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
Energetický rozdíl 14 TW, 2050 33 TW, 2100 Současná společnost vyžaduje k zabezpečení svých požadavků stále vyšší přísun energie Modernizace sice přináší energetické úspory, ale v celkovém součtu spotřeba energie roste
Alternativy Fosilní paliva Environmentální problémy
Jaderné štěpení
Obnovitelné zdroje
Sociální a politické Voda, vítr, slunce, problémy příliv, geo, biomasa
Jaderná fúze Technologické problémy
Hustota energie Tok energie
Energetické požadavky 14 TW = 14000 1 GW elektráren ~ 14 TW 2050 1 nová elektrárna každý den ~ 33 TW 2100 po následujících 40 let 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 • • • •
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
Produkce CO2 spalováním (na 1 MJ)
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 Přečerpávací elektrárna Dlouhé Stráně
•Využití rozdílu hladin mezi dvěma nádržemi •Ve dne spád vyrábí elektřinu •V noci zbytkový proud napájí čerpadla, která naplní horní nádrž
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
50 W/m2
Serpa, Portugalsko 11 MW Fotovoltaické panely
Problém hustoty energie 1 ha fotovoltaických článků = 1 dm3 jaderného paliva
Temelín: 2 x 1020 MW na ploše 1240000 m2
1645W/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
