Perpetum mobile tzv. prvního druhu ("věčný samohyb") zařízení, které získává energii z ničeho. Snad každý ví, že toto není možné (první věta termodynamická, zákon o zachování energie).
Nicméně, ne všichni si uvědomují, kde všude se analogické případy vyskytují, což se projevuje např. v představách o "vodíkové energetice", protože "vodík lze získat z vody".
Protože při spalování vodíku včetně jeho využití v palivových článcích se získává energie (exotermickou) reakcí
2 H2 + O2 = 2 H2O (1)
není možné bez přívodu minimálně stejného množství energie provést reakci opačnou (endotermickou)
2 H2O = 2 H2 + O2. (2)
Podotýkám že k reakci (2), která probíhá při elektrolýze vody, dochází také ve vodní páře za vysokých teplot. Byly tady snahy vyrábět vodík právě rozkladem vody za vysokých teplot (kolem 900 oC) za použití katalyzátoru a recyklace nerozložené páry. Tento postup by mohl být energeticky výhodnější než výroba elektřiny a následná elektrolýza, nicméně výzkum v tomto směru nebyl zatím úspěšný.
Protože vodík lze získat z vody pouze za dodání příslušné energie, např. elektrolýzou, nebo musí být vyráběn z fosilních paliv při přinejlepším neutrální energetické bilanci (de fakto vzniká H2 a CO2), nemůže být vodík v žádném případě primárním energetickým zdrojem, pouze mediem pro její skladování či přenos.
Dále je třeba si uvědomit, že veškeré akumulátory elektrické energie jsou založeny na vratné chemické reakci a příslušné chemické formy, které mají zpravidla větší hmotnost, než klasická paliva, musí být samozřejmě v akumulátoru přítomny. Proto je kapacita akumulátorů vždy omezená a elektromotor z nich napájený vychází váhově, vzhledem k hmotnosti baterií, značně nepříznivěji než např. motor na benzín či naftu s nádrží paliva. Palivové články by mohly tento stav změnit, ale i jejich možnosti jsou omezené, nejlépe vyjde váhově právě spalování vodíku v palivových článcích. Energetická účinnost běžných akumulátorů pro "skladování elektřiny" je přitom cca. 60%, což je dokonce méně, než u nejmodernějších přečerpávacích elektráren, představujících dnes jedinou možnost jak skladovat ve velkém elektřinu. Píši to proto, že zázračné akumulátory patří takřka k evergreenům autorů sci-fi, aniž je přitom bráno v úvahu výše zmíněné omezení.
Plyny (kromě vzácných) tvoří zpravidla dvojatomové molekuly. Jsou tu snahy připravit tzv. atomární vodík, neboť reakce 2H = H2 by poskytla obrovské množství tepla, větší než spalování vodíku, ale atomární vodík neumíme zatím skladovat. Pokud bychom to uměli, znamenalo by to např. převrat v kosmonautice.
Podobně je získávání tepla spalováním uhlí založeno na exotermické chemické reakci
C + O2 = CO2,
takže není možné postavit zařízení, které by při spalování uhlí produkovalo méně CO2, než odpovídá energii uvolněné touto reakcí. Jediným způsobem, jak snížit emise CO2, je zvýšení účinnosti zařízení a žádná jiná zdokonalení zde nepomohou. Zvýšit účinnost zařízení ovšem není nikterak snadné, viz. níže. Pokud namísto uhlí spalujeme ropu či zemní plyn, tedy uhlovodíky, je množství CO2 vzniklého spálením v přepočtu na jednotku energie menší (u ropy ve srovnání s uhlím 70%, u zemního plynu 54%), protože část tepla získá spálením obsaženého vodíku.
Opačná reakce, tedy vázání CO2 (a vody) do organického materiálu za využití sluneční energie, probíhá v rostlinách při fotosyntéze (energetická účinnost tohoto procesu je ovšem malá). Spálením vzniklé biomasy se tento CO2 opět uvolní, proto je spalování biomasy z hlediska bilance CO2 neutrální. Zvýšení množství zelené hmoty je takřka jediným postupem jak odstranit část CO2 z atmosféry, potenciál tohoto postupu je ale velmi omezený. Jinak je likvidace CO2, vzniklého spalováním fosilních paliv nemožná, spotřebovalo by se na to totiž více energie, než se získalo při jejich spálení. Uvažuje se sice např. o vhánění CO2 do zemích dutin, vyniklých při těžbě ropy a zemního plynu, kapacita těchto prostor ale zdaleka nestačí, neboť množství CO2, vzniklého spalováním těchto paliv představuje miliardy tun ročně. Třeba dodat, že postupy pro záchyt oxidu siřičitého ze spalin produkují zpravidla dodatečný CO2, který se uvolňuje z vápence při reakci s oxidem siřičitým.
Protože nemáme prakticky zvládnuto přímé převádění energie obsažené v palivu na elektřinu, vyrábíme elektřinu s využitím mechanické energie, kterou získáváme pomocí nějakého tepelného stroje (parní stroj či turbína, spalovací motor či plynová turbína).
Tepelný stroj je teoreticky definován tak, že jde o zařízení, které odebírá teplo z teplejšího zásobníku, využívá ho z části k výrobě mechanické práce a nevyužité (a ve skutečnosti nevyužitelné) teplo předává do chladnějšího zásobníku. Takto pojatý teoretický proces se nazývá Carnotův cyklus a je dokázáno (r. 1824), že právě ten je energeticky nejvýhodnější.
Teoretická (tj. maximální) účinnost tepelného stroje, je dána vztahem
w/Q = (T2 - T1)/T2,
kde w je množství získané mechanické práce, Q množství tepla, dodaného z teplejšího zásobníku, T2 je teplota na vstupu a T1 teplota na výstupu, obojí v kelvinech (T = t+273,15) kde t je teplota v oC . Z této rovnice vyplývá, že účinnost je tím vyšší, čím vyšší je vstupní teplota pracovního média a čím nižší je teplota výstupní.
To mimo jiné vede k stálé snaze zvyšovat teplotu páry na vstupu parních turbin, protože čím vyšší teplota T2, tím vyšší účinnost. V poslední době se pro zemní plyn používají plynové turbíny, kde je vstupní teplota ještě větší a jejich výstupní plyn se teprve používá k výrobě páry. Špičková dnes dosažená účinnost těchto zařízení činí 59%. U klasických parních elektráren dosahuje maximální účinnost 40%. Třeba ovšem upozornit, že teplota a tlak páry, které, jak bylo ukázáno, přímo ovlivňují maximální účinnost tepelné elektrárny, jsou značně vysoké, např. u elektrárny Chvaletice je teplota páry na výstupu z kotle 540 oC při tlaku přes13 Mpa. Představa, že by něco podobného mohly dosahovat třeba malé zdroje na biomasu při přiměřené ceně je iluzorní. Všechna tato zařízení mohou být ekonomická jen při současné výrobě tepla, případně jako pouhé výtopny. Totéž platí i pro malé zdroje, používající zemní plyn. Větší výtopna na zemní plyn, které vyžadují vedení tepla na větší vzdálenost, se ovšem nevyplatí vůbec, protože ztráty v rozvodech tepla dosahují běžně kolem 30% a lokální kotle na zemní plyn mají stejnou účinnost jako kotle velké a pracují automaticky. Pro porovnání, celkové ztráty elektřiny v rozvodech představují u nás 4%.
Teplotu na výstupu tepelného stroje naproti tomu nejsme schopni příliš regulovat, neboť páru na výstupu turbíny zkapalňujeme v kondenzátoru, chlazeném vodou z chladících věží nebo z řeky či moře. Za turbínou je totiž podtlak daný tenzí vodní páry při dané teplotě a udržovaný vývěvou. Kondenzátor a vývěvu měl už Wattův parní stroj, kdežto už lokomotiva G. Stephensona a všechny pozdější parní lokomotivy vyfukovaly páru do komína. Elektrárny s chladícími věžemi, které neochladí vodu tak, jako moře, mají proto menší výkon i účinnost než jinak stejné elektrárny chlazené mořskou vodou. Nejlepším příkladem jsou jaderné elektrárny vybavené stejnými typy reaktoru, kde čistý elektrický výkon elektrárny, chlazené vodou z moře je o cca 15% vyšší.
Pro mobilní motory je výstupní teplota pochopitelně vyšší než u většiny velkých stacionárních zařízení, neboť výstupní medium vypouštíme do atmosféry, výjimku představují lodě na páru, opatřené kondenzátory chlazenými okolní vodou.
Skutečnost, že právě plynové turbíny dovolují dosažení nejvyšší účinnosti, vede k opětné snaze o zplynování uhlí.
U jaderných elektráren s tlakovodními reaktory je účinnost přeměny jaderné energie na elektrickou jen něco málo přes 30%, neboť jsme omezeni teplotou varu vody při používaném tlaku, v praxi je to něco přes 300oC. Vyšší účinnost lze dosáhnout u reaktorů chlazených plynem nebo tekutým sodíkem. Tekutý sodík se používá u rychlých reaktorů, které existují jen v prototypu, rovněž v prototypu byly zkoušeny vysokoteplotní reaktory chlazené heliem. V Británii jsou provozovány reaktory chlazené plynným CO2.
Jestliže Carnotův cyklus obrátíme, tj. když za přívodu energie přečerpáváme teplo ze studeného zásobníku do zásobníku teplého, lze na výstupu získat více tepla, než by odpovídalo dodané mechanické energii.
Poměr množství tepla na výstupu Q a množství mechanické práce w spotřebované k pohonu čerpadla w je dáno vztahem
Q/w=T1/(T2-T1).
Na tomto principu pracuje kompresorová chladnička nebo tepelné čerpadlo, schopné dodávat i několikrát více tepla, než by odpovídalo spotřebované elektřině. Tepelné čerpadlo pracuje tím účinněji, čím menší je rozdíl teplot na vstupu a na výstupu, proto se spojuje např. s topením podlahou. Nehodí se zpravidla pro případy, kdy bychom museli vést teplo na větší vzdálenosti, neboť to vyžaduje vyšší teplotu na vstupu potrubí. Nejvhodnějším zdrojem tepla pro studený zásobník je např. řeka, kde je teplota vody vždy něco nad nulou, zatímco vzduch má třeba minus 20 oC.
Z Carnotova cyklu také vyplývá výhodnost kombinované výroby tepla a elektřiny, protože podobného efektu jako tepelným čerpadlem lze dosáhnout tím, že za příslušný stroj (parní turbínu, kogenerační jednotku atd.) zařadíme topnou soustavu. V takovém případě získáváme opět více tepla, než by odpovídalo poklesu výkonu příslušného elektrického generátoru, měřeno jeho účinností při provozu bez odběru tepla. Ale stejně jako v případě tepelného čerpadla je efektivita tohoto pochodu tím větší, čím menší je teplota na výstupu sekundárního zdroje tepla (např. výměníku za kogenerační jednotkou, páry, odebírané z turbíny teplárny). Protože k vedení tepla na větší vzdálenost zpravidla vyžadujeme vyšší teplotu na vstupu potrubí, je efektivnost tohoto postupu omezena na relativně blízké odběratele. Nevýhodou kombinované výroby tepla a elektřiny je ovšem také vzájemná provázanost výroby tepla i elektřiny (tj. musíte mít zajištěn odbyt pro obojí, což lze jen při omezeném počtu takovýchto výrob, v létě např. moc tepla neprodáte). Z tohoto důvodu se také používá dvou základních uspořádání turbín a to protitlaké - veškerý výstup se využívá pro produkci tepla a odběrové, kde se může odebírat jen část páry. V každém případě je odběr páry vykoupen nižší výrobou elektřiny. V minulosti tady byly snahy, vytápět "odpadním" teplem z parních elektráren např. skleníky, ale vzhledem k výše uvedeným omezením nebyly příliš úspěšné. Elektrárny se totiž nechtěly zavázat k dodávce tepla za cenu, která by byla pro tyto odběratele přijatelná.