Nová epocha elektřiny - Vize, či předobraz budoucnosti ?

Na přiřazené stránce jsme podali stručnou zprávu o výsledcích 21. Kongresu WEC. V této kapitole se pokusíme přiblížit budoucnost světové energetiky, tak jak se jeví na základě přednesených prezentací a zaslaných referátů. Přední experti energetiky očekávají nástup nové epochy elektřiny, která se bude vyznačovat neustále rostoucím podílem elektřiny na spotřebě energie na úkor fosilních i alternativních zdrojů. Elektřina poskytuje v řadě důležitých aplikacích vyšší účinnost spotřeby a tím se tento vývoj příznivě podepíše  na snižování energetické náročnosti světové ekonomiky.

Přicházející epocha elektřiny by měla být založena na myšlence tzv. „inteligentních sítí“ (spíše „soustav“), které by měly zaručit maximální využití všech přírodních zdrojů energie nejhospodárnějším způsobem a při minimalizaci nepříznivých vlivů na životní prostředí. Vazba energetika – technika – ekonomika -životní prostředí byla součástí prakticky každé prezentace, projevu, každého referátu a jednání Kongresu se kromě čtyř „A“, o nichž mluvíme v úvodních informacích,  neslo i v duchu dřívějších tří „E“, Energetika – Ekonomika – Environment předchozích kongresů.

Položme si otázku, jak čím se budou vyznačovat elektrické sítě / soustavy budoucnosti. V materiálech Kongresu můžeme najít mnoho pokusů o co nejvýstižnější ilustraci budoucí podoby inteligentních sítí, povětšinou ne zcela úplných. Rámcová představa na připojeném obrázku 1 vyznačuje jejich předpokládanou strukturu a očekávané vazby jejích složek, zdrojů elektřiny, sítí, spotřebitelů, elektrizované dopravy, atp. Dodejme, že skladba elektrizační soustavy budoucnosti bude ještě bohatší, prozatím se spokojíme s touto rámcovou představou.

Obr. 1 Vize budoucí elektrizační soustavy

 V prezentacích a referátech Kongresu nalezneme k pojetí budoucích inteligentních soustav nejen podrobné charakteristiky jejich schématu, prvků, vazeb, určení, ekonomiky apod., ale ke každému dílčímu elementu, který byl do schématu zařazen, desítky sdělení, které podrobně analyzují technické, ekonomické i environmentální problémy, které s nimi souvisí. Zde se omezíme na několik nejdůležitějších poznámek.

Z čeho se bude v budoucnosti vyrábět elektřina? Kromě tradičních prvotních fosilních zdrojů, uhlí, ropy a plynu nová epocha elektřiny v plném rozsahu spoléhá na nejdůležitější obnovitelné zdroje (OZ), předpokládá stále rostoucí využívání energie větru, slunce, vodní energie a biomasy. Dosud známé zásoby zemního plynu výrazně rozšíří objev břidlicových plynů, jejichž zásoby jsou násobkem rezerv zemního plynu. Na plné osvojení jejich těžby, dopravy užití se ještě čeká. Předpokládá se nejen velkorozsahové, ale i drobné („mikro“), decentralizované využívání zmíněných zdrojů s důslednou péčí o životní prostředí.

Tepelné velkoelektrárny budoucnosti ještě dlouho budou využívat světové zásoby uhlí, jehož náhrada zatím není představitelná, budou se vyznačovat mimořádně vysokými technickými parametry, teplotou a tlakem páry a díky tomu i podstatně vyšší účinností a nižšími emisemi CO2. Mají být důsledně doplňovány zachycováním a ukládáním CO2, jeho emise dopraví zvláštní produktovody do podzemních úložišť. Významný rozvoj čeká kombinovaná výroba elektřiny a tepla (tzv. kogenerace) nejen v teplárnách pro dálkové vytápění, ale i v malých decentralizovaných jednotkách pro bytové i rodinné domy.  Palivová základna tepelných elektráren se rozšíří o mnoho druhů biomasu a nově o břidlicový plyn, jehož zásoby a osvojení podstatně rozšíří dosud známé fosilní zdroje.

Sluneční energie se uplatní nejen pomocí fotovoltaických článků, převážně na střechách budov, ale i pomocí velkých, výkonných slunečních elektráren, - nezakresleno), jejichž sluneční kolektory soustředí energii slunečních paprsků, usměrní na speciální výměníky tepla, které poskytnou páru pro parní turbíny (Concentrating Solar Thermal Power Plants). Určité naděje se vkládají i do kombinace slunečních a klasických zdrojů.  

Energie větru by se měla využívat především v lokalitách s nejvhodnějšími klimatickými podmínkami, na mořském pobřeží i formou tzv. ostrovních větrných elektráren, vymístěných do nedalekého moře.  Využívat se budou i méně významné zdroje energie přílivu, mořských i říčních vln a geotermy. 

Jaderná energie podle proslovených názorů je s obnovitelnými zdroji kompatibilní a komplementární, to je jaderná a obnovitelé energie se navzájem vhodně doplňují a všeobecně se pokládá za nezbytnou součást budoucího energetického mixu. Nové přírůstky jaderných zdrojů budou tzv. zdroje vyšší (III.-IV.) generace. Další očekávání se vkládá do rychlých reaktorů, které naplno využívají energie skryté v přírodním uranu a tvoří promyšlené palivové cykly.

Důležitou součástí inteligentních soustav bude akumulace elektřiny a tepla, včetně mikro-akumulace v domácnostech, komerčních objektech, apod., mimo jiné s využitím progresivních typů chemických baterií. Akumulace energie bude součástí veřejných i domovních nabíjecích stanic pro elektromobily. Elektrizovaná doprava (vlaky, autobusy, osobní vozidla), kterou čeká bouřlivý rozvoj, bude důsledně napojena na rozvoj inteligentních soustav a vytvoří s nimi promyšlenou organizační strukturu.

Očekává se, že dnešní energetiku doplní vodíkové hospodářství. Výroba a akumulace (skladování) vodíku zpřístupní bezemisní veřejnou elektrickou dopravu, elektrické autobusy budou spočívat na využití palivových článků, které z vodíku vyrobí elektřinu, nezbytnou pro pohon. Palivové články budou mít širší význam a využití, mohou se stát součástí např. větrných elektráren a budou vyrovnávat, resp. zálohovat kolísavou výrobu OZ.

Elektrické sítě čeká rovněž další rozmach. Poměrně rozvinuté evropské přenosové sítě by se měly doplnit o nadřazenou supersíť, mj. s využitím stejnosměrných přenosů VVN (HVDC), které umožňují hospodárný provoz značných objemů elektřiny na velké vzdálenosti při malých ztrátách. Jejich využití umožňují pokroky ve výkonové elektronice, nezbytné nejen pro usměrnění střídavého proudu, ale také na zpětnou proměnu proudu stejnosměrného na střídavý.

Nepříjemnou vlastností dnešních rozvětvených sítí střídavého proudu, pokrývajících značná území, např. Evropy je, že se směr resp. rozložení toků výkonů v sítích řídí fyzikálními zákony nezávisle na záměrech obchodu s elektřinou. Úpravy, resp. usměrnění těchto toků umožňují poměrně nové prvky elektrizačních soustavy, tzv. jednotky FACTS (flexibilních soustav střídavého proudu). Další rozvoj rozlehlých sítí předpokládá rostoucí uplatnění jednotek FACTS, které umožní cílené nasměrování toků výkonů v sítích v souladu s obchodními ujednáními či závazky.

Obr.2 Supersíť projektu DESERTEC

 Budoucí nadřazené supersítě by měly propojit kontinenty, což ilustrují záměry odvážného projektu DESERTEC. Jeho základem bude vybudování výkonné soustavy solárních elektráren v pouštních oblastech Afriky;  přebytky elektřiny z navazujících sítí by se měly předávat do Evropy. Projekt počítá s dalšími obnovitelnými zdroji, zejména větrných farem na mořských pobřežích a v ostrovním (off-shore) provedení, ale na vhodných územích má využívat i disponibilní biomasu a geotermální zdroje. Projekt má osadit asi 17 tisíc km² Sahary v severní Africe a pouště na Arabském poloostrově solárními elektrárnami. Do roku 2050 by mohlo pokrýt asi 15 % evropské spotřeby elektřiny. Náklady na projekt budou mimořádně vysoké, očekávají se kolem 400 mld €.

Sluneční energie dopadající na území Afriky je mimořádně vydatné, červené čtverce znázorňují rozlohu území, které by mělo být dostačující pro zachycení sluneční energie po energetické potřeby roku 2005 celého světa (Word 2005), zemí EU – 25, Středního východu a Severní Afriky (MENA), případně Evropy, Středního východu a Severní Afriky (EU MENA). 

Nesmíme opomenout, že nad popisovanou soustavou se budou rozkládat stále dokonalejší sítě informačních technologií (IT), umožňující nepřetržité koordinované řízení každého prvku. Nejsou novinkou, řízení provozu elektráren a sítí se už dlouho opírá o přenosy informací využívající navíc distribuovanou inteligenci všech článků v zájmu nepřetržitosti, spolehlivosti a bezpečnosti zásobování energií.

Některé směry rozvoje inteligentních soustav budou založeny na progresivních technologiích. Z této oblasti zmiňme uplatnění supravodičů (převážně tzv. nízkoteplotních, nevyžadujících zvláště hluboké chlazení pod 4,2 K) jednak pro účely přenosu a rozvodu elektřiny, jednak pro konstrukci generátorů, jejichž rozměry a váha se velmi příznivě uplatní při konstrukci větrných elektráren velkých výkonů.

K tomuto heslovitému výčtu vize o budoucnosti elektroenergetiky v prezentacích a referátech Kongresu najdeme mnoho podrobností, analýz, imaginací, doporučení. Některé z nich hraničí s fantazií, např. nové řešení větrných elektráren.

Obr.3 Větrné elektrárny projektu Magenn

Společnost Magenn má v úmyslu své větrné elektrárny MARS umísťovat na balónech plněných heliem ve výšce 200-300 m. Důvody jsou pochopitelné, ve vyšších vrstvách se citelně zvyšuje rychlost a stálost větru a energie větru (výkon větrné turbíny) je úměrná třetí mocnině rychlosti větru. Zdvojení rychlosti proudění vede ke zvýšení výkonu 8 krát, využití výkonu, který je u obvyklých elektráren kolem 11-15 % narůstá až na 50 %.

Předchozí představy o energetické budoucnosti světa jen z malé části zobrazuje bohatství myšlenek, které na Kongresu odzněly, jsou nezbytně subjektivní, doufáme, že čtenář si tyto úsporné informace může doplnit na základě stále dostupných informací na webových stránkách WEC.