Energie - 2x využitá, nebo 1x vyhozená?

Jaroslav Petr  |  Věda
Energetická schizofrenie

Pokud by se nám podařilo využít pětinu energie, kterou ztrácíme při průmyslové výrobě, dosáhli bychom stejného efektu, jako kdybychom zdvojnásobili celosvětovou produkci čisté energie z obnovitelných zdrojů.

Fotovoltaické články jsou synonymem pro ekologicky šetrnou produkci elektrické energie. Výroba článků sama o sobě příliš šetrná k životnímu prostředí není. Křemík, který je jejich základním materiálem, se taví v obloukových pecích při teplotě 1500 °C. Na to padne obrovské množství energie, která rozhodně není vyrobena ekologicky. Podstatná část tepla potřebného k roztavení suroviny nakonec uniká do ovzduší. Při výrobě ekologického fotovoltaického článku tak topíme „pánubohu do oken“. Podobných příkladů najdeme bezpočet.

Konec plýtvání

Svět je v otázkách šetření s energií schizofrenní. Na jedné straně stojí jednotliví lidé, kteří usilovně šetří každý watt. Mění klasické žárovky za úsporné, zateplují domy, jezdí automobily na hybridní pohon. Na druhé straně stojí průmysl mrhající energií ve velkém. Čelní představitelé průmyslu sice pláčou nad vzestupem cen energií, ale jejich nárůst obvykle promítnou do ceny výrobků. Šetřit energií se učí průmysl jen pomalu.

Přitom už na dnešní úrovni technologií by bylo možné zachycením tepla unikajícího například z křemíkových obloukových pecí ušetřit až třetinu elektrické energie. Odhaduje se, že ve světě pracuje asi 300 podniků, jež taví křemík v obloukových pecích. Všechny dohromady by mohly ušetřit 12 gigawattů elektrické energie. Další obrovské rezervy představuje výroba oceli nebo spalování dehtu pro výrobu sazí přidávaných do gumy pneumatik.

Úspora energie spotřebovávané při průmyslové výrobě je pro ochranu životního prostředí přinejmenším stejně důležitá jako náhrada fosilních paliv energií z obnovitelných zdrojů. Lidé získávají spalováním fosilních paliv asi 85 % veškeré energie. Experti odhadují, že bychom z ní při současné úrovni technologií dokázali ušetřit pětinu.

Pokud by se to podařilo, snížili bychom znečištění ovzduší a produkci skleníkových plynů asi tak, jako kdybychom zdvojnásobili celosvětovou produkci „zelené“ energie z obnovitelných zdrojů. Zatímco úspory jsou reálné už dnes, zdvojnásobení výroby ekologicky čisté energie bude ještě dlouhá léta nesplněným snem. Jen Spojené státy by mohly recyklací energie z velkých průmyslových provozů ušetřit tolik elektrické energie, že by jim to dovolilo snížit její produkci o 20 %.

Rekordní ceny ropy z léta roku 2008 a nástup hospodářské recese nutí průmyslové podniky, aby se začaly úsporami energie vážně zabývat. Ceny ropy sice opět klesly, ale nikdo neví, kdy znovu dosáhnou nebetyčných výšin. Kdo dokáže snížit náklady, může přežít recesi i budoucí vzestup ceny energií. Naneštěstí nejsou úspory energie laciná záležitost.

Každý ušetřený watt je třeba tvrdě zaplatit. Finančně náročné a technologicky komplikované jsou především úpravy stávajících průmyslových podniků, protože na energeticky šetrnou výrobu nebyly vůbec projektovány. Přes všechny problémy jsou experti přesvědčeni, že průmysl nemá na vybranou. Kdo se nenaučí tvrdě šetřit s energií, bude mít brzy existenční potíže.

Spalování zemního plynu bez jakéhokoli užitku je běžnou praxí při těžbě ropy.

Odpadní teplo žene turbíny

V principu je využití odpadního tepla jednoduché. Lze ho přeměnit zpátky na elektrickou energii procesem, kterým se elektrická energie běžně vyrábí. Na počátku výroby elektřiny je zdroj tepla, například spalování fosilních paliv, biomasy, štěpná jaderná reakce nebo i teplo slunečního záření. Teplem se převede voda na páru o vysokém tlaku a ta je nasměrována na lopatky turbíny.

Turbína pohání generátor, který vyrábí elektřinu. Pára, jež projde turbínou, je následně ochlazena, kondenzuje na vodu a vrací se zpět. Čím teplejší je pára, tím více energie lze s její pomocí vyrobit. To je také důvod, proč se technici v první řadě snaží využít k další výrobě elektřiny ty nejvydatnější zdroje odpadního tepla.

Například vzduch odcházející z obloukové pece na tavení křemíku má teplotu kolem 800 °C, a to je dost na výrobu páry, která by poháněla turbínu. K dalším „energeticky vydatným“ průmyslovým provozům patří například vysoké pece na tavení rud nebo pece cementáren, kde se pálí vápenec. Všude se dosahuje vysokých teplot a energie v podobě tepla odchází prakticky bez užitku.

Značné množství tepla uniká z nejrůznějších zařízení v chemickém průmyslu a dalších výrobních odvětvích. Například při výrobě sádrokartonových panelů tvoří energie nutná na sušení výrobků podstatnou část výrobních nákladů. Vzduch, který odchází ze „sušičky“, má kolem 200 °C.

S ohledem na ceny energie je to hodně. Vzhledem k technickým možnostem recyklace tepla a jeho dalšího využití to však není dost. Například výroba vysokotlaké vodní páry by byla za těchto podmínek obtížná. Přesto lze i takové zdroje tepla využít k dodatečnému získávání energie. Komerčně jsou už dostupné systémy, v nichž je vodní pára pro pohon turbíny nahrazena látkami přecházejícími do plynného skupenství za mnohem nižších teplot. Pro tyto účely lze využít například freony, propan či butan.

Staronovým technologickým hitem jsou termoelektrické materiály převádějící teplo přímo na elektrickou energii. Zatím naráží jejich širší praktické uplatnění na dvě velké překážky – vysokou pořizovací cenu a nízkou účinnost. Ve srovnání s klasickou turbínou na vodní páru vytěží ze stejného množství tepla jen pětinu energie. Tyto nešvary jsou aspoň zčásti vyváženy jejich malými rozměry a jednoduchostí.

Na rozdíl od turbíny nepotřebují žádné pohyblivé části. Velké automobilky, například BMW a Volkswagen, už vyvinuly prototypy systémů, které jsou s to získávat elektrickou energii přímo z tepla horkých výfukových plynů. Materiáloví inženýři vyvíjejí zcela nové termoelektrické generátory využívající nevšedních vlastností některých nanomateriálů.

V Edisonových stopách

Dvě třetiny světové produkce elektrické energie kryje spalování fosilních paliv. Účinnost těchto technologií se pohybuje obvykle kolem 30 %. Nové systémy mohou účinnost celého procesu zdvojnásobit. Jsou založeny na spalování zemního plynu nebo plynů vznikajících rozkladem uhlí (hlavně vodíku a oxidu uhelnatého). Spalované plyny pohánějí první turbíny. Plynné spaliny jsou pak využity k výrobě vysokotlaké vodní páry pro tradiční pohon parních turbín. Zatím se ale tyto systémy příliš nerozšířily.

Elektrárny na zemní plyn jsou obvykle využívány k pokrytí spotřeby v energetických „špičkách“. Jsou ceněny především proto, že je lze v případě potřeby rychle „nahodit“ a po odeznění energetické špičky zase rychle „odstavit“. Elektrárny poháněné plyny vyráběnými rozkladem uhlí jsou sice ekologicky čistší než tradiční elektrárny na tuhá fosilní paliva, ale zpracování uhlí na plyny představuje další náklady. Přímé spalování uhlí je navzdory nižší účinnosti tradičních tepelných elektráren stále ještě levnější.

Tepla unikajícího při výrobě elektřiny v tepelné elektrárně bylo líto už Thomasi Edisonovi. V roce 1882 postavil na newyorském Manhattanu tepelnou elektrárnu a odpadní teplo využil k vytápění blízkých budov. Vydat se v Edisonových stopách nemusí být tak jednoduché, jak to na první pohled vypadá. Zatímco elektřinu lze dopravit bez velkých ztrát na velké vzdálenosti, teplo se dá transportovat jen nablízko.

Spojené státy mají sice hodně velkých tepelných elektráren, ale ty byly postaveny v odlehlých oblastech. Městské aglomerace, které by mohly využívat odpadní teplo těchto elektráren, jsou z ruky. Proto se v USA využívání tepla tepelných elektráren pro vytápění od Edisonových dob příliš nerozšířilo. Evropské země mají díky hustému osídlení příhodnější podmínky. Jako příklad země, která došla v tomto směru nejdál, bývá uváděno Dánsko.

Dánská cesta

Dánové hodně investovali do výroby elektrické energie a tepla z obnovitelných zdrojů. Díky přírodním podmínkám se tu staví velký počet větrných elektráren. Ty dnes vyrábějí plnou pětinu veškeré elektrické energie. Řada místních menších elektráren a tepláren využívá spalování biomasy. Velké tepelné elektrárny přešly během ropné krize v sedmdesátých letech minulého století z ropy na uhlí. Elektrárny středního a menšího kalibru spalují zemní plyn.

Dánsko využilo dokonale své přírodní podmínky. Mnoho elektráren stojí na mořském pobřeží a k chlazení využívají ledovou mořskou vodu. Díky tomu pracují tamější tepelné elektrárny v cyklech s velkými rozdíly teplot, což zvyšuje jejich účinnost. Polovina elektrické energie je v Dánsku vyráběna tak, aby bylo možné dále využívat odpadní teplo. Tomu napomáhá i malá rozloha země a husté osídlení.

Za těchto podmínek lze snadno využívat odpadní teplo v okolí elektráren a odpadá ztrátové rozvádění tepla na velké vzdálenosti. Díky tomu si Dánové udrželi v posledním čtvrtstoletí prakticky stejnou spotřebu energie, i když jejich hrubý domácí produkt za tu dobu vzrostl o 75 %. Stát tomu napomohl investicemi a úpravou legislativy. Horká voda je vedena pod zemí. Je to sice dražší než povrchové vedení, ale výrazně se tím sníží tepelné ztráty.

Stát neváhal do podzemního vedení investovat u všech sídel nad 500 obyvatel. Tam, kde je k dispozici centrální vytápění, musí obyvatelé odebírat teplo z centrálních zdrojů. To se týká 60 % všech Dánů. Tak je zajištěn odbyt zachyceného odpadního tepla a i soukromým firmám se pak vyplácí investovat v provozech do zařízení, která odpadní teplo zachycují a dodávají do systémů centrálního vytápění.

Thomas Johann Seebeck

Termoelektrický efekt

Už v roce 1821 si německý fyzik Thomas Johann Seebeck (na obrázku) všiml, že když ohřeje jeden konec kovové tyčky, vzniká na ní elektrické napětí. Opačný efekt, kdy při průchodu proudu vzniká v materiálu teplotní rozdíl, objevil v roce 1834 francouzský fyzik Jean Peltier. Proto se termoelektrickému jevu také někdy říká Seebeck-Peltierův jev. Peltierův efekt je využíván v Peltierově článku, v kterém lze vhodnou kombinací materiálu vytvářet poměrně velké tepelné rozdíly. Pokud je ohřívaný materiál udržován při teplotě kolem 30 °C, může teplota ochlazovaného materiálu klesnout na –40 °C.

Termoelektrické nanomateriály

Pro výrobu termoelektrických článků se ideálně hodí materiály, které dobře vedou elektrický proud, ale špatně vedou teplo. Takové materiály se špatně hledají. Většina dobrých elektrických vodičů vede zároveň dobře i teplo. Američtí materiáloví inženýři si nedávno vypomohli přeměnou běžných termoelektrických materiálů na nanočástice. Použili směs teluridu antimonu a bismutu, kterou rozemleli na prach.

Částice rozemletého materiálu měly rozměr jen několik miliardtin milimetru. Pak vědci prach slisovali a vytvořili opět kompaktní materiál. Ten si udržel původní elektrickou vodivost, ale ztratil schopnost y vést teplo. Vibrace ohřátých částic se v nanomateriálu špatně přenášejí a teplo se nešíří. Velkou výhodou nového termoelektrického nanomateriálu je jeho poměrně nízká pořizovací cena a ekologicky nekonfliktní výroba.

Umíte s energií hospodařit, nebo si raději jen hrajete na ekology? Hlasovat v anketě můžete zde.

Nejčtenější