Energetika - hybný motor rozvoje společnosti

Zajišťováním potřeb různých konečných forem užití energie (elektřina, teplo, chlad, teplá voda, stlačený vzduch, paliva pro pohon strojů) se zabývá obor energetika. Rozsah činností, které pod gesci tohoto oboru patří, je však mnohem širší. Patří sem, kromě opatřování energie z primárních energetických zdrojů (fosilní paliva včetně jaderných, obnovitelná paliva - biomasa, geotermální energie a tzv. obnovitelné zdroje energie - slunce, voda ve všech formách, vítr), také nakládání s energiemi a ochrana životního prostředí, která s užíváním energie velmi úzce souvisí.
Jedná se především o účinnost užití energie, racionální využívání energie včetně odpadního tepla a úspory energie v obecné rovině - tzn. až po racionální konstrukci strojů, budov i navrhování technologických postupů s minimalizací spotřeby energie.
Dva zcela rozdílné pohledy na energetiku a na možnosti a důsledky jejího využívání dobře vystihují výňatky z prací Sadi Carnota - otce moderní termomechaniky, který svůj spisek ?Úvahy o hybné síle ohně? uveřejnil před téměř dvěstě lety, a současný, zcela neotřelý pohled na důsledky stále rostoucího využívání energie z knihy Bjőrna Lomborga ?Skeptický ekolog?.

?Skeptický ekolog? Bjőrn Lomborg

Zdaleka nejdůležitější ze všech různých typů znečištění dopadajícího na lidské zdraví je znečištění ovzduší (venkovního i vnitřního). Regulace znečišťování ovzduší zajišťuje 86 až 96 % veškerého společenského prospěchu ze všech regulačních opatření, o něž se stará americká vládní agentura pro životní prostředí EPA (ovzduší, voda, pesticidy, ochrana přírody, pitná voda, kontrola toxických látek).
... Když v roce 1257 anglická královna navštívila Nottingham, shledala zde zápach kouře ze spalování uhlí tak nesnesitelný, že ze strachu o život okamžitě odjela... V roce 1285 byl vzduch v Londýně tak zamořený, že král Eduard I. založil první komisi pro kontrolu ovzduší na světě, a o 22 let později tentýž král postavil spalování uhlí mimo zákon. Tento zákaz však neměl dlouhého trvání...
Poslední odhad WHO (Světová zdravotnická organizace při OSN) ukazuje, že znečištění vnitřního ovzduší je zodpovědné za 14krát více úmrtí, než venkovní znečištění. Ve městech rozvojového i rozvinutého světa je navíc počet případů úmrtí následkem vnitřního znečištění mnohem vyšší. Uvolňování velkých množství tuhých částic a oxidu uhelnatého v malých příbytcích vystavuje lidi mnohem vyšším úrovním kontaminace než v nejzamořenějších městech (dle autora Peking, Dillí a Mexiko).

Ohňové stroje Nikolas-Léonard-Sadi Carnota

Nesmíme si nalhávat, že vůbec někdy v praxi zužitkujeme veškerou energii paliva. Úsilí, které bychom k dosažení tohoto cíle vynakládali, bylo by spíš škodlivé než užitečné, pokud by vedlo k opomíjení ostatních důležitých hledisek. Úspora paliva je pouze jednou z podmínek, které mají ohňové stroje splňovat. Za mnohých okolností je však jen podmínkou druhořadou a často musí ustoupit bezpečnosti, pevnosti, trvanlivosti stroje, malému prostoru, který má zaujmout, malým nákladům na jeho pořízení atd. Dokázat v každém případě správně ocenit hlediska vhodnosti a hospodárnosti, která se mohou vyskytnout, dovést rozlišit důležitější od podružnějších, všechna je navzájem vhodně vyvážit tak, aby se nejsnadnějším způsobem dosáhlo nejlepších výsledků, to musí být základem talentu člověka povolaného k tomu, aby řídil, aby koordinoval vzájemně práci svých kolegů, aby je vedl ke spolupráci směřující k jakémukoliv užitečnému cíli.

Energetika - základní kámen rozvoje

Energetika je dnes ve světě považována za základní kámen rozvoje moderní společnosti. Tato skutečnost má dva významné rozměry:

• dostatek energie (v požadované formě - palivo, teplo, elektrická energie) je limitující pro technický i technologický rozvoj společnosti;
• zásobování a dlouhodobé zajištění dodávky energie (především elektrické) je otázkou bezpečnosti a politické nezávislosti.

Zjednodušený pohled na tzv. globální svět, který dovoloval téměř neomezené možnosti jednoduchého zajišťování základních zdrojů energie, protože jich je dostatek, skončil s 1. ropnou krizí v 70. letech. Tehdy byla poprvé zřetelně nastolena otázka bezpečnosti opatřování potřebných energií pro zajištění stávajícího stavu i pro rozvoj hospodářství. Válka s Irákem o kontrolu nad ropnými nalezišti, nestabilita zemí kontrolujících rozhodující část známých, ekonomicky těžitelných zásob ropy a zemního plynu a prudký ekonomický rozvoj nejlidnatějších zemí planety (Čína a Indie) nastolil navíc k otázce bezpečnosti zásobování energiemi i otázku přiměřené soběstačnosti v krytí energetických potřeb. Ke dvěma uvedeným faktorům je nutno připojit třetí faktor - ekologický. Pravděpodobnost, že člověk využíváním klasických fosilních paliv, tedy paliv založených více (uhlí) či méně (ropa, plyn) na chemicky vázaném teple v uhlíku, mění vlastnosti přízemní vrstvy atmosféry tak, že dochází ke změnám označovaným jako ?skleníkový efekt?, je tak velká, že ji nelze přehlížet. Uvolňování produktu oxidace uhlíku při spalování (CO₂) do atmosféry chce proto mnoho států, a především Evropská unie, kontrolovat.
Tyto tři faktory se naprosto zřetelně promítají do energetické a současně i ekologické politiky EU a právě začínající společný výzkumný program EU (tzv. 7. rámcový program) je v tomto smyslu jednoznačně orientován.

Obr. 1 opatřování a toky základních energetických komodit. Stav v roce 2005.

Energie v ČR

Chceme- li si udělat základní představu, jak vypadá opatřování primárních energetických zdrojů a elektřiny v České republice, musíme se podívat na opatřování a toky základních energetických komodit.

Na obr. 1 je uveden stav v roce 2005. V hodnocených komoditách je hnědé uhlí, černé uhlí, ropa, zemní plyn, uran a elektrická energie. U elektřiny je udáván pouze dovoz a vývoz.
Informace o skutečné závislosti ČR na cizích zdrojích energie (na dovozech) a o tom, zda je ČR významným nebo nevýznamným exportérem, ukazuje tabulka na obr. 2. Z ní je zřejmé, že současný stav je v podstatě velmi příznivý, protože ČR je závislá na importu energie pouze z 35,3 %. Největší objem dovozu představuje krytí potřeb ropy (především pro dopravu a chemický průmysl) a zemního plynu (především pro výrobu tepla a elektrické energie), a naopak největší vývozní komoditou je uhlí a produkty z uhlí. Na druhém místě je elektrická energie vyráběná právě z tuzemského uhlí a v jaderných elektrárnách.
Oba významné exportní produkty, navíc na sobě i částečně závislé (produkce elektrické energie z uhlí), jsou však z dlouhodobé perspektivy významně časově omezeny. Jednou velmi známou skutečností jsou omezené těžitelné zásoby uhlí (včetně tolik diskutovaných ekologických limitů těžebních lokalit). Druhým omezujícím faktorem je skutečnost, že základní výrobní jednotky - parní uhelné elektrárny - se jednak dostávají ke konci své životnosti, jednak jejich účinnost výroby elektrické energie je příliš nízká z hlediska současných možností techniky i potřeb prodloužení času disponibilních zásob uhlí.

Obr. 3 dožívání současných elektráren (PPE - paroplynové elektrárny, PSE - plynové a spalovací elektrárny, VE - vodní elektrárny)

Dožívání současných elektráren ukazuje obr. 3. Je zde dvěma šipkami uvedeno pravděpodobné rozmezí roků, ve kterých se stane Česká republika dovozcem elektrické energie, protože pokud nepostaví nové elektrárny nebo jiným způsobem nezvýší zajištěnou disponibilní výrobu elektrické energie, bude jí pro výrobu elektrické energie chybět dostatečný instalovaný výkon.
Instalovaný výkon však není nejdůležitějším indikátorem významnosti jednotlivých zdrojů elektrické energie. Tím je roční výroba elektrické energie jednotlivými typy zdrojů. Současný stav výroby elektrické energie z jednotlivých primárních zdrojů ukazuje obr. 4. Z uvedených údajů je zcela zřetelné dominantní postavení výroby elektřiny z uhlí (62,1 %) a z jaderných elektráren (30,5 %). Právě domácí uhlí a jaderná energetika jsou základem přijatelně drahé produkce elektřiny, a navíc 30,5 % výroby elektřiny je vlastně vyrobeno z bezemisního zdroje - z jaderného paliva. Tuto skutečnost již přiznává i dokladový materiál EU, který uvádí evropských průměrných 15 % produkce elektřiny z jaderných zdrojů jako příklad produkce elektřiny ze zdroje, který nepřispívá ke vzniku ?skleníkového efektu? v atmosféře.

Obr. 4 současný stav výroby elektrické energie z jednotlivých primárních zdrojů. Údaje za rok 2005 (v GWh).

Vývoj spotřeby elektrické energie

MPO ČR připravilo pravděpodobný scénář vývoje nabídky elektrické energie a vývoje poptávky po elektrické energii. Tento scénář je uveden na obr. 5. Je však zpracován pro celý prostor bývalé společné elektrizační soustavy ČR a Slovenska, která do značné míry dosud funguje, a v níž je Slovensko již dnes dovozcem elektrické energie. Z tohoto scénáře je zřejmé, že to, co postihne Českou republiku (nedostatek instalovaného výkonu) až za cca 5 až 8 roků, čeká bývalý společný územní prostor již do 2 let.

Obr. 5 scénář vývoje nabídky elektrické energie a vývoje poptávky po elektrické energii

Obnovitelné zdroje energie

Obnovitelné zdroje energie (OZE) se na produkci elektřiny v ČR podílejí málo, a i tento malý podíl je dosud tvořen především produkcí vodních elektráren. Význam těchto elektráren již nemůže příliš stoupnout, protože odhadovaný dosažitelný nárůst produkce výroby el. energie z vody je cca 20 %. Navíc se do produkce elektřiny z OZE nezapočítávají v ČR velmi významné přečerpávací elektrárny. Současný podíl jednotlivých typů OZE na produkci elektrické energie je patrný z obr. 6. Tento obrázek nelze porovnávat s údaji v obr. 4, protože v dále uváděné produkci elektřiny z OZE je započítána zejména produkce ze spoluspalování uhlí a biomasy a produkce elektřiny ze spaloven TKO (tuhý komunální odpad).
Biomasa vhodná pro energetické využití představuje velmi širokou paletu. Od palivového dříví přes čisté odpady ze zpracování dřeva, slámu, odpadní obilí, odpady ze zpracování polních plodin, štěpku, lesního štěpku, až po záměrně pěstované rostliny (triticale, šťovík, chrastice) a rychlerostoucí dřeviny (olše, japonské topoly).
Předpokládané rychlé zvyšování produkce elektřiny z OZE bude samozřejmě probíhat ve všech dalších u nás dostupných technologiích OZE - tzn. z biomasy, energie větru, z přímé konverze slunečního záření (fotovoltaika), ale skutečný význam v bilancích výroby spotřeby energie bude mít zejména biomasa, a to především biomasa pěstovaná za energetickým účelem. Takovýto závěr lze učinit z bilancí dosavadního využití odpadní biomasy a dřevní hmoty pro energetiku. Výsledky ukazují, že přirozené zdroje biomasy jsou již velmi významně využívány. Například v roce 2005 bylo pro energetické účely využito nebo vyvezeno do zahraničí 5,5 mil. t biomasy (z toho 50 % dřeva) a dalších téměř 2 mil. t biomasy bylo využito v domácnostech a malých zdrojích.

Obr. 6 současný podíl jednotlivých typů OZE na produkci elektrické energie

Spotřeba primárních zdrojů

Z hlediska spotřeby primárních zdrojů a současně i z hlediska významu v souvislosti se stavební produkcí je podstatnější než výroba elektřiny výroba tepla. Aniž bychom se dopustili významné bilanční chyby, je možno uvažovat spotřebu primárních zdrojů pro teplo cca 5násobnou oproti spotřebě primárních zdrojů pro výrobu elektřiny.
Pokud budeme uvažovat spotřebu tepla jen pro lokání malé a střední zdroje, tzn. zdroje do 5 MW, (respektive nebudeme uvažovat velké teplárny), pak se jedná o cca 400 až 500 PJ roční spotřeby primárních zdrojů energie pro zásobování teplem a teplou vodou.
Tento segment lze popsat z hlediska primárních zdrojů tak, že cca 9 % je pokryto OZE a zbytek je v poměru přibližně 3:1 pokryt spotřebou zemního plynu (malý podíl kapalná paliva) (3) a uhlí (1).
Právě tato část energetiky je nesmírně citlivá na vědomé a racionálně řešené užití energie a představuje největší reálný potenciál úspor energie.
Dejme výše uvedené skutečnosti ČR do souvislosti s novými, byť indikativními ukazateli, které pro příští desetiletí uchystala EU:

• EK navrhuje dosažení výrazného snížení emisí skleníkových plynů v EU alespoň o 20 % do roku 2020 (ve srovnání s rokem 1990);
• EK navrhuje dosažení závazného cíle 20 % podílu OZE na primárních energetických zdrojích do roku 2020 v EU 27 (27 členských zemí);
• EK navrhuje dosáhnout 20 % úspor energie závislých na zdrojích fosilních paliv.

Zajištění výše uvedených 20 % podílu OZE na primárních energetických zdrojích je velmi pravděpodobně pro ČR obtížně dosažitelným cílem. Soudobá energetická strategie uvažuje s dosažením podílu 16 % do roku 2030. Současný stav využívání OZE pro výrobu tepla je uveden na obr. 7.

Obr. 7 současný stav využívání OZE pro výrobu tepla

Trochu teorie

Chceme-li vést jakékoliv úvahy týkající se energetiky na racionální a především smysluplné úrovni, musíme nastavit základní okrajové podmínky vstupní korekce našich úvah. V energetice jsou to především následující tři podmínky - (filtry), které musíme respektovat a kterými je třeba všechny úvahy korigovat:

• 1. a 2. termodynamický zákon;
• účinnost porovnávacího Carnotova oběhu;
• definice tepelné účinnosti zařízení využívající primární zdroj energie - palivo.

1. a 2. termodynamický zákon

Pro naprosto největší možné zjednodušení 1. termodynamického zákona budeme předpokládat, že vystačíme s jednoduchým, ale stále nepřekonaným axiomem, který říká, že ?nelze postavit stroj, který by cyklicky vykonával práci bez přivádění energie?, respektive neumíme sestrojit perpetum mobile. Druhý zákon musíme popsat, alespoň nejjednodušším způsobem, matematickým vztahem:

[kJ.kg^-1.K^-1],

kde je Q [kJ.kg^-1] uvolněné teplo, T [K] teplota, S je entropie pracovní látky, která realizuje tepelný oběh a vyjadřuje pomyslnou míru užitečnosti tepla Q. Čím je entropie nižší (respektive uvolněné teplo je na vyšší teplotové hladině), tím je užitečnost tepla vyšší. Vysoká entropie vyjadřuje nízkou použitelnost disponibilního tepla. (Velmi zjednodušeně řečeno jde o matematické vyjádření známé skutečnosti, že ani 1 GJ tepla na úrovni teploty 50 °C nestačí k uvaření hrníčku čaje, ale tentýž 1 GJ tepla bohatě postačuje k celodennímu vytápění průměrně izolovaného rodinného domu při venkovní teplotě -5 °C.)

Účinnost porovnávacího Carnotova cyklu

Carnotův porovnávací cyklus je tzv. ideální tepelný oběh, který definuje teoreticky dosažitelnou účinnost tohoto oběhu, probíhá-li mezi dvěma konkrétními teplotovými hladinami. Tyto hladiny jsou u klasických tepelných oběhů poměrně dobře známé. Například parní oběh v soustavě parní kotel - parní turbína - kondenzátor se odehrává mezi teplotou pracovní látky (proměnná teplota od teploty napájecí vody až po teplotu výstupní páry) a teplotou v kondenzátoru turbíny (tedy přibližně teplotou okolí). Uvážíme-li, že teplota okolí je přibližně konstantní a ovlivňovat můžeme pouze teplotu pracovní látky, pak je zřejmé, že teplota pracovní látky, respektive parametry zařízení budou rozhodovat o účinnosti cyklu, a to podle vztahu:

kde je η_C účinnost Carnotova oběhu, T₁ [K] horní (vstupní) absolutní teplota pracovní látky (teplota, při které je teplo do oběhu přiváděno), T₂ [K] dolní absolutní teplota pracovní látky (teplota, při které je teplo z cyklu odváděno).

Definice tepelné účinnosti zařízení pro transformaci chemicky vázaného tepla v palivu na teplo obsažené v pracovní látce oběhu

Tepelná účinnost je definována jako poměr tepla užitečně uvolněného z paliva do pracovní látky ku teplu v palivu přivedeném:

kde Q_už je užitečné teplo v pracovní látce (pára, horká nebo teplá voda, ohřátý vzduch apod.), Q_pal je teplo přivedené v palivu. Teplo přivedené v palivu je však v této definici vztahováno k tzv. výhřevnosti paliva. Výhřevnost paliva však není celé chemicky vázané teplo v palivu, ale pouze část celkového tepla obsaženého v palivu (je označeno jako spalné teplo), které je sníženo o tzv. kondenzační teplo vodních par obsažených ve spalinách vzniklých spálením paliva.
Mezi spalným teplem a výhřevností platí následující vztah:

Q_N=Q_H- 24,53(W+9H) [MJ. kg^-1]

kde W a H jsou hmotnostní podíly vody a vodíku v palivu.
Z uvedeného je zřejmé, že v technické praxi používáme vztah pro určení účinnosti (např. kotlů), který je v rozporu se smyslem a podstatou termodynamických zákonů. Výsledkem tohoto rozporu je to, že u zařízení, která dokáží kondenzační teplo ze spalin využít (to jsou například kondenzační kotle), zjistíme, že vztahem pro účinnost vypočteme účinnost vyšší než 100 %. Tuto skutečnost si musíme uvědomovat, když chceme exaktně hodnotit užitečnost různých zařízení používaných v energetice.

Účinnost výroby elektrické energie

Výroba elektrické energie je rozhodující z hlediska spotřeby primárních energetických zdrojů a zejména z hlediska spotřeby fosilních paliv, na kterých je dnes rozhodujícím způsobem závislá. Skutečné a teoretické možnosti dosažení příslušné účinnosti transformace tepla z paliva na elektrickou energii, v závislosti na parametrech tepelného oběhu, ukazuje obr. 8. Zde je uvedena účinnost teoretického Carnotova cyklu v závislosti na pracovní teplotě látky oběhu a skutečné účinnosti zařízení, která jsou pro výrobu elektrické energie používána. Limitujícím faktorem zvyšování účinnosti je v podstatě materiál a jeho vlastnosti, které umíme pro stavbu zařízení používat.

Obr. 8 skutečné a teoretické možnosti dosažení příslušné účinnosti transformace tepla z paliva na elektrickou energii, v závislosti na parametrech tepelného oběhu

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie

Dvě (resp. tři) hlavní energetické komodity (elektřina, teplo, resp. chlad) lze vyrábět buď odděleně nebo současně. Při dvou komoditách hovoříme o kogeneraci, při třech komoditách o trigeneraci. Většině čtenářů je známo, že současná výroba tepla a elektrické energie je výhodnější, známé jsou tzv. Sankeyovy diagramy oddělené a společné výroby tepla a elektrické energie. Stále však ještě trochu uniká podstata problému. Ta jednodušší je matematické doložení skutečné nebo pouze zdánlivé výhodnosti společné výroby. Nejjednodušším typem energetického zdroje je výtopna s dodávkou tepla Q_d. Její použití lze zdůvodnit, přesněji řečeno může vycházet jako ekonomicky optimální řešení, u malých zdrojů a malou potřebou dodávky E elektrické energie. U větších zdrojů, byť s malou nebo nulovou potřebou dodávky elektrické energie do vlastního závodu, je kombinovaná výroba elektřiny a tepla výhodnější, neboť ze širšího pohledu znamená absolutní úspory přivedeného tepla v palivu ΔQ^T_pv proti oddělené výrobě tepla ve výtopně a odpovídající výrobě elektrické energie v kondenzační elektrárně. Tuto úsporu tepla v palivu lze popsat vztahem:

kde η_E, η_V a η_T jsou účinnosti kondenzační elektrárny, výtopny a teplárny. E je vyrobená a dodaná elektrická energie, Q_d je vyrobené a dodané teplo, e je modul teplárenské výroby elektrické energie.
Pro určení poměrné úspory tepla v palivu v teplárně platí vztah:

Konkrétně např. pro η_E = 0,32, η_V = 0,9, η_T = 0,85 dostaneme v závislosti na e pro (0,1< e < 1,5) průběh dle tabulky na obr. 10, a může tedy dosáhnout až 50 %. Úspory tepla v palivu závisí proto hlavně na účinnostech všech tří typů zdrojů a modulu e. Rozdíly pro dva extrémní případy parametrů, a sice starší variantu A při η_E = 0,32, η_V = 0,75 a η_T = 0,8 a moderní řešení B při η_E = 0,45, η_V = 0,95 a η_T = 0,9, ukazuje obr. 9.

Obr. 9 poměrná úspora tepla v palivu při kombinované výrobě elektřiny a tepla pro dvojí číselné hodnoty η_E, η_V a η_T