Energetika je téma, které budí vášně. Nejen kvůli tendru na dostavbu Dukovan, ale i s ohledem na zvyšující se potřebu obnovitelných zdrojů či debatu okolo konce uhelných elektráren. Jak do diskuze zasahuje Akademie věd ČR? Které inovace by mohly přispět k bezpečné a efektivní výrobě energie? A spasí nás boom elektroaut? Zeptali jsme se Jiřího Pleška z Ústavu termomechaniky AV ČR, který sedm let koordinoval program Účinná přeměna a skladování energie v rámci Strategie AV21 a od března 2021 coby člen Akademické rady koordinuje Strategii AV21 jako celek.
Pokud byste porovnal úroveň poznání o energetice před dvaceti lety a dnes, jak daleko se posunula?
Posunulo se především vnímání důležitosti energetiky a jejího dopadu na životní prostředí, a to zcela zásadním způsobem. Dnes je již jasné, že energetický průmysl je třeba transformovat na nízkoemisní zdroje. Těmi jsou jaderné elektrárny a do značné míry i takzvané obnovitelné zdroje, v nichž stále významnější roli hraje fotovoltaika. Za poslední dekádu došlo k dramatickému zvýšení účinnosti a poklesu ceny fotovoltaických článků. Pracuje se i na nových bezpečnějších palivech, konkrétně accident tolerant fuels, a řadě dalších technologií pro jaderné reaktory příštích generací. Dopad energetiky na životní prostředí se ovšem projevil i opačně – cíle stanovené pro životní prostředí ovlivňují rozhodování v energetice. Více se také řeší národní bezpečnost – kdo by měl dodat jaderné technologie, závislost na dodávkách plynu a podobně.
Z jakých zdrojů bude Česko čerpat, až se kolem roku 2038 úplně odstaví uhelné elektrárny?
To je obrovský problém. Je třeba si uvědomit, že role klasických tepelných elektráren je nejen výrobní, ale také regulační. Nejde tedy jen o pokrytí spotřeby, nýbrž i o dosažení stability sítě. Státní energetická koncepce počítala s pokrytím až poloviny potřeb elektrické energie z jaderných elektráren. To se dnes jeví, bohužel, jako nerealistické. Nakonec budeme považovat za úspěch, zůstaneme-li na současných zhruba třiceti procentech, a to ještě za podmínky, že se podaří nahradit dvougigawattový zdroj v Dukovanech.
Jaký by za dvacet let reálně mohl být podíl obnovitelných zdrojů?
Momentálně pokrývají asi dvanáct procent produkce. Predikce jejich dalšího využití je nesnadná. Protože podmínky pro větrnou energii v Česku nejsou ideální, osobně sázím na fotovoltaiku. Ale i tak, beru-li v potaz objektivní závěr několika diskuzí v Komisi pro energetiku AV ČR, optimistický odhad využití obnovitelných zdrojů kolem roku 2040 je přibližně dvacet až pětadvacet procent. Celková možná kapacita Česka, tedy absolutní maximum, je podle současného stavu poznání asi třicet procent. A to je pořád málo. Z toho plyne, že bez uhlí budeme muset pálit zemní plyn – pro pokrytí čtyřiceti, ale spíše padesáti procent spotřeby. A to ještě nemluvíme o elektromobilitě! Ze zmíněných důvodů se domnívám, že tato otázka je spíš politická než vědecká.
Zůstaňme raději u vědy. Co všechno se vůbec dá udělat pro zvyšování podílu obnovitelných zdrojů na produkci energie – které vědní obory mohou přispět svou troškou do mlýna?
Těmito otázkami se vědci zabývají z několika úhlů pohledu. Jednak z hlediska účinné přeměny a skladování energie. Zdokonalujeme vodíkové technologie, výrobu paliv z odpadů a alternativní materiály pro fotovoltaiku – například organické nebo perovskitové solární články (perovskit je minerál s chemickým vzorcem CaTiO3, pozn. red.). Snažíme se též o vylepšení účinnosti stávajících křemíkových solárních článků.
Fotovoltaiku jste už zmiňoval jako náš nejvýznamnější zdroj obnovitelné energie. Máme tedy do budoucna počítat s poli plnými solárních panelů?
To rozhodně ne. Panely lze instalovat i jinde než na polích, zejména na střechách budov. Případné budoucí zvýšení účinnosti článků bude také znamenat menší nároky na plochu. Podstatné je však srovnání s možnostmi jiných obnovitelných zdrojů. Například pro využití větrné energie v Česku absolutně nejsou podmínky a stejně tak využití biomasy je ve větším měřítku problematické. Mezi obnovitelnými zdroji proto vede fotovoltaika.
Jedna ze zajímavých alternativ ke klasické výrobě elektřiny je pyrolýza biomasy. Jak moc se využívá? A mohly by u nás existovat elektrárny poháněné řasami nebo kvasinkami?
Pyrolýza je chemický proces probíhající za vysoké teploty bez přístupu kyslíku, čímž se zabrání hoření. Výsledným produktem mohou být topné oleje. Jak jsem již zmínil, obecně nedávám zpracování biomasy velké šance, celková účinnost je malá. V kontextu zastoupení v obnovitelných zdrojích bych její příspěvek odhadl maximálně na šestinu, což počítáno z dříve zmiňovaných optimistických třiceti procent, dává asi pět procent pokrytí celkových potřeb. To však neznamená, že bychom se takovým výzkumem neměli zabývat! Naopak, kouzlo základního výzkumu spočívá právě v tom, že nakonec zjistíme, že jsme se naprosto mýlili.
I přes rozvoj alternativních cest k získávání energie zřejmě prim minimálně několik příštích dekád bude hrát jádro. Na čem vědci pracují v této oblasti?
Vědci z Ústavu fyziky plazmatu AV ČR pracují v široké mezinárodní spolupráci na vývoji zdroje energie na principu takzvané jaderné fúze, který využívá jaderné reakce dodávající energii například Slunci. V pozemských podmínkách je velmi horké plazma, v němž tato reakce probíhá, drženo pomocí opravdu silných magnetických polí v zařízeních typu tokamak. Zmíněné pracoviště provozuje od roku 2008 tokamak COMPASS, ale ten bude za dva roky nahrazen novým tokamakem COMPASS-U, který bude představovat svými parametry světovou špičku. Počítá se, že bude řešit klíčové výzvy spojené s realizací evropského prototypu fúzní elektrárny DEMO. Komerční využití jaderné fúze, která představuje bezpečný, čistý a téměř nevyčerpatelný zdroj, předpokládáme po roce 2050. Vedle futuristických technologií se ale též řeší současná problematika, například zdokonalení metod pro posouzení seismické bezpečnosti.
To se děje jistě v reakci na havárii ve Fukušimě, kde elektrárnu zalila vlna tsunami vyvolaná silným zemětřesením asi 130 kilometrů od pobřeží Japonska.
Ne tak docela. Příčinou havárie ve Fukušimě nebylo nedostatečné seismické zabezpečení, nýbrž nešťastná shoda okolností, kdy došlo k zalití záložních dieselových agregátů a v důsledku toho k vysazení nouzového dochlazování. Havárie sama byla zvládnuta příkladně – přímo na místě nezemřel jediný člověk! Mnoho obětí však měla za následek následná překotná evakuace. Pod pojmem seismická bezpečnost mám na mysli širší kontext problematiky vibrací, otřesů a rázů, které mohou vznikat nejen přirozenou seismicitou, ale též technologiemi a činností člověka. Jaderná zařízení musejí být například odolná proti pádu letadla nebo teroristickému útoku. Takové podmínky lze jen těžko zkoumat experimentálně, proto se používají náročné počítačové simulace. A právě zdokonalování numerických modelů jsem měl při předchozí odpovědi na mysli.
Ničivé zemětřesení, pád letadla nebo útok jsou extrémy. Na denní bázi se ale určitě monitoruje třeba i takové obyčejné opotřebení materiálu nebo zkrátka jestli „všechna kolečka do sebe stále zapadají“.
Samozřejmě. Vedle numerických metod je třeba zmínit i pokročilé experimentální metody typu „structural health monitoring.“ Ty vyhodnocují in situ signály z deformačních a akustických snímačů v reálném čase. Pamatuji si na jeden zajímavý problém, na jehož řešení jsme se podíleli v devadesátých letech. V jaderné elektrárně Temelín docházelo k silným vibracím potrubních systémů. Příčina byla nejasná, proto se celé skupiny výpočtářů pustily do analýzy rezonančních frekvencí potrubí. Nakonec vyšlo najevo, že důvodem byla nevhodná konstrukce nových ventilů, které způsobovaly dynamické buzení.
Nejde jen o to, energii bezpečně vyrobit, ale také jak ji bez větších ztrát dopravit do domácností a tam s ní efektivně hospodařit…
Bezesporu. Narážíte zřejmě na takzvané chytré sítě a úsporné či „chytré“ budovy. Je pravda, že ve světě se jedná o jeden z módních inženýrských trendů. Měli bychom si však uvědomit, že domácnosti v Česku spotřebovávají asi jen čtvrtinu energie, mnohem méně než průmysl a doprava. A tak ačkoli šetření energií si většina lidí spojuje právě s představou funkce domácnosti, celkový efekt velký není. Z tohoto ale i z několika dalších důvodů jsem přesvědčen, že slibovaný pokles spotřeby, ke kterému se zavázala Evropská unie, nenastane. Minimálně s ním nelze počítat.
Má vlastně energie nějaké „datum spotřeby“? Jak dlouho vydrží uložená v různých médiích a liší se její stabilita podle toho, z jakého zdroje pochází?
Energii je možno skladovat po dobu minut, hodin, dní či měsíců. Orientační doby skladování jsou jedna hodina v superkapacitorech, jeden den v setrvačnících, jeden měsíc v bateriích a jeden rok v přečerpávacích nádržích. Jako dlouhodobé médium může sloužit vodík nebo stlačený plyn. Stabilita je rovněž důležitá. Významným stabilizačním prvkem je rotační setrvačnost, přesněji řečeno moment hybnosti uložený v točivých strojích, jako jsou turbíny a setrvačníky. Vzhledem k vysoké zásobě kinetické energie v takových strojích je frekvence a velikost proudu dodávaného do sítě prakticky konstantní. Stability lze dosáhnout i u jiných zdrojů, ovšem k tomu jsou zapotřebí pokročilé řídicí systémy. Problematika ukládání energie je možná nenápadná, ale o to významnější. Vědci vyvíjejí konstrukce nových baterií a ukládání mechanické energie v levitujících setrvačnících. Jedním z kvalitních nových výsledků práce Ústavu termomechaniky a Fyzikálního ústavu je technologie na výrobu kovových nanočástic, které nyní patentujeme a kterou lze použít v elektrolyzérech a palivových článcích vodíkových jednotek.
Jak z takové inovace bude moci těžit běžný člověk?
Tak například zmíněná technologie kovových nanočástic může snížit množství použitých drahých kovů, jako jsou platina nebo iridium, při zachování potřebných vlastností palivového článku. To znamená nižší náklady, a tudíž nižší cenu budoucích výrobků.
Dočkáme se někdy toho, že mobilní telefony vydrží nabité ne den, ale třeba měsíc? A jsou technologie dostatečně připravené na boom elektroaut?
Moc tomu nevěřím. Nevím ani, zda dojde k boomu elektroaut. Elektromobilita jako doplněk je vítaná, zejména ve městech. Jako základní způsob dopravy je to nesmysl.
Na co tedy automobily budou jezdit?
Buďme realističtí, benzin ničím nenahradíte. Osobně jsem přesvědčen o tom, že klasický spalovací motor bude vždy dobře sloužit. Uvědomme si, jakou neuvěřitelnou kariéru mají spalovací motory za sebou! Současné agregáty jsou výkonné, čisté a pracují nesmírně úsporně. To nemůže žádný elektromobil nikdy nahradit. Na druhou stranu, možná je to jako s „úspornými“ zářivkami. Ty posloužily jako užitečné překlenutí mezi neefektivními žárovkami a dříve nesmyslně drahými diodami LED. Možná že zrovna tak elektromobilita je překlenovací technologií mezi současnými auty na fosilní paliva a budoucími na vodíkový pohon. Koneckonců, vodíkový vůz je vlastně elektromobil, jenž si vozí palivo s sebou. Světové automobilky již na svých vodíkových autech pilně pracují.
Mnohé z řečených vědeckých výsledků spatřily světlo světa pod záštitou programu Strategie AV21 Účinná přeměna a skladování energie, jehož koordinátorem jste v uplynulých sedmi letech byl. Čeho se za během jeho fungování podařilo dosáhnout?
V první řadě se podařilo propojit ústavy Akademie věd na tématech, na kterých dříve nespolupracovaly. Spojení Ústavu termomechaniky s Ústavem informatiky například umožnilo vyvinout magnetorezistivní senzor, který má o dva řády vyšší frekvenční rozsah i přesnost oproti komerčním senzorům. Další plodná spolupráce vznikla mezi Ústavem chemických procesů a Ústavem makromolekulární chemie na vývoji membránových materiálů pro separaci oxidu uhličitého ze spalin. Další podobné projekty se podařilo rozběhnout jen díky financím ze Strategie AV21. A pak jsme také zejména v prvních letech díky sérii workshopů dostali do povědomí odborné veřejnosti v Česku úsilí Akademie věd v oblasti perspektivních technologií pro skladování energie, distribuovaných zdrojích a úložištích energie. Rádi bychom v této snaze pokračovali i nadále. Vedle obnovitelných zdrojů energie, vodíkových technologií a baterií pro skladování energie jsou diskutovanými tématy některé nové výzvy, jako jsou decentralizace energetiky, boj s klimatickou změnou, sociální aspekty energetiky či energetická a surovinová bezpečnost.
Na závěr trochu osobněji laděný dotaz. Co vás na vědě nejvíce baví a fascinuje?
Mým odborným zájmem byla vždy mechanika spojitých prostředí a numerické metody řešení rovnic, popisujících takové úlohy. Můj obor se stručně a prozaicky nazývá výpočtová mechanika. Nejznámějším oborem spadajícím pod výpočtovou mechaniku je matematické modelování proudění tekutin. Já jsem se však zabýval pevnými látkami. I ty se totiž chovají poddajně. Konkrétně se jednalo o plasticitu materiálů, tečení kovů za vysokých teplot, vibrace, akustické a šokové vlny. Mnoho z vyvinutých metod i materiálových modelů bylo použito pro teplotní, dynamické a pevnostní výpočty v energetickém průmyslu. Sám jsem řadu let prakticky počítal, především strojní součásti jaderných elektráren. Na vědě mě baví všechno. Pocházím z vědecké rodiny – oba mí rodiče byli chemici. Jejich příkladu jsem sice nenásledoval, ale zájem o vědu zůstal od dětství. Vedle nebezpečných domácích pokusů mě hodně ovlivnila kniha Jiřího Grygara Vesmír je náš svět. Hvězdářem jsem se sice nestal, ale i tak to stálo za to.
Text: Jana Bečvářová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
