Možné cesty k nízkoemisní energetice

To, že průmyslové emise zvyšují poměrně dramaticky množství oxidu uhličitého v atmosféře, je velice přesně měřeno a spolehlivě prokázáno. Antropogenní původ nárůstu oxidu uhličitého potvrzuje i srovnání poměru radioaktivního a stabilního uhlíku, které umožňuje studovat původ uhlíku a jeho transport v životním prostředí. Poměrně dost toho víme i o vývoji množství oxidu uhličitého v historii, i když pochopitelně s daleko menší přesností. Také růst globální teploty v minulém a tomto století je dobře potvrzen stále se zpřesňujícími měřeními.

Vývoj množství oxidu uhličitého v atmosféře ukazuje velice rychlý růst způsobený jeho antropogenními zdroji. V tomto roce byla dosažena hodnota 405 ppm. (Zdroj NOAA).

Je vidět, že roste nejen množství oxidu uhličitého, ale i rychlost jeho růstu. V posledních dvou letech byl absolutně rekordní.

Pozn.: Parts per million (z angličtiny, česky „dílů či částic na jeden milion“), zkráceně též ppm, je výraz pro jednu miliontinu (celku); někdy je tento výraz odvozován i z latinského pars per milion.

Je nutné si uvědomit, že právě využití fosilních zdrojů a dostatek energie umožnilo dramatické zvýšení životní úrovně obyvatelstva i možností čelit různým katastrofám a řešit jejich následky. Vidíme, že sociální kolapsy způsobené právě i nedostatkem zdrojů energie mají řádově větší dopady než i největší průmyslové havárie.

Proto se může ukázat, že méně negativních dopadů bude mít efektivní využití i fosilních zdrojů k nalezení a vybudování opatření, které nám umožní negativním dopadům změn klimatu čelit. A je to určitě lepší řešení, než návrhy k návratu způsobu života k předprůmyslové éře, které se také objevují. Řádové snížení počtu obyvatel, které by to vyžadovalo, by opravdu nemohlo proběhnout humánním způsobem. Na druhé straně je však jasné, že každé snížení závislosti na fosilních palivech, které nevede k dramatickým rizikům pro stabilitu společnosti, je vítané.

Úspěšné cesty k nízkoemisní elektroenergetice

V současné době se fosilní paliva podílí na celkově energetické potřebě lidstva z více než 80 % a produkci elektřiny zajišťují z více než 65 %. V roce 2015 se produkovalo 16 % elektřiny z vody, 11 % z jádra a jen 7 % z obnovitelných zdrojů jiných než voda (z toho bylo 3 % z větru a 1 % z fotovoltaiky).

Nejperspektivnějším směrem přechodu od fosilních paliv v dopravě se zdá být její elektrifikace a jednou z nejekologičtějších možností, která umožňuje odstranění emisí spojených se zajištěním tepelné pohody, je využití elektřiny nebo tepelných čerpadel, která elektřinu potřebují.

Nízkoemisní elektroenergetiku se podařilo vybudovat jednomu z největších evropských států. Francie dokázala v průběhu zhruba deseti let vybudovat jadernou energetiku, která má nyní 58 reaktorů s celkovým výkonem 63 GWe, a od začátku devadesátých let produkuje přes 70 % elektřiny v tomto státě. V době jejich uvádění do provozu zde klesaly celkové emise oxidu uhličitého průměrně o 2 % ročně. Součinnost jádra s obnovitelnými zdroji umožňuje již více než čtvrt století fungování francouzské elektroenergetiky s minimem fosilních zdrojů a tedy i minimální produkcí oxidu uhličitého. Velmi vysoký podíl jaderných bloků vede k tomu, že Francie musela využívat reaktory nejen v základním režimu, ale i pro regulaci. V praxi tak vyvracely a vyvracejí mýtus, že jaderné reaktory regulovat nemohou. V roce 2022 se chce Francie úplně obejít bez uhelných elektráren.

Produkce oxidu uhličitého v elektroenergetice v Evropě v podzimní době, kdy fouká spíše méně, ukazuje, jaká je situace u různých evropských států. Čím zelenější, tím menší produkce oxidu uhličitého na jednotku vyrobené elektřiny. Čím tmavší hnědá až černá, tím je produkce vyšší. (Zdroj https://electricitymap.tmrow.co/)

Kanadská provincie Ontario se v roce 2014 zcela zbavila uhelných zdrojů v elektroenergetice a i využití plynu při výrobě elektřiny je minimální. I když ještě v roce 2003 byla z uhlí čtvrtina elektřiny. Stala se tak příkladem velice úspěšné cesty k nízkoemisní elektroenergetice. Tato cesta byla nastoupena již v sedmdesátých a osmdesátých letech, kdy se v Kanadě vybudovala jaderná energetika založená na domácích reaktorech chlazených těžkou vodou typu CANDU. Jejich „Energiewende“ byla dominantně zajištěna rekonstrukcí stávajících jaderných elektráren s reaktory CANDU, která umožnila zvýšení jejich elektrického výkonu a zajištění prodloužení jejich provozování o další čtvrtstoletí.

Kanada má v současnosti 19 reaktorů s celkovým výkonem 13,5 GWe, které doplňuje efektivně využívanými obnovitelnými zdroji, založenými hlavně na vodě a biomase, pro které má velmi velký potenciál. V roce 2014 vyrobily jaderné bloky 62 % elektřiny v provincii Ontario, což je moderní, technologicky vyspělý region s 13,4 miliony obyvatel. Jedná se o ekvivalent státu velikosti Česka či jiných středně velkých států v Evropě. Jasně se tak ukázalo, že pro takové státy existuje efektivní a poměrně rychlá cesta k elektroenergetice úplně bez uhlí a se zanedbatelným podílem fosilních zdrojů.

Ve Švédsku, Švýcarsku a Slovensku se výborně doplňují jaderné a obnovitelné zdroje. Podle konkrétních podmínek daného roku v nich jaderné zdroje produkují mezi 40 až 50 % elektřiny. Ve všech těchto státech využívají geografické podmínky ideální pro využívání vodní energie. Na Slovensku je to třeba známá Vážská kaskáda. Ve Švédsku pak mohou využít rozsáhlé lesní hospodaření jako zdroj biomasy a ideální větrné podmínky v řadě míst u mořského pobřeží. Všechno zmíněné vede k tomu, že využití fosilních zdrojů pro výrobu elektřiny je zanedbatelné nebo velmi nízké. Na Slovensku, které má v současností 87 % elektřiny z nízkoemisních zdrojů (výsledek roku 2014), se situace ještě více zlepší po zprovoznění dvou nových reaktorů jaderné elektrárny Mochovce.

Velkou část nízkoemisní elektřiny v Belgii produkují jaderné bloky. Na fotografii je elektrárna Tihange. (Zdroj Electrabel)

Ve Švédsku se přechod k nízkoemisní energetice uskutečnil během zhruba deseti let na přelomu sedmdesátých a osmdesátých let a ve Švýcarsku pak v sedmdesátých letech. V té době klesala produkce oxidu uhličitého v těchto státech o 3 % ročně.

Desetiletí stačilo třeba i k tomu, že jaderná energetika v Belgii, vybudovaná na přelomu sedmdesátých a osmdesátých let, mohla produkovat přes 50 % elektřiny z jaderných zdrojů.

Švédsko, Švýcarsko a Belgie jsou také příkladem toho, k čemu vedou nastavené priority. Jejich hlavní prioritou je nezvyšování produkce elektřiny fosilními zdroji. I když tedy tyto státy vyhlásily v různých dobách odchod od jádra, tak po zjištění, že by jeho náhradou byly zdroje fosilní, od konkrétních kroků v tomto směru ustoupily. Naposledy se tomu stalo v Belgii. A to i v situaci, kdy se tato země u svých jaderných bloků potýkala v posledním roce s řadou problémů.

Nový blok v elektrárně Flamanville, který by měl být dokončený v roce 2018 je prvním z generace III, která má postupně nahradit ty současné (zdroj EDF).

Cestou energetického mixu založeném na jaderných a obnovitelných zdrojích se vydali i Finsko a Velká Británie, i když je třeba zdůraznit, že se na této cestě setkávají s řadou problémů.

Ve Velké Británii se daří udržovat v provozu stárnoucí flotilu plynem chlazených bloků, která nyní produkuje 18 % elektřiny. Zároveň se staví řada větrných turbín v pobřežních vodách i na pevnině a také se instalují fotovoltaické panely. Zvýšené využití plynových elektráren a náhrada uhlí spalováním dřeva pak umožnilo splnit velice striktní cíle na snížení emisí oxidu uhličitého. Velká Británie plánuje do roku 2025 odstavit všechny uhelné elektrárny. Je však třeba zdůraznit, že náhrada uhlí dováženými dřevěnými peletami není ekologickým řešením.

Prozatím neúspěšné cesty k nízkoemisní elektroenergetice

Jako příklady nepříliš úspěšné cesty k nízkoemisní energetice může sloužit Německo a Dánsko. Německá Energiewende má jako prioritní cíl odstavení jaderných elektráren. V tomto směru se plní velice dobře. Z hlediska snižování emisí však prozatím úspěšná není. Výsledkem je, že i přes intenzivní budování obnovitelných zdrojů je snižování produkce fosilní elektřiny jen velmi pomalé. Zatímco v Ontariu skončili s produkcí uhelné elektřiny a ve Francii mají minimum fosilních zdrojů a s uhlím plánují úplně skončit za pár let, v Německu se patnáct let po zahájení Energiewende v roce 2016 (podle serveru Agora) vyrobilo 43,3 % elektřiny z uhlí. Německo je tak největším evropským producentem emisí a vysoké emise má i v přepočtu na obyvatele. Nízkoemisní nefosilní zdroje dodaly dohromady pouze 48,2 %, fosilní zdroje pak 51,8 %. Obnovitelné zdroje dodaly 33,5 % a jaderné pořád ještě 14,8 %. Největší část obnovitelné elektřiny pak dodaly větrné turbíny hlavně u pobřeží, bylo to 14,4 %.

Nová moderní černouhelná elektrárna Moorburg, která v Hamburku nahradila jaderný zdroj (zdroj Wikimedie, Ajepbah).

Německo dokončuje jednu uhelnou elektrárnu za druhou. Tento trend a ekologické problémy německé Energiewende charakterizuje nedávné spuštění jedné z největších německých uhelných elektráren v hanzovním městě Hamburk. První blok v elektrárně Moorburg byl připojen k síti v únoru 2015, kdy začal pracovat blok Moorburg B. Další blok Moorburg A se pak rozběhl v srpnu 2015. Celkový elektrický výkon elektrárny je 1 650 MWe a každý z jejich dvou komínů ční do výšky 102 m. Rozhodnutí o postavení této elektrárny padlo v roce 2006, kdy už šest let v Německu probíhala Energiewende. Bylo tak jasné, že po odstavení jaderných bloků bude potřeba jejich produkci nahradit. Na severu Německa, kde leží i Hamburg, je možné intenzivně a efektivně využívat větrné elektrárny a nevzniká také velký problém s transportem této elektřiny, jako například v případě Bavorska.

Protože se však i zde intenzita větru s časem velmi značně mění a nejsou vzácná ani období, kdy fouká velmi málo, je potřeba mít zdroje, které za větrné elektrárny v případě potřeby zaskočí. A to dost často a hlavně rychle. Tento hlavní úkol ovlivnil i konstrukci nové uhelné elektrárny. Elektrárna dokáže měnit výkon až o 600 MWe za čtvrt hodiny. Její hlavní vlastností je možnost velice rychlé změny výkonu reagující na proměnnou větrnou situaci. Rychlé změny spalování, produkce tepla i práce turbíny kladou obrovské nároky na konstrukci. Flexibilitě jsou tak do značné míry obětovány snahy o co největší účinnost a společnou výrobu elektřiny a tepla. I tak však je účinnost vysokých 46 % a v ideálních podmínkách může dodávat elektrárna do systémů rozvodu centrálního zásobování teplem výkon okolo 650 MWt. Splnění špičkových parametrů a vysokých nároků na snížení emisí (čištění spalin probíhá ve třech stupních) vedlo k tomu, že zpoždění ve výstavbě bylo dva roky a cena elektrárny vystoupala na zhruba 3 miliardy EUR (zhruba 80 miliard korun).

Uhelná elektrárna Neurath patří k největším v Evropě (zdroj Wikimedia).

Je třeba také zmínit, že uhelné bloky musí být částečně v provozu i v době, kdy je větrná situace dobrá. Tyto stabilní a spolehlivé zdroje musí udržovat stabilitu sítě, případně musí být v horké záloze. Musí tak být provozovány, i když třeba na nižším výkonu. V případě plného využití dodá elektrárna 11 TWh elektřiny ročně a vyprodukuje 8,7 milionů tun oxidu uhličitého. Protože však bude využívána pro regulaci, předpokládá se, že jejich koeficient využití bude zhruba poloviční. Dodá tak něco přes 5 TWh a emise oxidu uhličitého budou 4 milióny tun oxidu uhličitého. Pro provoz se bude využívat černé uhlí dovážené námořními loděmi. Jeho spotřeba bude při plném provozu zhruba 4,2 milionů tun uhlí, tedy více než 450 tun uhlí za hodinu.

Projekt je další v řadě budovaných uhelných elektráren, které jsou součástí probíhající německé Energiewende. Jejím nejviditelnějším příkladem je postavení dvou uhelných bloků s výkonem 1 100 MWe v elektrárně Neurath, ve které se nyní nachází celkově sedm bloků a tato uhelná elektrárna se tak svým celkovým výkonem 4 400 MWe stala druhou největší uhelnou elektrárnou v Evropě, a pochopitelně s odpovídajícími emisemi. Dokončen je již i jeden blok o výkonu 731 MWe v elektrárně Wilhelmshaven i blok o výkonu 1 055 MWe v elektrárně Datteln.

Původně se předpokládalo, že jaderné elektrárny a staré uhelné elektrárny budou nahrazovat kromě obnovitelných zdrojů hlavně elektrárny plynové. Ovšem v posledních letech se z finančních důvodů odstavování starých uhelných bloků zpozdilo. Neprovozují se ani nové plynové bloky a v Německu už více než pět let opět roste podíl uhelných elektráren na produkci elektřiny. Uhelné bloky umožňují udržovat nízké ceny elektřiny na burze a umožňují zpomalit zvyšování cen elektřiny pro spotřebitele způsobené růstem dotací do obnovitelných zdrojů a dalších nákladů Energiewende. Nové uhelné bloky většinou využívají dovezené černé uhlí, ale ty starší, jejichž provoz se prodlužuje, využívají uhlí hnědé a Německo tak likviduje další vesnice i v době, kdy je u nás chrání limity. Německo těží téměř 200 milionů tun hnědého uhlí ročně a od roku 1990 zde padla za oběť těžby řada obcí, například Lakona, Horno a další. A kvůli Energiewende jich nejspíše ještě několik padne.

Dominantním obnovitelným zdrojem německé Energiewende je elektřina z větrných turbín na severu země. Na obrázku větrná farma Borkum Riffgrund 1. (Zdroj Dong Energy)

Hlavní odstavování jaderných bloků, které se bude týkat dominantně Bavorska, však teprve začíná. První předzvěstí je odstavení jaderné elektrárny Grafenrheinfeld v roce 2015 s výkonem 1 345 MWe, v roce 2017 se odstavil blok Gundremmingen B. Doposud v jedné z nejprůmyslovějších spolkových zemí Německa dodávalo jádro okolo 50 % elektřiny. Ta bude muset být vyrobena jinak. Předpokládalo se, že tato elektřina bude nahrazena importem větrné elektřiny ze severu a plynovými zdroji v Bavorsku. Ovšem vysokonapěťová vedení, která měla zajistit dopravu větrné elektřiny ze severu Německa do Bavorska, zatím nejsou ani v projektové fázi. Po naplánování přesnější trasy prvního z nich se zvedla obrovská vlna odporu tisíců majitelů dotčených pozemků hlavně v Bavorsku. Bavorští politici tak kladou stavbě vedení značný odpor. Ten se zmírnil jedině příslibem, že většina vedení bude podzemní. Je však otázkou, jak se bude postoj veřejnosti měnit, až majitelé pozemků zjistí, co reálně umístění vedení pro jejich využívání znamená. Zároveň se náklady na projekt mohou zvýšit až řádově a značně se prodlouží doba výstavby. Cena, která se pochopitelně promítne do ceny elektřiny pro spotřebitele, a termín, kdy bude vedení k dispozici, jsou tak velmi nejisté. Je dost pravděpodobné, že pro udržení rozumné ceny elektřiny pro spotřebitele bude muset Bavorsko také více spoléhat na uhlí než na plyn.

Tato situace už dospěla tak daleko, že i proponenti Energiewende si uvědomují, že bez radikálních kroků v elektroenergetice Německo nesplní svůj závazek snížení emisí oxidu uhličitého o 40 % oproti roku 1990 do roku 2020. Náročnost úkolu je vidět i z toho, že kvůli velmi omezenému snižování emisí v minulých letech se pro jeho splnění musí v tomto a následujících letech snižovat produkce oxidu uhličitého ročně o tři procenta. V roce 2015 však došlo ke snížení pouze o 1,5 % a v roce 2016 dokonce emise stouply.

Úspěšnost Energiewende z pohledu emisí oxidu uhličitého.

Od začátku Energiewende v roce 2000 za patnáct let se podařilo emise oxidu uhličitého snížit pouze o 13 %. To znamená, že ročně se snižovalo průměrně o méně než 1 %. Pro srovnání lze uvést, že během přechodu k nízkoemisní energetice založené na jádře se v zemích jako Francie, Švédsko, Švýcarsko a Belgie snižovaly v daném desetiletí emise o 2 až 3 % ročně. Zatímco Česká republika dosáhne spolehlivě i díky Temelínu poklesu emisí oproti roku 1990 o 40 %, Německu se to s velkou pravděpodobností nepodaří. (Zdroj Agora.)

Zelené představy o potenciálu úspor ze zateplování či zvyšování efektivity se nedaří i přes značnou podporu a dotace plnit. Úplnou záhadou je, jak se podaří snížit produkce oxidu uhličitého o 22 milionů tun v elektroenergetice. Pro splnění tohoto cíle přikázal ministr hospodářství odstavit osm nejstarších hnědouhelných elektráren s celkovým výkonem 3 GWe. Odpovídající snížení oxidu uhličitého však určitě nestačí a navíc je třeba počítat s emisemi popsaných nových bloků, které se dostávají do provozu.

V Německu se v posledních letech pozoruje velký přebytek výkonu a tlak na export elektřiny. Je třeba připomenout, že jde o zákonitý projev Energiewende. Jestliže se má maximalizovat produkce větrné a solární elektřiny, musí být v každém tomto zdroji celkový výkon schopný v pro něj dobrých podmínkách pokrýt i celý potřebný výkon. Zároveň však musí být i výkon fosilních bloků, který pokryje celý potřebný výkon v době, kdy nesvítí a nefouká.

Na každý potřebný megawatt výkonu tak musí být tři elektrárny, sluneční, větrná a fosilní. Zároveň však část fosilních stabilních bloků musí být v provozu alespoň na část výkonu i v době dobrých podmínek pro sluneční a větrné zdroje, aby udržela stabilitu sítě a bylo možné ji regulovat. Takže velký přebytek výkonu a snaha exportovat přebytečnou nejen obnovitelnou, ale i fosilní elektřinu, je pro takový systém nutností.

Velice dobře je to vidět na Dánsku, aby docílilo toho, že zde vítr může mít podíl přes 40 % elektřiny z větru, produkuje někdy jen ve větru 135 % svých potřeb. A v té době řada jejich fosilních elektráren stojí nebo jede na minimální výkon. Tedy má nutně velký přebytek výkonu a musí mít možnost přebytečnou elektřinu ve větrné době někam vyvézt. Naopak potřebuje v době bezvětří odněkud tu elektřinu dovézt. Dánská energetická koncepce je založena na velkém přebytku výkonu a zároveň také na intenzivním využívání sousedů. V posledních letech navíc došlo k tomu, že se Dánsko stalo čistým importérem elektřiny a čistý roční dovoz činí desítky procent potřeby.

Připomeňme si stanovené cíle v podílu nízkoemisní elektroenergetiky v Německu. Zvýšení podílu elektřiny z obnovitelných zdrojů na celkové hrubé spotřebě elektřiny na 35 procent do roku 2020, do roku 2030 na 50 procent, do roku 2040 na 65 procent a do roku 2050 na 80 procent. Je otázka, zda jsou tyto cíle reálné. I když by se je však Německu podařilo uskutečnit, ani v roce 2050 nedosáhne takového podílu nizkoemisních zdrojů, jaké měly státy zmiňované v předchozí části již před třiceti lety. Cíle ve snížení emisí v elektroenergetice, které se Francii podařilo dosáhnout v jednom desetiletí, nenaplní Německo ani po půl století intenzivní Energiewende.

Průběh Energiewende z hlediska emisí oxidu uhličitého v sektoru výroby elektřiny.