zpětdálkapitolakurskatedra

7.4 ZDROJE ENERGIE: FOSILNÍ PALIVA, JADERNÁ ENERGETIKA, ALTERNATIVNÍ ZDROJE

Během dvacátého století se ekonomický rozvoj a kvalita života staly závislými na elektrické energii. Celosvětová spotřeba elektřiny roste zhruba o 3% ročně, což znamená, že při zachování tohoto tempa růstu se zdvojnásobuje každých 35 let. V roce 1997 se vyrobilo (a spotřebovalo) okolo 12000 TWh elektrické energie. Přibližně polovinu spotřebují domácnosti, obchod a služby, polovinu průmysl. Podíl fosilních paliv na celkové výrobě elektřiny je 67% (uhlí 38%, plyn 17%, ropa 12%), podíl jaderné energetiky je 17%. Zbývajících 16% připadá na obnovitelné zdroje, většinou vodní elektrárny. Příspěvek nových, alternativních zdrojů (solární, větrná, geotermální energie, biomasa) je menší než 1%.

I když se ukazuje, že odhady zásob paliva jsou v průběhu času neustále podceňovány (odhadované zásoby jsou tím vyšší, čím později byl odhad proveden), je jisté, že při pokračujícím způsobu využívání primárních zdrojů energie by v nepříliš vzdálené budoucnosti došlo k vyčerpání neobnovitelných zdrojů. Dnes se zásoby ropy a plynu odhadují na přibližně půl století, uhlí na 200 let a jaderného paliva na 100 let. Je tedy nutné hledat způsoby efektivnější výroby a spotřeby energie.

Stejně jako lidská společnost i energetika má své vlny. Na obr. 7.3 je znázorněn příspěvek různých primárních zdrojů k celkové spotřebě. Jasně lze odlišit vlnu dřeva a vody, která trvala po většinu historie lidstva. Průmyslová revoluce byla neoddělitelně závislá na uhlí, koncem minulého století nastupuje ropa a zemní plyn a v druhé polovině tohoto století jaderná energetika.
 
 


Obr. 7.3: Podíl různých primárních zdrojů na celkové spotřebě energie, USA [7-7]

V tab. 7.4 je uvedena spotřeba jednotlivých druhů primární energie v jednotlivých regionech
Na obr. 7.4 je znázorněn podíl jednotlivých druhů primárních zdrojů na výrobě elektřiny.
 
 

Tab. 7.4: Spotřeba energie v jednotlivých regionech. 
Zdroj: World Resources, 1986 (miliardy t ropného ekvivalentu) [7-7]
   Ropa     Plyn     Uhlí   Hydro   Jaderná   Celkem
Severní Amerika   791,4    505,8    466,2   154,3   101,3   2019,3
Západní Evropa   591,0    190,1    256,7   107,0   104,6   1249,4
Oceánie    35,5      14,4       34,6       9,3       0,0       93,8
Japonsko   214,6      33,1      64,0     19,8     30,6     362,1
Dřívější SSSR   447,8    439,4     357,0     53,0     25,0   1332,2
Východní Evropa    98,7     77,0     274,2       7,2       7,5     464,6
Rozvojové země   579,7    139,3     260,4     11,0     13,2   1103,6
Čína    85,8     10,8     466,5     23,5       0,0     586,6
Svět celkem  2844,5  1409,9   2179,6   485,4   282,2   7201,6
%      39,5      19,6       30,3       6,7       3,9     100


Obr. 7.4 Celosvětová spotřeba energetických zdrojů, 1960-2000 [7-7]

Jak může technologie přispět k ke snížení spotřeby energie, vidíme na obr. 7.5, na kterém je uveden růst účinnosti přeměny energie u parních strojů a u svítidel


Obr. 7.5: Růst účinnosti přeměny energie u parních strojů a u svítidel [7-6]



Obr. 7.6 na příkladu USA ilustruje rostoucí úlohu elektřiny v průmyslu. Pokud bychom se drželi analogie vývojových vln, bylo by zajímavé přemýšlet o tom, co přijde po elektřině.


Obr. 7.6: Zdroje energie pro mechanické pohony, USA [7-6]



Je třeba si uvědomit, že cesta od primárního energetického zdroje ke konečnému spotřebiteli je složitým řetězcem (zjednodušeně: dobývání paliva - transport - konverze na elektřinu - distribuce - spotřebič) a i když v jednotlivých článcích tohoto řetězce dosáhneme významných úspor, je celková účinnost stále nízká. Odhaduje se, že ani moderní ekonomiky nedosahují účinnosti větší než 5% (pokud by účinnost každého z pěti článků řetězu byla 50%, bude celková účinnost 0,55 = 1/25 = 1/32).

O uplatnění různých zdrojů rozhoduje řada faktorů. Mezi nejvýznamnější patří ekonomie (náklady na výrobu jednotky energie), dopady na životní prostředí a zdraví (těžba a doprava paliva, emise škodlivin, skladování odpadů, zábor půdy apod.) a bezpečnost.

Pokud jde o náklady na výrobu jednotky energie, je třeba si uvědomit, že mají dvě složky: fixní a variabilní. Většinou jsou variabilní náklady (náklady na palivo) nepřímo úměrné nákladům fixním (zhruba řečeno investičním nákladům). Při rozhodování je tedy třeba zvolit rozumný kompromis. Srovnání nákladů na výrobu elektřiny z různých zdrojů je uvedeno v tab. 7.5. Je třeba zdůraznit, že do nákladů na výrobu elektřiny v JE jsou započteny všechny známé náklady, tzn. po příslušném diskontu i ty, které naběhnou až v budoucnosti (likvidace, skladování vyhořelého paliva). Zatímco náklady na výrobu elektřiny v jaderných elektrárnách byly v USA koncem 80. let v průměru asi o 10% vyšší než konkurující náklady uhelných elektráren, v Evropě a v Japonsku byly asi o 20 až 30% nižší.
 
 

Tab. 7.5: Náklady na výrobu elektřiny
US 1991 cent/kWh, diskontní sazba 5% pro jádro a uhlí, životnost 30 let, zatížení 75%
jádro uhlí plyn
Francie 3.28 5.06 5.48
Německo 5.31 6.74-8.01 -
Japonsko 5.37 6.30 7.73
Korea  3.20 4.25 -
Velká Británie  4.84-5.16 4.68-5.16   4.52
USA, středozápad  4.27  4.47  4.77
USA, severozápad  4.37  5.13  5.11
USA, západ  4.21  3.53  4.91
Kanada 2.98 2.54-3.82 2.82-5.22

Obr. 7.7 Náklady na výrobu elektrické energie v USA (provoz, údržba a palivo) v US centech(1996)/kWh.
Zdroj: OECD/ IEA NEA 1993, Projected Costs of Generating Electricity, Příloha 9 [7-8]


Obr. 7.8: Složky nákladů na výrobu elektřiny, OECD [7-8]
(předpokládá se diskontní sazby 5%, životnost 30 let a zatížení 70%)



Pokud jde o dopady na životní prostředí, je třeba posuzovat vždy dopady celého cyklu, to znamená od dobývání primárních zdrojů až po distribuci ke konečnému spotřebiteli a po celou dobu životnosti od výstavby elektrárny až po její likvidaci a dlouhodobé uložení odpadů. Nové, alternativní zdroje jsou ve stadiu vývoje a při současných cenách elektrické energie nejsou ve většině případů pro hromadné použití konkurenceschopné. Značné jsou jejich nároky na zábor půdy.

Porovnáváme.li jaderné elektrárny s elektrárnami na fosilní paliva, jsou výhodou JE mnohem menší objemy paliva a to, že nevypouští skleníkové plyny. Největší nevýhodou pak je nevyřešený problém dlouhodobého skladování vysoce aktivních odpadů. Veškerá úložiště proto dnes musejí být projektována a budována tak, aby bylo možné v případě potřeby radioaktivní materiály novu vyzvednout a přemístit do jiného úložiště nebo zlikvidovat s pomocí dnes studované izotopické transformace těchto odpadů v rychlých reaktorech nebo s užitím lineárních urychlovačů (které byly původně vyvinuty pro projekt SDI - tzv. hvězdných válek). Běžné úniky radioaktivity jsou srovnatelné s úniky z elektráren na uhlí (uran je rozptýlen v celé zemské kůře a tedy i v uhlí). Globální středovaná roční efektivní dávka ionizujícího záření z přírodních zdrojů je 2,4 mSv/rok, regionální odchylky představují několikanásobek této hodnoty. Provoz dnešních JE zvyšuje tuto dávku o 0,007 mSv/rok, tj. o 0,3%. Při transoceánském letu nebo rutinním vyšetření rentgenem se bez obav vystavujeme větším dávkám.

Pokud jde o bezpečnost, je třeba se alespoň krátce zmínit o přírodních a technologických rizicích a jejich vnímání lidmi.

Život sám o sobě je rizikem. A pohlédneme-li do historie, je zřejmé, že tzv. tradiční rizika, spojená se špatnou nebo nedostatečnou výživou, závadnou vodou, infekčními a parazitickými nemocemi apod. výrazně klesají a právě jejich pokles je příčinou mnoha našich dnešních problémů způsobených exponenciálním růstem populace. Zároveň však rostou technologická rizika spojená s industrializací, urbanizací a modernizací zemědělství.

V případě tradičních rizik je obvykle doba mezi výskytem rizika a skutečným poškozením člověka krátká: pokud lidé pijí závadnou vodu, dostanou úplavici brzy. V případě moderních rizik však může být příčina a důsledek časově velice vzdálená: vypuštěná chemikálie musí projít složitou cestu prostředím, aby se eventuálně dostala do těla a případně způsobila rakovinu. Mechanismus působení radioaktivního záření, i když není úplně známý, se rovněž vyznačuje značnou prodlevou mezi ozářením a následkem. Pokoušíme se tedy najít míru toho, co ještě nenastalo, odhadovat rizika.

Dobrou ilustrací je kouření: v padesátých letech výrazně vzrostl počet kuřáků, ale výskyt rakoviny plic se začal zvyšovat až o 25-30 let později; a když byla zjištěna souvislost rakoviny s kouřením, bylo už příliš pozdě na to, aby bylo možné zachránit miliony životů.

Lidé vnímají jako daleko závažnější tzv. hromadná rizika, to je události, při kterých na jednom místě a v jednom čase dojde k velkým ztrátám na životech nebo zdraví. Mnohem lépe jsou tolerována tzv. rozložená rizika, kde občas někdo někde zahyne nebo utrpí újmu na zdraví. Proto je daleko větší pozornost věnována leteckým haváriím než haváriím automobilů, i když při haváriích na silnicích zahyne mnohem více lidí (sednout do auta, otočit klíčkem, odbrzdit a povolit spojku je jedna z nejrizikovějších činností, kterých se člověk dopouští - a dopouští se jí často s potěšením).

Vrátíme-li se k energetice, uvědomíme si, že jakékoli nehodě spojené s jadernou energetikou je věnována daleko větší pozornost než srovnatelné události v klasické elektrárně. Většina nehod v JE nemá vůbec nic společného s radioaktivním zářením: shoří vypínač, transformátor apod. O něčem takovém v klasické elektrárně se nikdy nedozvíme, to je prostě pod hranicí vnímání veřejnosti. Dodnes se rozebírá havárie v Černobylu (a je to správné, je třeba se z tohoto varovného příkladu co nejvíce poučit). Ale kolik horníků zahynulo v uhelných dolech? Kolik lidí doplatilo na to, že žijí v severních Čechách v blízkosti uhelných elektráren? Nikdo neví (nechce vědět), nikoho to nezajímá.

Svou roli jistě hraje to, že první demonstrací využití jaderné energie bylo shození atomových bomb na Hirošimu a Nagasaki, dále to, že radioaktivita je „neviditelná“ a to, že procesy probíhající v jaderné elektrárně a používané systémy (zvláště bezpečnostní) jsou natolik složité, že jsou pro běžného člověka (jemuž je zprostředkují média, často ne příliš kvalifikovaně) nepochopitelná. A člověk má vždy větší strach z neznámého, z toho, co ho může poškodit, aniž má možnost to nějak ovlivnit nebo si tuto skutečnost vůbec uvědomit.

Profesionální rizika (rizika plynoucí ze zaměstnání v určitém oboru) se tradičně udávají v jednotkách úmrtnosti (počet úmrtí v důsledku havárie). Dnes, a zvláště pak ve vztahu k jaderné energetice, se však klade zvýšený důraz na méně zjevné nebo opožděné důsledky vystavení ozáření, kancerogenům apod.

Provozovateli jaderných elektráren v USA a Velké Británii byla za 40 let provozu jaderných elektráren vydána řada zpráv o statistikách profesionálního rizika, která je možno porovnat s údaji pro uhelné elektrárny (vit Tabulka 7.6). Hlavním důvodem pro relativně špatný výsledek pro uhelné elektrárny je to, že musí být dobyto a přepraveno obrovské množství materiálů. Dobývání a zpracování takových množství libovolného materiálu implikuje rizika, která jsou zahrnuta do uvedených údajů.
 
 

Tabulka 7.6: Srovnání rizik při výrobě primární energie
Palivo Okamžitá úmrtí 1969-86 Kdo? Normalizováno na počet úmrtí 
na GWrok* elektřiny
Uhlí 3600 zaměstnanci 0.34
Zemní plyn 1440 zaměstnanci & veřejnost 0.17
Ropa (transport) 1620 zaměstnanci & veřejnost 0.8
Hydro 3839 veřejnost 1.41
Jádro 31 zaměstnanci 0.03
Pozn.:
* Základ: Na 1000 MWe v provozu po 1 rok, bez výstavby, na základě historických dat, která pravděpodobně nejsou reprezentativní pro žádné z uvedených paliv na současné úrovni bezpečnosti.
(Výroba elektřiny tvoří asi 40% celkové primární energie).
Zdroj: Source: Ball, Roberts & Simpson, Research Report #20, Centre for Environmental & Risk Management, University of East Anglia, 1994
Poškození zdraví, způsobená prostředím, jsou kvalitativně podobná profesionálním rizikům; důsledky radioaktivního ozáření jsou známy lépe než důsledky znečištění vzduchu, vody, působení chemikálií apod. Strach veřejnosti z radioaktivního záření byl posílen zkouškami jaderných zbraní.

Porovnejme dopady na zdraví osoby žijící v blízkosti uhelné a jaderné elektřiny: dávka ozáření v blízkosti jaderné elektrárny je srovnatelná s dávkou obdrženou při několikahodinovém letu letadlem. Každý, kdo žije v okolí uhelné elektrárny, je ovlivněn zhoršenou kvalitou ovzduší. Některé uhlí obsahuje tolik uranu a thoria, že v popílku uhelné elektrárny je více radioaktivity než ve výpustích jaderné elektrárny.

V Tabulce 7.7 jsou uvedeny typické zdroje a dávky radiačního ozáření. Příspěvek od půdy a budov závisí na lokalitě. Dávky od kosmického záření závisejí na zeměpisné šířce a nadmořské výšce. Posádka letadla může obdržet až 5000 µSv/rok. Občané Velké Británie obdrží dávku asi 0.3 µSv/rok způsobenou provozem jaderných elektráren.

Země sama je radioaktivní, i když díky rozpadu izotopů s dlouhým poločasem rozpadu stále méně. Radioaktivní rozpad je doprovázen ionizujícím zářením. Stejně jako záření Země jsme nevyhnutelně vystaveni kosmickému záření. Kromě toho dostáváme dávky od umělých zdrojů, např. rentgenů. Ve tkáních průměrného dospělého člověka je obsaženo 13 mg radioaktivního draslíku 40 - my sami tedy můžeme být, i když jen na blízkou vzdálenost, zdrojem záření.

Relativní závažnost různých zdrojů ozáření je uvedena v následující tabulce.
 
 

Tab. 7.7: Zdroje a dávky radioaktivního záření
Zdroje Typická dávka, µSv/rok Rozsah
Přírodní:
   Země + budovy: radon 700 300-100 000
   Země + budovy: gama záření  600 100-1000
   Kosmické záření (na úrovni mořské hladiny)  300
     na každých 100 m nadmořské výšky +20  0-500
   Potrava, nápoje, tělesné tkáně 300 100-1000
Celkem 1900 (plus oprava na n.v.)
Umělé:
   Ze zkoušek jaderných zbraní 3
   Lékařské (rentgen, tomografie apod. - průměr) 370 až 25 000
   Jaderná energetika   0,3
   Spalování uhlí 0,1
   Domácí spotřebiče    0,4
Celkem 375
Závislé na způsobu života:
   Lyžování na horách, jeden týden  8
   Jedna hodina v tryskovém letadle 1,5 až 5000/rok
Zdroj: Australian Radiation Laboratory, National Radiation Protection Board (UK),
Australian Nuclear Science and Technology Organisation, jiné [7-8]


Mezinárodní komise pro ochranu před ionizujícím zářením doporučuje kromě dávky pozadí, následující limitní dávky: pro veřejnost: 1000 (tj. 1 mSv/rok)
a pro zaměstnance v jaderném průmyslu 20,000 (tj. 20 mSv/rok) (střední hodnoty za 5 po sobě jdoucích let)

Při havárii v Černobylu r. 1986 zahynulo 31 zaměstnanců a hasičů, z toho 28 v důsledku ozáření. Vyskytlo se 800 případů rakoviny štítné žlázy dětí, z toho asi deset smrtelných případů. Během prvních deseti let nedošlo k pozorovatelnému nárůstu leukémie a jiných druhů rakoviny, ale experti Světové zdravotnické organizace (WHO) očekávají nárůst těchto onemocnění v dalších desetiletích, a určitě bude více obětí rakoviny štítné žlázy než dnešních deset. Asi 130 000 lidí obdrželo dávky vyšší než limity ICRP a jsou sledováni WHO. Radioaktivitou byly zasaženy rozsáhlé plochy v Evropě, což způsobilo výpadky zemědělské produkce a nízké ozáření veřejnosti. (Zdroj: Chernobyl Ten Years On, OECD NEA 1996.)
 

zpětdálkapitolakurskatedra


Správce stránky: Jiří Vacek
Poslední změna: 25.7.2001