14.4.2024 | Svátek má Vincenc


ZELENÁ ENERGIE: Ekonomika čisté nuly

28.2.2024

Představte si, že USA budou mít v roce 2050 ekonomiku s nulovými čistými emisemi, jak se zavázal prezident Joe Biden (k tomu se zavázala i Velká Británie).

Bude třeba dokončit tři velmi rozsáhlé, vzájemně propojené a multidisciplinární inženýrské projekty. Doprava bude elektrifikována. Průmysl a vytápění domácností budou elektrifikovány. Odvětví elektrické energie – výroba, přenos a distribuce – bude značně rozšířeno, aby bylo schopno zvládnout první dva projekty, a přestane používat fosilní paliva.

Mám za sebou dlouhou kariéru v průmyslovém a akademickém inženýrství a nedávno jsem odešel do důchodu jako profesor technologie v elektrotechnice na univerzitě v Cambridge. Strávil jsem nějaký čas zkoumáním proveditelnosti těchto myšlenek a toto jsou fakta.

V současné době se v USA každý měsíc spotřebuje v průměru 7 768 bilionů britských tepelných jednotek energie, z nichž většina je dodávána spalováním fosilních paliv buď přímo pro vytápění nebo dopravu, nebo nepřímo pro výrobu elektřiny.

Protože spalovací motor přeměňuje energii uloženou v palivu na dopravní pohyb s účinností asi 30 %, zatímco elektromotory mají více než 90 % účinnost při využívání energie uložené v baterii, budeme muset zvýšit dodávky elektřiny v USA asi o 25 %, abychom udrželi dopravu v USA na dnešní úrovni. Předpokládejme, že nahrazení dnešních vozidel a vlaků poháněných fosilními palivy elektrickými vozidly nebude stát více, než kolik bychom na jejich výměnu vynaložili tak jako tak: není to tak docela pravda, ale rozdíl je ve srovnání s ostatním malý. Měl bych však poznamenat, že malá část dnešní energie v dopravě se spotřebovává v letectví a lodní dopravě, které je mnohem obtížnější elektrifikovat než pozemní dopravu, ale to zatím budeme ignorovat.

Dále musíme elektrifikovat veškeré teplo. Pokud by toto teplo zajišťovaly běžné elektrické ohřívače, potřebovali bychom další elektrický sektor o velikosti dnešního. Pokud však budeme využívat převážně tepelná čerpadla na bázi vzduchu a země a budeme předpokládat koeficient výkonu 3:1 - což je optimistické, ale nikoliv nesmyslné – pak budeme pro tento tepelný úkol potřebovat pouze novou kapacitu sítě odpovídající 35 % velikosti současné sítě.

Zatím bude muset být síť v roce 2050 o více než 60 % větší než její současná velikost. Musíme také zapracovat na budovách. Americký stavební fond tvoří téměř 150 milionů bytových jednotek, komerčních a průmyslových budov s odhadovanou podlahovou plochou 367 miliard čtverečních stop. Část z nich je dobře izolovaná, velká část nikoli. Aby naše tepelná čerpadla pracovala s potřebnou účinností, musela by být izolována všechna. Na základě pilotního programu modernizace ve Velké Británii činí náklady na národní úrovni 1 bilion dolarů na 15 milionů obyvatel. V USA by se tedy mohlo jednat o 20 bilionů dolarů. Může to být až 35 bilionů dolarů.

Měli bychom si uvědomit, že stejně jako v dopravě nelze v současné době některé specializované druhy vytápění provádět elektricky, například v prvovýrobě oceli. Pokud chceme dosáhnout čisté nuly, budou s tím spojeny další náklady, ale to zatím budeme ignorovat, i když budeme potřebovat strašně moc oceli.

Nyní dekarbonizujme energetickou síť a udělejme ji o 60 % větší a výkonnější. Americká elektrická síť je dohromady označována za největší stroj na světě: 200 000 mil vysokonapěťových přenosových vedení a 5,5 milionu mil místních distribučních vedení. Bude třeba přidat dalších 120 000 mil přenosových vedení. To bude podle údajů o nákladech v USA stát řádově 0,6 bilionu dolarů.

Místní distribuční vedení o délce 5,5 milionu mil bude nutné modernizovat tak, aby přenášela mnohem vyšší proudy. Většina domů v USA má hlavní jistič, který propouští do domu proud o velikosti 100 až 200 ampérů (A), ačkoli některé nové jsou dimenzovány na 300A. Standard 100 A byl stanoven téměř před sto lety, kdy byla rychlovarná konvice největším jednotlivým spotřebičem. V moderním plně elektrickém domě odebírají některé nové spotřebiče spíše vyšší proudy: tepelná čerpadla se zemním zdrojem mohou při spuštění odebírat 85 A, sálavé varné desky při spuštění odebírají 37 A, rychlonabíječky pro elektromobily odebírají 46 A, a dokonce i pomalé mohou odebírat 17 A, zatímco elektrické sprchy odebírají 46 A. Místní rozvody v ulicích a místní transformátory byly dimenzovány na limit 100 A. Většina domů bude potřebovat modernizovaný jističový panel a alespoň nějaké přepojení a mnoho místních rozvodů a mnoho místních trafostanic bude potřebovat navýšení velikosti. Náklady ve Spojeném království byly podrobně odhadnuty na 1 bilion liber, což by v přepočtu na jednoho obyvatele znamenalo řádově 6 bilionů dolarů.

Vzhledem k tomu, že 60 % současné výroby elektřiny je poháněno fosilními palivy, musíme všechny fosilní elektrárny uzavřít a zbývající nefosilní výrobní kapacitu čtyřikrát zvýšit. Pro nové vodní elektrárny není mnoho prostoru a zachycování uhlíku zatím mimo výrobu fosilních paliv neexistuje. Při použití směsi větrné energie (na pevnině 1600 USD/kW, na moři 6500 USD/kW), solární energie (1000 USD/kW na úrovni veřejných služeb) a jaderné energie (6000 USD/kW) se kapitálové náklady jen na tento úkol pohybují kolem 5 bilionů dolarů, a to jsme se ještě nevypořádali s obrovským problémem, že větrná a solární energie je přerušovaná.

Zatím jsme se dostali na 32 bilionů dolarů jako náklady na zajištění izolovaných budov a výroby, přenosu a distribuce elektřiny ve světě s nulovou čistou spotřebou. I když ne všechny nesou domácnosti, tato částka se pohybuje v řádu 260 000 dolarů na jednu americkou domácnost.

Nyní se zamysleme nad intermitencí. Někdy nefouká vítr a nesvítí slunce a naše síť poháněná převážně obnovitelnými zdroji nebude mít žádný proud. Současné zásobníky vodní energie by v USA dokázaly provozovat síť s nulovou čistou spotřebou po dobu několika hodin; současná kapacita baterií by to dokázala po dobu několika minut. Zastánci nulové sítě často navrhují jednoduše vybudovat obrovské množství bateriových úložišť, ale náklady na to jsou kolosální: Náklady jsou 80krát vyšší než náklady na elektrárny, tedy stovky bilionů dolarů. A to je skutečně jen fantazie, protože potřebné nerostné suroviny nejsou k dispozici ani zdaleka v potřebném množství. Pokud by ceny stouply, staly by se ekonomicky výhodnějšími další zásoby - ale ceny jsou již nyní nemožně vysoké.

Hned vidíme, že síť s nulovou čistou spotřebou a velkým podílem obnovitelných zdrojů energie prostě nelze vybudovat. Prozatím však problém skladování ignorujme a podívejme se na další čísla.

Britská inženýrská firma Atkins odhaduje, že projekt v elektrotechnickém odvětví za 1 miliardu dolarů na 30 let potřebuje po celou dobu 24 a více profesionálních vystudovaných inženýrů a 100 a více kvalifikovaných řemeslníků. Pokud tato čísla rozšíříme na právě popsané projekty v elektroenergetice v hodnotě 12 bilionů dolarů, budeme jen na tuto část projektu čisté nuly potřebovat 300 000 profesionálních elektroinženýrů a 1,2 milionu kvalifikovaných řemeslníků na plný úvazek po dobu 30 let do roku 2050. Na základě rozpočtu můžeme očekávat, že sektor modernizace budov bude potřebovat podobnou pracovní sílu v počtu zhruba tří milionů lidí. To je dohromady pracovní síla zhruba o velikosti celého stávajícího stavebního sektoru.

Nyní se zamysleme nad materiály. Plynová turbína s kombinovaným cyklem o výkonu 600 megawattů (MW) potřebuje 300 tun vysoce výkonných ocelí. Abychom dosáhli stejného nepřetržitého výkonu 600 MW, potřebovali bychom 360 větrných turbín o výkonu 5 MW, z nichž každá by pracovala s optimistickou průměrnou účinností 33 % (a vedle nich velké úložiště energie, které právě ignorujeme, protože by bylo nemožně drahé). Vzhledem k tomu, že životnost větrných turbín je 25 let, což je méně než polovina životnosti turbín paroplynových elektráren, potřebovali bychom jich ve skutečnosti více než 720 kusů.

Hmotnost gondoly (turbíny na vrcholu věže) větrné turbíny o výkonu 5 MW je srovnatelná s hmotností paroplynové elektrárny. Kromě toho je hmotnost betonu v soklu jedné CCGT srovnatelná s hmotností betonu pro základy každé jednotlivé větrné turbíny na pevnině a mnohem menší než hmotnost betonu a zátěže pro každou turbínu na moři. Budeme potřebovat obrovské množství vysokoenergetických materiálů, jako je ocel a beton: zhruba tisíckrát více, než kolik potřebujeme na stavbu paroplynových elektráren nebo jaderných elektráren, a častěji je obnovovat. Tato obrovská potřeba pravděpodobně ovlivní ceny jak materiálů, tak energie – a to ne v dobrém slova smyslu -, ale zatím budeme předpokládat, že náklady zůstanou na podobné úrovni jako nyní.

Vidíme tedy, že infrastrukturní části projektu čisté nuly, které jsou teoreticky možné, by stály pohodlně přes 35 bilionů dolarů a vyžadovaly by specializovanou a vysoce kvalifikovanou pracovní sílu srovnatelnou se stavebním sektorem a také obrovské množství materiálu. Čistá nula by také vyžadovala několik věcí, které jsou dnes zcela nemožné: škálovatelné nefosilní skladování energie, velmi vysokoteplotní elektrické průmyslové procesy, seriózní elektrické letectví a lodní dopravu. Dále by bylo třeba dekarbonizovat zemědělství. Tyto věci, pokud by jich bylo vůbec možné dosáhnout, by náklady znásobily nejméně několikanásobně, na více než 100 bilionů dolarů.

Skutečné náklady na dosažení čisté nuly, nebo spíše na pokusy o její dosažení a neúspěch, by tedy byly podobné – nebo dokonce vyšší – než celkové předpokládané vládní výdaje USA do roku 2050. Neexistuje žádná pravděpodobnost, že by tato částka byla odkloněna od jiných účelů v rámci něčeho, co by připomínalo normální tržní ekonomiku a životní úroveň.

Představa, že čisté nuly lze dosáhnout v současném časovém horizontu jakýmikoliv prostředky, kromě příkazové ekonomiky kombinované s drastickým poklesem životní úrovně – a několika nepravděpodobnými technologickými zázraky – je zjevně nepravdivá. Mlčení národních akademií a odborných vědeckých a technických orgánů o těchto velkých technických skutečnostech je zavrženíhodné.
Lidé musí znát realitu čisté nuly.

Michael Kelly

________________________________________

Autor je emeritním profesorem inženýrství na univerzitě v Cambridge. Je členem Královské společnosti, Královské akademie inženýrství, Královské společnosti Nového Zélandu, Fyzikálního institutu a Institutu inženýrství a technologie a také starším členem Institutu elektronického a elektrotechnického inženýrství v USA.