10 způsobů, jak v zimě zajistit dostatek nízkoemisní energie

Většině čtenářů se nejspíš jako první vybaví obnovitelné zdroje v kombinaci s akumulací. Fotovoltaiku na každou střechu, k tomu pár větrníků, z letních přebytků vyrobit na zimu vodík a máme vyřešeno.

V předchozím článku jsme si ale ukázali, že dlouhodobá akumulace elektřiny je drahá, složitá a z důvodu vysokých ztrát není ekologická. Akumulace zvyšuje spotřebu energie. Sezónní akumulace elektřiny s nízkou účinností ji pak zvyšuje několikanásobně. Za těchto okolností budeme rádi za každou kilowatthodinu, kterou nebudeme muset akumulovat.

Zároveň získávání elektřiny nebo mechanické energie z fosilních paliv, jak jsme zvyklí, je také mimořádně neefektivní. Jenže paliva jsou tak koncentrovaným zdrojem energie, že nízká účinnost nevadí – dokud nezačneme brát ohled na životní prostředí.

Proto v následujícím přehledu vynecháme téměř všechna fosilní paliva i většinu sezónní akumulace.

Jak tedy s důrazem na nízkoemisní zdroje ustát zimu?

Možností je mnoho a řadu z nich využíváme už dnes. Ani jedna z nich není sama o sobě zázračná, dostatečná nebo samospásná, ale jejich kombinace je jednodušší, účinnější a levnější, než zdánlivě univerzální řešení v podobě obnovitelných zdrojů a velkokapacitní akumulace elektřiny. A širší portfolio je díky své různorodosti také stabilnější a bezpečnější.

I. Úspory energie a energetická účinnost

Tento nudný a naprosto banální krok, který se v médiích neustále opakuje, je ve skutečnosti zcela zásadním hybatelem energetiky, který určuje všechno ostatní. Spotřeba energie je hlavním měřítkem, které určuje, jak výkonná energetika bude nutná. Je to spotřeba energie, která určuje, kolik materiálů bude potřeba vytěžit, zpracovat, dovézt, kolik zdrojů bude nutné instalovat, udržovat, opravovat, demontovat a zlikvidovat/ recyklovat a kolik u toho všeho vznikne odpadu.

Rostoucí spotřeba energie znamená, že i když budeme překotně stavět novou fotovoltaiku a větrníky, pořád nebudou stačit. I když se bude jednat o zdroje obnovitelné, vyšší spotřeba je a priori neekologická.

Nižší spotřeba energie naopak znamená, že potřebujeme méně zdrojů. To je zcela zásadní, protože méně zdrojů znamená vyšší soběstačnost, energetickou bezpečnost, menší náklady, méně odpadů a menší dopad na životní prostředí.

Snížit spotřebu lze:

1. omezením poptávky, tedy „chtít méně“,
2. zvýšením účinnosti, tedy stejnou službu zajistit s menším množstvím energie.

Pro skutečné snížení spotřeby jsou nutné oba přístupy. Jinak efektivnější technologie povedou ke svému nadužívání a konečná spotřeba neklesne.

Můžeme samozřejmě argumentovat, že určitá úroveň spotřeby přispívá k vyššímu štěstí a prodlužuje lidské životy. Ale i pokud tuto úroveň vezmeme v úvahu, ve vyspělých zemích zcela jistě leží hluboko pod současným plýtváním.

II. Elektrifikace

Elektrifikace umožňuje daleko přesnější dávkování i řízení energie a omezení plýtvání. Elektromobil i tepelné čerpadlo spotřebují méně primární energie, než jejich spalovací protějšky a dají se napájet z bezemisních zdrojů. Elektrifikovat lze i další uhlíkově náročné sektory, například výrobu oceli.

Elektrifikace díky vyšší účinnosti znamená snížení spotřeby primární energie, ovšem při současném zvýšení spotřeby elektřiny. Proto budeme potřebovat mnoho nových bezemisních zdrojů elektřiny.

III. Co nejširší portfolio obnovitelných zdrojů

Solární, vodní a větrné elektrárny mají mnoho výhod, ale ta hlavní je, že k výrobě elektřiny nepotřebují palivo. Odpadá u nich kompletní řetězec těžby, zpracování a dopravy paliva, který je potřeba u všech ostatních zdrojů. Kde se postaví, tam začnou za příznivého počasí vyrábět elektřinu a nic dalšího k tomu nepotřebují.

Snižují závislost na dovozu paliv, rychle se staví a jejich provozní náklady jsou ve srovnání s ostatními zdroji zanedbatelné. Díky tomu, že nespalují, nevypouští žádné emise. To jsou skvělé vlastnosti, které je vhodné využít v co největší míře. Různé druhy obnovitelných zdrojů se navíc doplňují. V létě je víc slunce, v zimě více větru.

I pokud zohledníme územní a technické limity, potenciál pro nové fotovoltaické a větrné elektrárny v ČR pořád čítá desítky gigawattů nového výkonu.

IV. Řiditelné zdroje energie včetně jádra

Vzhledem k nízké účinnosti sezónních elektrických akumulátorů dává mnohem větší smysl investice do zdrojů elektřiny, které jsou dostupné i v zimě. Náklady finanční, technologické i materiální – a tím i ekologické – na výrobu jedné terawatthodiny jsou nesrovnatelně nižší než náklady na její uložení.

Cena sezónních elektrických akumulátorů je tak vysoká, že nikdo neví, jaká by vlastně byla. Kdo si myslí, že ano, připomínám z minulého článku ekvivalent 37 největších vodíkových úložišť na světě potřebných na uložení produkce jednoho českého Temelína. Ve světle takových nákladů vypadají veškeré jaderné technologie, včetně maximálních bezpečnostních nároků, recyklace paliva nebo jaderné fúze, najednou docela přijatelně.

Ano jaderné zdroje jsou extrémně drahé, jejich stavba trvá běžně 15 a více let a každá jaderná katastrofa nebo únik radiace ve světě tyto náklady a dobu výstavby dále zvýší. Výroba obnovitelných zdrojů navíc ekonomiku jaderných elektráren dále zhoršuje. Ale jaká je zimní alternativa pro elektrifikovanou společnost?

Sezonní akumulace elektřiny v řádu terawatthodin je náročnější, dražší i méně ekologická. Zemní plyn je skvělý, ale vezmeme-li v úvahu celý řetězec tohoto paliva včetně těžby a dopravy, je jeho dopad na globální oteplování srovnatelný s uhlím, nehledě na geopolitické souvislosti.

Kromě jaderných technologií jsou dalšími řiditelnými zdroji nízkoemisní energie také biomasa, vodní elektrárny nebo geotermální energie. Potenciál pro geotermální a vodní zdroje je v ČR spíše omezený, zbývá tedy biomasa. Zde je poměrně slušný prostor na výrobu biometanu, nebo u dřevních paliv pro nízkoemisní vytápění. Biomasa je tedy dobrá a v ČR dostupná. Chceme-li ale, aby její využívání bylo udržitelné, nejde zimní zálohu postavit pouze na biomase. Samostatnou kapitolu potom tvoří odpady, viz níže.

Čím více máme řiditelných nízkoemisních zdrojů, tím méně elektřiny potřebujeme akumulovat, tím menší máme ztráty, a tedy i spotřebu energie.

V. Sítě, propojení a dovoz

Čím větší území uvažujeme, tím kratší je období v roce, kdy vůbec nefouká nebo nesvítí. Jinak řečeno, zatímco v ČR může období, kdy je bezvětří a zataženo (německy zvané „Dunkelflaute“), trvat klidně dva týdny, z pohledu celé Evropy bude takové období trvat nejspíš jen pár hodin. Posílení elektrizační soustavy by usnadnilo přepravu elektřiny mezi vzdálenějšími regiony.

Silnější vedení má dvě hlavní výhody. Za prvé umožní lépe využívat přebytky výroby z obnovitelných zdrojů – silnější vedení přenese přebytky k většímu množství odběratelů. Za druhé zvyšuje odolnost jednotlivých oblastí proti lokálním výpadkům elektřiny. A to jak během temného bezvětří, tak během živelních pohrom.

VI. Flexibilita a řízení poptávky

Nezáleží jen na velikosti spotřeby energie, ale i na jejím průběhu. Flexibilita umožňuje posun spotřeby v čase, snížení odběrových špiček a tím i snížení nároků na zdroje a sítě. Snížíme-li maximální zatížení, budeme potřebovat méně zdrojů a akumulace.

Flexibilní spotřebu lze také posunout do doby, kdy je dostatek nebo rovnou přebytek výroby z obnovitelných zdrojů a tím jejich výrobu zužitkovat co nejúčinněji, tzn. přímo.

VII. Krátkodobá akumulace

S rozvojem průmyslové a domácí fotovoltaiky a elektromobilů bude přibývat i množství baterií připojených k síti, stejně jako větších stacionárních akumulátorů. Tyto baterie jednak pomohou vykrýt krátkodobé špičky v odběru a pomohou získat čas při krizových stavech v síti.

A jednak umožní přenést přebytek elektřiny ze zimního slunečného dne na zimní noc. Nebude se jednat o zásobu energie na týden, ale tyto akumulátory síti umožní odlehčit vedení v nejkritičtějších chvílích a získají čas na aktivaci řiditelných zdrojů nebo na dovoz elektřiny. Zároveň zvládnou levně poskytovat širokou škálu podpůrných služeb.

VIII. Sběr a analýza dat

Podrobnější informace o zátěži, výrobě nebo třeba dostupné flexibilitě v dané lokalitě umožní optimalizaci provozu sítě při nižších nákladech. Vývoj zatížení bude možné dopředu podrobněji předvídat a bude tak možné se na něj nejen připravit, ale i ho s využitím flexibility nebo akumulace upravovat. Jinak řečeno, proč při nadvýrobě fotovoltaiky vypínat solární elektrárny, když si na tuto špičku můžeme posunout spotřebu a prázdné akumulátory.

Podrobná data zpřístupní také nové obchodní modely, zejména zapojení zákazníků s fotovoltaikou, akumulací nebo jinou flexibilitou do trhu s elektřinou a podpůrnými službami.

IX. Levná akumulace s vysokou účinností = tepelná úložiště

Sezónní akumulace energie s vysokou účinností a relativně nízkou cenou je reálná – nebudeme-li pracovat s elektřinou, ale s teplem. Vytápění také tvoří největší část spotřeby energie. Proto ukládat sezónně teplo dává větší smysl, než ukládat sezónně elektřinu.

Tepelná úložiště se svou účinností blíží 100 %, technologie pro jeho ukládání jsou ve srovnání s alternativami levné. Jedná se o izolované nádrže naplněné například vodou, pískem nebo štěrkem, v náročnějších případech (vyšší teploty) roztavenou solí. Jako úložiště může sloužit také podloží, země. Takové úložiště se nejen snadněji a levněji staví, ale jsou také mnohem jednodušší, robustnější (odolná vůči stavebním a provozním chybám) a bezpečnější.

Teplo lze s vysokou účinností nejen uložit, ale také vyrobit, a to z obnovitelných zdrojů. Tepelná čerpadla, která při sezónní tepelné akumulaci využijí jak letní přebytky elektřiny, tak vysoký topný faktor. To znamená, že při nahřívání úložiště zužitkují letní teploty a ještě tím přispějí k chlazení. V zimě pak ta samá čerpadla budou uloženou tepelnou energii využívat, spotřebič a zdroj tak tvoří jedno zařízení.

Dalším zdrojem je solární termika, neboli solární kolektory. Ty mají při výrobě tepla násobně vyšší účinnost (60–80 %) než fotovoltaika při výrobě elektřiny (cca 22 %) – stačí jich tedy instalovat méně a jedná se o relativně low-tech zařízení. Výsledkem je menší a levnější zdroj energie, který je jednodušší na výrobu.

X. Využívání odpadů a odpadního tepla

Odpady jsou zdrojem, ze kterého lze získat mnoho materiálů, energie a paliv včetně vodíku. S omezením spotřeby fosilních paliv je pravděpodobné, že se odpad jako zdroj uhlovodíků a materiálů bude využívat stále častěji.

Obrovský potenciál má využívání odpadního tepla – z průmyslových procesů, odpadních vod nebo ze stále častějších klimatizací. Dnes se takového tepla prostě zbavujeme a vypouštíme ho do vzduchu nebo do vody. Na druhé straně ve stejnou chvíli spotřebováváme energii na vytápění nebo ohřev vody. Je tedy žádoucí procesy, které vypouští odpadní teplo, propojit s těmi, které teplo vyžadují. Příkladem je napojení čističky odpadních vod na centrální zásobování teplem.

---

Pak tu máme dvě bonusové možnosti z kategorie „ano, ale“.

Vodík a syntetická paliva

Neřekli jsme si několikrát, že dlouhodobá akumulace elektřiny v podobě vodíku a syntetických paliv je mimořádně neefektivní a tedy nežádoucí?

Ano, ale vodík i syntetická paliva budou potřeba k dekarbonizaci odvětví, kde jsou fosilní paliva nenahraditelná – výroba oceli, plastů, hnojiv a dalších chemikálií a materiálů. Vodík a syntetická paliva se tedy zcela jistě ve velkém vyrábět budou. Navíc je lze získávat nejen elektrolýzou, ale i například z odpadů, viz výše.

Když už tato paliva budou k dispozici, budou moci přispět kromě dekarbonizace i k podržení sítě, když to bude potřeba. Představují tak další vítanou variantu bezemisního řiditelného zdroje, i když dodávka energie na nich 99 % času stát nebude. A podobně jsou na tom i fosilní paliva.

Fosilní paliva

Cože? Tady přece mluvíme o čisté energetice postavené na nízkoemisních zdrojích.

Ano, ale za prvé, než zvládne zelená energetika uživit sama sebe, vyžádá si rozvoj většiny výše zmíněných nízkoemisních opatření značné množství fosilních paliv. Úspory budou vyžadovat například izolaci (vyrobenou z ropy), obnovitelné i jaderné zdroje se budou muset postavit (uhlí na výrobu oceli, skla, hliníku a betonu), flexibilita bude vyžadovat pružné zdroje (plyn), sítě, baterie a elektromobily budou vyžadovat kvanta mědi a dalších kovů (ropa, uhlí, plyn na těžbu a zpracování) a tak dále.

A za druhé dosažení 100% bezemisní energetiky je výrazně náročnější, dražší a pomalejší, než dosažení 80% bezemisní energetiky. Snížení emisí o 80 % je přitom skvělý výsledek. Dimenzovat 100% bezemisní energetiku jednotlivých států na několik týdnů temného bezvětří vyžaduje obrovské a drahé kapacity obnovitelných zdrojů i akumulace – které ale budou využity jen pár dní v roce. Takové plýtvání není ekologické.

Daleko jednodušší, levnější i ekologičtější je nechat na tyto výjimečné situace v záloze několik plynových nebo uhelných elektráren. Poběží-li jen pár dní v roce, vypustí minimální množství emisí, které navíc může být zachyceno.

Dobře si to můžeme ilustrovat na ostrovním rodinném domku, který není připojen k síti a elektřinu získává z fotovoltaiky. Když ho budeme chtít pohánět výhradně fotovoltaikou, budeme potřebovat velkou elektrárnu i velké baterie, které budou drahé a velkou část roku pro ně nebude využití. Když ale v domku svolíme k použití motorové elektrocentrály, bude nám stačit poloviční elektrárna i baterie. Investiční náklady budou výrazně nižší, využití výroby fotovoltaiky vyšší a elektrocentrála bude v provozu za celý rok jen pár týdnů.

S fosilními palivy jsou k dispozici nejen zdroje, ale i infrastruktura, zejména zásobníky paliv s kapacitou v řádu terawatthodin. Jejich údržba při nižším využití samozřejmě představuje výrazně vyšší náklady. Alternativou je ale sezónní akumulace a k ní odpovídající množství zdrojů, jejichž náklady jsou nevyčíslitelné.

Žádné z uvedených řešení není jednoduché ani samospasitelné. Jejich kombinace ale umožňuje snížení emisí i negativního dopadu energetiky na životní prostředí při současném zvýšení energetické bezpečnosti.