Odkud se bere elektřina (1. díl ze série o elektrických autech)

 

Elektrické auto bez elektřiny je jako lední hokej bez ledu. Jak se vyrábí a odkud pochází elektřina na jejich pohon, hraje u elektrických aut naprosto zásadní roli. Jednou z jejich hlavních výhod oproti autům se spalovacím motorem je jejich bezemisní jízda. Aby byl i jejich celkový provoz bezemisní, je zcela zásadní, odkud se na něj bere elektřina. Odkud se tedy bere elektřina?

Každý příběh začíná zrozením. Abychom pochopili, odkud se bere elektřina, musíme se nejprve podívat na to, jak se elektřina rodí. O elektřině mluvíme tak, že se vyrábí a spotřebovává. S energií je to ale trochu jinak. Energie se podle zákona zachování energie nedá vyrobit ani spotřebovat. Energie může pouze změnit svoji formu, přeměnit se z jedné formy energie do jiné.

Elektrárny

Nejdříve si něco musíme říct o elektrárnách. Téměř všechny fungují na stejném principu. Nejrozšířenějším typem elektráren jsou v současnosti elektrárny spalující uhlí (uhelné), které se také nazývají tepelné. Mezi ně patří i elektrárny spalující ropu (ropné) nebo plyn (plynové). Plynové elektrárny se také nazývají paroplynové. Takže tu máme fosilní paliva (uhlí, ropa, plyn), páru a teplo. Elektrárny na fosilní paliva fungují na celkem jednoduchém principu. Můžeme si to ukázat na obrázku, který znázorňuje uhelnou elektrárnu.

zdroj: Tennessee Valley Authority

Tepelná elektrárna potřebuje uhlí (coal) jako palivo a vodu (water), kterou ohřívá v kotli (boiler) na vodní páru (steam). Horká vodní pára svým tlakem roztáčí turbínu (turbine), která pohání elektrický generátor (generator) vyrábějící elektřinu. Transformátor (transformer) ji převede na vhodné napětí a pošle ji dál do elektrického vedení (transmission lines).

Zjednodušeně řečeno chemická energie (fosilní paliva) se přemění na tepelnou energii (horká vodní pára), která se přemění na mechanickou energii (otáčející se turbína), která se přemění na elektrickou energii. Ještě si něco málo řekneme o elektrickém generátoru a turbíně, abychom lépe pochopili, jak fungují různé typy elektráren.

Elektrický generátor

Známe dva základní druhy elektrických generátorů, které mají spoustu různých variant. Jsou to dynamo a alternátor. Jako elektrický generátor lze použít v obráceném chodu i asynchronní elektromotor na střídavý proud. V tuto chvíli je to nezajímavá informace, ale už ve 2. díle této série Co je to vlastně elektromobil? se z ní stane informace velmi zajímavá.

Dynamo

Nejjednodušším generátorem elektřiny je dynamo, které přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii. Otáčivý pohyb vytváří v rotoru dynama (pohyblivá část) točivé magnetické pole. Ve statoru dynama (pevná část) se pomocí cívek indukuje elektrické napětí. Dynamo pracuje na velmi jednoduchém principu a generuje stejnosměrný elektrický proud.

Alternátor

Alternátor funguje na podobném principu jako dynamo, ale je konstrukčně složitější a generuje střídavý elektrický proud. Alternátor je třeba součástí každého auta se spalovacím motorem, kde se stará o přeměnu mechanického pohybu motoru na elektrickou energii (jako zdroj pro světla, ventilaci, stěrače, el. ovládaní okýnek, dobíjení startovací baterie atd.). Alternátor slouží i ke generování elektrické energie v elektrárnách, i když je větší a složitější než ten, co máte ve svém autě.

Jakýkoli elektrický generátor potřebuje ke své činnosti mechanický (otáčivý) pohyb. U dynama na kole zajistíte mechanický pohyb vy šlapáním a kolo ho přes ozubené převody přemění na otáčivý pohyb. U auta zajistí mechanický pohyb spalování paliva v motoru, který převede hřídel motoru na otáčivý pohyb. Otáčivý pohyb se sám o sobě v podstatě nikde nevyskytuje a potřebujeme ho nejprve přeměnit z jiného mechanického pohybu.

Turbína

K přeměně mechanického pohybu na otáčivý se ve většině typů elektráren používá turbína, která slouží jako poháněcí stroj pro elektrický generátor. Jedná se o mechanický rotační stroj, který se skládá z lopatkových kol umístěných na hřídeli. Proudící plyn nebo kapalina prohánějí lopatková kola a tím i hřídel, čímž se jejich pohybová energie mění na mechanickou (otáčivou) energii turbíny.

Pro pohon turbíny ale nejprve potřebujeme z nějakého zdroje získat pohybovou energii. Podíváme se, odkud se berou různé zdroje této energie. Využijeme k tomu data Mezinárodní energetické agentury o zdrojích výroby elektrické energie na celém světě za rok 2017.

Zdroje energie

Zdroj: Mezinárodní energetická agentura (https://www.iea.org/statistics/electricity/)

Fosilní energie

Uhelná elektrárna

Energie, kterou získáváme z fosilních paliv, je uložená v chemických vazbách molekul uhlovodíků (např. metan). Tuto chemickou energii spálením uhlí, ropy anebo plynu přeměníme na energii tepla. A teplo ohřeje vodu, ze které se stane horká vodní pára, která roztočí turbínu. Ta pohání alternátor, který pomocí magnetického pole přemění mechanickou (otáčivou) energii na energii elektrickou. Chemická energie se přemění na tepelnou energii, ta se přemění na mechanickou (otáčivou) energii a ta se přemění na elektrickou energii.

Elektrickou energii pak můžeme zpětně převést na mechanickou energii (jízda vlakem, tramvají, výtahem, elektrickým autem), tepelnou energii (elektrická trouba, elektrické topení) i chemickou (např. výroba vodíku).

Jak se z chemické energie uložené ve fosilních palivech stane tepelná nebo mechanická energie pro naše potřeby už víme. Jak a z čeho se ale přeměnila tato chemická energie? Uhlí, ropa i zemní plyn jsou uskladněny pod povrchem země docela dlouho. Řádově to jsou desítky a stovky milionů let.

Začneme uhlím, jehož vznik se odhaduje na dobu mezi 65 a 360 miliony let. Za jeho vznikem nestojí dinosauři, ale spíše přesličky. Základ daly uhlí tehdejší stromy, které zapadly do močálů a bažin. Tam se za nepřístupu kyslíku začaly rozkládat anaerobním způsobem, z čehož vznikla rašelina, ze které se během stovek milionů let působením tlaku horních vrstev zeminy a vyšších teplot hluboko pod zemí stalo uhlí.

Ropa a zemní plyn vznikly trochu jiným způsobem. Na rozdíl od uhlí, které vzniklo na souši, má ropa a zemní plyn svůj původ v mořích a oceánech. Mrtvý plankton a řasy se usazovaly na mořském dně, kde zapadaly vrstvami různého nánosu. Jejich těla začaly rozkládat bakterie a působením vyššího tlaku a teplot vznikly po milionech let ropa a zemní plyn.

Stále jsme ale nevysvětlili, kde se vzala chemická energie v nich uložená. Jak stromy obsažené v uhlí, tak plankton a řasy obsažené v ropě a plynu si tuto energii vzaly fotosyntézou ze Slunce. Rostliny a řasy přeměňují oxid uhličitý, vodu a sluneční energii za pomoci chlorofylu na glukózu a kyslík.

6 CO2 + 6 H2O + sluneční energie = C6H12O6 + 6 O2

Graficky si přeměnu sluneční energie v energii chemické vazby glukózy fotosyntézou a následnou tvorbu uhlí můžeme znázornit následujícím obrázkem.

K uvolnění chemické energie z fosilních paliv je stačí spálit. V podstatě tím rozbijeme chemickou vazbu v molekulách obsažených ve fosilním palivu. Vezměme si jako příklad zemní plyn, který má nejjednodušší chemické složení, protože se v podstatě jedná o metan.

CH4 + 2 O2 = H2O + CO2 + tepelná energie

Dnešní elektrická energie z fosilních paliv je v podstatě po strašně dlouhou dobu uskladněná a nevyužitá energie ze Slunce před 65-360 miliony let. Bez nadsázky můžeme říct, že energie z fosilních paliv je energií minulosti.

Parní stroj

Vozidla poháněná uhelnou energií už jsme tu měli. Byly to parní stroje, především parní lokomotiva. Auta na ropu, resp. ropné deriváty (benzín, nafta, LPG) tu máme dnes, jsou to běžné automobily se spalovacími motory. A i auta na fosilní zemní plyn (CNG) v současnosti jezdí. Ačkoli je elektromotor podstatně účinnější než spalovací motor a i v kombinaci s výrobou elektřiny z fosilních zdrojů je v součtu efektivnější co do spotřebované energie a produkce emisí CO2, dnešní elektromobily určitě nebyly zamýšleny na to, aby byly poháněny fosilní energií.

Obrázek: Parní stroj Nicolase-Josepha Cugnota (Francie, 1769) – první samostatně se pohybující vozidlo na světě

Jaderná energie

Galaxie: místo zrodu jaderné energie

Jaderná elektrárna funguje na podobném principu jako uhelná elektrárna. Štěpnou reakcí jaderného paliva se uvolňuje teplo, které ohřívá vodu. Vzniklá horká vodní pára roztáčí turbínu, která pohání alternátor generující elektrickou energii. Celý proces i celé zařízení jaderné elektrárny je samozřejmě mnohem složitější než u uhelné elektrárny. Zažehnutí štěpné reakce jaderného paliva není tak jednoduché jako zažehnutí spalování uhlí. Je to velmi nebezpečný proces, na jehož konci je vysoce radioaktivní vyhořelé jaderné palivo. V moderních jaderných elektrárnách je ale štěpná reakce pod kontrolou a riziko havárie či úniku radiace je u nich velmi nízké, ačkoli nulové také není, jak se mohli přesvědčit v roce 2011 obyvatelé japonské Fukušimy. Kde se ale jaderná energie vlastně vzala?

K uvolnění energie z fosilních paliv stačí rozbít chemickou vazbu jejich molekul tím, že se spálí. K uvolnění jaderné energie nestačí rozbít jen molekulu, ale rovnou celý atom. Ne každý atom ale dokážeme rozbít a uvolnit z něj energii. Dokážeme to pouze u atomů některých nestabilních prvků. Především je to uran a plutonium.

Atom vodíku má jen 1 proton, helia 2 protony, uhlíku 6 a kyslíku 8. Atom uranu jich ale má 92. A k tomu 143 nebo 146 neutronů, což ho činí velmi nestabilním. Rozbít jej není snadné, ale je to možné a při jeho rozbití se uvolní obrovské množství tepelné a radioaktivní energie. Tepelná energie se hodí jako pohon pro jadernou elektrárnu. Radioaktivita se při výrobě elektrické energie nehodí k ničemu (pokud zrovna nejste Kim-čong-un) a vzniká jako nebezpečný odpad při štěpení atomu.

Jak se ale tolik energie do atomu uranu dostalo? Musíme se podívat na to, jak uran jako prvek vlastně vznikl. Vědci se podle jedné teorie domnívají, že uran byl vytvořen zhruba před 6 miliardami let v jedné nebo více supernovách. Supernova vznikne, když hvězda spálí veškeré své palivo a její jádro se zhroutí do sebe, přičemž uvolní 10miliardkrát více energie. Podle druhé teorie se uran tvoří při sloučení dvou neutronových hvězd. Neutronová hvězda má obrovskou hmotnost a nepředstavitelnou hustotu. Jedna čajová lžička hmoty z neutronové hvězdy by vážila 5 miliard tun. Při takto obrovské hustotě a tlaku neutronové hvězdy vznikají těžké prvky jako zlato, palladium a uran. Atomy jednodušších prvků tam mají k dispozici obrovské množství energie a strašně málo místa. Proto se raději spojí a uloží tím do sebe část této energie. Ta je pak v jádru atomu uranu uložena po dobu 6 miliard let a čeká, až ji někdo uvolní.

Nukleomobil

Auto na jaderný pohon bychom mohli nazvat nukleomobil. V 50. letech, kdy byl svět opojen silou atomové energie, vzniklo několik konceptů vozu na jaderný pohon. Jedním z nich byl např. Ford Nukleon. Jaderná auta měla mít dojezd několika tisíc km na jedno „natankování“ pár gramy uranu, plutonia nebo thoria. Tehdy se ale nepodařilo vyřešit takový maličký problém: odstínění radiace by si vyžádalo asi 12 tun izolačních hmot. Až v roce 1985 to dokázal Dr. Emmett Brown ve filmu Návrat do budoucnosti, ve kterém cestoval časem speciálně upraveným DeLoreanem se strojem času na jaderný pohon (plutonium). Od té doby se to nikomu dalšímu nepodařilo.

Obrázek: Ford Nucleon (1958) – koncept auta na jaderný pohon

Větrná energie

Větrné turbíny na moři

Větrné elektrárny potřebují podobně jako uhelné a jaderné elektrárny mechanický (otáčivý) pohyb, jehož pohybovou energii převádějí pomocí alternátoru na energii elektrickou. Na rozdíl od nich k tomu ale nepotřebují na začátku tepelnou energii, protože využívají pohybovou energii větru. Jen potřebují převést foukání větru jedním směrem na otáčivý pohyb větrné turbíny, k čemuž slouží listy její vrtule.

Jak tedy ale vzniká pohyb větru, který větrné turbíně dodává energii pro výrobu elektřiny? Vítr vzniká mísením teplého a studeného vzduchu. Sluneční paprsky zahřívají zemský povrch, od kterého se zahřívá atmosféra (částečně se zahřívá i přímo ze slunečních paprsků). Teplejší vzduch v nižší části atmosféry stoupá vzhůru, protože je lehčí než studenější vzduch ve vyšší části atmosféry (tohoto fyzikálního jevu využívají např. horkovzdušné balóny). Dochází tak k mísení teplejšího a studenějšího vzduchu v atmosféře, čímž dochází k proudění vzduchu, které nazýváme vítr. K tomuto proudění ale nedochází jen směrem z nižších poloh do vyšších, ale také do strany (na severní polokouli doprava), což způsobuje otáčení Země a tzv. Coriolisova síla.

Mechanismus vzniku proudění větru a větrné energie je jasný. Na jeho počátku je sluneční záření, které zahřívá povrch Země, od kterého se zahřívá vzduch, který pak proudí. Bez energie ze Slunce by k proudění vzduchu nedocházelo a větrná energie by neexistovala. Větrná energie je tedy přeměněná sluneční energie. Na rozdíl od fosilní energie to není sluneční energie z minulého, stovky miliónů let starého Slunce, ale ze současného Slunce. Můžeme očekávat, že dokud bude Slunce svítit, budeme mít k dispozici i větrnou energii. Vědci odhadují, že Slunce je právě v polovině své životnosti a bude nám dodávat energii ještě dalších 5 miliard let.

Ventomobil

Takhle se nazývá skutečné vozidlo poháněné větrnou energií. Vento znamená italsky vítr. Pohybovou energii větru převádí pomocí rotoru (vrtule) na otáčivý pohyb, který je podobně jako u jízdního kola soustavou ozubených kol, převodů a řetězů přenášen na hnací kola. Má velice lehkou konstrukci z karbonu vážící jen zhruba 100kg, díky čemuž dokáže vyvinout rychlost okolo 30km/h. Ačkoli je fascinující, že se nějaké vozidlo může pohybovat pouze energií větru, jeho praktické využití je značně omezené. Vhodnější alternativou se zdá být bateriový elektromobil poháněný elektřinou vyrobenou z větrné energie. Také bychom ho mohli nazvat ventomobil.

Obrázek: Ventomobil – auto poháněné větrnou energií

Vodní energie

Viktoriiny vodopády

Vodní elektrárna podobně jako uhelná, jaderná a větrná potřebuje pohybovou energii, kterou prostřednictvím alternátoru převádí na elektrickou energii. Stejně jako větrná elektrárna nepotřebuje tepelnou energii, ale energii přírodního živlu. V tomto případě vody. Proud vody z tekoucí řeky pohání turbínu větrné elektrárny, která dodává otáčivý pohyb alternátoru na výrobu elektrické energie.

Energii, která slouží k výrobě elektřiny ve vodní elektrárně, vytváří gravitační síla, která způsobuje tok vody shora dolů. To nám ale k vysvětlení skutečného zdroje energie pro vodní elektrárnu nestačí. Voda se nahoru dostane jejím přirozeným koloběhem. A zde hraje zásadní roli, podobně jako u větrné energie, sluneční záření. To způsobuje odpařování vody do atmosféry. Ta stoupá jako vodní pára do horních vrstev atmosféry, kde je nízká teplota. Vodní pára zde kondenzuje a jako déšť padá dolů. Dostane se tak i na místa na pevnině, která jsou výše položená. Odtud se pak postupně přes prameny, potoky a řeky dostává díky gravitaci do nižších poloh. Gravitační síla způsobuje tok vody, který dává pohybovou energii turbíně, která roztáčí alternátor generující elektrickou energii. Bez sluneční energie, která způsobuje odpařování vody by nefungoval ani koloběh vody ani vodní elektrárny. Slunce je tedy skutečným zdrojem energie pro výrobu elektřiny ve vodních elektrárnách. Stejně jako u větru jde o současné Slunce, které nám vydrží ještě zhruba 5 miliard let.

Aquamobil

Takhle by se mohl jmenovat elektromobil poháněný vodní energií. Něco jako autoponorka Wet Nellie pro Jamese Bonda. Ta skutečně vznikla jako prototyp pro natáčení filmu Špion, který mě miloval v roce 1977. Jednalo se o přestavěný Lotus Esprit schopný plavby pod vodou, který byl poháněný čtyřmi elektromotory. Byl to tedy elektromobil, ačkoli tehdy pravděpodobně nebyl poháněný vodní energií. Zajímavá historická souvislost tohoto aquamobilu s dnešními elektromobily je také to, že tento jediný prototyp koupil v roce 2013 Elon Musk, ředitel společnosti Tesla. A ještě jedna zajímavá historická souvislost je, že první model této automobilky Tesla Roadster byl postaven na technickém základě Lotusu Esprit model roku 2007.

Obrázek: Wet Nellie – autoponorka na základu Lotus Esprit

Geotermální energie

Láva

Geotermální elektrárny známe především z Islandu, kde dodávají téměř 30 % elektrické energie. Podobně jako uhelné a jaderné elektrárny se v podstatě jedná o elektrárny tepelné, které ke svému provozu potřebují nějaký zdroj tepelné energie. Buď se využívá přímo horká pára, která tryská ze země, nebo se teplo použije k ohřátí vody nebo jiné kapaliny, která se přemění na horkou páru, která roztáčí turbínu, která pohání alternátor, který generuje elektrickou energii, ale to už známe.

Zajímavější je, odkud se tato tepelná energie bere. Musíme se na Zemi podívat jako na obrovskou kouli lávy s tenoučkou slupkou, na které bydlíme a které říkáme zemská kúra. Uprostřed Země se nachází zemské jádro, které je zdrojem této energie. Ta pochází z doby, kdy Země společně s celou sluneční soustavou před 4,5 miliardami let vznikla. Mezi zemskou kúrou a jádrem se nachází zemský plášť. Část energie Země se také uvolňuje rozpadem radioaktivních prvků (např. uran), které se nacházejí v zemské kúře. Ty vznikly v supernovách anebo neutronových hvězdách před 6 miliardami let. Geotermální energie je tak stará zhruba 4,5-6 miliard let.

Vědci odhadují, že jádro Země vychladne a přestane nám dodávat geotermální energii až za 91 miliard let. To je mnohem více, než vůbec bude existovat samotná Země. Tu pohltí Slunce, až spálí veškeré své palivo, k čemuž dojde zhruba za 5 milard let.

Batmobil

Batmobil z filmu Batman: Temný rytíř (2008)

Batman si svůj Batmobil vyrobil ve svém podzemním úkrytu a když s ním stíhal zločince, šlehaly z něj pěkné plameny! Možná to bylo proto, že byl poháněn na pekelnou geotermální energii. Ale i elektromobil může být poháněn geotermální energií z geotermální elektrárny. Třeba na Islandu jsou elektromobily poháněny zhruba z 30% právě geotermální energií přeměněnou na elektrickou energii.

Obrázek: Batmobil z filmu Batman – Temný rytíř (2008)

Přílivová energie

Pohled na Zemi z Měsíce při misi Apollo 11 (zdroj: NASA)

Přílivové elektrárny fungují na podobném principu jako vodní elektrárny. Jen je nepohání tekoucí voda z řek, ale energie odlivu mořské vody. Ta vzniká periodickým střídáním přílivu a odlivu, který je způsoben vzájemným působením gravitační síly Země a dalších kosmických těles, především Měsíce, ale i Slunce. Princip přílivové elektrárny je sice podobný jako u vodní elektrárny, ale původ energie je zde odlišný.

Zatímco u běžné vodní elektrárny dává tok řek do pohybu energie slunečního záření, u přílivových elektráren je to energie kosmických těles. Kdyby Slunce náhle zhaslo, tok řek by ustal, ale střídání přílivu a odlivu by pokračovalo (za předpokladu, že by voda v oceánech nezamrzla, k čemuž by ale došlo, takže je to čistě teoretická úvaha). Vodní elektrárny získávají energii ze současného Slunce, zatímco přílivové elektrárny ji čerpají z pohybu kosmických těles, které vznikly zhruba před 4,5 miliardami let z pramlhoviny. Jedná se o velmi starou energii.

A také velmi trvanlivou energii. Měsíc se každý rok vzdaluje od Země rychlostí 4cm za rok. Zároveň nepatrně zpomaluje otáčení Země. Zhruba za 50 miliard let by byl od Země dvakrát dál než je dnes, přestal by se od ní vzdalovat a přestal by měnit svoji pozici na obloze. Jeho gravitační síla by na oceány působila stále stejně. Po 50 miliardách let by přestalo docházet k přílivu a odlivu. S tím by zároveň zmizela i přílivová energie. Stejně jako v případě geotermální energie je to ale úplně jedno, protože k tomu vůbec nedojde. Slunce spolkne Zemi i Měsíc už po 5 miliardách let.

Lunomobil

Elektromobil poháněný touto energií by se mohl nazývat lunomobil, protože energie přílivu a odlivu pochází do velké míry z Měsíce (Luna). Je to zajímavá historická souvislost, protože prvním vozidlem, které se projíždělo po měsíčním povrchu, byl v roce 1970 sovětský Lunochod, automatizované vozidlo na elektrický pohon. A první řiditelné vozidlo, které jezdilo po povrchu Měsíce, byl v roce 1971 americký lunární vůz Lunar Roving Vehicle (LVR) a to byl také elektromobil. Ani jeden samozřejmě nebyl poháněn měsíční energií, baterie si oba dovezly nabité už ze Země.

Obrázek: LRV s astronautem na měsíčním povrchu při misi Apollo 15

Energie biomasy

Elektrárny na biomasu a bioplyn jsou podobné jako ty uhelné elektrárny tepelné. Jen místo fosilních paliv, což je organická hmota z minulosti, spalují  organickou hmotu ze současnosti (dřevo, sláma, rostlinný olej, bioplyn apod.). Spálením biomasy vznikne teplo, které ohřeje vodu a vzniklá horká vodní pára roztočí turbínu, která pohání alternátor generující elektrickou energii. Elektrárny na biomasu mohou používat tuhé palivo (např. dřevo nebo slámu) podobně jako uhelné elektrárny, kapalné palivo (např. ethanol nebo rostlinný olej) podobně jako ropné elektrárny anebo plynné palivo (např. bioplyn) podobně jako paroplynové elektrárny.

Energie biomasy vzniká fotosyntézou rostlin, kdy se přeměňuje oxid uhličitý a voda na glukózu a kyslík za pomocí energie slunečního záření. Na rozdíl od fosilní energie, která je přeměněnou sluneční energií z minulosti, se jedná o přeměněnou sluneční energii ze současnosti. Také se ale jedná o energii uchovanou v podobě chemické vazby organických sloučenin. Spalováním biomasy můžeme vyrábět elektrickou energii anebo z ní můžeme vyrábět vhodné palivo pro pohon vozů se spalovacím motorem (např. ethanol, bioplyn). Pokud se na výrobu paliva použijí odpadní produkty ze zemědělství anebo z čistíren odpadních vod, můžeme považovat takovou energii za zelenou a bezemisní, protože oxid uhličitý vyprodukovaný spálením paliva je součástí koloběhu uhlíku a nejedná se uhlík dodávaný navíc do atmosféry, jako tomu je u spalování fosilních paliv.

Koňský povoz

Typickým vozem poháněným na biomasu je koňský povoz. Při započtení celkového cyklu uhlíku se jedná o bezemisní zdroj energie. Má ale jisté praktické omezení. I auto se spalovacím motorem může být poháněné na biomasu (např. bioethanol). Anebo elektromobil poháněný elektrickou energií vyráběnou z biomasy. Pěstování zemědělských plodin na palivo pro výrobu elektrické energie ale není nejefektivnější cestou, jak dosáhnout bezemisní dopravy.

Obrázek: Koňský povoz – vůz poháněný biomasou

Solární energie

Solární elektrárna

U solární energie si už nevystačím s příběhem o pohybové energii, která roztočí turbínu, která pohání alternátor, který generuje elektrickou energii. Solární elektrárna totiž žádnou turbínu nemá a žádný mechanický pohyb ani nepotřebuje. Stačí ji energie ze slunečního záření, kterou přímo přeměňuje v energii elektrickou pomocí polovodičových prvků na fotovoltaických panelech.

Jedná se o energii právě vyzářenou že Slunce, resp. ji trvá zhruba 8 minut, než sem rychlostí světla dorazí. Jde tedy o nejpřímější zdroj energie ze Slunce, který máme k dispozici. Ostatní zdroje původně sluneční energie potřebují delší čas na její přeměnu v jinou formu energie (stovky milionů let v případě přeměny na chemickou energii ve fosilních palivech, měsíce či roky v případě přeměny na pohybovou energii vody a větru, měsíce či roky v případě přeměny v chemickou energii biomasy).

Navíc se Slunce na rozdíl od různých nedemokratických režimů, které ovládají největší zásoby ropy na Zemi, ukázalo jako velice spolehlivý dodavatel energie. Od doby, co vznikla Země se ještě ani jednou nestalo, že by ráno Slunce nevyšlo. Navíc s ním máme jako lidstvo podepsaný dlouhodobý kontrakt na dodávku sluneční energie na dalších 5 miliard let. A zdarma. Jedná se tedy určitě o energii budoucnosti. A to nejen z hlediska stability a dlouhodobosti dodávek. Účinnost solárních panelů se v současnosti pohybuje pod 20%. Vědci ale již pracují na solárních panelech na bázi organických bílkovin, které by sluneční energii přeměňovaly na elektrickou pomocí fotosyntézy s mnohem vyšší účinností.

Solarmobil

Vozidla na solární pohon už tu jsou desítky let. Převážně jsme je mohli vidět na různých eko-soutěžích. V současné době na elektromobilu pohaněném vlastní solární energií pracuje např. japonská automobilka Toyota anebo nizozemský start-up Lightyear. Fanoušci sci-fi jistě znají knihu anebo film Marťan. Hlavní hrdina astronaut Mark Watney absolvoval 3 200 km dalekou cestu k raketě elektrickým vozidlem, které na jedno nabití ujelo jen pár desítek km. Asi 84x musel po cestě zastavit, aby dobil baterie ze solárních panelů rozprostřených okolo vozidla. I běžný elektromobil, který je nabíjen solární elektřinou, můžeme nazvat solarmobilem.

Obrázek: Solarmobil z filmu Marťan (2015)

Budoucnost energie

Pojďme se na chvíli vrátit k našemu grafu výroby elektřiny podle zdrojů. Každý z nich si přiřadíme ke svému původnímu zdroji energie. Energie všech fosilních paliv (uhlí, ropa a plyn) pochází z minulého Slunce. Energie vodní, větrná, sluneční a biopaliv pochází ze současného Slunce. Jaderná energie pochází ze supernov a/nebo neutronových hvězd a geotermální energie s přílivovou pochází z pramlhoviny, ze které vznikla sluneční soustava včetně Země, Měsíce a Slunce.

 

Odkud naše energie původně pochází, nám může být buřt. Ale mělo by nás zajímat, které zdroje elektrické energie produkují emise a které jsou bezemisní. Je to zcela zásadní pro to, abychom dokázali říct, zda je jízda (a případně i výroba) elektrických aut bezemisní, aby nám někteří politici nemohli tak snadno nakukat, že elektromobil má výfuk v elektrárně. Záleží totiž na tom, z jakého zdroje ho nabíjíme. Elektromobil nabíjený ze standardní sítě, kde převládá uhlí, opravdu tak to trochu v elektrárně výfuk má. Elektrické auto nabíjené např. z větrné turbíny nebo ze solárních panelů ale nikde žádný výfuk nemá – ani skutečný, ani ten pomyslný.

Teď se ještě můžeme podívat, na jak dlouho nám vydrží „zásoby“ všech zdrojů elektrické energie. U geotermální a přílivové energie je očekávaná doba dodávek čistě teoretická, protože za 5 miliard let stejně Země zanikne, protože ji pohltí Slunce, které vyhasne. To je také hranice dodávek energie původně ze Slunce (vodní, větrná, sluneční a biomasa). Zásoby energie z fosilních paliv a z jádra jsou tak malé, že se na graf ani nevešly, takže dostaly svůj malý 100 milionkrát zvětšený graf.

U fosilních paliv se jedná o aktuální zásoby, nejsou zde započtené ty zatím neobjevené. Možná, že nám tedy mohou vydržet o něco déle než jen 51 let (ropa), 53 let (plyn) a 115 let (uhlí). I tak to ale není příliš dlouhá doba. Počátky lidské civilizace můžeme najít někdy v době před 8 000 let. V porovnání s tím je pár desítek let nesrovnatelně málo. Spoléhat se převážně na fosilní zdroje energie si jako civilizace prostě nemůžeme dovolit. A to i kdyby nebyly hlavní příčinou současné změny klimatu.

Zdrojů jaderné energie máme o něco více, měly by nám vydržet zhruba 230 let. Zde jsou ale započteny nejen současné rezervy, ale i odhadované budoucí naleziště. Ani to není moc. Je to dokonce menší doba, než jaká uběhla od vzniku Spojených států amerických do současnosti (1776-2019 = 243 let). A to je stále jen asi 3 % doby, po jakou existuje civilizace. Možná bude v budoucnosti možné využít i uran, který je v mikroskopickém množství obsažen v mořské vodě. Jsou tam zásoby na dalších 60 000 let při současné úrovni spotřeby. V současnosti ale těžba uranu z moře ekonomicky nedává smysl, protože je 10x dražší než těžba na souši. Teoreticky také může do budoucna nahradit energii štěpení jádra energie z jaderné fúze, která probíhá také na Slunci. Zatím se to ale lidstvu nepodařilo.

Energie ze Slunce tu ale je. Už zhruba 4,5 miliardy let. A dalších 5 miliard let zde bude. Teď už víme, odkud se bere elektřina. A už máme trochu jasněji v tom, jak je to tedy s těmi elektromobily. Ale ještě jsme si neřekli Co je to vlastně elektromobil? Podáváme se na to v dalším článku této série o elektrických autech!

Komentáře