Energetické zdroje budoucnosti

Energie a společnost

• Jakýkoliv živý organismus potřebuje dodávku energie (potrava)

• Lidská společnost dále potřebuje značné množství energie k zabezpečení svých aktivit – Doprava (ropa)

– Průmysl (ropa, elektrická energie)

– Obchod a služby (elektřina)

– Zábava (elektřina)

– Domácnost (elektřina, plyn, ropa)

• Nutný stálý a spolehlivý zdroj energie – Bezpečný, čistý, obnovitelný, levný

Současná spotřeba energie

Současná společnost vyžaduje k zabezpečení svých požadavků stále vyšší přísun energie

Modernizace sice přináší energetické úspory, ale v celkovém součtu spotřeba energie roste

Energetický rozdíl 14 TW, 2050 33 TW, 2100

Alternativy

Energetické požadavky ~ 14 TW 2050 ~ 33 TW 2100

14 TW = 14000 1 GW elektráren 1 nová elektrárna každý den po následujících 40 let

Fosilní paliva

Jaderné štěpení

Obnovitelné zdroje

Jaderná fúze

Voda, vítr, slunce, příliv, geo, biomasa

Environmentální problémy

Sociální a politické problémy

Technologické problémy

Hustota energie Tok energie

Problém nemá jednoznačné řešení Je nezbytné kombinovat všechny zdroje

Energetické zdroje v různých oblastech společnosti

S výjimkou dopravy je klíčová elektrická energie

Princip výroby elektrické energie

• Teplo – Pára – Turbína – Generátor • Kinetická energie (voda, vzduch) – Turbína – Generátor

• Přímá přeměna (solární články)

Problém fosilních paliv

Spalování fosilních paliv zabezpečuje zhruba 80% výroby energie, ale zásoby těchto paliv jsou omezené

Neobnovitelné zdroje, problémy s vlivem na životní prostředí

Nezbytně nutné hledat náhradu za fosilní paliva

Jak nahradit fosilní paliva

• Zvýšit podíl jaderné energie – Neobnovitelný zdroj

– Společenské problémy

• Více vodních elektráren – Lze pouze někde

– Ekologické problémy

• Zlepšit využití známých alternativních zdrojů (vítr, příliv, atd.)

• Zcela nové zdroje

Obnovitelné zdroje energie

Spalování biomasy

Produkce CO2 spalováním (na 1 MJ)

• Biomasa je stejného původu jako fosilní paliva (fotosyntéza)

• (Ne)obnovitelný zdroj • Šetrnější z hlediska

produkce CO2

• Nelze spálit vše! Odumřelé organismy jsou nutnou součástí životního cyklu na Zemi

Vítr

• Obnovitelný zdroj • Žádná produkce

skleníkových plynů • Bezpečnost

Větrné problémy

• Použití limitováno jen na určité oblasti • Vítr nefouká pořád, rychlost větru se mění • Malý výkon na jednu turbínu • Problém pro ptáky • Hlučnost • Estetické problémy • Vyšší cena

Vhodné pro lokální použití, neřeší globální energetické

problémy

Příliv, vlny a další •Využití rozdílu hladin při přílivu a odlivu •Dvousměrná turbína •Pouze v oblastech s vysokým přílivem lze dosáhnout rozumných výkonů

•Využití rozdílu hladin mezi dvěma nádržemi •Ve dne spád vyrábí elektřinu •V noci zbytkový proud napájí čerpadla, která naplní horní nádrž

Přečerpávací elektrárna Dlouhé Stráně

Geotermální energie

Téměř dokonale čistý zdroj energie, prakticky nevyčerpatelný a obnovitelný

Použitelný pouze v geologicky aktivních oblastech (Island, Japonsko, Kalifornie, Aljaška, Hawaii)

Solární energie

• Nepřímé využití – Fotosyntéza (spalování biomasy)

– Ohřev (vytápění, výroba elektřiny)

• Přímé využití – Fotovoltaické články

– Umělá fotosyntéza

Solárně-termální elektrárna

Ekologicky čistá tepelná elektrárna

K dosažení potřebných teplot je třeba velkých ohřevných ploch a stabilního slunečního záření

Použití omezeno na oblasti jako Sahara, Arizona, Arabská oblast...

Sluneční elektrárny Solar II, Mojave desert 10 MW „standardní“ elektrárna, Southern California Edison 500 MW,

Gut Erlasee Solar Park 12 MW

Fotovoltaické panely Serpa, Portugalsko 11 MW Fotovoltaické panely

50 W/m2

Problém hustoty energie

1 ha fotovoltaických článků = 1 dm3 jaderného paliva

1645W/m2

Temelín: 2 x 1020 MW na ploše 1240000 m2

V případě jaderné fúze je hustota energie zhruba 4x vyšší než u štěpení (na kg paliva)

Sluneční energie - plocha pokrytí

Přímé využití sluneční energie I

Klasické články založené na křemíku

Nutnost ’čisté’ výroby Vysoká cena

Tzv. Grätzelovy články Jednoduchá konstrukce

Velmi levné Nízký výkon

Problém toku energie

K zabezpečení plynulé dodávky elektrické energie je třeba plynulé dodávky zdroje energie

Fosilní paliva, jaderné palivo, geotermální, biomasa, příliv

Vetšina obnovitelných zdrojů energie nesplňuje podmínku plynulosti toku energie

Voda, slunce, vítr

Nutno zálohovat výrobu energie jinými zdroji

Využít obnovitelných zdrojů k výrobě skladovatelné formy energie - paliva

Umělá fotosyntéza

Skladování energie, přečerpávací elektrárna Přečerpávací elektrárna Dlouhé Stráně

Rozdíl hladin 540 m Výkon 650 MW

Vystačí na zhruba 5 hodin

Jaderná energie

Bezjaderné země Rakousko, Dánsko, Norsko, Island, Austrálie

Problémy jaderné energie

• Získávání paliva (uranové doly) • Velké množství chladicí vody • Nehody s následkem úniku radioaktivity • Značné nároky na bezpečnost • Ukládání použitého paliva • Psychologické problémy (Černobyl, Fukušima)

Výhody jaderné energie

• Vysoká hustota energie (nepatrné množství uranu vyrobí obrovské množství energie)

• Neznečišťuje životní prostředí

Co s jadernou energií? Jaderná energie není optimální řešení energetické situace, ale za současných energetických nároků a dostupných technologií je to

zřejmě jediné řešení, které umožní vyhnout se energetickým krizím v nejbližší budoucnosti

Jaderná fúze

• Opak jaderného štěpení, v případě lehkých prvků se při slučování uvolňuje značná energie

• Přeměna vodíku na hélium (termonukléární reakce)

• Probíhá pouze za extrémně vysokých teplot • Je bezpečnější než jaderné štěpení jelikož

nedochází k řetězové reakci • Uvolňuje víc energie než jaderné štěpení • V podstatě neomezený zdroj energie • Neznečišťuje životní prostředí • Pokusný reaktor v Cadarache (Francie)

Předpověď statistiků

Souhrn • Současné energetické zdroje na Zemi nebudou v blízké

budoucnosti schopny pokrýt energetické nároky společnosti

• Nutnost hledání alternativních, obnovitelných zdrojů, které neznečišťují životní prostředí

• Současné obnovitelné zdroje (vítr, geotermální, solární články, příliv...) lze použít pouze omezeně

• Současné technologie čisté výroby energie nejsou schopny pokrýt globální energetickou spotřebu

• Nejslibnějším zdrojem energie v budoucnosti je vodík, pokud bude vyřešena technologie jeho výroby (umělá fotosyntéza, elektrolýza pomocí fotovoltaických článků)

• Pokud nedojde v nejbližší době k významným objevům v oblasti technologií výroby energie, jaderná energie je jediný zdroj schopný zabránit energetickým krizím

• Ve vzdálenější budoucnosti snad bude možné využít bezpečnější verze jaderné energie – jaderné fúze