Strašák dekarbonizace a úplně zbytečná Pařížská dohoda

Nacházime se v procesu transformace energií. Týká se to všech odvětví - výroby elektřiny, průmyslu, dopravy. Změny podstatně ovlivňují ekonomiku všech zemí, přináší s sebou nutnost rozsáhlých investicí a nám utíká čas.

Konference o klimatu v roce 2015 v Příži ustanovila Pařížskou dohodu [1], která navazuje na Kjótský protokol z roku 1997. Na konfenci bylo zúčastněno 196 sekcí ze zemí celého světa z toho 195 zemí se zúčastnilo jako zástupci Organizace spojených národů. Dohodu nejen podepsala, ale postupně rafikovala drtivá většina všech účastníků [2] a na základě ustanovení jednotlivé země vypracovaly národní plány na dekarbonizaci. V podstatě jde o to, aby tam, kde není vypouštění CO2 nezbytně nutné z podstaty fyzikálně chemické reakce, takový výstup vůbec nevznikal. Pracovně se to nazývá dekarbonizace, nebo někdy nula emisí CO2.

Je potřeba si ujasnit, co takový krok, byť jen čistě teoreticky, obnáší. Jako hlavní problém byly chápány elektrárny na výrobu elektrické energie. Eletrická energie je považována čistou, pokud při její výrobě nevznikají žádné vedlejší produkty a ani zplodiny a přitom je jí možné vyrábět ve velkém. Německá Energiewende (energetická změna) začala právě tranformací výroby elektrické energie, kdy se Německo, dost pionýrsky, pustilo do transformace její výroby a začalo masivně investovat do obnovitelných zdrojů energie.

Jemomže, když řeknete A, musíte říci i B a v našem případě i C, D a E. To znamená, nejen nahradit stávající výrobu elektrické energie, ale eletrifikovat i průmysl, teplárenství a dopravu. A to ještě nekončí. Elektrickou energii, nebo nějaký její čistý nosič se musíme naučit skladovat. Takže ještě F a G.

Nechci zatěžovat nějakými statistikami, které za pár měsíců stejně buď zestárnou, nebo se nějak změní, některé najdete v odkazech.  Budu se snažit popsat co nejsrozumitelněji, co tranformace obnáší a čeho se rámcově týká.

Výroba elektrické energie

Podstatné jsou dva, tři parametry. Instalovaný výkon a jeho roční využitelnost a celková roční výroba. Intermitentní zdroje (OZE) [3] vyrábí jen někdy, takže je důležité i rozložení výroby v čase a to jak krátkodobé, tak i dlouhodobé.

Fosilní zdroje tímto nešvarem netrpí, ale musí se odstavovat a provádět opravy a revize, takže využitelnost je také omezená a také občas vyrábí a občas ne. Stejný problém mají jaderné elektrárny, kde je nutné dbát na zvýšenou bezpečnost, takže jakákoli odchylka od normálu může vést k mimořádné odstávce.

Zvláštní pozornost lze věnovat elektrárnám paroplynovým, které mají vysokou účinnost díky dvoustupňovému využití energie (plynová turbína + parní cyklus) a současně jsou velmi dobře použitelné jako záložní (backup). Nastartování trvá relativně krátkou dobu, v řádu minut (ve stavu standby) až desítek minut a jsou snadno regulovatelné. Jedná se o menší zdroje s výkonem v řádu malých stovek MW.

Ani klasické uhelné zdroje a ani jaderné, takovou flexibilitu zdaleka neposkytují, a i z čistě fyzikálního hlediska ani nemohou. Větší fosilní zdroje potřebují čas na uvedení do provozního stavu a spuštění generátorů, JE mají další omezení daná jadernou štěpnou reakcí, kdy je potřeba v určitém režimu počkat, až se rozpadnou určité izotopy, které brání dalšímu štěpení [4]. Nejsou vhodné pro black startup (start po blackoutu)

Zajímavé jsou výrobní ceny elektřiny, kde u OZE cena od počátku spíše stabilně klesá (FVE, VtE), zatímco u ostatních zdrojů víceméně stabilně roste. Je to dáno tím, že OZE se dají vyrábět poměrně levně a nepotřebují žádné další finanční vstupy v podobě paliva. Jinak řečeno, palivo je zadarmo a je obnovitelné. To je tak nesporná výhoda, která převažuje mnohá negativa, ale hlavně mění pohled na účinnost. Cena za palivo je nula. Násobit nulou jakékoli konečné číslo, je zase nula.

Samozřejmě, ne každá země má stejné přírodní podmínky, ale obecně se dá říci, že OZE jsou schopné vyrábět levně.

Výroba a distribuce tepla

Většina výroby tepla pro vytápění se dnes realizuje v plynu, něco v biomase. Přechod od fosiního plynu na jiná paliva s sebou nese přijetí buď možnosti topit biomasou, která má sice neutrální uhlíkovou stopu, ale přináší lokální problémy s čitotou ovzduší. Je možné, že budou kotle, které budou vypouštět jen CO2 a H2O (páru) nebo že bude dost plynu z biostanic, ale od toho jsme pořád ještě daleko, anebo další možnost je přejít opět na elektrickou energii. To ale znamená zvýšit její výrobu [5]. Mnohé země s tímto scénářem počítají a navyšují kapacity výstavbou dalších OZE, hlavně FVE [6] a VtE [7] které lze stavět rychle, levně [8] a poměrně flexibilně. Vodní elektrárny mají jistě svůj potenciál, jejich výstavba je ale většinou pomalejší a je potřeba vše dlouho dopředu plánovat. Malé vodní elektrárny je možné stavět jen někde a míst pro výstavbu je již v EU poměrně málo. O kolik je potřeba navýšit výrobu elektrické energie s ohledem na teplárenství se dá odhadnout například tady [11].

Doprava

Doprava je dost zásadní problém. Zatímco v energetice se emise CO2 daří snižovat, tak v dopravě to jde velmi těžko. Dokonce exsistují předpovědi, že někdy po roce 2027 emise v dopravě převýší emise v energetice [12]. Nemusí k tomu dojít, protože BEV boom v oblasti osobní dopravy, může tyto přímé emise v dopravě začít brzo podstatně ovlivňovat. Znovu to ale klade na nároky na výstavbu nových bezemisních elektrických zdrojů. Odhadem se dá říci, že potřeba navýšení nových zdrojů bude někde mezi 15-30% [12].

Alternativní možnost nahrazení fosilních paliv biopalivy je jen omezená. Biopaliva mají velmi nízkou energetickou výtěžnost, protože fotosyntéza má velmi malou účinnost a probíhá jen po určitou část roku [13]. Jde tedy o intermitentní zdroj. Pěstování zabírá velkou část zemědělské půdy, takže konkuruje výrobě potravin [12]. Celé odvětví je ve fázi výzkumu, ale v blízké budoucnosti jedné dekády pravděpodobně nebude ještě použitelný výstup [14].

Syntetická paliva je další možnost, ale jako jediná smysluplná syntetická paliva vychází vodík H2 (při spalování nevzniká CO2) a metan CH4. Výroba metanu vyžaduje vstup uhlíku (C) do reakce. Jednou z možných cest je použití vzdušného CO2, čímž by bilance CO2 v atmosféře zůstala neutrální. Výroba složitějších uhlovodíků vyžaduje další energetické vstupy a účinnost bude horší.

Průmysl a přidružená odvětví

Průmysl potřebuje jak elektrickou energii, tak i teplo. Například vysoké pece jsou běžně provozované na koks, zemní plyn a kychtový plyn (CO), podobně mnohé další provozy potřebují vyskou teplotu, která je potřebná pro různé technologie. Jako jediná současně dostupná a čistá forma tepelné energie vznikající při spalování, se nabízí vodík. Švédsko například dělá pokusy s tavením železa ve vysokých pecích s vodíkem [15]. Podobně je na tom stavebnictví (výroba cementu), chemický průmysl, sklářství...

Celý průmysl tedy bude muset postupně přejít od plynu, koksu, připadně šedého vodíku vyráběného parním reformingem z CH4 na zelený vodík vyrábený elektrolýzou. Tedy i průmyslová odvětví budou vyžadovat další navýšení výroby bezemisní elektřiny.

Transformace průmyslu:

• náhrada šedého vodíku z fosilního CH4 parním reformingem za vodík zelený (elektrolýza, bioprocesy)
• náhrada výroby tepelné energie fosilními palivy za energii elektrickou a vodík, případně zelený CH4
• některé provozy, například rafinerie, plynárny se stanou zbytné

Skladování elektrické energie

Přestože skladování elekřiny se nejčastěji cituje v souvislosti s energetikou, nechal jsem si toto téma samostatně, protože prostupuje všemi odvětvími, která potřebují elektrickou energii.

Přečerpávací elektrárny byly donedávna jediným smysluplným zdrojem v energetice (kompenzátory nepočítám), které dokázaly kompenzovat výkyvy v síti. Jejich možná kapacita je ale nedostatečná a výstavba a projektová příprava zdlouhavá. Vyhledávání vhodných lokalit naráží na geomorfologická ale i na geopolitická a ekologická omezení.

Blízká současnost přidala další smysluplnou možnost a tou je krátkodobé skladování energie v bateriích. Různé země instalují již už poměrně dost velké kapacity z toho důvodu, že bateriová úložiště řeší několik možných problémů elektrické sitě najednou. Jsou to hlavně tyto:

• možnost zabránit mikrovýpadkům
• zlepšení účinníku
• zamezení blackoutů zbůsobených krátkodobým přebytkem nebo nedostatkem
• přímá kompenzace odchylek při výrobě itermitentními zdroji (OZE)
• stabilizace sítě, viz. předchozí dva body, implikující stabilizaci spotových cen

Dalšími parametry je poměrně rychlá a snadná instalace. Masívnějšímu nasazení zatím brání poměrně vysoké ceny, přestože návratnost může být velmi rychlá. První australská úložiště měla návratnost asi jen 3 roky [16],  v našich podmínkách to bude aktuálně někde kolem 7-10 let [17]. Bateriová úložiště tedy budou hrát dost zásadní roli v dekarbonizaci i v souvislosti s novými technologiemi výroby baterií [18].

Další slibnou technologií je vodík. Konkrétně takzvaný zelený vodík vyráběný elektrolýzou. Elektrolyzéry jsou spolehlivá, vyzkoušená zařízení s vysokou účinností kolem 70%. Modení elektrolyzéry dosahují 85-95% [19]. Vodík je potřeba jak v průmyslu, kde se zatím v drtivé většině získává parním reformingem, tak jako médium, pro ukládání energie. Vodík může být potom přímo spálen v paroplynové elekrárně, nebo může být použitý pro výrobu elektrické energie v FC článcích. Fuel Cell (FC) články mají zatím nejlepší účinnost kolem 60-80% [20], teoretická účinnost je ale mnohem větší, je tedy zde prostor ke zlepšení. Vodík je médium, které je schopné nahradit fosilní metan, tedy zemní plyn. Proto se mu věnuje zvýšená pozornost a mnoho zemí plánuje výstavbu poměrně velkých kapacit elektrolyzérů. I tato výroba bude potřebovat další vstupy v oblasti výroby elektřiny. Nedá se počítat jen s obyčejnými přebytky, ale bude potřeba opět navyšovat kapacity. Zde půjde vývoj nejspíše v opačném pořadí. Nejprve přejdou stávající průmyslové provozy na zelený vodík a až pak se dostane větší pozornosti teplárenství a výrobě elektrické energie.

Vodík má pro účely skladování jednu nepěknou vlastnost. Je těžko stlačitelný a zkapalnitelný, má ale velmi vysokou gravimetrickou hustotu energie (33kWh/kg) [21]. Některé návrhy proto počítají s možností, že se bude skladovat vodík ve formě sloučenin, nejčastěji amoniaku NH3 [22]. Je snadno zkapalnitelný, doprava je také poměrně jednodušší. Největší nevýhoda je nutnost dalších energetických vstupů pro výrobu amoniaku a jeho zpětné konverze na H2.

Emisní povolenky

Obecně u nás rozšířený názor, že emisní povolenky je výmysl EU. Na jednu stranu je to pravda, EU byla nejspíš první, kdo tento tržní mechanismus zavedl, na druhou stranu můžeme být hrdí na to, že se tento model postupně přenáší do dalších zemí včetně takových jako je Čína a Indie. Indie k tomuto tržnímu dekarbonizačnímu modelu přistoupila v roce 2023.

Je potřeba si alespoň trochu vysvětlit, k čemu emisní povolenky vlastně slouží. Vysvětlím to na modelu EU, ostatní země to mají rozdílné, například Indie bude sledovat i další skleníkové plyny, nejen CO2.

Zpočátku byly povolenky zdarma a to pro veškerý objem emisi CO2. Fáze jedna (2005-2007) už proběhla. Poté se povolenky každým rokem devalvují, ale je možné se zbylými povolenkami i obchodovat, kdo nedodrží limit (vypouštění CO2), zaplatí v povolenkách, které musí nakoupit. Cena povolenek se odvíjí od burzovní ceny. Snižování množství povolenek vyvíjí tlak na výrobce, aby snižovali emise CO2. Pokud výrobci inovují do moderních technologií s cílem snížit emise, jsou dotováni z prodeje emisních povolenek (pokud k tomu příslušný stát vytvoří podmínky). Legislativní rámec v ČR zatím není, výnosy z povolenek se hází do jednoho pyle a zalepují se jimi díry v rozpočtu. Doufejme, že se to v příštích letech změní.

Druhá fáze, kdy povolenky byly devalvovány na 90% již také proběhla (2008-2012). Ve třetí fázi byly povolenky devalvovány na 43% (2013-2020) a začal se projevovat pákový mechanismus, najednou bylo výhodné do dekarbonizace investovat. Čtvrtá fáze probíhá a uvidíme, co ještě přinese, ale na konci zbyde jedna povolenka na poslední tunu CO2 a pak už zůstanou jen pokuty.

Z uvedeného je jasné, k čemy tedy povolenky slouží - zavést tržní mechanismus dekarbonizace [9]. Výčet států, které tento model zavedly není úplný, ale učitý přehled je možné si udělat například tady [10][24].

Další možnosti dekarbonizace

Další krok dekarbonizace může být, že pokud CO2 někde vznikne, tak by mohl být pokud možno zachycený a neutralizovaný, a další krok může být, že CO2 budeme ze vzduchu aktivně zachytávat a zpátky ho přeměňovat na uhlík a někde ukládat. Tady je ovšem si uvědomit, že všechnu energii, kterou lidstvo pálením uhlí a dalších fosilních paliv získalo a použilo pro svůj rozvoj (je to asi aktuálně plus 45-50% atmosférického CO2; každý rok přidáme na CO2 účet asi 4-5%), by muselo zase vložit zpátky do výroby uhlíku. Tohle je tedy opravdu výzva.

Mnoho států má už celkem dobře vyřešenou výrobu elektrické energie, kde saturace bezemisními zdroji je vysoká, ale v ostaních odvětvích teprve začínají.  Zde je potřeba pečlivě rozlišovat mezi celkovou dekarbonizací, dekarbonizací v energetice a dekarbonizací v elektrické energetice. Občas se to plete. Například poslední výnos EU stanovuje celkovou výši dekarbonizace pro rok 2030 [23].

Kolik energie bude potřeba

Lidově řečeno, celkem bude potřeba hodně energie. Dle [11] by bylo potřeba navýšit výrobu elektrické energie, pokud budeme uvažovat úplnou elektrifikaci, asi 6x. Tady je potřeba říci, že odhad je ovšem zatížený značnou chybou, protože ve výpočtu se uvažuje takzvaná primární energie (PE) vztažená na fosilní piliva, která mají běžně využitelnost kolem 30% (pravidlo 1/3).  Některé provozy se dají řešit biomasou a bioplynem, dále přechod vytápění na tepelná čerpadla může opět výrazně snížit spotřebu elektrické energie. Takže dá se předpokládat, že spotřeba by mohla být někde v intervalu 2x-4x (při stávajícím energetickém mixu, tj. +- kolem roku 2020). Předchozí generace žily na dluh a každá další přesouvala odpovědnost na tu další. Někdo ten dluh musí splatit, a jak se ukazuje, řada je teď na nás.

Na závěr bych chtěl říci, že je potřeba si uvědomit, že dekarbonizace je v celém světě na postupu a není to jen výplod nějakého pomateného úředníka z EU, který něco říká o Green Dealu, jak je nám často podsouváno, ale je to celosvětový program, který má své velmi důležité důvody. A ještě jednou. Není pravda, že emisní povolenky má jen EU [10][24]. Stejně tak není pravda, že obnovitelné zdroje (OZE) jsou drahé. Větrné elektrárny a fotovoltaické vycházejí cenově nejlépe jak na výstavbu, tak i na váženou cenu za energii (LCOE). Prognózy do budoucna ukazují, další snižování ceny za energii z OZE, zatímco u ostatních zdrojů spíše zvyšování [25]. Bohužel, Česká republika je dost specifická v tom, že ve výrobě elektrické energie, ale i v ostatních odvětvích, má dekarbonizaci zajištěnou i do budoucna zatím velmi minimalisticky [26].

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Paris_Agreement

[2] Paris Agreement participants

[3] https://cs.wikipedia.org/wiki/Obnoviteln%C3%A1_energie

[4] Štěpné produkty

[5] https://www.iea.org/reports/renewables-2022/renewable-heat

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics

[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_power

[8] https://www.irena.org/Publications/2023/Aug/Renewable-Power-Generation-Costs-in-2022

[9] Emisní polovenky v EU

[10] Emise a ceny za CO2 ve světě

[11] https://ourworldindata.org/energy-production-consumption

[12] Jiří Pohl Fyzikou k efektivní elektrifikované dopravě

[13] https://en.wikipedia.org/wiki/Photosynthetic_efficiency

[14] Advancement of renewable energy technologies via artificial and microalgae photosynthesis

[15] https://www.stavebni-technika.cz/clanky/bezemisni-budoucnost-vyroby-oceli-hardox-a-strenx-aneb-vodik-misto-uhliku-pri-redukci-zelezne-rudy

[16] https://oenergetice.cz/akumulace-energie/australska-megabaterie-od-tesly-se-sveho-provozovatele-stala-zlatym-dolem

[17] Úložiště ve Fenixu Jeseník

[18] Lyten batteries, Na-ion batteries

[19] IEA Innovation, Commercial Electrolyzers, Hysata Electrolyzers

[20] A detailed overview of hydrogen and hydrogen FC technology

[21] Základní informace k vodíku

[22] Ammonia’s role in a net-zero hydrogen economy

[23] Brusel schválil obnovitelné zdroje ve výši 42,5 procenta spotřeby do sedmi let

[24] Ceny emisí CO2

[25] Levelized cost of energy

[26] Ember Česká republika