Na cestě k zelené budoucnosti?

ABSTRACT: In August 2021, the GTK Institute’s team of experts, led by Simon P. Michaux, published a study entitled "Assessment of the extra capacity required of alternative energy electrical power systems to completely replace fossil fuels". Do the Finnish scientists assess this transition as realistic?

---

 

GTK (zkr. z finského Geologian tutkimuskeskus, v anglickém překladu Geological Survey of Finland) představilo studii, kde na 1000 stranách textu zevrubně analyzuje jednotlivé proměnné, které vstupují do rovnice (v dalším textu studii označujeme jako „Zprávu“). Pojďme si představit hlavní závěry Zprávy. Celá zpráva je dostupná na adrese https://tupa.gtk.fi/raportti/arkisto/42_2021.pdf. Z důvodu velkého rozsahu je text redakčně zkrácen.

 

ABSTRAKT ZPRÁVY

Způsob zpracování studie a přístup k údajům

Zpráva se zabývá výzvami spojenými s ambiciózním úkolem postupného vyřazení fosilních paliv (ropa, plyn a uhlí), které se v současnosti používají v technologii spalovacích motorů (ICE) a pro výrobu elektrické energie. Pro výpočty ve Zprávě uvedené byl použit nový přístup zdola nahoru (na rozdíl od typického přístupu shora dolů). Předchozí studie se také obvykle zaměřovaly na odhadované výrobní náklady a metriky CO₂ stopy, zatímco Zpráva vychází z fyzických požadavků na materiál. Všechny údaje, obrázky a grafy byly vytvořeny nebo reprodukovány z veřejně dostupných zdrojů a jsou náležitě citovány.

Vezmeme-li nejprve případ nahrazení všech vozidel na bázi fosilních paliv technologií elektrických vozidel (EVT), mělo se za to, že se jedná o 1,416 miliardy vozidel, což naznačuje, že v současné době je pouze 0,51 % celosvětového vozového parku elektrických a že 99,49 % celosvětového vozového parku je třeba nahradit. Pokud se dále zaměříme na globální energetický systém, údaje z roku 2018 odhadují, že 84,7 % bylo závislých na fosilních palivech, zatímco obnovitelné zdroje (solární, větrné, geotermální a biopaliva) se na celosvětové výrobě energie podílely pouze 4,05 % a jaderná energie 10,1 %. To jen umocňuje rozsah mnoha výzev, kterým čelíme.

Globální strategická rozhodnutí, která přijala většina států, postupně ukončit systémy výroby energie z fosilních paliv a nahradit je systémy výroby energie z obnovitelných zdrojů (OZE), jsou z velké části motivována emisemi CO₂ a souvisejícími změnami klimatu, nikoli ubývajícími zdroji, ačkoli je dobře známo, že i zásoby ropy, plynu a uhlí jsou omezené. Obecný plán lze shrnout následovně: Vozidla s vnitřním spalováním mají být postupně vyřazena z provozu a nahrazena elektromobily a vozidly poháněnými vodíkovými palivovými články (H₂ -články). Elektromobily mají být poháněny lithium-iontovými bateriemi. Výroba elektrické energie z uhlí a plynu má být postupně ukončena a nahrazena solárními fotovoltaickými elektrárnami, větrnými turbínami, vodními elektrárnami, jadernými elektrárnami, geotermálními elektrárnami nebo elektrárnami využívajícími bioodpad.

Znalosti o známých nerostných zdrojích naznačují, že suroviny potřebné pro výrobu a obsluhu těchto obnovitelných technologií budou mít i nadále skutečně globální charakter. Nebude existovat jediný národ nebo geografický region, který by byl skutečně soběstačný. Zpráva se proto zaměřila na modelování životaschopnosti nového globálního ekosystému pomocí výpočtů provedených konkrétně pro tři významné globální hráče: ekonomiku Spojených států (USA), evropskou ekonomiku (EU-28) a čínskou ekonomiku.

Tam, kde to bylo možné, byly všechny zde uváděné údaje získány pro rok 2018. Vzhledem ke karanténním omezením v důsledku pandemie covid-19 by rok 2019 mohl být pro globální ekosystém posledním rokem „normálního“ fungování. Vypočtené modely předpovídají budoucí scénáře na několik příštích desetiletí. Tento přístup zohledňuje typickou dlouhou dobu zahájení činnosti od průzkumu přes objevení až po zahájení těžby nerostných surovin, která se může pohybovat v rozmezí 10-30 let, a skutečnost, že na každých 1 000 objevených ložisek se obvykle pouze jedno nebo dvě skutečně stanou životaschopnými doly. Je to také v souladu s podobně dlouhými výrobními cykly od vynálezu po uvedení na trh.
 

Obrázek č. 1: Spotřeba energie na obyvatele (kg ropného ekvivalentu) vs. HDP na obyvatele, parita kupní síly (2016 USD)

Zdroj: European Environment Agency

Pozn.: Velikost bublin označuje celkový počet obyvatel v jednotlivých zemích. Všechny hodnoty se vztahují k roku 2011. 

 

Zpráva je členěná na scénáře

První část Zprávy se zabývá tím, jak je každá vyspělá ekonomika na celém světě vysoce závislá na fosilních palivech, což zase souvisí s průmyslovou činností, hospodářským HDP, produkcí potravin (cena a množství ropy a zejména produktů z ropy).

Druhá část zprávy kvantifikuje, jak jsou fosilní paliva využívána a v jakém množství se spotřebovávají. Výpočty byly provedeny na základě stopy jednoho celého roku provozu celého průmyslového ekosystému, včetně spotřeby fosilních paliv (ropy, plynu a uhlí), vytápění, výroby oceli, výroby elektřiny, počtu vozidel v jednotlivých třídách a vzdálenosti, kterou ujela.

Třetí část zprávy dokumentuje rozsah a velikost systému nefosilních alternativních paliv zkoumáním 6 různých scénářů, A – F:

Scénář A zkoumá logistiku a stopu pro postupné vyřazení vozidel ICE poháněných ropou a jejich nahrazení elektrickými vozidly.

Scénář B vychází ze scénáře A, kde byly všechny ostatní aplikace fosilních paliv (vytápění budov plynem, výroba oceli spalováním uhlí a výroba elektřiny z fosilních paliv) nahrazeny systémy na nefosilní paliva.

Scénář C zkoumá životaschopnost ekonomiky založené na vodíku.

Scénář D se zabývá životaschopností biopaliv, která jsou často označována za jediný skutečně obnovitelný zdroj energie.

Scénář E se snaží zjistit, zda by bylo možné dostatečně rychle rozšířit flotilu jaderných elektráren (JE) na takovou kapacitu výroby elektrické energie, aby dodávala potřebnou elektřinu pro napájení systémů na nefosilní paliva nahrazujících systémy na fosilní paliva.

A konečně scénář F je hybridním řešením založeným na poznatcích ze scénářů A až E.

Souhrnně bylo zjištěno, že každý systém na nefosilní paliva má ve srovnání se všemi ostatními systémy jasné výhody a nevýhody. Jsou uvedena doporučení, kdy by se měl použít elektromobil poháněný bateriemi a kdy je lepší alternativní technologií vozidlo s H₂-články, přičemž se zohledňuje potřebný elektrický výkon pro nabíjení baterií elektromobilu a výrobu vodíku. Biopaliva se doporučují pro pohon malé části leteckého průmyslu a biomasa se doporučují pro výrobu bioplastů, které nahradí část stávajícího průmyslu plastů. Jadernou energii lze mírně rozšířit ze současného výkonu, aby podpořil některé průmyslové provozy a vytápění budov přes zimu, zejména na severní polokouli.

 

Porovnání scénářů Zprávy s dřívějšími studiemi

Jakmile byla vypracována velikost a rozsah stopy energetického a dopravního systému bez fosilních paliv, byla porovnána se stávajícími strategickými studiemi, které rovněž zkoumaly budoucí cíle postupného vyřazování fosilních paliv. Bylo zjištěno, že předchozí práce značně podcenily počet vozidel, která je třeba nahradit a podpořit, a to má vliv na předpokládaný počet vozidel na elektrický pohon, baterií a H₂-článků, které je třeba vyrobit, což následně vede k nižšímu odhadu velikosti potřebné elektrické sítě. Proto je počet potřebných nových elektráren odhadovaný v této studii mnohem vyšší než v jakékoli předchozí zprávě. Současné politické cíle (např. Evropský parlament) také počítají s tím, že do roku 2030 bude 30 % celosvětového energetického a dopravního systému tvořit energie z OZE. Do tohoto cíle zbývá pouhých 8,5 roku a „inkubační“ doba pro výstavbu nové elektrárny se může pohybovat v rozmezí 2 až 5 let (nebo 20 let v případě jaderné elektrárny).

Obrázek č. 2: Světová populace, spotřeba energie na obyvatele a celková spotřeba energie v letech 1820-2018

Zdroj: Data from Tverberg, G. https://ourfiniteworld.com/, a BP Statistical Review of the World Energy 2019, US Census Bureau

 

ZÁVĚRY ZPRÁVY

Energie je zásadním zdrojem

Bylo zjištěno, že bez energie nelze vykonávat žádnou fyzickou práci, ale za posledních 120 let se stala tak všudypřítomnou a levnou, že je dnes považována za samozřejmost. V důsledku toho jsme se stali energeticky slepou společností, takže málo chápeme, jak energie umožňuje náš každodenní život.

Zpráva zdůrazňuje, že každá vyspělá ekonomika na celém světě je vysoce závislá na fosilních palivech, což je zase spojeno s průmyslovou činností, ekonomickým HDP, produkcí potravin. Bylo prokázáno, že zejména cena ropy koreluje s globálními hospodářskými poklesy, stejně jako s dalšími geopolitickými událostmi. Od roku 1980 navíc změny čínské průmyslové produkce korelují také se změnami ceny ropy.

Je také zřejmé, že růst spotřeby fosilních paliv (energie) silně koreluje s růstem světové lidské populace a s rostoucí vyspělostí technologií se spolu s ní zvyšuje i množství energie potřebné na jednoho obyvatele. Je tedy zřejmé, že každý jednotlivec v lidské populaci spotřebovává s každým dalším rokem stále více energie.

 

Úkol postupně odejít od fosilních paliv je mnohem větší, než umožňuje současné paradigma

Při zkoumání bylo zjištěno, že všechny předchozí studie zkoumaly pouze část požadavků na nový globální systém. Buď se studie omezovaly na jeden stát (například Spojené státy), nebo zkoumaly pouze jednu třídu vozidel (například osobní automobily). Obvykle se posuzoval pouze jeden systém obnovitelných zdrojů energie, a to v nedostatečně širokém rozsahu, aby byl užitečný. Příležitostné studie, které zkoumaly globální systémy, často předkládaly údaje s omezenou dohledatelností zdroje.

Zpráva naproti tomu zkoumala, kolik elektrických vozidel, H₂-článků, biopaliv, solárních panelů a větrných turbín by bylo zapotřebí k úplnému vyřazení fosilních paliv, a to přístupem zdola nahoru a s využitím nových výpočtů, o které se dosud nikdo nepokusil.

Hlavní důraz je zde kladen na výpočty pro Spojené státy, Evropu a Čínu, ale nejužitečnější jsou globální trendy v hodnotovém řetězci průmyslových ekosystémů, zejména pokud jde o výrobu velkého množství vozidel nebo výstavbu velkých průmyslových objektů, jako jsou elektrárny, nebo o získávání surovin (ropa, plyn, uhlí, uran, lithium, kobalt, nikl ad.). Žádný národní stát není zcela soběstačný, a proto jsme všichni závislí na globálním obchodu. Proto, i když je užitečné pochopit, co je potřeba pro každou z větších ekonomik, je pro plánování budoucnosti zapotřebí znát účinky globální stopy.

Ze Zprávy vyplývá, že v celosvětovém dopravním parku je odhadem 1,42 miliardy vozidel, z toho 268,9 milionu ve Spojených státech, 250 milionů v Číně a 261 milionů v Evropské unii. Je třeba poznamenat, že se jedná pouze o hrubý odhad, který vychází ze souhrnu zdrojů, z údajů známých k roku 2016. Skutečné číslo za rok 2018 je pravděpodobně o něco vyšší. Nicméně pro účely Zprávy se počítá s tím, že vozidla v celosvětovém dopravním parku (1,43 miliardy), ujela v roce 2018 celkem 15,87 bilionu km. Nahrazení technologie ICE nefosilními palivovými systémy (elektromobily s vodíkovými články nebo biopalivy) je technologicky životaschopné. Problémem je nyní pouze logistika – jak vyrobit dostatečné množství těchto náhradních nefosilních systémů, aby plnily stejné úkoly jako dosud, a to v celosvětovém měřítku.

Spotřeba ropy v současnosti představuje největší podíl spotřeby primární energie, a proto Zpráva nejprve zkoumala možnosti postupného vyřazení spalovacích motorů (ICE). Poté následovalo srovnání systému vozidel s elektrickým pohonem a systému vozidel s H₂-články. Byly zřejmé dva výsledky:

1. Bylo zjištěno, že k výrobě dostatečného množství vodíku pro pohon flotily vozidel, která ujedou stanovenou vzdálenost, je zapotřebí přibližně 2,5násobek elektrické energie potřebné k nabití lithium-iontových baterií zcela elektrické flotily globálních dopravních vozidel stejné velikosti, která ujedou stejnou vzdálenost a plní stejné úkoly (výsledek scénáře A ve srovnání se scénářem C).

2. Srovnání hmotnosti ukládacích systémů mezi bateriemi pro elektromobily a nádržemi na stlačený vodík ukázalo, že hmotnost baterií je přibližně 3,2krát větší než hmotnost nádrží na vodík. Pokud byl kapalný vodík v kryogenních nádržích porovnán s hmotností baterií ekvivalentního systému EV, byl tento poměr přibližně 9,1násobný.

Je zřejmé, že tyto výsledky začínají odhalovat, proč je v některých případech jedna technologie lepší než druhá, v závislosti na situaci. Z toho vyplývá, že veškerou přepravu na relativně krátké vzdálenosti je nejvhodnější provádět pomocí elektromobilu. To znamená, že všechny osobní automobily, užitkové dodávky, dodávkové vozy a autobusy (1,39 miliardy vozidel), by v 365denním cyklu ujely 14,25 bilionu km. K tomu však bude zapotřebí vyrobit 65,19 TWh baterií (282,6 milionu tun Li-Ion baterií) a ročně bude zapotřebí dalších 6 158,4 TWh elektrické energie z celosvětové energetické sítě k nabíjení těchto baterií.

Naopak veškerá dálková doprava by mohla být realizována vozidly poháněnými vodíkovými palivovými články. Z toho vyplývá, že všechna nákladní vozidla třídy 8 HCV, zbývající část železniční sítě (včetně nákladní dopravy) a celá námořní flotila lodí by měla být poháněna vodíkovými články. Podle zde uváděných výpočtů zahrnuje celosvětový dopravní park přibližně 28,9 milionu nákladních vozidel třídy 8 HCV, která v roce 2018 ujela 1,62 bilionu km. Pokud by všechna tato nákladní vozidla měla být poháněna vodíkovými články a plnit stejné úkoly, bylo by ročně zapotřebí 130 milionů tun vodíku a 7 503,7 TWh elektrické energie potřebné k výrobě tohoto vodíku. Odhaduje se, že jen na pohon železničního vozového parku, který je v současnosti poháněn fosilními palivy s vnitřním pohonem, je zapotřebí 18,5 mi­lionu tun vodíku (na jeho výrobu je potřeba 1 066,5 TWh elektřiny).

Dále se odhaduje, že k pohonu celosvětového námořního loďstva bude zapotřebí 51,7 milionu tun vodíku (k jeho výrobě je zapotřebí 2 983,4 TWh elektřiny). Celkově bude potřeba 200,1 milionu tun vodíku ročně a k jeho výrobě je zapotřebí 11 553,6 TWh elektrické energie z dodatečné kapacity.

Dalších 19 958,6 TWh dodatečné elektrické energie z nefosilních paliv je zapotřebí (součást scénáře B) k nahrazení výroby energie z fosilních paliv (plyn a uhlí), vytápění budov a výroby oceli z uhlí. Celková dodatečná roční kapacita elektrické energie z nefosilních paliv, kterou je třeba přidat do celosvětové sítě, byla vypočtena na ohromujících 37 670,6 TWh.

Pokud by se předpokládal stejný energetický mix nefosilních paliv jako v roce 2018, pak to znamená dalších 221 594 nových elektráren, které by bylo třeba postavit a uvést do provozu. Pro představu, celkový park elektráren v roce 2018 (všechny typy včetně elektráren na fosilní paliva) činil pouze 46 423 jednotek.

Obrázek č. 3: Výpočet, jak se jednotlivé části světového dopravního parku podílejí na dodatečné potřebě 10 895,7 TWh ve scénáři A v členění podle tříd elektrických vozidel, kompletní železniční sítě pro elektrickou dopravu a kompletní námořní flotily pro elektrickou dopravu

Zdroj: GTK

 

Současné plánování postupného vyřazování fosilních paliv značně podcenilo rozsah tohoto úkolu

Ve všech předchozích zkoumaných studiích bylo zjištěno, že důsledně a výrazně podhodnotily to, co je nutné k postupnému ukončení používání fosilních paliv. Stávající politické plánování národních států a aliancí, jako je Evropská unie, vychází z prognostických studií vypracovaných Světovým ekonomickým fórem a Mezinárodní energetickou agenturou (WEF 2019 a IEA 2019b), kde se používají dva hlavní milníky - rok 2030 a 2050. Mnoho států, včetně Evropské unie, se zavázalo k dekarbonizačním politikám s uvedenými milníky, které mají být k těmto datům splněny. Jako příklad uvádějí, že závazek, aby do roku 2030 bylo 30 % světového dopravního parku poháněno jinými než fosilními palivy, vede k číslu mnohem nižšímu (245 milionů vozidel), než je číslo vypočtené ve Zprávě.

Byly také přijaty závazky k postupnému vyřazení systémů výroby energie z fosilních paliv podle dvou scénářů: scénář plánovaných politik (PES) a transformační scénář (TES). Bylo zjištěno, že oba tyto scénáře značně podcenily množství dodatečné elektrické energie, které bude zapotřebí k postupnému vyřazení fosilních paliv, a dále podcenily účinnost systémů výroby energie z OZE. K tomuto závěru se dospělo po vypočtu potřebného počtu nových elektráren na nefosilní paliva, které by bylo třeba postavit, aby bylo možné dosáhnout požadovaných cílů v každém mezníkovém roce. Pokud by světové společenství naplnilo scénář plánovaných politik, bylo by třeba do roku 2030 (za 8,5 roku) postavit a připojit ke světové elektrické síti 84 206 nových elektráren na nefosilní paliva.

Dalším významným zjištěním bylo, že v roce 2019 bylo podle odhadů v provozu 7,2 milionu elektromobilů (IEA 2020). Celosvětový vozový park byl odhadnut na 1,416 miliardy vozidel (příloha J). Z toho vyplývá, že pouze 0,51 % celosvětového vozového parku je v současné době vybaveno technologií EV a že 99,49 % celosvětového vozového parku musí být teprve nahrazeno.

V roce 2018 byl globální systém stále z 84,7 % závislý na fosilních palivech, přičemž obnovitelné zdroje (včetně solární, větrné a geotermální energie a biopaliv) se na celosvětové výrobě energie podílely 4,05 %. Tedy přinejmenším 84,7 % dodávek primární energie bude nutné nahradit systémy bez fosilních paliv.

Znepokojující je, že Zpráva zdůrazňuje, že většina infrastruktury a technologií potřebných k postupnému vyřazení fosilních paliv ještě nebyla vyrobena. Recyklaci nelze provádět u výrobků, které ještě nebyly vyrobeny. Zdá se, že v současné době se koncept oběhového hospodářství zaměřuje na recyklaci, přičemž se má za to, že těžba nerostných zdrojů (minerálů) není tak důležitá. Nicméně, systém postupného vyřazování fosilních paliv (ať už je to cokoli) musí být teprve vybudován, což bude vyžadovat historicky bezprecedentní objem nerostů/kovů/materiálů všeho druhu.

Předběžné výpočty ukazují, že současná míra těžby (produkce) kovů, jako je lithium, nikl a kobalt, je nižší, než je potřeba. Předpokládá se, že v blízké budoucnosti bude nutné prudké zvýšení (nikoliv snížení). Předpokládá se, že současné známé celosvětové zásoby nemusí stačit, a proto je třeba rychle pokračovat v průzkumu nových, dosud neobjevených ložisek nerostných surovin.

Hlavním závěrem tedy je, že cíl přechodu od fosilních paliv k systémům bez fosilních paliv v průmyslovém měřítku je mnohem větším úkolem, než připouští současné uvažování. K dosažení tohoto cíle bude mimo jiné zapotřebí nebývalá poptávka po nerostných surovinách.

 

Biopaliva a biomasa jsou potřebné, ale nelze je příliš rozšířit (scénář D)

Někteří navrhují, a to i ve Zprávě, že biopaliva a suroviny z biomasy mohou být jediným způsobem, jak získat zdroje pro části průmyslového ekosystému. Například průmysl plastů je v současné době závislý na petrochemické technologii (pocházející z ropy, plynu a uhlí) a životaschopnou náhradní technologií by mohly být bioplasty, které se vyrábějí z biomasových surovin. Biopaliva získávaná z kukuřice nebo sóji by mohla být životaschopným způsobem, jak udržet v provozu letecký dopravní průmysl. Biopaliva získávaná z řas nejsou životaschopná kvůli zápornému poměru návratnosti energie na investovanou energii. Biomasa v zařízeních na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny (KVET) je schopna trvale vyrábět teplo o vysoké teplotě. Některé průmyslové výrobní procesy nemohou fungovat bez trvalého vysokoteplotního tepla. Kogenerační jednotky na biomasu by mohly být nejúčinnějším způsobem, jak toho trvale dosáhnout.

Existuje však komplikace, která ztěžuje rozšíření biopaliv z biomasy. Výsledky scénáře D jasně ukazují, že ekologická stopa navrhované výroby biopaliv prováděné v dostatečně velkém měřítku, aby nahradila spotřebu ropných produktů, daleko přesahuje ekologické možnosti planety a je také logisticky nepraktická. Problém se soustřeďuje na potřebný objem biopaliv v porovnání s globální dostupností orné půdy a globální dostupností sladké vody.

Technologie výroby biopaliv fungují dobře v malém měřítku. Uvedené problémy se stávají nezvládnutelnými až při zkoumání toho, co je zapotřebí k rozšíření výroby, aby nahradila ropu.

Pokud by všechna biopaliva měla pocházet ze sójových bobů nebo kukuřice, orná půda potřebná k vypěstování dostatečného množství biomasy by značně přesáhla současnou celosvětovou plochu využívanou k produkci potravin (plodin). Tato orná půda využívaná k produkci potravin je předmětem trvalé degradace a zhoršování stavu, které bude podle prognóz pokračovat, dokud budou současné metody průmyslové zemědělské výroby standardní praxí.

Rozšíření ploch pro pěstování plodin do jiných odvětví využití půdy, jako je například pastva hospodářských zvířat, často není možné, protože půda není vhodná pro pěstování plodin, protože veškerá nejlepší orná půda je již využívána k pěstování potravin. Další plocha potřebná pro výrobu surovin pro biopaliva je srovnatelná se zbývající zalesněnou plochou planety. Navrhnout úplné odlesnění celé planety jen proto, aby se udržel v provozu stávající dopravní park, by bylo ekologicky nezodpovědné. Z toho vyplývá, že dodatečná kapacita pro pěstování surovin pro biopaliva přímo konkuruje stávající produkci potravin.

Další problémy v oblasti biopaliv souvisejí se stopou spotřeby vody při pěstování potřebných surovin, jako je kukuřice a sója. Zejména tyto dvě plodiny jsou velmi náročné na vodu. Scénář D ukázal, že potřeba dodatečné sladké vody potřebné pro biopaliva je přibližně devítinásobkem stávající celosvětové spotřeby vody.

 

Jaderná energie bude potřebná, ale nemůže nahradit výrobu energie z fosilních paliv (scénář E)

Zpráva zdůrazňuje známou skutečnost, že elektrická energie vyráběná z jádra je jediným existujícím energetickým systémem nevyužívajícím fosilní paliva, který může spolehlivě dodávat velké množství koncentrované elektrické energie za všech povětrnostních podmínek, 365 dní v roce. Je nejspolehlivějším zdrojem energie pro podporu průmyslové spotřeby a nejlepším zdrojem energie pro pokrytí potřeb vytápění budov v zimním období ve velkých lidských sídlech. Z toho vyplývá, že jaderná energie bude v budoucím energetickém mixu pro průmyslový ekosystém nezbytná.

Scénář E byl vypracován s cílem odpovědět na otázku, zda by bylo možné rozšířit flotilu jaderných elektráren do té míry, aby dodávala veškerou elektrickou energii potřebnou k postupnému vyřazení fosilních paliv (zkoumání několika variant jaderných technologií).

Tento scénář byl vypracován za předpokladu, že by byla odstraněna všechna logistická úzká místa, která v současnosti brání plné produktivitě, globální průmyslový ekosystém by plně podporoval jadernou energii a agresivně by se rozšířil park jaderných elektráren (JE) se všemi podpůrnými systémy.

Zpráva ukazuje, že ani při ambiciózní expanzi (25 nových reaktorů generace III+ kaž­dý rok) nebude flotila JE schopna dodávat dostatek elektrické energie, aby zcela nahradila výrobu energie z fosilních paliv podporou elektromobilů nebo vozidel s H₂-články (na základě požadovaných 37 670,6 TWh ze scénáře F). Bylo prokázáno, že po nepřetržitém rozšiřování po dobu 76 let je kapacita parku JE schopna dodávat pouze roční elektrickou energii ve výši 26 294 TWh, což je pouze 69,8 % požadovaných 37 670,6 TWh ze scénáře F.

Po tomto bodě výroby byly vypočteny všechny známé třídy zdrojů uranu jako vyčerpané a zásoby vyhořelého jaderného paliva (souhrnný součet všech tříd odpadů SNF) se oproti množství z roku 2016 rozšířily o 4 137 %. Ačkoli by bylo možné prozkoumat další ložiska uranu, simulace byla ukončena, protože se ukázalo, že flotila jaderných elektráren by nebyla schopna včas dodávat potřebný výkon, který by byl užitečný při postupném vyřazování fosilních paliv.

Závěrem lze říci, že jaderná energie bude jistě muset být součástí budoucího energetického mixu, možná s o něco větším dopadem, než má v současnosti. Pokud by se současný park jaderných elektráren rozvíjel po současné trajektorii, vystačily by všechny stávající třídy uranu na 300 let, než by bylo zapotřebí provést nový průzkum nerostných surovin. Tato stávající kapacita by se tedy měla rozšiřovat pouze mírným způsobem. Scénář E ukázal, že jaderná energie sama o sobě nemůže přímo nahradit výrobu energie z fosilních paliv a měla by být pečlivě řízena tak, aby dosáhla realističtějších cílů.

Obrázek č. 4: Elektrická energie potřebná k postupnému vyřazení fosilních paliv, porovnání scénářů B, C a F

Zdroj: GTK

 

Systémy nefosilních paliv nemusí být dostatečně efektivní, aby nahradily systémy fosilních paliv

K postupnému vyřazení fosilních paliv bude třeba celý průmyslový ekosystém přepracovat a zcela přebudovat na nový zdroj výroby energie (nikoliv fosilní paliva) a novou dopravní technologii (nikoliv ICE). To si vyžádá více energie, než se kdy dříve spotřebovalo.

Předpokládá se, že nahrazení fosilních paliv bude vyžadovat více energie, než se dosud předpokládalo. Například k nahrazení jedné průměrně velké uhelné elektrárny (průměrný instalovaný výkon uhelné elektrárny v roce 2018 činil 861,3 MW a ročně vyrobila 7,0 TWh) by bylo zapotřebí 213 průměrně velkých farem solárních fotovoltaických panelů (instalovaný výkon 33 MW a roční produkce 33 GWh). Podobně lze vypočítat, že k nahrazení této spalovací elektrárny by bylo zapotřebí 87 farem větrných turbín průměrné velikosti (37,2 MW instalovaného výkonu, které ročně vyrobí 81,2 GWh). Důvod velkých čísel souvisí s rozdílem v poměru návratnosti investované energie (ERoEI).

Souhrnně lze říci, že poměr ERoEI energie energetických zdrojů používaných k podpoře industrializace před 100 lety byl mnohem efektivnější a ziskovější ve srovnání s energetickými zdroji používanými v současnosti, kdy trvale nejlepším zdrojem je ropný a plynárenský průmysl s poměrem ERoEI mezi 12 a 30 a uhlí až 80:1. V poslední době se ropný průmysl potýká s problémy s produkcí zisku a expanzí, protože všechna kvalitní a snadno těžitelná ložiska byla vyčerpána (Michaux 2019).

Důsledkem výše uvedeného je, že obnovitelné zdroje energie mají obvykle nižší poměr ERoEI ve srovnání s fosilními palivy, což znamená, že tyto systémy budou muset pracovat tvrději, aby nahradily fosilní paliva. Budoucí energetické systémy využívající nefosilní paliva tak budou mít pravděpodobně nižší energetickou produktivitu ve srovnání s ekvivalenty fosilních paliv, které nahrazují.

Z toho tedy vyplývá, že k nahrazení kaž­dé elektrárny na fosilní paliva bude třeba, aby bylo v provozu mnohem více systémů obnovitelných zdrojů, než předpokládají současné úvahy. Z toho vyplývá, že budoucí energetický systém využívající nefosilní paliva může mít menší kapacitu než současný energetický systém využívající fosilní paliva. Je třeba upozornit na to, že logistická náročnost výstavby předpokládaného velkého počtu obnovitelných elektráren může vést k tomu, že ekosystém výroby elektrické energie bude mnohem menší než současná síť výroby energie z fosilních paliv.

 

Výzvy, které je třeba překonat

Ve Zprávě je vypočtená potřebná roční energie pro postupné vyřazení fosilních paliv ve výši 37 670,6 TWh (scénář F). K dosažení tohoto cíle je třeba splnit řadu praktických výzev. Šest hlavních z nich je následujících:

Výzva 1:
Nedostatek času na splnění cílů výstavby

Výzva 2:
Získávání dostatečného množství nerostných surovin pro výrobu technologií obnovitelných zdrojů energie

Výzva 3:
Vývoj dostatečného množství zásobníků energie pro řízení nestálých dodávek energie

Výzva 4:
Nalezení dostatečného počtu nových lokalit pro vodní elektrárny

Výzva 5:
Postupné vyřazení petrochemických hnojiv, herbicidů a pesticidů

Výzva 6: Růst lidské populace

 

ZÁVĚREČNÉ SHRNUTÍ

Podle současných názorů nahradí globální průmyslové podniky složitý průmyslový ekosystém, který se budoval více než sto let. Současný systém byl vybudován s podporou zdroje energie s nejvyšší výhřevností, jaký kdy svět poznal (ropa), v levném hojném množství, se snadno dostupnými úvěry a zdánlivě neomezenými nerostnými zdroji. Doufá se, že tato náhrada bude provedena v době, kdy je k dispozici relativně velmi drahá energie, křehký finanční systém nasycený dluhy, nedostatek nerostných surovin a bezprecedentní světová populace, zasazená do zhoršujícího se přírodního prostředí. Nejnáročnější ze všeho je, že to musí být provedeno během několika desetiletí. Autoři se domnívají, že to nepůjde podle plánu.

Zpráva přinesla nová čísla, která jsou zcela odlišná od předchozích studií. Částečně to může být způsobeno rozdílným paradigmatem, které tyto studie definovalo. Zpráva byla sestavena na základě přístupu zdola nahoru, a to výpočtem potřebného počtu vozidel, aplikací spotřeby fosilních paliv a úkolů, které plní. Předchozí studie měly tendenci provádět odhady shora dolů. Výsledné výsledky této zprávy naznačují, že existuje velký rozdíl ve velikosti úkolu, který stojí před průmyslovým ekosystémem v kontextu toho, co bude zapotřebí k úplnému vyřazení fosilních zdrojů energie. Tvůrci politik a výzkumní analytici nevidí skutečný rozsah úkolu a nevidí ani skutečné logistické mezní podmínky. Mnohá řešení diskutovaná v otevřené literatuře mohou docela dobře fungovat v relativně malém měřítku, ale nemohou fungovat, pokud se rozšíří na globální rozsah, který by napodoboval velikost stávajícího systému založeného na fosilních palivech. Úzkým místem, které to znemožňuje, je obvykle množství potřebných nerostných surovin, výrobní kapacita nebo jednoduše čas potřebný k zavedení výroby. Většina analytiků zkoumá izolovaně pouze jednu část ekosystému nebo pouze jednu funkci, zatímco ve skutečnosti je zapotřebí holistický systémový inženýrský přístup k síti, který respektuje přirozenou složitost. Tento přístup byl představen zde.

Základním závěrem je, že nahradit stávající systém poháněný fosilními palivy (ropa, plyn a uhlí) pomocí obnovitelných technologií, jako jsou solární panely nebo větrné turbíny, nebude pro celosvětovou lidskou populaci možné během několika desetiletí. Na to prostě není čas ani prostředky. Co se však může stát, je výrazné snížení společenské poptávky po všech druzích zdrojů. To předpokládá zcela jinou společenskou smlouvu a zcela jiný systém řízení, než jaký existuje dnes.

Zpráva ukázala, že rozšířený trend financovat a rozvíjet pouze malý počet technologických řešení obnovitelných zdrojů (lithium-iontové baterie, vodíkové články, větrné turbíny a solární panely) a vyloučit ostatní známá, ale méně rozvinutá řešení, je krátkozraký. Musíme pokračovat také v hledání alternativních technologií, které by bylo možné rozvíjet a rozšiřovat, a překonat touhu po „kouzelném řešení“, které vše vyřeší najednou. Skutečnost je taková, že průmyslový ekosystém by měl zvažovat co nejvíce paralelních technologických možností, přičemž každá z nich by měla být spojena s množstvím zdrojů potřebných k jejich aplikaci.

Nakonec vše nasvědčuje tomu, že stávající odvětví obnovitelných zdrojů energie a systém technologií pro elektromobily jsou odrazovým můstkem k něčemu jinému, nikoliv konečným řešením. Doporučujeme se zamyslet nad tím, co by to mohlo být.

 

Poděkování: Redakce děkuje panu Jaroslavu Čížkovi ze spolku Realistická energetika a ekologie za zprostředkování překladů závěrů Zprávy.