Budoucnost energetiky

Tři velké energetické sázky
Datum: 19.3.2012  |  Autor: Ing. Bronislav Bechník, Ph.D.  |  Recenzent: RNDr. Jan Mlynář, Ph.D., Ústav fyziky plazmatu AV ČR

V současnosti nikdo neví, jak bude vypadat energetická budoucnost lidstva. Jisté však je, že fosilní zdroje i uran mohou být vyčerpány v horizontu desítek let. Zbývají pouze tři perspektivní energetické technologie: jaderná fúze, rychlé množivé reaktory s uzavřeným cyklem paliva a obnovitelné zdroje spolu s energetickou efektivností.

1 Dostupné zdroje energie

Fosilní paliva v současnosti pokrývají celosvětově zhruba tři čtvrtiny konečné spotřeby energií [1]. Obnovitelné zdroje energie však jak v konečné spotřebě energie, tak ve výrobě elektřiny vždy zajišťovaly větší podíl než jaderná energetika. Hlavní podíl dosud drží vodní elektrárny, jejich potenciál je však limitovaný. Naopak technicky využitelný potenciál větru a zvláště pak slunečního záření je o několik řádu větší než spotřeba energie celého lidstva [2].

Pokud energetická náročnost lidstva poroste dosavadním tempem, jsou zásoby fosilních zdrojů energie snadno vyčerpatelné v časovém horizontu, který je zanedbatelný nejen ve srovnání s dobou existence člověka jako živočišného druhu, ale dokonce i s trváním civilizace, neboli s obdobím, o němž máme k dispozici písemné záznamy. Životnost zásob fosilních paliv určená jako podíl zásob a roční spotřeby se počítá v desítkách let [3], viz obrázek 2.

Obrázek 1: Podíl obnovitelných zdrojů na konečné spotřebě energie a na výrobě elektřiny [1]
Obrázek 1: Podíl obnovitelných zdrojů na konečné spotřebě energie a na výrobě elektřiny [1]

V případě ropy se otevřeně mluví o tzv. ropném zlomu. Produkce konvenční ropy dosáhla maxima i podle informací Mezinárodní agentury pro energii (IEA – International Energy Agency), do budoucna je po dočasné stagnaci produkce očekáván její pokles rychlostí až 6,7 % ročně [4].

Pokud by současné typy jaderných elektráren (generace III a III+) měly pokrývat v roce 2050 pouhých 25 % celosvětové výroby elektřiny, pak podle závěrů tzv. Pačesovy komise „V případě alokace přírodního uranu na celou dobu životnosti elektrárny dojdou konvenční zásoby přírodního uranu v roce 2050.“ [5]

Obrázek 2: Poměr prověřených zásob k roční těžbě u fosilních paliv [3]
Obrázek 2: Poměr prověřených zásob k roční těžbě u fosilních paliv [3]

V souvislosti s očekávaným vyčerpáním výše uvedených zásob je lidstvo nuceno nalézt jiné zdroje energie pro svůj další rozvoj. V podstatě je možno konstatovat, že byly uzavřeny tři sázky na perspektivní energetické technologie:

  • rychlé množivé reaktory s uzavřeným cyklem paliva
  • jaderná fúze
  • obnovitelné zdroje a energetická efektivnost

Každá z uvedených sázek má své silné a slabé stránky. První dvě možnosti, pokud by se podařilo je technicky dořešit, umožňují pokračovat v dosavadním přístupu postaveném na růstu spotřeby minimálně do stavu, kdy uvolňované odpadní teplo naruší energetickou rovnováhu planety. Třetí cesta vyžaduje radikálnější změny, jinak bychom při stále rostoucí spotřebě museli pokrýt planetu fotovoltaickými panely a větrnými elektrárnami.

2 Rychlé množivé reaktory

Název této skupiny reaktorů vysvětluje jejich princip. V rychlých reaktorech se ke štěpným reakcím využívají rychlé neutrony. Množivé reaktory paralelně s výrobou energie produkují více štěpitelných izotopů, než se jich při štěpných reakcích spotřebuje. Zjednodušeně řečeno množivý reaktor vyrobí více paliva, než spotřebuje. Rychlý reaktor nemusí nutně být množivý.

Obrázek 3: Princip výroby energie a nového paliva v rychlém množivém reaktoru [7]
Obrázek 3: Princip výroby energie a nového paliva v rychlém množivém reaktoru [7]

Podle informací Mezinárodní agentury pro atomovou energii (IAEA – International Atomic Energy Agency) jsou rychlé reaktory chlazené sodíkem vyvíjeny přes 50 let. Za tu dobu bylo zprovozněno deset experimentálních reaktorů a šest prototypů elektráren, dalších deset projektů se nachází v různých fázích přípravy [4].

V současných reaktorech se využije přibližně jedno procento energie, kterou by bylo teoreticky možno získat štěpením všech atomů paliva. Většinu přírodního uranu tvoří neštěpitelný izotop 238, který převažuje i v palivu. Obsah štěpitelných izotopů uranu 235 a 233 v obohaceném uranu se pohybuje v jednotkách procent, přičemž se v reaktoru využije jen část štěpitelných izotopů.

Tabulka: Spolehlivost množivých reaktorů, zdroj: IAEA, PRIS Databaze [7]
Tabulka: Spolehlivost množivých reaktorů, zdroj: IAEA, PRIS Databaze [7]

Důvodů pro vývoj rychlých množivých reaktorů bylo několik. Především se vycházelo z předpokladu, že uranu je nedostatek a těžitelné zásoby budou brzy vyčerpány. Dále se předpokládalo, že rychlé množivé reaktory mohou být stejně bezpečné jako současné reaktory moderované vodou, že brzy mohou být s těmito reaktory konkurenceschopné, a že riziko šíření jaderných zbraní může být zvládnuto. Všechny tyto předpoklady se postupem času ukázaly jako chybné [7]. Například k rychlému vyčerpání těžitelných zásob urany by mohlo dojít pouze v případě, že by se jaderná energetika prosadila ve větším rozsahu [8]. V současnosti jaderné elektrárny pokrývají méně než 3 % konečné spotřeby energie [1].

Rychlý reaktor je v současnosti na celém světě v komerčním provozu pouze jeden – ruský BN600. Přestože roční využití výkonu přesahuje 70 % (mezi rychlými reaktory patří k nejvyšším), potýká se s opakovanými úniky chladiva, které zhruba v polovině případů končí požárem [4]. Sodík použitý jako chladivo totiž prudce reaguje s vodou, přičemž se uvolňuje vodík, který se vzduchem snadno vytváří explozivní směs.

Obrázek 4: Provozní histogram reaktoru Phénix [9]
Obrázek 4: Provozní histogram reaktoru Phénix [9]

Další dva reaktory komerční velikosti ve Francii (Phénix a Superphénix) a jeden v Japonsku (Monju) byly kvůli technickým problémům odstaveny. Ve výstavbě je jeden rychlý reaktor v Indii. Výstavba dalšího reaktoru v Rusku byla opakovaně odložena [7]. Jedním z důvodů nízkého zájmu o rozvoj rychlých množivých reaktorů je stagnace jaderné energetiky [4].

Na výrobu paliva v rychlých množivých reaktorech sází v současnosti Indie, která dokončuje stavbu svého prvního prototypu komerčního rychlého množivého reaktoru PFBR. Ten by měl z thoria vyrábět palivo pro současné typy reaktorů [7]. Nejrozšířenější izotop thoria 232 je pro současné typy reaktorů nepoužitelný. Záchytem neutronu se (po dalších přeměnách) přemění na uran 233, který již použitelný je.

Na mezinárodní úrovni v současnosti probíhá výzkum s cílem vyvinout jaderné reaktory tzv. IV. generace. Na tomto výzkumu se podílí i několik pracovišť v České republice. Mezi celkem šesti koncepty jsou tři typy rychlých reaktorů. Výstavba demonstračních reaktorů se předpokládá po roce 2020. Komerčně by technologie měla být dostupná po roce 2040 [10].

Zajímavé je, že podle některých zdrojů: „V rámci samotné atomové energetiky není možné uvažovat o náhradě U235 thoriem nebo U238 vzhledem ke smlouvě o nešíření atomových zbraní. V případě užití tzv. reaktorů s rychlými neutrony (tj. v případě Th a U238) totiž vznikají štěpné materiály pro výrobu jaderných zbraní.“ [11].

3 Jaderná fúze

Pokud by se podařilo zvládnout jadernou fúzi, získalo by lidstvo v podstatě nevyčerpatelný zdroj energie. Problém lze rozdělit na dvě části – ohřev plazmatu na teploty a tlaky, při nichž dochází ke slučování jader lehkých prvků, a vyvedení takto uvolněné energie z reaktoru. V současnosti jsou v pokročilé fázi vývoje dvě základní strategie. Jedna se pokouší udržet kontinuální výboj v magnetickém poli, druhá se pokouší jadernou fúzi „zapálit“ výkonnými lasery.

3.1 Magnetické udržení

Přestože byly zkoušeny i jiné konfigurace magnetického pole, nejlepší výsledky byly dosud dosahovány v tokamacích. V současnosti největší tokamak JET dosáhl fúzního výkonu 16 MW při faktoru zesílení 0,65 (poměr tepelného výkonu fúzních reakcí k příkonu na ohřev). Připravovaný ITER by měl být zhruba dvakrát větší a při faktoru zesílení 10 by měl dosahovat tepelného výkonu 500 MW [12]. Vzhledem k účinnosti výroby elektřiny a účinnosti ohřevu plazmatu by tento výkon zřejmě nestačil k udržení zařízení v provozu. Kromě toho je nutno dodávat energii pro chlazení kryostatu, v němž je celý tokamak umístěn. Celkově je potřebný elektrický příkon odhadován na 500 MW [14]. Reaktor v připravované DEMO elektrárně by měl mít faktor zesílení alespoň 30, aby kromě elektřiny pro vlastní spotřebu vyráběl i užitečnou energii.

Obrázek 5: Princip tokamaku, černě je vyznačen průběh typické silokřivky [13]
Obrázek 5: Princip tokamaku, černě je vyznačen průběh typické silokřivky [13]

Z hlediska fyziky plazmatu se zdá, že problém je řešitelný, například v tokamaku Tore Supra se podařilo udržet plazma po dobu několika stovek sekund [12]. Žádný experimentální tokamak však neřeší otázku vyvedení tepelné energie z reaktoru [14].

Pro energetické tokamaky je jako „palivo“ uvažována směs deuteria a tritia. Při jejich slučování vzniká hélium a uvolňují se vysokoenergetické neutrony. Výhodou je, že tyto neutrony pronikají hluboko do materiálu vnitřní stěny reaktoru, takže je technicky snazší vzniklé teplo odvést k využití. Nevýhodou je, že materiál reaktoru se stává radioaktivním.

Projekt ITER je nejdražším vědeckým experimentem v historii lidstva, přesto jsou plánované náklady zanedbatelné ve srovnání s vojenským rozpočtem USA. Technicky je zřejmě za hranicí možností jednotlivých států, proto se na jeho financování a realizaci podílejí v podstatě všechny vyspělé státy – EU jako celek, USA, Rusko, Japonsko, Čína, Jižní Korea a Indie – které zahrnují více než polovinu lidské populace [15].

Podle původních plánů měl být ITER již v provozu [12]. Podle současných představ by první plazma mělo být získáno v roce 2019, pak budou následovat experimenty s hledáním optimálního scénáře provozu. První fúzní experimenty by měly přijít na řadu kolem roku 2030. Budou-li experimenty úspěšné, je kolem roku 2040 plánováno spuštění první fúzní elektrárny DEMO [15].

3.2 Inerciální udržení

Nevyřešené technické problémy tokamaků obrátily zájem k jiným metodám. Nápad využít k „zapálení“ jaderné fúze lasery pochází z konce 60. let minulého století. Na rozdíl od tokamaku se počítá s vytvořením podmínek pro fúzi na velmi krátkou dobu v rozsahu nanosekund. Palivová směs deuteria a tritia má být dodávána ve zmrazeném stavu v podobě kuliček, které by měly být stlačeny a zahřány intenzivním laserovým pulsem. Experimentální práce na této technologii začaly podstatně později než na tokamacích [14].

Obrázek 6: NIF – budova s lasery a cílovou komorou [16]
Obrázek 6: NIF – budova s lasery a cílovou komorou [16]

Nejdále je v tomto směru americký projekt NIF (National Ignition Facility) zahájený v roce 1990. Jedná se o synchronizovanou skupinu 192 nejvýkonnějších laserů schopných společně dodat nanosekundový impuls o energii 2 MJ, který může ohřát terč uvnitř cílové komory na stamiliony stupňů při tlacích stamiliard atmosfér [16]. NIF je přednostně využíván k vojenskému výzkumu, protože umožňuje napodobit podmínky při výbuchu vodíkové bomby, což dovoluje při zachování moratoria na zkoušky jaderných zbraní pokračovat v jejich vývoji [14, 16].

Původně měly být první experimenty s jadernou fúzí zahájeny v roce 2005. Zařízení však bylo uvedeno do provozu až v roce 2009 [16]. Podle informací z roku 2008 byly fúzní experimenty odloženy na rok 2010, dosud k nim však nedošlo. V Evropě je připravována výstavba obdobného zařízení HiPER. Mělo by být dokončeno v roce 2020. Dosud však nebylo rozhodnuto o jeho výstavbě.

Veškerá optika včetně okének reaktorové komory musí odolávat působení energie uvolněné při fúzi včetně bombardování rychlými neutrony. Nedořešené jsou i otázky dávkování palivových pelet, odstranění reakčních produktů z reaktoru, vyvedení energie a celá řada dalších. Na rozdíl od tokamaků existují pouze kusé náznaky, jak by měla vypadat elektrárna pro komerční výrobu elektřiny [14].

4 Obnovitelné zdroje

Energetický potenciál obnovitelných zdrojů je sice obrovský, jeho využití by však znamenalo pokrýt velká území zařízeními na využití tohoto potenciálu. V některých případech je energie natolik rozptýlená, že se nevyplatí ji využívat. Na druhou stranu jsou obnovitelné zdroje dostupné v podstatě všude, přičemž „palivo“ je v případě slunečního záření a větru zdarma. Náklady je nutno vynaložit pouze na využití těchto zdrojů, ať už je to těžba a doprava biomasy nebo vysoké vstupní investice do fotovoltaických nebo větrných elektráren.

Někteří autoři tvrdí, že potenciál obnovitelných zdrojů (OZE) je omezený, a že například v podmínkách České republiky údajně nemohou hrát podstatnou roli. Ve skutečnosti lze podle dostupných studií snížit energetickou náročnost českého hospodářství natolik, že by OZE mohly do roku 2050 pokrýt téměř veškerou spotřebu energie [18]. Vyžadovalo by to však změnu v systému provozování elektrizační soustavy a částečně i ochotu přizpůsobit spotřebu momentální produkci. Výhodou je, že většina opatření pro zvýšení energetické efektivnosti je ekonomicky výhodných i bez dotací [17].

Investiční náklady nových větrných elektráren mírně rostou. Je to způsobeno přechodem na větší rotory umístěné ve větších výškách nad terénem, kde jsou vhodnější větrné podmínky. Výnos v tomto případě roste rychleji než investiční náklady.

Obrázek 7: Investiční náklady fotovoltaických elektráren – odhady a realita [19]
Obrázek 7: Investiční náklady fotovoltaických elektráren – odhady a realita [19]

I v případě fotovoltaiky, která je dosud laickou veřejností i mnohými energetiky považována za nejdražší zdroj, byla v roce 2010 cena vyrobené elektřiny nižší, než cena energie vyrobené z ropných paliv ve spalovacích motorech. Na konci roku 2011 ceny fotovoltaických komponent poklesly natolik, že elektřina z fotovoltaiky začíná konkurovat ceně elektřiny pro domácnosti. Do budoucna je přitom očekáván další pokles investičních nákladů a rozšiřování konkurenceschopnosti i ve vztahu k dalším konvenčním zdrojům [19].

 

Technologie pro využití OZE jsou dostupné v masovém měřítku již v současnosti. Zkušenosti s fotovoltaikou v ČR v roce 2010 navíc ukázaly, že je možné budovat významné kapacity velmi rychle. Zejména pro rozvojové země může být výhodou, že OZE lze budovat od velmi malých výkonů, takže pro zásobování elektřinou v odlehlých oblastech a řídce osídlených regionech vůbec není nutno budovat přenosové a distribuční soustavy [20].

Obrázek 8: Náklady na úsporná opatření jsou často nižší, než je cena uspořené energie [17]
Obrázek 8: Náklady na úsporná opatření jsou často nižší, než je cena uspořené energie [17]

5 Porovnání sázek

Jednotlivé energetické technologie je možno posuzovat z různých hledisek. Nejčastěji jsou používána nákladová kriteria. Je však nutno srovnávat technologie na odpovídající úrovni vývoje. Je celkem pochopitelné, že například investiční náklady experimentálního zařízení nebo demonstračního prototypu budou řádově vyšší než u stejného zařízení vyráběného masově. Na druhou stranu je odvážné diskutovat o tom, jaké budou investiční náklady technologických řešení, která dosud nebyla vyvinuta.

Pro porovnávání komerční vyspělosti technologií je možno použít následující škálu:

  1. teoretický koncept
  2. základní výzkum
  3. experimentální zařízení
  4. prototyp
  5. malosériová výroba
  6. masová výroba

Z tohoto pohledu se jaderná fúze nachází na úrovni 2, úrovně 3 bude dosaženo nejdříve za 20 až 30 let. Reaktory IV. generace jsou rovněž na úrovni 2, úrovně 3 bude dosaženo nejdříve za 10 let. Technologie pro využívání obnovitelných zdrojů energie se vesměs nacházejí na úrovni 5. Na úrovních nižších než 4 lze stěží diskutovat o úsporách z rozsahu, provozních nákladech a dalších proměnných nutných k posouzení ekonomiky daného zdroje.

Již v 50. letech vznikl první odhad vývoje investičních nákladů jaderných elektráren, elektřina z nich měla být „příliš levná než aby stálo za to ji měřit.“ Od té doby investiční náklady jaderných elektráren vytrvale rostou, desítky reaktorů proto byly stornovány [6]. Hlavním důvodem jsou rostoucí požadavky na bezpečnost, v poslední době nabývá na významu růst cen surovin. Svou roli hraje i skutečnost, že reaktory byly vyráběny nejvýše v malých sériích, mnohé existují pouze jako prototypy. Výhody masové výroby – úspory z opakování – se u nich proto nemohou projevit.

Investiční náklady obnovitelných zdrojů jsou sice často vyšší než u konvenčních elektráren, vytrvale však klesají, „palivo“ je u fotovoltaiky a větrných elektráren zdarma. Naopak zkušenosti z řady v současnosti budovaných jaderných elektráren tzv. III+ generace ukazují, že investiční náklady i doba výstavby jsou pravidelně výrazně překračovány. Například doba výstavby i rozpočet třetího bloku elektrárny Olkiluoto byly překročeny o více než 100 % [21, 22].

Překvapivé je, že při modelování Státní energetické koncepce řešitelé uvedené výsledky z praxe ignorovali. Díky tomu nadhodnotili náklady u fotovoltaických elektráren oproti realitě až o 100 %, zatímco náklady na jaderné elektrárny až o 50 % podhodnotili. Výsledky modelu i závěry tomuto nastavení vstupních předpokladů samozřejmě odpovídají.

6 Závěr

Srovnávat výše uvedené tři energetické sázky mezi sebou je obtížné. Zatímco spuštění první fúzní elektrárny je očekáváno nejdříve v roce 2040 a demonstračních elektráren s reaktory tzv. IV. generace nejdříve v roce 2030, obnovitelné zdroje energie jsou masově instalovány již v současnosti. Nejen na příkladu České republiky v roce 2010 se ukázalo, že je snazší instalovat potřebné objemy výroby elektřiny v obnovitelných zdrojích než v případě moderních jaderných elektráren.

Podaří-li se nečekaný průlom v oblasti jaderné fúze nebo rychlých množivých reaktorů s uzavřeným cyklem paliva, získá lidstvo v podstatě neomezený zdroj energie. Investice vložené do vývoje a podpory rozvoje obnovitelných zdrojů by se v tom případě mohly ukázat zbytečnými. Dosud se však jedná o sliby, jejichž splnění je odsouváno do stále vzdálenější budoucnosti. Investice do úspor a efektivnějšího využití energie jsou přitom již v současnosti ekonomicky výhodnější než jakékoli zdroje energie.

Reference

 
English Synopsis
Future of Energy – Three Large Bets

At present, nobody knows how the energy future will look like. What is certain is that fossil resources can be depleted in the horizon of decades. Proven reserves of uranium – if the power consumption should be replaced by current reactors – would last for only a few years. There are only three promising energy technologies: nuclear fusion, fast breeder reactors with closed fuel cycle and renewable energy sources, along with energy efficiency. While commissioning of the first fusion power plant is expected the earliest by 2040, and demonstration plants with so-called generation IV reactors in 2030, renewable energy sources are already massively installed at present. Construction of nuclear power plant is always more expensive and takes more time than originally planned. Situation of renewables and especially photovoltaic is the reverse – they are built faster and the prices are lower than anyone imagined.

 

Hodnotit:  

Datum: 19.3.2012
Autor: Ing. Bronislav Bechník, Ph.D.   všechny články autora
Recenzent: RNDr. Jan Mlynář, Ph.D., Ústav fyziky plazmatu AV ČR



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (26 příspěvků, poslední 23.12.2013 17:38)

Mohlo by vás také zajímat

Podpora veřejnosti jaderné energetice v roce 2015 - Rozdílné interpretace jednoho průzkumu veřejného mínění 4.7.2015
Jaderná energetika po zrušení tendru na nové bloky v Temelíně - Postřehy z konference Nuclear Energy Conference 2014 18.5.2014

Je elektřina hlavním energetickým zdrojem budoucnosti? - Diskusní setkání IVD k tématu Technologický rozvoj v energetice 10.10.2013

Jaderná fúze není obnovitelný zdroj energie - Komentář k úvodním kapitolám článku Energie z fúze I. 10.6.2013


Úspory energie v dopravě - Autoškola úsporné jízdy - ecodriving 20.10.2012
Energetika pro 21. století v České republice - Seminář Inženýrské Akademie České republiky 29.9.2012
Obnovitelné zdroje s chladnou hlavou - Upoutávka na publikaci 12.9.2012

Státní energetická koncepce podle Greenpeace - Energetická [r]evoluce 6.6.2012
Energetická družstva II - Příklady z praxe 23.4.2012

Vítr a fotovoltaika v Německu v roce 2012 - Energetická revoluce 5.4.2012
VIII. Mezinárodní energetické regulační fórum - "Pokud by nám někdo bránil dostavět Temelín, tak je to na vystoupení z EU..." 31.3.2012

Kam dál


 
 
 

Aktuální články na ESTAV.czPři převodu bytu mají dluhy přejít na kupce, navrhli poslanciStarosti s bezdrátovým rozhlasem? Digitální rozhlas Dexon je levnější a spolehlivějšíŠkolka pro nejmenší, která má děti inspirovat k učení