Možnosti využívání alternativních zdrojů energie

Úvod

Alternativní zdroje v užším výkladu zpravidla chápeme jako zdroje obnovitelné (na bázi energie Slunce a Země) a jako netradiční využití paliv fosilního původu (syntetických paliv z uhlí, ropných, resp. bitumenických břidlic apod.).

Pro jednoznačné vymezení zájmového oboru se jedná o následující zařízení výroby, resp. přeměny na elektrickou energii, případně elektrickou energii a teplo:
- větrné elektrárny,
- sluneční a fotovoltaické elektrárny,
- geotermální elektrárny,
- vodní elektrárny,
- elektrárny s využitím biomasy a bioodpadů, tj. obnovitelné energetické zdroje (EOZ),
- elektrárny s využitím netradičních syntetických paliv (např. energoalkoholů, zkapalněných nebo zplyněných uhelných produktů, vodíku apod.).
Při dalších úvahách se zaměříme na zdroje obnovitelné, které je možné v našich podmínkách využívat reálně (tučně zvýrazněné).

Jestliže se u energetických zdrojů zdůrazňuje zejména ovlivnění dalšími faktory v kontextu - Energie, Ekologie, Ekonomie -, je důležité zdůraznit i závažnost dalšího faktoru, a tím je POLITIKA.

Protože ČR projevuje dlouhodobý zájem o vstup do EU, bude vhodné uvést několik faktorů týkajících se programů obnovitelných zdrojů (OZ) v EU:

Proklamativní cíl EU je stanoven na dosažení pokrytí hrubé spotřeby energie z obnovitelných zdrojů na úrovni 12 % OZ k roku 2010. V současné době jednotlivé členské země EU využívají OZ na různé úrovni (tab.1). Nutno podotknout, že největší měrou se při tom na pokrytí spotřeby energie na bázi OZ podílejí velké hydroenergetické zdroje.

V budoucnu půjde v Evropě o uplatnění těchto dalších OZ:
- Malých vodních elektráren (kategorie do 10 MWe a do 1 MWe). Bariérami uplatnění jsou kromě investiční náročnosti i širší ekologické souvislosti a legislativa.
- Slunečních fotovoltaických článků. Zatím patří k nejdražším OZ, zaujímají při své nižší účinnosti poměrně velkou plochu.
- Větrných instalací. Investičně jsou poměrně náročné, potenciál větru je omezen jen na velmi malá území a jsou zde často ekologické bariéry (např. při produkci elektřiny srovnatelné s produkcí vodních elektráren v ČR by musel být instalován výkon 1000 - 1500 MW, což by znamenalo umístění asi 3000 strojů po 500 kW).
- Elektráren na bázi biomasy. Při instalaci zdroje energie na minimálně 20 - 30 let to znamená zabezpečit dlouhodobé palivové základny. Pro odpadní biomasu, bioplyn apod. je realizace možná, ale často se jedná také o likvidaci obtížných odpadů. Při využití zemědělské půdy nelze do budoucna vyloučit kolizi s potravinovým programem při enormním zvětšování výměr pro energetické plodiny.

Tab. 1 - podíl obnovitelných zdrojů energie na hrubé domácí spotřebě (v procentech)
Zdroj: Eurostat


Vodní elektrárny

Z dosavadních poznatků plyne, že teoretický potenciál ČR reprezentuje ročně kolem 29,106 MWh vyrobených. Technicky lze využít asi 39 % tohoto potenciálu, odhadem se v současnosti využívá cca 37 % tohoto technického potenciálu (tzn. asi 14 % z teoretického hydropotenciálu ČR). Např. v r. 1997 dosahovala výroba z hydroelektráren v ČR 1,839.106 MWh. Na celkové bilanci roční výroby elektřiny se podílejí z 2,8 % (1997), je instalováno 1982 MWe.

Další masivnější využití hydropotenciálu ČR by si nyní vyžádalo značné zásahy do současné krajiny a muselo by se uskutečnit často v oblasti již vyhlášených CHKO a národních parků. Jisté možnosti se vyskytují ještě v oblasti malých vodních elektráren, ale ty mohou přispět pouze k lokálnímu odběru a celkovou bilanci vodních elektráren v ČR výrazněji neovlivní. Do budoucna se jeví žádoucí sledovat možnosti instalace perspektivních akumulačních elektráren pro rovnoměrnější pokrytí extrémů diagramu zatížení dostupnými místními zdroji elektřiny.


Větrné elektrárny

Technický potenciál větrné energie na území ČR je odhadován na úrovni 55,106 MWh ročně (v úrovni 10 m nad terénem). Obr. 1 ukazuje, které oblasti jsou pro využití větrné energie perspektivní. Technicky realizovatelný potenciál se pohybuje na úrovni 10 % z technického potenciálu. Při ročním využití instalovaného výkonu 16 % by celkový výkon dosáhl cca 400 MW a bylo by nutno vztyčit téměř 800 strojů s jednotlivým výkonem kolem 500 kW. Pro srovnání - aby instalovaný výkon větrné energetiky mohl aspirovat na dosažení současné úrovně výkonu vodních elektráren u nás, musel by se pohybovat na instalované úrovni 3000 - 3300 strojů (jednotkový výkon 500 kW, 16 % využití instalovaného výkonu).

V současné době je zatím největší instalovaný výkon větrných elektráren v Německu; jde o 2380 MW s převahou instalace ve větrně vydatných přímořských oblastech. Celkem je zde postaveno 5630 strojů (o jednotkovém výkonu 5 - 1500 kW). Rozloha Německa je přibližně 4,5x větší než ČR. Jaká je současná instalovaná kapacita větrných elektráren v Evropě, ukazuje obr. 2.

V ČR je v současnosti v provozu 7,24 MW větrných elektráren. Podle posledního průzkumu je vedle toho asi 1,25 MW elektráren utlumených z technických, ekonomických, popř. dalších příčin. Stav větrné energetiky tedy není příliš utěšený, protože k instalaci velkých větrných elektráren (nad 50 kW) u nás došlo až po roce 1990. Zhruba polovina provozovaného výkonu je tvořena stroji zahraniční provenience, druhá je od tuzemských dodavatelů. Hlubší rozbor této problematiky přesahuje rámec tohoto příspěvku. V žádném případě by však nemělo u nás docházet k zatracování této oblasti obnovitelných zdrojů. Spíše by se měly nalézt adekvátní podmínky pro efektivní vymezení možností užití větrných elektráren, aniž by se přitom přeceňovala možnost jejich rychlého zásahu do celkové bilance vyrobené elektřiny v ČR. V každém případě bude přínosem pečlivě analyzovat, které důsledky současného stavu jdou na vrub objektivních podmínek geografického teritoria ČR a které jsou typické pro specifický rozvoj instalací v této pro nás poměrně nové oblasti energetických zdrojů.


Biomasa

Využití biomasy přešlo z poměrně úzce zaměřeného využití pro výrobu tepla též do oblasti kombinované výroby elektřiny a tepla. V Evropě jsou ve využití biomasy pro energetické účely nejdále ve Švédsku, Finsku a Rakousku. V ČR představuje současný odhadovaný potenciál pevných spalitelných biopaliv asi 123,7 PJ (což by teoreticky reprezentovalo při kondenzační výrobě elektřiny 11,34.106 MWh). V současnosti činí vyrobené teplo z biomasy kolem 2,4 PJ.

Tento vysoký potenciál obnovitelného zdroje se může při výhodném lokálním využití prosazovat především pro úplné pokrytí tepla pro menší a střední spotřebitele. Do budoucna lze v energetice očekávat spalování směsí uhlí a biomasy, popř. dalších palivových směsí, kdy se může výhodně využívat kogenerace i trigenerace. Při úplném průniku biomasy do sektoru elektroenergetiky je však nutno konstatovat, že např. pro získání celoročního výkonu 100 MWe (6000 h, kondenzační výroba) by bylo třeba exploatovat odhadem 100 - 230 km2 cíleně pěstované biomasy (nejlépe centralizovaně, aby nevznikaly vysoké dopravní vícenáklady). Při takových zásazích do skladby porostu rozsáhlých území by se muselo dlouhodobě počítat se stabilizovanými monokulturami (životnost energetického zdroje veřejné energetiky činí nejméně 25 let).

Je tedy patrné, že při úvahách o významném použití biomasy ve větším měřítku v elektroenergetice je na místě dlouhodobě sledovat územní proporce oborů zemědělství - lesnictví - bioenergetika.


Přímé využití slunečního svitu (fotovoltaika - přímá přeměna sluneční energie na elektřinu)

V geografické oblasti ČR dosahují hustoty ročního slunečního svitu přes 1000 kW/m2 ročně (1100 - 1300 kW/m2). Nejsnazší využití slunečního svitu na teplo reprezentují sluneční kolektory (odhadem se takovým ohřevem získá 0,3 PJ ročně). Přímé přeměny na elektrickou energii lze docílit fotovoltaickými články, které při současné účinnosti přeměny energie 10 - 16 % dosahují měrných investičních nákladů nejméně 10x vyšších než je tomu např. u větrných elektráren. Masivnější rozšíření fotovoltaických článků lze očekávat v budoucnu při osvojení velkovýroby odolných slunečních článků pro běžné zákazníky, tj. zejména pro současné spotřebitele elektrické energie. Ti budou moci dosahovat úspor energie při provozování objektů (střechy, stěny apod.) opatřených fotovoltaickými panely. V současnosti se instalace článků u nás pohybují do úrovně několika kW (10 kW je instalováno v lokalitě Mravenečník).


Závěry

Z předchozí rozvahy vyplývá, že dlouhodobě (na nejbližších 10 - 20 let) bude nadále v bilanci výroby elektřiny v ČR zachován zajímavý podíl obnovitelných zdrojů prostřednictvím vodních elektráren (úroveň 2 – 3%).

Další možnosti přinese v nejbližší budoucnosti jednak aplikace biomasy ve větších zdrojích, zejména jako přídavek do uhelných, popř. dalších palivových směsí, a využití větrných elektráren. Místně se budou realizovat demonstrační projekty s uplatněním fotovoltaických panelů s přímou přeměnou slunečního svitu na elektřinu.

Výraznější využití biomasy a energie Slunce se projeví využitím tepla pro otop a ohřev vody.

Je žádoucí poukázat na zásadní omezení, jímž je vedle bilancování energie obnovitelných zdrojů (ve smyslu postupu od teoretického potenciálu po využitelný potenciál) množství energie, která je k dispozici pro odpovídající technické řešení. Tímto omezením je výkonová hustota obnovitelných zdrojů.

V tab. 2 jsou uvedeny výkonové hustoty jednotlivých zdrojů za specifikovaných podmínek. V našich středoevropských poměrech je sice zajímavá energie větru a slunečního záření, ale jak vidíme v tabulce, výkonové hustoty těchto zdrojů jsou obecně velmi nízké a vynucují si nárůst rozměrů zařízení, sloužících pro koncentraci tohoto rozptýleného energetického toku a jeho následné využití k přeměně na energii elektrickou.

Jak poukázali badatelé N. A. Umov a J. N. Poynting již na počátku tohoto století, je třeba respektovat limitované hustoty energetického toku libovolných energetických zdrojů stejně jako jejich přeměn při výrobě elektřiny pro následné využití (v síti nebo v blízkosti místa výroby).

Postup technického vývoje vedl ke stanovení velikosti jednotlivých zařízení do určitého mezního optima. Např. výkon největších parních turbín se zastavil u 1500 MW a dieselových motorů u 40 MW. Linky v elektrické přenosové soustavě lze bezpečně a ekonomicky stavět do napětí 1500 kV. Podobně tomu bude i u větrných elektráren a jiných zařízení využívajících obnovitelné zdroje energie. Když uvedené meze překročíme, narazíme na řešení neadekvátních technických a ekonomických překážek při využití provozně dostupných technologií. To pak znamená, že při potřebě většího elektrického výkonu jsou zapotřebí velké zábory plochy a nezbývá než pro globální měřítko využití kalkulovat např. s mnoha km2 solárních článků na Sahaře nebo na oběžné dráze Země.

I když obnovitelné zdroje zůstanou v ČR v nejbližších asi 20 letech v bilanci výroby elektřiny na úrovni jen několika procent, dojde při započtení získané tepelné energie k významnému ušetření paliva fosilního původu.

Publikované prognózy pro rok 2020 napovídají, že při poklesu světových zásob ropy a zemního plynu a po překonání řady současných technických a zejména ekonomických problémů by se do roku 2040 - 2060 měly podstatněji rozvíjet obnovitelné zdroje pro získávání elektřiny a tepla (Obr. 3, prognózy World Energy Council, Shell aj.).

Růst světové populace pochopitelně povede k tlaku na krytí potřeb lidstva ze zdrojů energie, jejichž exploatace nemá tak významný vliv na okolí, jak je tomu u paliv fosilního původu vůči ovzduší s následným nárůstem přídavného skleníkového efektu.

Nicméně je nadále nutné počítat se zdokonalováním spalovacích procesů při růstu účinnosti výroby elektřiny prosazováním palivových článků do sféry služeb a průmyslu i rozvojem technologií využití jádra atomů nejen na uranové bázi. Zejména poznatky o aplikaci technologie fúze mohou již v tomto století přispět ke kvalitativnímu skoku v řešení pokrytí potřeby energie. Specifické místo zaujímá rozvoj akumulace tepelné a elektrické energie při řešení nesoudobosti výroby a spotřeby, což má značný význam i pro další uplatnění obnovitelných zdrojů energie (zejména větru, slunečního svitu) v lokálním a postupně globálním měřítku.


Literatura

Komise evropských společenství: Energie pro budoucnost - obnovitelné zdroje energie, účelová publikace, Brusel 1996.
Roční zpráva o provozu ES ČR, ČEZ, a. s., 1997
Vodní elektrárny, účelová publikace ČEZ, 1989
Tintěra, L.: Průběžná řešitelská informace - sdělení, Seven, 03/99.
Otčenášek, P.: Volba zdrojů elektrické energie pro ČR, studie, 1997.
Kutil, A.: Energetický potenciál biomasy v ČR, sborník z konference Biomasa pro energii v obcích a městech ČR s využitím zahraničních zkušeností, s. 34 - 37, Praha 1998.