Energetické zdroje naší planety a jejich využití: Porovnání verzí

Asi nejvýznamnějším zdrojem energie jsou dnes fosilní paliva, ačkoli jejich význam dnes již spíše klesá. Do skupiny fosilních paliv patří především uhlí, a to jak černé uhlí, které je kvalitněji prouhelněné, tak i hnědé uhlí, které je méně kvalitní, má vyšší obsah vody a síry a má přibližně poloviční výhřevnost. Uhlí vznikalo tak, že se organický materiál, především rostlinný, dostal do hlubších vrstev zemské kůry, kde se rozkládal velmi dlouhou dobu za nepřítomnosti vzduchu. Černé uhlí vznikalo v době před 280–350 milióny lety, jeho sloje jsou dnes mnohem mohutnější, než sloje hnědého uhlí, a jsou uloženy ve větší hloubce, někdy až 1200 metrů. Hnědé uhlí se vytvářelo podstatně menší dobu a v menší hloubce, proto se musí těžit povrchově, což má většinou za následek rozsáhlou devastaci krajiny a rušení některých vesnic. Těžba uhlí ve větším měřítku začala už v 17. století a odhaduje se že světové zásoby uhlí by měly vydržet ještě asi 600 let. Největší nevýhoda uhlí je, že jeho spalování v uhelných elektrárnách uvolňuje do ovzduší velké množství škodlivých látek. Uhelná elektrárna o výkonu 1000 MW spotřebuje během jednoho roku svého provozu přibližně 130 tisíc vagónů uhlí a do ovzduší vypustí 200 tisíc tun oxidu siřičitého SO₂, 30 tisíc tun oxidu dusíku NO_X, 16 tisíc tun popílku a desítky tun těžkých, toxických a zčásti i radioaktivních látek. Krajinu v okolí navíc zatěžuje každoročně 1,8 milionu tun popela, který se sice odplavuje na vzdálenější skládky, ale vítr ho beztak rozfoukává po okolí. Takové zničení životního prostředí můžeme dnes vidět například na severu Čech, kde se provoz uhelných elektráren negativně podepsal na Krušnohorských lesích.

 

Proto se dnes používají technologie, které umožňují vyrobit z uhlí „čistší“ paliva - uhlí je zahříváno ve vzduchotěsných komorách na vysokou teplotu a dělí se na jednotlivé složky - takto se získá z jedné tuny uhlí přibližně 630 kg koksu, 54 kg uhelného dehtu, 13,5 kg benzolu, 9 kg dalších chemikálií, 285 krychlových metrů plynu, zbytek tvoří voda a pevný odpad. Další možností je zkapalňování paliv na principu extrahování organických složek z uhlí, za pomocí rozpouštědel a jejich nasycování vodíkem. Podle typu procesu vzniká celá řada produktů, například těžké oleje, benzíny, a také plyny. Z jedné tuny uhlí se takto získá asi 180–350 litrů kapalných produktů. Podíl uhlí na světové energetice je dnes přibližně 25 procent.

 

Další z paliv je ropa. Je to jedno z nejdůležitějších paliv současností, jeho podíl na světové energetice je přibližně 30 procent a její současná těžba je kolem 3,5 miliardy tun ročně. Deset procent z tohoto množství se využívá jako důležitá surovina v chemickém průmyslu, zbytek se využívá v energetice a především po upravení na benzín či naftu jako palivo do automobilů. Ropa je složena z kapalných uhlovodíků, vzniklých rozkladem organických látek usazených na dně moří před 500 miliony let. Usazeniny byly později zakryty anorganickými vrstvami a vystaveny působení vysokých tlaků a teplot. Vznik ropy obvykle doprovází i vznik zemního plynu, který se téměř vždy nachází hned nad ložiskem ropy. Spotřeba ropy od začátků její těžby prudce vzrůstala a už v padesátých letech byla nejvýznamnějším palivem, a to především v dopravě, kde je prakticky nenahraditelná. Nyní její spotřeba sice pomalu klesá, i přesto jsou už dnes světové zásoby ropy z poloviny vyčerpány, a odhaduje se, že při dnešním tempu těžby ropy vystačí světové zásoby už jen na 50 až 70 let. Do té doby bude nutno najít za ní náhradu.

 

Zemní plyn se nachází především nad ložisky ropy. Jeho hlavní složkou je metan (CH₄), který tvoří 60–80 procent obsahu, další složky jsou etan (5–9%), propan (3–18%) a těžší uhlovodíky (2–14%). Zbytek tvoří malé množství dusíku, kysličníku uhličitého a sirovodíku. V prvních období těžby ropy byl zemní plyn spíše na obtíž, a tak byl vypouštěn do vzduchu, nebo byl zapalován. Dnes se zachycuje a využívá jako palivo. Zemní plyn vyžaduje před svým použitím ze všech paliv nejméně úprav. V místě těžby se čistí, zbavuje vlhkosti a potom se dálkovými plynovody vede do míst spotřeby. Zemní plyn se využívá ve velké míře v domácnostech, především k topení a to hlavně proto, že je levnější, než elektrická energie. Jeho podíl na světové energetice je přibližně 25 procent.

 

První využití jaderné energie je datováno rokem 1954, kdy se v Obninsku u Moskvy rozběhl první jaderný reaktor o výkonu 5 MW. V současnosti se v jaderných reaktorech vyrábí 15 procent světové energie. Jako paliva do jaderných reaktorů se využívá především uran, energie z jednoho kilogramu izotopu uranu U₂₃₅ (tzv. štěpného uranu) je stejná jako energie ze spálení 2 760 tun kvalitního černého uhlí, tj. přibližně 23 gigawatthodin. Uran se v přírodě vyskytuje ve dvou izotopech, první z nich je uran s nukleonovým číslem 235, který obsahuje 92 protonů a 143 neutronů a značí se U₂₃₅. Druhý izotop má o tři neutrony víc, jeho nukleonové číslo je 238 a označuje se U₂₃₈. V přírodním uranu je tento izotop zastoupen 99,3 procenty, ale na štěpné reakci se přímo nepodílí, kdežto izotop uranu 235, který je pro štěpnou reakci klíčový, je zastoupen pouze 0,7 procenty. Přírodní uran se před použitím musí obohatit, aby obsahoval 3–5 procent izotopu U₂₃₅. Při obohacování 100 tun přírodního uranu takto odpadne asi 77 tun tzv. ochuzeného uranu, který se hromadí na haldách v místech zpracování. Do reaktoru se palivo zakládá v palivových kazetách v obsahujících oxid uraničitý UO₂. V reaktoru je palivový článek průměrně tři roky, během nichž se podíl uranu U₂₃₅ sníží asi na 1 procento a z uranu U₂₃₈ vzniká plutonium Pu₂₃₉, a další přibližně 3 procenta odpadních produktů, které jsou silně radioaktivní. Po vyjmutí se musí vyhořelé palivové články přesunout za velice přísných bezpečnostních opatření do vodních bazénů vedle reaktoru na dobu 1–5 let. Během této doby články vyzařují velké množství radioaktivity a zahřívají se teplem z přirozeného rozpadu, proto se musí neustále chladit. Přibližně desetina z těchto vyhořelých článků se přepracovává ve speciálním závodě, kde se od uranu oddělí produkty reakce a uran se znovu použije, avšak v praxi lze recyklovat uran jen jednou a plutonium pouze asi čtyřikrát, protože v palivu stoupá množství neštěpitelných izotopů. Recyklování uranu je také mnohonásobně dražší, než jeho těžba (jeden kilogram vytěženého uranu dnes stojí okolo 28 dolarů), proto jsou závody na jeho přepracování málo využité. Dalších 20–40 let pokračuje proces radioaktivního vymírání paliva v tzv. meziskladu, po uplynutí této doby a vyjmutí z meziskladu musí být pohřbeny v bezpečných obalech v hlubinných podzemních šachtách a do doby, než veškerá radioaktivita zmizí, musí být izolovány od všeho živého, což trvá několik tisíc let. Na druhou stranu je nutné si uvědomit, že při jaderné reakci nevznikají kromě radioaktivního odpadu žádné jiné nežádoucí škodliviny, a tak je jaderná energie poměrně ekologická. Recyklování uranu se však i přes vysoké ceny stane brzy nezbytností protože při jeho současném využití přechází 99,5% uranu do odpadu, a tímto tempem spotřeby vydrží světové zásoby uranu pouze na 70 let, čili přibližně stejně dlouho jako ropa. Alternativou je použití tzv. rychlých reaktorů, které štěpí i naplozené plutonium, takže využití uranu se zlepší asi sedmdesátkrát.

 

Tepelná elektrárna pracuje na principu přeměny tepelné energie ze spalování uhlí nebo zemního plynu, na energii mechanickou, která pohání turbínu a vyrábí tak elektrickou energii. Proces výroby elektrické energie začíná tím, že uhlí putuje ze skládky do elektrárny. Tady se nejprve zbavuje magnetickým lapačem železných nečistot, které by mohly poškodit uhelné mlýny. Poté se uhlí drtí v uhelných mlýnech na jemný prášek, současně se suší a předehřívá horkým vzduchem nasávaným z prostoru nad kotlem. Ventilátorem s regulací výkonu se vhání směs prášku a horkého vzduchu do hořáků, ústících vějířovitě do spalovací komory kotle. Pokud se jako palivo používá zemní plyn, pak se vhání přímo do hořáků bez nutnosti jakýchkoli jeho úprav. Plameny o teplotě až 1200 °C ošlehávají varné trubky, které procházejí kotlem. Pára, která v trubkách vzniká, se odděluje od vařící vody a v trubkách přehříváku se zahřívá na 560 °C. Pod tlakem 18 MPa je vedena parovodem do vysokotlaké skříně turbíny, kde prochází mezi lopatkami rotoru, a jejich otáčením koná práci, která je pak převedena v alternátoru na střídavý elektrický proud. Hřídel turbíny je dlouhá až 70 metrů a jsou na ní zamontovány rotory z lopatkových kol, zvlášť ve vysokotlaké části, zvlášť v nízkotlaké části. Do nízkotlaké části turbíny se dostane pára po opuštění vysokotlaké části a jejím mezipřehřátí, kde předá zbytek své energie a na výstupu z nízkotlaké části turbíny se sráží v kondenzátoru. Po úpravě, kondenzaci (zkapalnění) a odplynění se vrací pod tlakem zpět do kotle. Ke kondenzaci každé tuny páry je zapotřebí sedmdesátkrát větší množství studené vody. Protože tolik ji nebývá k dispozici, musí být chladící systém uzavřený přes chladící věže, kde se ohřátá voda rozstřikováním ochlazuje vzduchem a vrací se do kondenzátoru. Část vody se ale odpařuje a musí být proto neustále doplňována. Spaliny z kotle projdou přes rotační ohřívač, který jim odebere část tepla a poté jsou odsávány přes několikadílné filtry, které zachytí až 98 procent popílku. Zbylé kouřové plyny o teplotě přibližně 150 °C jsou vedeny sopouchem do komína.

K ohřívání páry lze místo uhlí nebo zemního plynu využít také geotermální energie. Teplota půdy stoupá s každým kilometrem asi o 10 °C, v některých geologicky mladších vrstvách dosahuje půda teploty 300 °C již v hloubce 4 kilometrů. Geotermální elektrárna využívá čerpání vody do velké hloubky, kde se ohřívá a mění na páru, odkud je zas čerpána po ohřátí zpět a je vedena pod tlakem k turbínám, kde vyrábí elektrický proud. Velkou výhodou geotermálních elektráren je jejich šetrnost k životnímu prostředí, ale jejich nevýhodou je, že je lze postavit pouze na místech, kde jsou geologicky příznivé podmínky. Dnes je na celém světě jen deset geotermálních elektráren s celkovým výkonem 2000 MW, část z nich se nachází v severní Evropě na Islandu.

 

Jaderná elektrárna je v některých částech podobná tepelné elektrárně, ale teplo, nutné k přeměně vody v páru, které se v tepelné elektrárně získává spalováním fosilních paliv, v jaderné elektrárně vzniká v reaktoru v důsledku štěpného procesu při rozpadu jader uranu. Teplo zde vzniká v primárním okruhu v reaktoru, kde je předáno chladivu (dle typu elektrárny to může být buď voda, plyn, nebo také tekutý kov), které putuje do tepelného výměníku – parogenerátoru, kde dochází k ohřevu vody přicházející z kondenzátoru a výrobě páry. Zbytek okruhu s vysokotlakou a nízkotlakou turbínou je stejný, jako u tepelných elektráren. Reaktor, v němž jsou uskladněny radioaktivní látky musí být umístěn v pevném obalu, který musí odolávat silným vnitřním otřesům (v případě havárie reaktoru), tak i silným vnějším otřesům (pád letadla, meteoritu, zemětřesení…). Palivo v jaderném reaktoru je uskladněno v palivových tabletách – ty obsahují oxid uraničitý a mají rozměr 9×15 mm. Válečky se poskládají do trubky ze slitiny zirkonia, z těchto trubek se pak skládá palivová kazeta a mezi trubkami v reaktoru proudí chladivo. Kazety se potom vcelku zasouvají do reaktoru do tzv. aktivní zóny. Reaktory typu VVER 440 obsahují 349 kazet po 126 tyčích paliva, reaktory VVER 1000 obsahují 151 kazet po 331 tyčích. Jednou za rok je potřeba část paliva vyměnit, veškerou manipulaci s palivem musí kvůli vysoké radioaktivitě provádět pouze dálkově ovládané stroje. Každý reaktor musí obsahovat také moderátor – může to být buď grafit (tuha), lehká, nebo těžká voda (těžká voda – D₂O – obsahuje místo dvou atomů vodíku dva atomy deuteria, což je izotop vodíku, který má v jádře jeden neutron navíc). Moderátor v reaktoru zpomaluje neutrony, protože zpomalené neutrony mají vyšší šanci vyvolat jadernou reakci, než neutrony nezpomalené. Při jaderné reakci se uran rozpadá na dva prvky s menším nukleonovým číslem, které narážejí do okolních atomů a uvolňují tak teplo a tři neutrony, které působí rozpadání dalších jader. Především podle použitého moderátoru, pak také podle druhu chladiva rozeznáváme několik druhů jaderných elektráren.

 

 

Posledním typem je rychlý plodící reaktor. Narozdíl od ostatních typů reaktorů zde není použit moderátor a štěpení paliva způsobují rychlé, tj. nezpomalené neutrony. Jako palivo se používá vysoce obohacený uran nebo směsné palivo s obsahem plutonia. Vzhledem k vysokým teplotám se k chlazení reaktoru používá tekutý kov – sodík. Protože sodík ve styku s vodou prudce exploduje, vkládá se mezi primární reaktorový okruh a sekundární turbínový okruh ještě jeden bezpečnostní sodíkový okruh.

 

Účinnost dnešních jaderných elektráren je okolo třiceti procent, přičemž největší ztráty energie jsou při přeměně tepla v turbínách (okolo 55–60 procent), další velké ztráty jsou rozvodu elektrické energie. Energetické ztráty v klasických tepelných elektrárnách jsou asi o deset procent nižší, především proto, že vyráběná pára má vyšší teplotu. Většina elektráren je dnes rozdělena do více bloků. Je to proto, že celý proces výroby elektřiny v jednom bloku by byl technicky náročnější a také proto, že když se na jednom bloku objeví závada, vadný blok se po dobu opravy odstaví a ostatní bloky elektrárny mohou zatím pokračovat v činnosti.

 

Dalším rozšířeným typem jsou vodní elektrárny neboli hydroelektrárny. Na světové výrobě energie se podílí pouze asi pěti procenty. Vodní elektrárny jsou stavěny především v přehradách, někdy se stavějí i v horských oblastech, kde využívají velkého spádu vody. Jejich princip je velice jednoduchý a spočívá ve využívání energie vody, která teče spádem z vyššího místa a pohání turbínu připojenou na alternátor. V dnešních hydroelektrárnách se používají téměř výhradně tři typy turbín – Peltonovo kolo, Francisova turbína a Kaplanova turbína.

Při sníženém průtoku vody se účinnost u Francisovy turbíny snižuje, proto ji začal inženýr Viktor Kaplan (1876–1934) upravovat. Nakonec došel k oběžnému kolu ve tvaru lodního šroubu s nastavitelnými lopatkami. Natáčením lze podle měnícího se průtoku vody optimálně nastavovat nátokové úhly vodního proudu, Kaplanova turbína má proto dobrou účinnost i při polovičním průtoku. První Kaplanova turbína o výkonu 26 KW začala pracovat roku 1918. Kaplanova turbína se používá ve spádech maximálně do 100 metrů.

 

Aby se vyřešil problém rozdílné potřeby energie – ráno a v podvečer jsou v odběru elektřiny špičky, kdežto v noci je odběr malý – se stavějí tzv. přečerpávací vodní elektrárny. Výkon jaderných a tepelných elektráren není možné během dne měnit, natož elektrárny zastavovat. Jejich opětovné rozběhnutí by trvalo mnoho hodin či dní. Přečerpávací elektrárny tento problém řeší. Jejich princip je jednoduchý. Každá přečerpávací vodní elektrárna má dvě vodní nádrže, jedna z nich je v údolí, druhá na vyšším místě, obě dvě jsou spojeny spádovým potrubím o velkém průměru. V noci se využívá přebytečná energie v rozvodné síti a voda se přečerpává z dolní nádrže do horní. Tam se tvoří zásoby vody a ve chvíli, kdy je potřeba většího množství energie se voda pustí z horní nádrže do dolní přes turbínu a elektrická energie spotřebovaná na její přečerpání se vrátí zpět do rozvodné sítě. Během přečerpávání se elektřina bohužel ztrácí, za každou kilowatthodinu, kterou chceme během špičky použít, musíme mimo špičku uschovat asi 1,3 KWh elektrické energie. První přečerpávací elektrárny měly dva samostatné okruhy – turbínu s alternátorem na výrobu elektřiny a čerpadlo poháněné elektromotorem na čerpání vody. To se později ukázalo jako zbytečný přepych, protože každý alternátor lze přepnout tak, aby pracoval jako elektromotor. Přechod z čerpání na výrobu elektřiny trvá u těchto systémů obvykle jen 3 až 6 minut.

 

Další alternativou je sluneční energie. Během jednoho dne dopadne na čtvereční metr zemského povrchu sluneční energie o výkonu 0,7 kW. Dnes je na principu zachytávání slunečního záření postavena celá řada zařízení k ohřívání vody, nebo vytápění bytů, existují i sluneční elektrárny. Nejběžnějším zařízením pro zachycování sluneční energie je černá kovová deska, která dobře pohlcuje sluneční energii. Přes tuto desku jsou položeny až tři vrstvy průhledného skla, čímž vzniká skleníkový efekt. Teplo je z desky odváděno většinou pomocí vody. Takto získaná energie je sice zadarmo, ale náklady na stavby těchto zařízení dosahují velké výše. Sluneční energie se dá využít nejen na výrobu tepla, ale i elektrické energie. Proto se mohou používat ohniskové kolektory, což je zařízení které soustředí sluneční záření do malé plochy a umožní takto vyrábět páru potřebnou k pohonu turbín. Jejich nevýhodou je, že musí neustále sledovat slunce během jeho pohybu po obloze. Obrovskou nevýhodou slunečních elektráren je, že ke stavbě větší sluneční elektrárny tohoto typu o výkonu jen asi 500 MW je potřeba plocha přes 15 km². Nejperspektivnější využití sluneční energie bude tedy její přímá přeměna v elektrický proud pomocí fotoelektrických článků. V padesátých letech byly zkonstruovány první polovodiče, které po osvětlení vyrábějí elektrický proud. Dnes se bohužel využívají fotoelektrické články jen na kosmických sondách a družicích a jejich pozemské využití je malé, především pro jejich křehkost a vyšší cenu a také proto, že je lze využít jen ve slunečných oblastech.

 

Vítr se v dávných dobách používal především k pohonu plachetnic a větrných mlýnů. Dnes se energie větru zachycuje pomocí větrných kol nebo rozměrných vrtulí a pomocí alternátoru se převádí na elektrickou energii. K postavení výkonnější větrné elektrárny je potřeba velké množství větrných kol a také větší plocha, protože jednotlivé vrtule si kvůli optimálnímu využití energie větru nemohou příliš „zaclánět“. Rozměry vrtule dosahují až několika desítek metrů, takto velké vrtule dodávají energii řádově stovek kilowattů. Náklady na stavbu větrných elektráren zatím převyšují náklady na stavbu konvenčních elektráren, možnosti jejich stavby se omezují jen na větrné oblasti a proto se zatím používají jen v malém měřítku a jejich podíl na světové výrobě energie je zanedbatelný.

 

Energii moře je možné zachytit v přílivových elektrárnách kde se využívá zvedání mořské hladiny v důsledku slapové aktivity měsíce, velikost přílivu dosahuje na některých místech na Zemi až 16 metrů. Přílivová elektrárna využívá energie vody, která při přílivu teče do nádrže a při odlivu se pouští zpět do moře přes turbínu a tím se vyrábí elektřina. Nevýhodou tohoto způsobu získávání energie je časová nepravidelnost přílivu – v přílivových elektrárnách je proud k dispozici jen čtvrtinu doby, často mimo špičku, kdy je proud nejvíce potřeba, zbytek doby trvá napouštění vodní nádrže, která musí mít kvůli nízkému spádu velké rozměry. Dosud největší přílivová elektrárna ve francouzském Rance, kde výška přílivu dosahuje průměrně 8,4 metru má výkon jen 240 MW a nádrž na shromažďování mořské vody má rozlohu 22 km2. Proto se o stavbě dalších přílivových elektráren zatím neuvažuje.