Moderní společnost vyžaduje od energetického sektoru nejenom spolehlivost, dostupnost a přívětivost pro konečné uživatele, ale ke konci 20. století se objevil další nárok ve spojitosti s globálním oteplováním. Zdroje energie mají v současné době za úkol splnit nejenom výše uvedené nároky, které jsou podstatné pro ekonomický růst a růst kvality života, ale také musí být environmentálně příznivé, nejlépe obnovitelné. Existují rozsáhlé diskuze o cenách, kvantitách, účinnostech, ropných zlomech a souvislostech mezi spotřebou energie a ekonomickým růstem. Je zde však jeden fakt, který se často přehlíží, a tím je hustota energetického toku.

Hustota energetického toku a energetická hustota

Energetická hustota je jednoduše množství energie uvolněné na jednotku hmotnosti anebo na jednotku objemu s energií vyjádřenou v Joulech, hmotností ve gramech a jejích násobcích a objem vyjádřený v litrech (dm3) nebo kubických metrech. Energetická hustota jsou tedy J/g (J/cm3), MJ/kg (MJ/dm3) anebo GJ/t. Historicky jsme se ubírali od zdrojů s menší energetickou hustotou, ke zdrojům s hodnotou vyšší. Dřevo má energetickou hustotu za nejlepších podmínek 18-21 MJ/kg, uhlí mezi 20-30 MJ/kg a ropné produkty okolo 42 MJ/kg.

Hustota energetického toku udává tok energie na jednotku horizontální plochy země nebo vody. Její jednotkou jsou v tomto případě watty na metr čtvereční (W/m2) a její násobky. Jedna z obrovských výhod hustoty energetického toku je, že nám dovolí vyhodnotit a porovnat množství energetických toků z různých zdrojů. V současné době, za rozmachu obnovitelných zdrojů, je to jeden z hlavních faktorů, který dokáže přiblížit potenciální podíl těchto zdrojů v globální energetice. Historický vývoj hustoty energetického toku není tak přímočarý jako v případě energetické hustoty, a nepohybujeme se tedy bezpodmínečně k vyšším hodnotám.

V následujících řádcích jsou uvedeny různé technologie k výrobě elektrické energie a jejich hustota energetického toku. Nejprve je však třeba uvést dva údaje, které se objeví v průběhu článku.

Prvním je koeficient využití. Je to podíl skutečně vyrobené elektrické energie a maximální možné výrobě elektrické energie. Vzorec pro výpočet koeficientu využití je:

Pokud vezmeme v úvahu vodní elektrárnu s instalovaným výkonem 2069 MW, s roční výrobou 2 TWh elektrické energie, potom:

V tomto případě je koeficient využití 11 %. Z hlediska hustoty energetického toku je to důležitý údaj, jelikož slunce a vítr nejsou stále k dispozici tak ani elektrárny nevyrábí elektrický proud bez přestání.

A druhým je jednotka watt. Jeden watt je výkon, při němž se vykoná práce 1 joule za 1 sekundu. Toto je potřeba vědět při zjišťování hustoty energetického toku tepelných elektráren, kde je závislost na energetické hustotě určitých látek.

Hustota energetického toku (dále HET)

Elektrárny jaderné, uhelné, vodní a geotermální

V současné době globálně vyrábí uhelné elektrárny 39,3 % elektrické energie a jaderné přispívají 10,6 %. Vodní elektrárny v roce 2015 vyráběli globálně 16,0 % elektrické energie a geotermální přispívaly méně než 1 %.

Uhelné elektrárny

Pokud bychom měli uhelnou elektrárnu o výkonu 1 GW s koeficientem využití 55 %, tak by elektrárna vyrobila 4,9 TWh elektrické energie. S účinností 42 % bude elektrárna vyžadovat 42 PJ energie v uhlí. Celková infrastruktura takové elektrárny by zabírala zhruba 600 000 m2.

Při předpokladu, že elektrárna spotřebovává uhlí o energetické hustotě (výhřevnosti) 20 GJ/t (při objemové hustotě 1,4 t/m3), které je těženo z povrchového dolu o průměrné tloušťce uhelného švu 15 m a s účinností těžby 95 %, potom pod každým čtverečním metrem tohoto dolu se skrývá 20 t uhlí obsahující 400 GJ energie. K pokrytí roční spotřeby 42 PJ uhelné elektrárny je potřeba extrahovat uhlí z plochy o velikosti 105 000 m2. Po sečtení obou ploch dostaneme HET 780 W/m2.

V případě uhelných elektráren je HET závislá na několika proměnných. Na vzdálenosti elektrárny od uhelného dolu, kvalitě uhlí, typu a způsobu těžení uhlí (hlubinné, povrchové), koeficientu využití, skladování uhlí, atd. HET se v tomto případě může lišit od 100 W/m2 až po 1000 W/m2.

Jaderné elektrárny

Hustota energetického toku jaderných elektráren (JE) se může lišit tak jako v případě uhelných elektráren. Je v tomto případě závislá na celkové ploše, která je zabírána jak JE, tak i způsobem obohacováním paliva a těžbou paliva pro JE. Pokud bychom počítali pouze zastavěnou plochu JE hustota energetického toku může dosahovat hodnot přes 1000 W/m2.

V případě jaderných elektráren v USA bylo spočítáno při koeficientu využití 90%, že k roční výrobě 1 TWh je potřeba plocha o rozměru 1 km2. To by v průměru odpovídalo hodnotě 7,8 km2 plochy pro jadernou elektrárnu s celkovým výkonem 1 GW a průměrnou hustotou energetického toku 128 W/m2. V tomto případě byla započítána pouze celková plocha elektrárny bez těžby jaderného paliva, obohacovacího procesu a skladování již použitého jaderného paliva.

Václav Smil (Power density, 2016) uvádí dva příklady. Prvním je JE o výkonu 1 GW, koeficient využití 90 %, která se rozléhá na ploše 0,5 km2. Jaderné palivo pochází z dolu Saskatchewan, kde je potřeba pouze 40 m2 k vytěžení tuny uranu. Ročně je vyžadováno 217 t uranu. Obohacovací proces a skladovaní již použitého paliva zabírají přibližně 0,1 km2. Výsledná HET je v tomto případě více než 1600 W/m2 (1 GW/0,6 km2 ).

V případě druhé JE je rozloha 10 km2 a její jaderné palivo je těženo ISL metodou (je potřeba 2000 m2 k vytěžení 1 tuny Urania). Opět je vyžadováno 217 t uranu ročně. K obohacování je použita difuze a centrifugální separace, což vyžaduje plochu přibližně o rozloze 3,2 km2 (skladování již použitého paliva je zde zohledněno). Výsledná HET je v tomto případě přibližně 70 W/m2. Jak můžeme tedy vidět, hustota energetického toku JE se může lišit o několik řádů.

Vodní elektrárny

Vodní elektrárny se řadí mezi obnovitelné zdroje a jejich historie sahá až do 19. století. Rekordní vodní elektrárnou, co se rozlohy týče, je přehradní nádrž Akosombo, která má rozlohu 8,502 km2 což odpovídá více než 10 % rozlohy České republiky. Instalovaný výkon této elektrárny je 1020 MW a i bez znalosti koeficientu využití je HET pouze 0,12 W/m2. Hooverova přehrada na řece Colorado má instalovaný výkon 2080 MW a vodní plocha je 640 km2. Koeficientu využití 23 % odpovídá HET 0,75 W/m2.

Vodní elektrárny vybudované na horní či střední části toku mají HET o řád vyšší. Čínská vodní elektrárna Tři soutěsky má v současnosti největší instalovaný výkon – 22,5 GW. Vodní plocha elektrárny je 1084 km2 a s koeficientem využití 45 % odpovídá HET hodnotě 9,3 W/m2. Itaipú se nachází na hranici mezi Brazílií a Paraguayí a se 14 GW má druhý největší instalovaný výkon. Má vodní plochu o rozloze 1350 km2 a její koeficient využití v roce 2017 byl 78 % a tedy HET odpovídá hodnotě 8 W/m2. Přehrada Grand Coulee na řece Columbia má hustotu energetického toku 7,5W/m2.

Pochopitelně vyšších hodnot dosahují vysokotlaké vodní elektrárny (spád nad 100 m). Ve Švýcarsku poblíž města Sion je přehrada Grande Dixence s instalovaným výkonem 2069 MW a rozlohou pouze 4 km2, která má HET 517 W/m2. Vyrábí však pouze 2 TWh ročně, což odpovídá koeficientu využití 11 %, ale stále vysoké hodnotě HET 56,9 W/m2. Čínská Jinping-I s instalovaným výkonem 3600 MW, rozlohou 82,55 km2 a koeficientem zatížení 57 % má HET 25 W/m2.

Vodní elektrárna Grand Dixence

Geotermální elektrárny

Za zmínku stojí i geotermální elektrárny, kterými Island pokrývá 25 % své spotřeby elektrické energie. V roce 2015 byl instalovaný výkon geotermálních elektráren 12,8 GW. Na základě hodnot z roku 2010 – instalovaný výkon 10 715 MW, výroby elektrické energie 67,246 GWh, byl koeficint využití 71 %.

Podle americké agentury Energy Efficency & Renewable Energy je u geotermální energie na 1 MW potřeba plocha o rozměru 0,004-0,032 km2. To by odpovídalo hodnotě HET, s koeficientem využití 71 %, mezi 22,2 – 177,5 W/m2. Dle GEA vyžaduje 30letý provoz geotermální elektrárny 404m2/1GWh, což odpovídá hustotě energetického toku 287 W/m2.

Solární parky

Solární energie je jednou z velkých nadějí na environmentálně příznivou výrobu elektrické energie. V roce 2016 bylo naistalováno více než 75 GWp s největším přírůstkem v Čině (34,5 GWp) a USA (14,7 GWp). Celkový instalovaný výkon vzrostl na 303 GWp, s meziročním nárůstem 29,6 %, a globálně dodává 1,3 % elektrické energie.

V pravé poledne s oblohou bez mraku dosahuje sluneční energie intenzitu ozáření 1000 W/m2. Těchto 1000 W/m2 je ale pouze za podmínky, že tato plocha je orientovaná kolmo ke slunci. Abychom zjistili, kolik skutečně máme k dispozici ze slunečního záření v průměru na m2, musíme udělat nejprve několik úprav. Nejdříve musíme vykompenzovat náklon mezi sluncem a zemí, což snižuje intenzitu slunečního záření značně od hodnoty, která je k dispozici na kolmé ploše. Další snížení hodnoty vznikne, protože poledne není pořád. Za další ztrátu může atmosféra a fakt, že část slunečního záření je odražena od mraků a povrchu. Výsledkem tedy je, že v průměru dopadá na zemský povrch okolo 170 W/m2. Tato hodnota se liší od méně než 100 W/m2 v severních končinách po více něž 230 W/m2 ve slunečných pouštích.

Účinnost fotovoltaik se pohybuje okolo 10 % až 20 %. HET je u fotovoltaických zařízení nízká, a to zejména pokud bereme celou zastavěnou plochu solární elektrárny.

Například Tenggerd Desert solární park má instalovaný výkon 1547 MWp na rozloze 43 km2 s koeficientem využití 18 %. HET je tedy 6,5 W/m2. Americký Topaz solární park má HET 5,6 W/m2 a Německý Waldpolenz solární park má okolo 4 W/m2. Jako další příklad lze uvést Lauingen Energy Park, který se nachází v Bavorsku. Ten má instalovaný výkon 25,7 MWp a zabírá plochu o velikosti 0,63 km2. Koeficient využití je zde pouze 12 % a výsledná HET je 4,5 W/m2.

Koncentrované solární elektrárny

Mezi koncentrované solární elektrárny se řadí například elektrárna Ivanpah, která má instalovaný výkon 392 MW na rozloze 14,2 km2 a v roce 2016 měla koeficient využití 20,5 %. Hustota energetického toku je v tomto případě 5,5 W/m2. Pokud bychom vzali v potaz pouze plochu zabranou heliostaty (173 500 x 15 m2 = 2,6 km2) výsledná HET by byla 150 W/m2. Pokud vezmeme evropskou první solární věž, Planta Solar 10 s instalovaným výkonem 11 MW a zahrneme pouze plochu zabranou heliostaty, HET vychází na 37 W/m2 a 4 W/m2 při započtení celé plochy objektu.

Větrné parky

Větrná energie je v současné době druhým nejvíce rostoucím zdrojem pro výrobu elektrické energie. Na konci roku 2017 byl globální instalovaný výkon skoro 540 GW, a instalovaný výkon v EU byl 154 GW. Tak jako u sluneční energie je zde omezení, že vítr musí mít určitou rychlost, aby větrná turbína mohla vyrábět elektrickou energii. Rychlost větru, za které větrná turbína začíná vyrábět elektřinu, je typicky 3-4 m/s. Při zvyšování rychlosti větru roste výkon. Při rychlostech větru mezi 12-17 m/s je dosažen limit na výrobu elektrické energie a při rychlostech nad 25 m/s je turbína za pomoci brzdného systému zastavena, aby nedošlo k poškození rotoru.

Pokud jde o vertikální plochu (oblast pokrytá lopatkami) hustota energetického toku běžně dosahuje hodnot i přes 400 W/m2. Značně menší hodnoty dostaneme, pokud se bude jednat o horizontální plochu pokrytou větrnými turbínami. Dánské offshore větrné farmy Anholt 1, Horns Rev I a Horns Rev II HET mají HET 2,2 W/m2, 3,4 W/m2 a 3 W/m2.

Podle EIA byl v roce 2017 průměrný koeficient využití větrných parků 36,7 %. Americká Shepherds Flat větrná farma, která má instalovaný výkon 845 MW a rozkládá se na rozloze 78 km2, by při již výše uvedeném koeficientu využití měla HET 4 W/m2. Německá DanTysk offshore farma má hustotu energetického toku 2,2 W/m2 při odhadovaném koeficientu využití 51 %. Rumunská Fântânele-Cogealac větrná farma má HET 1,6 W/m2 (600 MW/110 km2 a koeficient využití je v tomto případě odhadován na 30 %).

Spotřeba energie společnosti

Jakou hustotu energetického toku má moderní společnost? Odhad TPES (total primary energy supply) podle IEA byl v roce 2013 okolo 156 214 TWh, což po vydělení 8760 hodin za rok představuje průměrný příkon zhruba 18 TW. Plocha povrchu země je 510 Tm2, potom tedy HET naší civilizace byl 0,035 W/m2. Jenže pokud vezmeme v úvahu, že v tomto výpočtu je zahrnuta plocha, kde neprobíhá žádná spotřeba ani výroba energie, je toto značně zkreslující. Vyjmeme tedy tuto plochu, která není osídlená a ani nebude využívána po mnoho dalších generací k takovému či jinému účelu (pokud někdy), zahrneme do výpočtu pouze nezamrzlou souš a dostaneme rozlohu cca 133 Tm2. Výsledná hustota energetického toku je potom 0,135 W/m2. David Mckay vizualizoval ve své mapě průměrnou spotřebu vybraných států ve W/m2 a porovnal ji s průměrnou HET obnovitelných zdrojů.

Z grafu je patrné, že například Německo má spotřebu energie více jak 1 W/m2. Jak bylo uvedeno výše, Lauingen Energy Park má hustotu energetického toku 4,5 W/m2. Waldpolenz solární park má HET pouze 2,7 W/m2. Pokud se tedy přikloníme k vyšší hodnotě 5 W/m2 (jak uvádí David McKay ve svém přehledu) a vezmeme v úvahu technologický pokrok, který nás čeká v dohledné budoucnosti, znamenalo by to, že něco přes 20 % celkové rozlohy Německa by muselo být zastavěno solárními panely k pokrytí spotřeby energie.

V roce 2016 bylo lehce pod 48 % celkové rozlohy Německa zabráno zemědělstvím, a tedy výsledná zabraná plocha by byla okolo 70 % (samozřejmě se dá spekulovat o využití ploch střech, ale je třeba vzít v úvahu stále zvyšující se počet lidí žijících ve městech). V případě větrných elektráren je potřeba osadit o něco více jak 40 % celkové plochy a tedy skoro 90 % by bylo již obsazeno (zde by se dal zkombinovat rozestup větrných turbín a plochu využít k dalším účelům).

Spojené království má plochu zabranou zemědělstvím přes 70 %. Čína má 56 %, USA 44,6 % a Francie 52 %. Jak můžeme vidět, a budu se tím dále zabývat v následujících dílech, přechod na obnovitelné zdroje energie není komplikovaný jenom z pohledu uchování elektrické energie a snižování emisí, ale i z pohledu hustoty energetického toku. A jak uvedl již zesnulý fyzik:

„Nemám nic proti obnovitelným zdrojům, miluju obnovitelné zdroje, jsem ale zároveň pro-aritmetický,“ David McKay.

Zdroj úvodního obrázku: EconomictimesPoužité zdroje:
Power density a Key to Understanding Energy Sources and Uses, Václav Smil, 2016
Sustainable Energy – without the hot air, David Mckay

Komentáře

0 komentářů ke článku "undefined"

Přidat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *