledu není žádné tisícinásobné zlepšení, které by umožnilo bateriím konkurovat benzinu. Důvod je jasný: veškerá chemická energie chemických vazeb v benzinu je dostupná, když palivo hoří. V baterii je většina její váhy v materiálech, které nelze konvertovat na energii!
A jak si energetickou transformaci trochu přiblížit[3]
Více než před deseti lety Gwyn Prins a Steve Rayner charakterizovali klimatickou politiku jako „dražbu slibů“, v níž se politici „snaží přebít navzájem v navrhování emisních cílů, které jsou jednoduše nedosažitelné“.
A proč vidíme „dražbu slibů“? Cíle a časové horizonty snižování emisí se snadno stanoví, ale je obtížné je pochopit a dosáhnout. Je docela zásadní pochopit, co znamenají nulové emise oxidu uhličitého v roce 2050 v rychlosti zavádění bezuhlíkové energie a s tím související odstavování infrastruktury fosilních paliv. Rozsah problému dekarbonizace lze demonstrovat na jasném příkladu.
K provedení analýzy jsou potřebná data globální a národní spotřeby fosilních paliv v jednotkách „milion tun ropného ekvivalentu“ čili mtoe. V roce 2018 svět spotřeboval 11.743 mtoe ve formě uhlí, zemního plynu a ropných produktů. Spálení těchto fosilní paliv mělo za následek emise oxidu uhličitého ve výši 33,7 miliard tun. Uhlíkovou neutralitu lze dosáhnout náhradou asi 12.000 mtoe spotřeby fosilní energie očekávanou v roce 2019 a zbývá nám k tomu do 1. ledna 2050 celkem 11.051 dnů. Tedy, globální uhlíková neutralita do roku 2050 je dosažena, když nasadíme vice než 1 mtoe bezuhlíkové energie každý den, už od zítřka po dobu dalších více než třiceti let (12.000 mtoe/11051 dnů). Vyžaduje to ovšem ročně odpovídající odstavení více než 1 mtoe spotřeby energie z fosilních paliv každý jediný den!
Další důležité číslo, s nímž musíme počítat, je očekávané zvyšování spotřeby energie v budoucích desetiletích. Rychlost růstu spotřeby energie podle IEA bude znamenat, že svět bude potřebovat dalších cca 5800 mtoe spotřeby energie neboli dalších 0,5 mtoe denně do roku 2050. To dává celkovou úroveň použití bezuhlíkové energie ve výši cca 1,6 mtoe denně do roku 2050!
Abychom lépe pochopili rozměr přechodu, použijme srozumitelnější měřítko, než je mtoe: jednu jadernou elektrárnu – jejíž výroba energie dosahuje přibližně 1 mtoe ročně. Takže počty jsou poměrně jasné: k dosažení nulových emisí v roce 2050 bude svět potřebovat uvést 3 takové jaderné elektrárny každé dva dny již od zítřka až do roku 2050. Současně fosilní energie v hodnotě jedné jaderky musí být denně odstavena z provozu opět již od zítřka až do roku 2050!
Pro ty, kteří jaderné elektrárny nemají rádi ani jako měřítko, lze je nahradit poměřením větrnou energií. Dosažení uhlíkové neutrality v roce 2050 bude vyžadovat nasazení větrné farmy cca1500 kusů s turbínami (2.5 MW) na ploše přes 300 čtverečních mil každý den až do roku 2050.
Samozřejmě, je to jen příklad měřítka velikosti změny, ignorující významné složitosti skutečného uplatnění těchto technologií. Existují ovšem některé důležité podrobnosti, které mohou změnit uvedená zaokrouhlená čísla, jako jsou předpoklady výrobních kapacit energie jednotlivých technologií, růst účinnosti využívání primárního zdroje energie k její konečné spotřebě, jakož
i celková energetická náročnost ekonomiky. Nicméně, každá země by si měla spočítat takovou kalkulaci sama pro sebe a naprosto zásadně požadovat po politicích a advokátech politik prezentovat tato čísla o rozměru změny, aby je veřejnost pochopila a přispěla k tomu, co je nutné pro zavedení bezuhlíkové energie a odstavení současné infrastruktury fosilních paliv.
Ze zřejmých důvodů takováto čísla nevídáme příliš často. Velikost změny – bez ohledu na předpoklady, z nichž vyjdeme – je prostě ohromná! Ve skutečnosti se dnes svět stále pohybuje ve směru od uhlíkové neutrality a emise rostou. V roce 2018 svět přidal více než 280 mtoe spotřeby fosilních paliv a 106 mtoe bezuhlíkové spotřeby, podle statistik BP.
Abychom se pohnuli k uhlíkové neutralitě, celý uvedený nárůst (asi 400 mtoe) by měl být bezuhlíkový a mělo by být nahrazeno 400 mtoe spotřeby ze stávajících fosilních zdrojů. Zaokrouhleno, tempo nasazení bezuhlíkové energie by se mělo zvýšit o cca 800 procent! Nejdeme směrem k uhlíkově neutrálnímu prostředí, ale v realitě se každý den posouváme opačným směrem!
25 let globálního klimatického úsilí (1992 Konvence OSN o klimatické změně – 2017)
Stále více uhlíku!
Položka jednotka 1992 2017 Nárůst (%)
Čpavek mil.t 93,6 150,0 60,3
Cement mil.t 1240,0 4100,0 330,6
Surové železo mil.t 621,8 1179,8 189,7
Motorová vozidla mil. ks/rok 49 97,3 98,5
Průměrná váha osobního vozu US, kg 1476 1619 9,7
Dodávky letounů ks za rok 603 1481 245,6
Uhlí mil.t 4562,2 7727,3 69,4
Ropa mil.t 3195,2 4387,1 46,7
Zemní plyn Gm3 2012,5 3680,4 82,9
Fosilní paliva Mtoe 7113,1 10920,3 53,5
CO2 ze spalování paliv mil.t 21371 32715 53,1
Emise CO2 mil.t 22500 35800 59,1
Zdroj: Václav Smil, osobní sdělení
Dražba slibů snižování emisí nám skutečné snížení emisí nepřinese! Snížené emisí mohu přinést technologie. To, co cíl uhlíkové neutrality činí skutečně nedosažitelným, je nepochopení velikosti této výzvy a absence realistických návrhů politik, které odpovídají velikosti problému. Když vidíte tuto „dražbu slibů“ snižování emisí v klimatické politice, ptejte se spíše na rychlost uplatňování bezuhlíkových technologií a rychlost odstavování stávající infrastruktury fosilních paliv. Částečně nám také pomůže orientovat se podle investičních nákladů, prezentovaných IEA ve WEO 2019.
Pak počítejte abyste zjistili, zda to vše vychází.
Závěry, které nelze pominout:
Energie se rovná kvalitě života a zasahovat bychom měli jen v nejpřesvědčivějších případech.
Dodávky energie pro moderní svět musí být spolehlivé a dostupné věcně i finančně.
Obnovitelné zdroje se ani nepřibližují tomu, aby dnes představovaly řešení klimatického problému průmyslového světa v uvedených parametrech.
Je nutno počítat s tím, že spotřeba energie naroste do roku 2040 asi o 40 % především
v asijských zemích a v Africe.
Čína není majákem přechodu na obnovitelné zdroje a zatím není důvod očekávat posun
v primárních energetických zdrojích i přes opačná politická prohlášení.
Dokonce i kdyby byly všechny složky bezuhlíkových technologií k dispozici už dnes (a to zdaleka nejsou), rozsah takovéto transformace si vyžádá velmi dlouhé časové období mnoha generací, jak ostatně dokládá i WEO 2019.
——————-
Autor Ing. Josef Zbořil vystudoval VŠCHT v Pardubicích, 30letou kariéru v papírenství završil v letech 1990 – 1997 funkcí generálního ředitele JIP a.s., Větřní. V letech 2004-2015 byl členem EHSV v Bruselu pro oblast průmyslové změny (environment & energo, průmyslové procesy, sociální faktory). Nyní působí jako soukromý konzultant. Článek vyšel v magazínu Pro-Energy č. 4/2019 a byl autorem aktualizován.
Václav Smil, ENERGY (R)EVOLUTIONS ALWAYS TAKE TIME
Michael Kelly, Energy Utopias and Engineering Realities
Roger Pielke, Net-Zero Carbon Dioxide Emissions by 2050 Requires a New Nuclear Power Plant Every Day
