zpětdálkapitolakurskatedra

7.5 POKROČILÉ TECHNOLOGIE PRO STABILIZACI GLOBÁLNÍHO KLIMATU

Stabilizace té složky globálních změn klimatu, které jsou způsobeny CO2 , je problémem energetiky. Nastoupení cesty k takové stabilizaci  kromě snižování konečné spotřeby vyžaduje využívání primárních energetických zdrojů, které neemitují do atmosféry  CO2. Možnými kandidáty  na takové zdroje jsou sluneční a větrná energie, biomasa, jaderné štěpení a fúze a fosilní paliva, z nichž byl odloučen uhlík. Mezi neprimární energetické technologie, které mohou přispět ke stabilizaci klimatu, patří zvýšení efektivity, produkce vodíku, akumulace a distribuce, supravodivost. Všechny tyto technologie dnes mají značné nedostatky, které omezují jejich použitelnost. Proto je nutný intenzivní výzkum a vývoj, který by vedl k novým technologickým řešením a umožnil jak stabilizaci klimatu, tak ekonomický rozvoj.


Koncem 19. století Arrhenius vyslovil názor, že CO2 vznikající při spalování fosilních paliv může v důsledku skleníkového efektu vést k oteplování Země. Během 20. století se populace zvýšila 4x a spotřeba energie 16x. Koncentrace atmosférického CO2 vzrostla z cca 275 na 370 ppm (parts per million) a pokud by se ji nepovedlo dostat pod kontrolu, dosáhla by v tomto století hodnoty 550 ppm; taková koncentrace by mohla vést ke globálnímu oteplení co do velikosti srovnatelnému, co do znaménka opačnému než bylo globální ochlazení za poslední doby ledové.

Rámcoví konvence o klimatické změně OSN se snaží o stabilizaci koncentrace skleníkových plynů na úrovni, která zabrání "nebezpečným antropogenním vlivům na klimatický systém". Aby nedošlo k poškození korálových útesů, zeslabení oceánských proudů a zvýšení mořské hladiny, je třeba stabilizovat hladinu CO2 na úrovni 450 ppm. Současné scénáře, založené na předpokladech ekonomického růstu 2-3% ročně a poklesu energetické náročnosti na jednotku HDP o 1% ročně ukazují, že bude třeba ještě přísnějších opatření než jsou ta, která stanoví Kyotský protokol, který stanoví snížení emisí skleníkových plynů v rozvinutých zemích o 5% ve srovnání se stavem roku 1990 do roku 2008 - 2012. Přitom i toto snížení je považováno např. USA jako hrozba ekonomickému rozvoji.

Současná primární spotřeba energie je 12 TW, z nichž 85% pochází z fosilních paliv. Analyzované scénáře ukazují, že v polovině století by měl být podíl energie pocházející ze zdrojů, které neemitují  CO2 , alespoň 15 TW. Stabilizace CO2  by mohla omezit využívání fosilních paliv v rozvojových zemích.

Za nejúčinnější cestu ke snížení emisí CO2  při zachování ekonomického růstu je vývoj revolučních technologií výroby, akumulace, distribuce a konverze energie. Jaké k tomu máme možnosti?

1. Zvyšování účinnosti

 Účinnost je definována jako podíl užitečné energie na výstupu k energii na vstupu. Primární energie je získávána z přeměn chemických a jaderných vazeb z fosilních paliv a ve štěpných a fúzních jaderných reakcích. Obnovitelné zdroje získávají energii z přírodních toků (sluneční záření, vítr, voda, tepelné toky). Konverze energie je vždy doprovázena ztrátami a technici se neustále snaží snižovat tyto ztráty. Přesto ještě existují možnosti zvýšení účinnosti jak při výrobě energie, tak při jejích užití v dopravě, výrobě, klimatizaci apod.

Abyste si mohli udělat představu o účinnosti některých technologií, uveďme několik hodnot:

Technologie Účinnost (%)
generátory elektřiny 98-99
elektromotory 90-97
plynové a parní turbíny 35-50
dieselové motory 30-35
spalovací motory 15-25
elektrochemické palivové články 50-55, potenciálně 70
extrakce vodíku z nafty nebo metanolu 75-80
fotovoltaické články 15-20
větrné turbíny 30-40, teoretická mez 59
vysokotlaké výbojky 15-20
fluorescenční svítidla 10-12
žárovky 2-5
fotosyntéza 1-2

 Účinnost parního cyklu (včetně kombinovaných cyklů a kogenerace je 39-50%, celková účinnost konverze primární energie na elektrickou je 3kWt @ 1kWe.

Účinnost automobilových pohonů je:

2. Dekarbonizace, sekvestrace

Dekarbonizace: snížení množství uhlíku emitovaného na jednotku primární energie.

Trend: uhlí ® nafta ® plyn  ® vodík

Problém: produkce vodíku; účinnost:

Při výrobě vodíku z fosilních paliv a jeho následném využití při výrobě elektřiny se emituje více CO2 než při přímém spalování. Výroba vodíku elektrolýzou z jaderných nebo obnovitelných zdrojů zatím není zvládnuta.

Pokud jde o zdroje, je to právě naopak - největší jsou rezervy uhlí, následuje nafta, nejmenší jsou zásoby plynu.

Možné řešení: zachycení a sekvestrace (odloučení) CO2; uhlí nebo biomasa se zplynuje, produkt se očistí od síry a v reakci s párou rozloží na vodík a CO2. Vodík se pak využije v dopravě nebo výrobě elektřiny a CO2 se odloučí a uloží, např. v oceánech, stromech, půdě, vyprázdněných naftových a plynových vrtech apod.

Může se ukázat, že je nutný záchyt CO2 vznikajícího v mobilních zdrojích (auta). Nejjednodušším způsobem zvýšení záchytu je zalesnění, ale podle některých modelů se mohou z lesů stát později zdroje CO2. Doba výměny CO2 ve stromech je cca 7 let.

Dlouhodobější by mohl být záchyt CO2 v hlubokých oceánech anebo v určitých chemických reakcích.

3. Obnovitelné zdroje

Biomasa, solární tepelné a fotovoltaické, vítr, hydro, teplo oceánů, geotermální, přílivové.

S výjimkou palivového dřeva a hydroelektřiny (obě blízké saturace) je podíl všech ostatních menší než 1% celkové energie. Obecnou nevýhodou je nízká hustota energie.

Fotosyntéza (0,6 W/m2): produkce 10 TW z biomasy by vyžadovala více než 10% povrchu Země (srovnatelné s plochou, kterou dnes využívá zemědělství)

Fotovoltaika, vítr (15 We/m2): pro pokrytí spotřeby USA by bylo třeba pole článků o straně 160 km (26000 km2). Produkce 10 TW (3,3 TWe) by vyžadovala čtverec o straně 470 km (220.000 km2). Články vyrobené v letech 1982 - 1998 by pokryly 3 km2.

O když se dá očekávat zvýšení účinnosti a snížení cen při hromadné výrobě, jsou obnovitelné zdroje z principu distribuované a nejsou vhodné k pokrytí základní zátěže.

Pokud jde o palivové články, bylo by třeba pro výrobu 10 TW 30x více platiny, než je současná roční světová produkce.

Dnešní rozvodné sítě jsou stavěny na centralizované zdroje a musely by být rekonstruovány.

Sluneční energie ze satelitů: hustota sluneční energie je 8x vyšší než na povrchu Země; účinnost mikrovlnného přenosu je 50-60%, stačila by tedy 1/4 plochy článků na Zemi. Optimistický výhled: demonstrační projekt během 15 - 20 let, průmyslový prototyp kolem poloviny století.

4. Štěpení a fúze

 Současné typy jaderných reaktorů spalují U-235; odhadované zásoby U představují 60 - 330 TWroků primární energie, tzn. že při kapacitě 10 TW vydrží pouze 6 až 30 let.

Slibnějším dlouhodobým řešením je jaderná fúze, ale zatím lze jen těžko odhadnout, kdy se poprvé dospěje k samoudržitelné reakci s čistým energetickým ziskem; nelze se tedy spoléhat na to, že tento zdroj pomůže problém vyřešit v časovém horizontu 50 let.

Pro jadernou energetiku založenou na štěpen by bylo třeba zavést množivé reaktory. Mezi inovativní technologie patří hybridy štěpení - fúze a urychlovač - štěpení. Jeden fúzní množivý reaktor může vyrábět palivo až pro deset "spalovacích". Bylo by možné využít zásob thoria, kterého je asi třikrát víc než uranu. Množení by mohlo zvýšit zdroje štěpné energie 60x až 180x.

Přesto však není pravděpodobné, že by jaderné technologie mohly hrát významnou roli ve stabilizaci CO2, pokud nebudou vyřešeny problémy spojené s možnost šíření jaderných zbraní a likvidací vysoce aktivních odpadů.

5. Geoinženýrství

 Změna radiační bilance tak, aby došlo k ovlivnění klimatu; využití technologií ke kompenzaci nežádoucího globálního oteplování.

Návrhy: blokování dopadajícího slunečního záření - aerosoly ve stratosféře, zrcadla na oběžné dráze

Závěr

Energie je základem globální prosperity a bohatství. Nesoulad mezi tím, co je třeba udělat proto, aby se zabránilo globálnímu oteplování, a tím, čeho lze dosáhnout bez velkých kompromisů, se bude zostřovat s růstem globální ekonomiky a s požadavky na výraznější snížení emisí skleníkových plynů.

Radikální restrukturalizace globálního energetického systému je jednou z výzev tohoto století. Vyžaduje politickou vůli, cílený výzkum a vývoj a mezinárodní spolupráci. Nejdůležitější je uvědomit si, že skleníkový efekt způsobený spalováním fosilních paliv je energetickým problémem a nedá se řešit pouhou regulací.

 

Literatura:

HOFFERT M.I. et al., Advanced Technology Paths to Global Climate Stability: Energy for a Greenhouse Planet, Science 298 (1 Nov. 2002), p. 981-987

 

zpětdálkapitolakurskatedra


Správce stránky: Jiří Vacek
Poslední změna: 17.11.2003