vzdělávání

K pokrytí poptávky po bateriích bude zapotřebí široké škály materiálů na výrobu baterií. „Zlatou střední cestou“ mezi levným železem a drahým niklem by se mohl stát mangan, píše server IEEE Spectrum.

Většina automobilek touží vám (a zbytku světa) prodat elektromobil. Zároveň ovšem výrobci v posledních době řeší těžkou otázku: jak si zajistit dodávky materiálů nutných k výrobě elektromobilů. A to ještě ze zdrojů, které nenesou geopolitická rizika či etické stigma (tedy třeba materiálů vytěžených s pomocí dětské práce).

Výroba jednoho elektrického auta vyžaduje podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) šestkrát více kovů než výroba vozu se spalovacím motorem. Auta už nebudou spotřebovávat suroviny za provozu, ale při svém zrodu.

Ale které? Nezbytností bude nepochybně lithium a železo, to je jasné. V dalším sledu stojí však celá řada dalších kovů, o jejichž osudu není rozhodnuto. Jedním z nich je i relativně skromný a nenápadný mangan.

Špatné vzpomínky, světlá budoucnost?

Tento světle šedý, tvrdý, a přitom křehký kov, který je 25. prvkem periodické tabulky (mezi chromem a železem) považují za zajímavý například společnosti Tesla a Volkswagen. Doufají, že i díky němu mohou být elektromobily a jejich baterie dostatečně dostupné i pro běžného zákazníka. A to i přes neutěšenou historii prvního (a jediného) elektromobilu, který byl vybaven baterií s vysokým obsahem manganu: původního Nissanu Leaf.

Autoprůmysl ovšem bude v dohledné době potřebovat všechny baterie, které budou k mání. Vylepšené modely baterií s vysokým obsahem manganu by si možná na trhu mohly najít své místo, snad jako středně drahá varianta mezi lithium-železo-fosfátovou chemií v levnějších vozem a „prémiovými“ bateriemi bohatými na nikl ve špičkových luxusních a sportovních modelech.

Zájem o ně v poslední době pomohl probudit i Elon Musk při slavnostním otevření továrny Tesla Gigafactory v Berlíně. Když dostal otázku na to, jak vidí využití grafen v bateriích, nakonec od této vzácné formy uhlíku úplně odběhl a řekl: „Myslím, že zajímavý potenciál má mangan.“

Znovu tak upozornil na to, co už lze sledovat několik let: odklon výrobců od kobaltu a nyní i od niklu: „V konečném důsledku potřebujeme desítky, možná stovky milionů tun. Takže materiály používané k výrobě těchto baterií musí být běžné, jinak je nemůžete škálovat,“ řekl Musk.

Musk Iron Manem

Společnost Tesla potvrdila, že téměř polovina všech jejích vozidel vyrobených v minulém čtvrtletí již používá baterie bez niklu a kobaltu. Jak uvádí výroční zpráva Tesly, v Muskem vedené firmě se z LFP baterií stává běžná záležitost: „V současné době se baterie LFP používají ve většině našich standardních produktů pro vozidla a také v komerčních aplikacích pro skladování energie. Díky našim energeticky účinným motorům může Model 3 s baterií LFP stále dosahovat dojezdu 267 mil podle EPA.”

Podle přehledu trhu s elektromobily, který zveřejnila agentura Reuters, není Tesla ve své podpoře baterií LFP sama. Více než tucet společností údajně zvažuje, že v příštích třech letech postaví ve Spojených státech a v Evropě závody na výrobu bateriových článků LFP. A od té doby se změna bude pravděpodobně pouze zrychlovat.

Německá důvěra

V březnu 2021 na „Power Day“ společnosti Volkswagen generální ředitel koncernu Herbert Diess oznámil, že jeho společnost zachvátilo „bateriové šílenství“: Volkswagen má do roku 2030 postavit v Evropě půl tuctu gigatováren s celkovou kapacitou 240 gigawatthodin.

Volkswagen již staví továrny na elektromobily v americkém Tennessee a v Číně. Navzdory tomu, že jeho elektromobily se v Evropě prodávají více než Tesly, německá firma pod silným konkurenčním tlakem americké „elektromobilky“ především na čínském trhu. Globální gigant je proto odhodlán snížit náklady na baterie o polovinu u základních modelů a o 30 % u vozů střední cenové kategorie.

Aby toho dosáhl, představil Volkswagen univerzální „unifikovaný článek“, který může v rámci univerzální „kostry“ využívat různé druhy bateriové chemie. Diess uvedl, že přibližně 80 % nových baterií Volkswagen se obejde bez drahého niklu a kobaltu ve prospěch levnějších a hojnějších katodových materiálů – potenciálně včetně manganu. Jde baterie podobné těm, které jak Volkswagenu, tak Tesle dodává čínská společnost Contemporary Amperex Technology (CATL).

Mimochodem, agresivní snaha Volkswagen přesunout výrobu baterií na vlastní linky dosti zaskočila jeho současné dodavatele, tedy jihokorejské společnosti LG Energy Solutions a SK Innovation. Volkswagen se snažil situaci urovnat prohlášením, že dodrží stávající smlouvy na baterie.

Jak se vyhnout úzkému hrdlu

Proč tolik materiálů, typů a chemie? A proč mangan? Vše závisí na tom, co Musk a další odborníci uvádějí jako hrozící, limitující faktor urychlení revoluce v oblasti elektromobilů: pomalé tempo výroby baterií i těžby a produkce surovin pro jejich výrobu.

Musk v Berlíně uvedl, že svět bude potřebovat ročně vyrábět 300 terawatthodin baterií, aby mohl plně přejít od automobilů na fosilní paliva. To je stonásobek toho, co Tesla předpokládá, že dokáže vyrobit do roku 2030, a to i při vlastním masivním rozšíření kapacit.

Baterie s vysokým obsahem niklu (s jinak bezkonkurenčním hustotu energie a výkonem) v takovém objemu nebude možné v dohledné době vyrábět. Bude Jsou zapotřebí i jiných materiálů, i když to s sebou přinese určité výkonností kompromisy. „Čím více materiálů se bude dávat do baterií, tím lépe,“ řekl pro IEEE Spectrum Venkat Srinivisan, ředitel bateriového výzkumného centra ACCESS (Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science).

Výhody šedi

Mangan je hojně rozšířený, bezpečný a stabilní. Baterie s manganovými katodami se však výkony nepřiblíží bateriím bohatých na nikl. Kupci prvních vozů Nissan Leaf by o tom mohli vyprávět: Nissan, který neměl v roce 2011 žádné dodavatele ochotné nebo schopné dodávat baterie ve velkých objemech, byl nucen vyrobit vlastní baterie z oxidu manganičitého se specifickou strukturou (tzv. spinelovou).

Tyto energeticky „chudé“ baterie měly kapacitu pouhých 24 kilowatthodin, což vozu poskytovalo dojezd pouze necelých 120 kilometrů. Navíc se jejich vlastnosti rychle zhoršovaly, zejména teplejších oblastech světa, a zákazníci si začali stěžovat. (Nepomohlo ani to, že se Nissan auto nevybavil systémem, který by dokázal hlídat teplotu baterie.) Upravená baterie „Lizard“ z roku 2014 měla vyšší kapacitu 40 kWh, ale stále problémy s životností.

Zájemci o elektromobily ovšem vyžadovali výkon a dojezd, což zase znamenalo špičkové baterie s co nejvyšší energetickou hustotou. To znamenalo používat kobalt, který je obvykle vedlejším produktem těžby niklu a mědi a patří mezi nejdražší v bateriích používané prvky. Produkci kobaltu také dominuje Demokratická republika Kongo, která je spojována s dětskou prací v dolech a dalším porušováním lidských práv.

Jde to jinudy?

Automobilky hledaly, jak se kobaltu zbavit. Například General Motors a LG Energy Solutions dohromady vyvinuli „pytlíkové“ články Ultium s nikl-kobalt-mangan-hliníkovou chemií, která umožňuje snížit obsah kobaltu o více než 70 %.

Nový elektrifikovaný Hummer má díky nim celkovou kapacitu baterií 200 kilowatthodin, tedy dvakrát větší než největší baterie Tesly. Díky třem elektromotorům má mít maximální výkon tisíc koní (cca 745 kW) a dojezd přes 500 kilometrů. Tato baterie, která je zdaleka největší, jaká kdy byla do elektromobilu vložena, také přispívá k obrovské pohotovostní hmotnosti vozu: celkem 4 082 kilogramů. Na baterii z toho připadá 1 315 kg. (Vzhledem k tomu, že GM připravuje sériovou výrobu v Detroitu, může Hummer sám o sobě způsobit nedostatek baterií.)

Také se stále nejedná o auto zrovna lidové: cena začíná na zhruba 110 tisíc dolarech, tedy něco přes 2,5 milionu korun. A to je samozřejmě v USA, v Evropě bude ještě znatelně vyšší. Za to by zákazník měl dostat vůz s vysokou průchodností terénem, který dokáže zrychlit z 0 na 100 zhruba za 3 sekundy.

Elektrický pick-up odvozený od vozu Hummer (foto GM)
Elektrický pick-up odvozený od vozu Hummer (foto GM)

Stejně jako u nejlepších článků Tesly se v článcích GM používá pouze malé množství manganu ke stabilizaci struktury, nikoli jako hlavní materiál katody. To je zcela běžné: podle dat společnosti Umicore, která se zabývá těžbou a recyklací materiálů, se více než 90 % manganu těží pro výrobu železa a nerezové oceli a méně než 1 % jde do baterií.

Dalším oblíbeným katodovým minerálem byl nikl, jehož nabídka je rozmanitější než u kobaltu – ale na o tolik, jak se v posledních měsících ukázalo. Světové zásoby niklu se snižovaly již před únorovou invazí Ruska na Ukrajinu. Investoři a obchodníci začali být nervózní z možných zákazů nebo přerušení dodávek kovů z Ruska, které produkuje přibližně 17 % světové produkce vysoce čistého niklu. V březnu se ceny niklu prakticky přes noc zdvojnásobily a poprvé nakrátko překročily 100 tisíc amerických dolarů za tunu, což přimělo Londýnskou burzu kovů, aby během divokého nárůstu pozastavila obchodování.

Ke švédskému stolu!

Ze všech těchto důvodů (cenových, geopolitických, etických, bezpečnostních, strategických) – a také proto, aby se pojistil proti případné selhání toho či onoho přístupu – se autoprůmysl pouští do diverzifikace bateriových technologií. Místo jednoho chodu, který by mohl stačit a chutnat všem, se tedy dnes připravuje bufet s bohatým výběrem. Alespoň do doby, než nějaký budoucí nositel Nobelovy ceny přijde s něčím, co současné lithium-iontové články zcela nahradí.

Automobilky začínají opouštět i nikl – přinejmenším tedy, které se zaměřují na Čínu nebo na levnější elektromobily s menším dojezdem. Tesla, Volkswagen, Ford, čínské společnosti a další rychle přecházejí u běžných vozů na lithium-železo-fosfátové (LFP) baterie vynalezené v 90. letech a donedávna považované za de facto „zastaralou technologii“. Tyto baterie nevyžadují nikl ani kobalt, pouze větší množství železa a fosfátu. Musk potvrdil „dlouhodobý přechod“ na LFP pro základní vozy (včetně Modelu 3) nebo baterie určené pro skladování elektřiny v elektrické síti.

Baterie s vysokým obsahem manganu, o kterých Musk a Volkswagen mluví dnes s takovým zápalem, by také používaly méně niklu – a vůbec žádný kobalt. Zdá se, že by mohly být cenově dostupné: podle analytiků společnosti Roskill, kteří byli citováni na Power Day Volkswagnu, by tato technologia mohla vést ke snížení nákladů na katodu o 47 % na kilowatthodinu oproti konstrukcím bohatým na nikl. Volkswagen proto uvažuje o manganu jako o potenciálním řešení pro běžné modely, o LFP pro vozidla nižší třídy nebo trhy a o vysoce výkonných baleních na zakázku pro značky jako Porsche, Audi, Bentley nebo Lamborghini.

„Chápu logiku, že pokud se podaří dosáhnout rozumné hustoty energie, stane se mangan takovým mezistupněm,“ řekl Srinivisan pro IEEE Spectrum. Výrobci automobilů by mohli kompenzovat nižší náklady na manganové katody mírně zvětšenými bateriemi, aby se dojezd přiblížil vozům vyšší třídy.

Ještě v roce 2020 na Dni baterií společnosti Tesla vyjádřil Musk optimismus ohledně využití tohoto prvku: „Je relativně jednoduché udělat katodu, která je ze dvou třetin tvořena niklem a z jedné třetiny manganem, což nám umožní se stejným množstvím niklu vyrobit články s celkově o 50 % větší kapacitou.“

Zavádění vylepšených článků ale není přímočaré a jednoduché, jak ví nepochybně i Elon Musk. Který se například stále snaží uvést na trh svůj (dnes již notně zpožděný) velký válcový článek 4680. Baterie s vysokým obsahem manganu také stále ještě neprokázaly svou životaschopnost v běžném provozu. Ovšem gigantické rozměry překážek na cestě k elektromobilitě výrobcům automobilů nedávají jinou možnost než zkusit najít materiály, které „za hubičku“ umožní vyrábět šampiony mezi bateriemi.

LFP čili Lithium železo fosfát

Tyto články s vysokým obsahem železa byly jednu dobu považovány alespoň co se elektromobility týče tak trochu za “slepou uličku” kvůli nízké energetické hustotě. Na začátku roku 2021 stále tvořily méně než 10 % všech dodaných li-ion článků. Ovšem podle analytiků se množství do výrobků článků v druhé polovině roku 2020 meziročně zvýšilo několikanásobně, a další růst bude jen následovat. Mají totiž zásadní výhodu v ceně.

Tento typ článků nabízí kvůli použitým materiálům tedy nižší měrnou hustotu energie (100-160 Wh/kg) než články využívající dražší materiály. Na druhu stranu, mají vysoký měrný výkon. Nominální napětí je nižší a činí 3,2 V a nabíjí se na napětí 3,6 V. Mohou tedy poměrně přímočaře posloužit jako náhrada za klasické olověné akumulátory. Dnes je populární volbou pro uložiště energie, UPS a trakční použití obecně.

Jde o velmi stabilní baterii. Rozkládá se při teplotách kolem 270 stupňů Celsia. Při přebíjení, nadměrném vybíjení, zkratu, propíchnutí cizím objektem a podobně nezačíná rychle, jako tomu bývá u řady jiných dnes používaných typů. Ještě větší výhodou než zvýšená bezpečnost je ovšem malé zastoupení drahých materiálů a tedy nízká cena. To je hlavní důvod, proč její zastoupení na trhu neustále roste. Životnost se počítá na tisíce (2000-5000) cyklů a stárnutí probíhá za běžných teplot pomalu.

Stejně bouřlivým vývojem, jako celá elektromobilita, prochází i výroba bateriových článků. V poslední době se při ní stále výrazněji prosazují laserové technologie, které celý výrobní proces zkvalitňují a zefektivňují. Používají se k řezání, svařování či sušení bateriových fólií, ke spojování bateriových článků do bateriových modulů nebo k finálnímu těsnicímu svařování bateriových pouzder.

Baterie elektromobilu je poměrně komplexní produkt, který vzniká v několika fázích, během nichž se formují jeho tři hlavní součásti: bateriový článek, bateriový modul a bateriový blok. Téměř výlučně se přitom jedná o výrobu lithium-iontových baterií na bázi elektrolytu. Alternativní složení, s nimiž se tu a tam experimentuje, doposud nedosáhla nezbytné průmyslové zralosti.

Bateriové články jsou tvořeny několika extrémně tenkými fóliemi z mědi (anoda) a z hliníku (katoda). Tyto takzvané elektrodové fólie ještě před tím, než se složí na sebe, čímž vytvoří bateriový článek, se musejí dokonale vysušit. Sušicí pece, které se k tomu obvykle používají, však ve výrobní hale zabírají poměrně značný prostor. Jako alternativa se proto nabízejí polovodičové lasery, které umožňují provádět velmi intenzivní ozařování, díky němuž dochází k rychlému zahřívání, a tedy sušení velkých ploch. Výhodou této technologie je, že kromě toho, že nezabírá příliš mnoho prostoru, je také energeticky podstatně méně náročná než konvenční sušicí pec. Německá společnost Trumpf dokonce nedávno uvedla na trh k tomuto a podobným účelům speciálně určenou technologii VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Topné VCSEL systémy totiž dokážou zahřívat velké plochy s nasměrovaným infračerveným zářením škálovatelně, tedy podle vlnové délky. Díky přímému ozáření opracovávané plochy tak lze bez nákladných optik nebo skenovacích systémů dosáhnout značné hospodárnosti ve srovnání s běžnými laserovými zařízeními. Jedinečné na tomto systému je to, že vedle dokonalého ovládání a rychlého přepnutí infračerveného výkonu je možné libovolně programovat také prostorový topný profil díky nezávislému ovládání malých segmentů laserových modulů.

Vysoké nároky na přesnost

V dalším výrobním kroku je třeba nařezat elektrodové fólie na požadovanou velikost. Tyto fólie jsou velmi tenké – zpravidla mají tloušťku mezi 6 a 14 mikrometry. K tomuto na přesnost náročnému řezání se stále častěji používají krátkopulzní lasery. V kombinaci s optickým skenerovým systémem jsou tyto lasery schopny fólii velmi rychle a velmi přesně vyřezat do požadovaného tvaru.

Bateriový článek pak vznikne navrstvením těchto elektrodových fólií na sebe. I tuto činnost lze dnes provádět s pomocí laseru. Standardní průmyslové lasery se však v této oblasti používají jen velmi omezeně, protože měď je velmi reflektivní. Speciálními lasery, které pracují na krátké vlnové délce ve viditelném zeleném spektru, však lze svařovat měděné fólie velmi spolehlivě a efektivně. Zelená vlnová délka se totiž do mědi optimálně absorbuje: při pokojové teplotě je absorpce ve srovnání s infračerveným světlem osmkrát vyšší. Svařování je proto maximálně stabilní a téměž bez odstřiků a deformací.

Z mnoha takto vyrobených bateriových článků se následně skládá celý bateriový modul. Články jsou vzájemně propojeny pomocí přípojnic z mědi nebo hliníku. Tyto spoje musejí být mechanicky pevné, protože jsou ve vozidle vystaveny vibracím a působení tepla. Současně musí být zajištěno i dlouhodobě stabilní elektrické spojení s minimálním odporem. Kombinace použitých materiálů a tloušťky kovů se přitom mohou výrazně lišit v závislosti na typu článku a jeho konkrétní aplikaci. Z tohoto důvodu se v této fázi výroby používá mnoho různých typů laserů. Ty se liší vlnovou délkou, kvalitou paprsku a výkonem, vždy se však kombinují s optickým skenerem. Ten zcela automaticky a přesně navádí laser do správné polohy a zajistí tak, aby sledoval požadovanou svařovací dráhu.

Dokonalé utěsnění

Akumulátor ve své konečné podobě obsahuje kompletní bateriový systém včetně výkonové elektroniky a řízení teploty. Takto se instaluje do elektromobilu. Zcela klíčové však je, aby byl celý bateriový systém dokonale utěsněný, aby ani v případě nehody nemohly z baterie uniknout žádné chemikálie. K tomu, aby byly splněny tyto přísné bezpečnostní požadavky, je třeba vnější ocelové nebo hliníkové plechy svařit tak, že kolem baterie vznikne vzduchotěsné pouzdro. Zde opět nastupují lasery. Použitím diskového laseru jsou dnes výrobci schopni splnit velmi náročné standardy při zachování vysoké produktivity.

 „Výroba lithium-iontových baterií je velmi složitý a náročný proces. Baterie musí splňovat přísné požadavky automobilového průmyslu – v oblastech jako je bezpečnost a životnost. Laser je jediný nástroj, který dokáže efektivně a hospodárně splnit všechny tyto požadavky,“ říká Johannes Bührle, vedoucí průmyslového managementu pro oblast automotive ve společnosti Trumpf. Jeho slova dokládají i aktuální firemní čísla: v porovnání se stavem před třemi lety se výrobní kapacita a poptávka v tomto segmentu více než ztrojnásobily. V první polovině letošního roku pak Trumpf plánuje dodat přes 500 laserů řadě výrobců baterií pro elektromobily. „V našem uplynulém fiskálním roce více než každé druhé euro z tržeb z automobilového průmyslu pocházelo z elektromobility. To je ekvivalent obchodu v hodnotě stovek milionů eur,“ přidává Johannes Bührle několik dalších velmi výmluvných údajů.

Debaty o přehodnocení dosavadního energetického směřování začaly v Německu v roce 1973 během první ropné krize. Ale abychom postupovali kontinuálně a navázali tam, kde jsme skončili v minulém článku, musíme se vrátit ještě o dvě desetiletí zpět.

V 50. a 60. letech minulého století byla energetická politika vnímána především z hlediska ekonomické efektivnosti. Po druhé světové válce došlo v Evropě k relativnímu poklesu cen energií, což vedlo k historicky nebývalému nárůstu jejich spotřeby. V letech 1950 až 1973 rostla celosvětová průměrná spotřeba energií ročně o 4,5 %, přičemž rozhodující roli hrála ropa, která se v tomto období stala nejdůležitějším zdrojem energie. Mezi lety 1948 a 1972 vzrostla spotřeba ropy v západní Evropě patnáctkrát.

Až do první ropné krize v roce 1973 se energetická politika průmyslových zemí vyznačovala tzv. energetickým syndromem, který definoval Leon N. Lindberg. Ten vedl k systémovému selhání energetického sektoru. Hlavními rysy energetického syndromu byly:

– potřeba neustále zvyšovat dodávky energie,

– absence komplexní státní energetické politiky a přílišná dominance výrobců energií,

– blokace alternativních řešení ze strany státního aparátu a průmyslových firem.

Cestou měkké energie

Je třeba zmínit i roli mediální sféry, protože v této době vznikly významné interdisciplinární vědecké časopisy, jako byly Human Ecology, Annual Review of Energy nebo Energy Policy, které položily základy pro institucionalizaci nově koncipovaného energetického výzkumu a v tomto duchu vznikaly i různé nové obory na univerzitách.

V USA se v době ropné krize zformovalo hnutí, jehož cílem bylo transformovat státní energetický systém a rozšířit zdroje obnovitelné energie. V roce 1976 americký fyzik Amory Lovins začal razit termín Soft Energy Path a popsal způsob, jak se postupně odklonit od centralizovaného energetického systému založeného na fosilních a jaderných palivech zvýšením energetické účinnosti a zaváděním obnovitelných zdrojů energie.

Lovins však v té době nebyl jediným silným hlasem. Již v roce 1975 předložil dánský fyzik Bent Sørensen ve vědeckém časopise Science plán, jak by mohlo Dánsko úplně přejít na větrnou a solární energetiku. Dánsko totiž bylo ropnou krizí poměrně těžce zasaženo, v roce 1972, těsně před jejím propuknutím, dováželo až 92 % primární energie v podobě ropných produktů. Úvahy o zásadní změně energetické koncepce proto byly nanejvýš naléhavé.

Obrat začíná

Počátky německé energetické transformace mají počátek v ekologických a protijaderných hnutích, která se zformovala v 70. letech minulého století, i pod vlivem Lovinsovy knihy. Její německý překlad se pod názvem Sanfte Energie na knihkupeckých pultech objevil v roce 1979 a setkal se s velkým ohlasem. Tento sílící názorový proud vykrystalizoval do podoby vědecké studie, kterou v roce 1980 vydal německý Öko-Institut. Publikace nesla název Energetický obrat – růst a prosperita bez ropy a uranu (Energiewende – Wachstum und Wohlstand ohne Erdöl und Uran) a byli pod ní podepsáni Florentin Krause, Hartmut Bossel a Karl-Friedrich Müller-Reissmann. Ti v ní absorbovali Lovinsovy teoretické úvahy a aplikovali je na německé poměry. V této knize se také poprvé objevil termín „Energiewende“. V 80. letech 20. století pak tento termín převzaly a začaly propagovat různé společenské proudy a skupiny, například Zelení, levicovější část sociálních demokratů a nemainstreamový tisk.  

Zelení ihned poté, co se dostali do Bundestagu, k čemuž došlo v roce 1983, začali požadovat okamžité ukončení jaderné energetiky. Po havárii černobylské jaderné elektrárny v roce 1986 se k Zeleným připojila i strana SPD, která až do té doby jadernou energetiku podporovala. Proti jádru začaly vystupovat i odbory. Požadavkem těchto uskupení přitom nebyl jen odklon od jaderné energetiky, ale také zahájení zcela nové energetické politiky.

Již v 80. letech došlo ve spolkových zemích ovládaných SPD k řadě pokusů o ukončení provozu jaderných elektráren, ale tehdejší spolková konzervativně-liberální vláda dále pokračovala v jejich podpoře. Na konci 80. let však již SPD a Zelení slavili první významný úspěch, když se jim podařilo prosadit zákonná opatření na financování obnovitelných zdrojů energie. Ještě důležitým momentem ale bylo přijetí zákona o dodávkách elektřiny v roce 1990, který spolkovému sněmu předložili Matthias Engelsberger (CSU) a Wolfgang Daniels (Zelení) a který byl následně velkou většinou (CDU/CSU, SPD, Zelení proti FDP) přijat.

Tento zákon nařizoval dodavatelům elektřiny nakupovat elektrickou energii i od výrobců elektřiny využívajících k její výrobě tzv. procesy regenerativní přeměny, tedy alternativní zdroje. Zákon byl de facto předchůdcem zákona o obnovitelných zdrojích energie, který byl přijat spolkovým sněmem o deset let později.

I na globální úrovni

Počátkem 90. let se ochrana klimatu stala také důležitým cílem globální politiky, i když některé vědecké studie globální oteplování předpovídaly již od 70. let. V roce 1992 se v Rio de Janeiru konala Konference Organizace spojených národů o životním prostředí (UNCED), na níž se 154 států zavázalo v Rámcové úmluvě OSN o změně klimatu zabránit narušování klimatického systému a zpomalit globální oteplování.

Od počátku 90. let také docházelo k exponenciálnímu růstu celosvětového vědeckého výzkumu udržitelných energetických systémů, a to jak v relativním, tak absolutním vyjádření. Zatímco v roce 1992 se počet vědeckých publikací o obnovitelných energiích pohyboval kolem 500 ročně, v roce 2011 bylo na Web of Science zaregistrováno téměř 9 000 nových (anglicky psaných) publikací. Nejvíce zkoumanou oblastí byla solární energetika.

Německá energetická transformace nabrala na dynamice za dvojí rudo-zelené vlády (1998–2005) kabinetu Gerharda  Schrödera. V její koaliční smlouvě byla již od počátku zakotvena řada klíčových cílů energetického přechodu, například zavedení ekologické daně ze spotřeby energie, tzv. program 100 000 střech nebo plán postupného vyřazování jaderných elektráren z provozu. Tyto cíle byly také v roce 2000 implementovány do Zákona o obnovitelných energiích (Erneuerbare Energien Gesetz – EEG), který vstoupil v platnost v roce 2001.

V tomto období podíl využití obnovitelných energií vzrostl z 29 TWh (v roce 1999) na 161 TWh (v roce 2014), zatímco výroba elektřiny v jaderných elektrárnách klesla ze 170 (v roce 2000) na 97 TWh (v roce 2014) a výroba elektřiny z uhlí klesla z 291 na 265 TWh.

Od Fukušimy do současnosti

Současná koncepce Energiewende se pravděpodobně zrodila v roce 2002. V polovině února onoho roku se v Berlíně pod patronátem spolkového ministerstva životního prostředí uskutečnila odborná konference Energetická transformace – vyřazení jaderné energetiky a ochrana klimatu. I díky této konferenci se začal drolit odpor německých konzervativců a liberálů vůči tomuto stále silnějšímu politickému trendu.

Koncepce energetické transformace byla revidována po havárii v japonské jaderné elektrárně Fukušima. V  červnu roku 2011 Bundestag celkem jednomyslně odhlasoval „13. zákon, kterým se mění atomový zákon“, jímž bylo upraveno ukončení využívání jaderné energie. Provozní licence byly okamžitě odebrány osmi blokům německých jaderných elektráren, zbývajících devět bloků mělo postupně ukončovat činnost, přičemž poslední se uzavře v roce 2022.

Toto zákonem stanovené rozhodnutí si v podstatě ihned získalo značnou mezinárodní pozornost a termín Energiewende se tak dostal do širokého povědomí a do jisté míry se stal i synonymem boje se změnou klimatu.

S německým slovem „Energiewende“ se již asi setkal kdekdo. Kdekdo je také má spojeno s posledními roky a německým odklonem od jádra a silným důrazem na tzv. alternativní zdroje energie. Historie Energiewende je však delší. Ta moderní, kdy se tímto slovem označuje poměrně přesně vymezený pojem, se datuje do 70. a 80. let minulého století. Prapočátky však spadají mnohem hlouběji do dějin.

Omezenost fosilních surovin byla známa nebo tušena – pravda, jen nemnoha učencům – již před průmyslovou revolucí. Například ve Velké Británii se již v 16. století objevily obavy, že zásoby uhlí by mohly být v dohledné době vyčerpány. Proto se v anglickém parlamentu opakovaně jednalo o zákazu vývozu uhlí a ve Skotsku byl takovýto zákaz v roce 1563 dokonce i schválen. I přesto ale až do 18. století převládal názor, že zásoby uhlí jsou nevyčerpatelné.

Na konci 18. století se opět rozhořely veřejné debaty o tom, zda jsou zásoby uhlí vyčerpatelné, případně kdy k tomuto vyčerpání dojde a jaký vlastně rozsah těchto zásob je. Tyto diskuse se poměrně rychle přenesly z Velké Británie na evropský kontinent. Ostatně i většina ekonomů počátku 19. století, jako například slavný Adam Smith, hovořila o prosperitě nikoli na základě trvalého ekonomického růstu, ale na bázi dlouhodobé stabilizace podmíněné přírodními okolnostmi.

Zásadním způsobem do těchto debat přispěl anglický ekonom William Stanley Jevons. Zatímco totiž dřívější předpovědi buď pouze extrapolovaly tehdejší roční spotřebu uhlí do budoucnosti bez jakékoli změny, nebo předpokládaly jen lineární růst, Jevons byl první, kdo tvrdil, že spotřeba uhlí poroste exponenciálně. V článku publikovaném v roce 1865 předpověděl, že tempo růstu bude 3,5 % ročně. Z toho usoudil, že po určité době nevyhnutelně dojde k tak enormní spotřebě, že jakkoli velký fosilní zdroj se dříve či později musí vyčerpat.

Až vyčerpáme uhelné zdroje

V Německu své znepokojení nad vyčerpatelností zejména uhelných zásob vyjádřil například fyzik Rudolf Clausius ve své knize z roku 1885 O energetických zásobách přírody a jejich využití ve prospěch lidstva. V ní navrhl přejít na takovou ekonomiku, která by s dědictvím dřívějších epoch, které je ukryto v zemi, zacházela uvážlivě a hospodárně. Píše: „Co nelze nahradit, nemělo by být promarněno.“ Jeho teze o nehospodárném využívání nerostného bohatství začala být záhy poměrně široce sdílena.

Na Clausiuse navázal sociolog a ekonom Werner Sombart, který nabyl přesvědčení, že po konci éry uhlí se lidstvo začne opírat o sluneční energii. Stejného názoru byl i laureát Nobelovy ceny za chemii Wilhelm Ostwald, podle nějž udržitelná ekonomika musí být založena pouze na využívání radiační, tedy sluneční energie.

V zásadě tak byl problém konečnosti fosilních paliv na sklonku 19. století již znám poměrně široce, ale toto poznání ještě nevedlo ke konkrétním úvahám o nezbytných celospolečenských změnách a adekvátních technologických řešeních.

Plodný konec století

Do 19. století spadají i počátky systematického zkoumání klimatu. Skleníkový efekt oxidu uhličitého objevil Angličan John Tyndall již v polovině 19. století. V roce 1896 pak na něj navázal švédský fyzik a chemik Svante Arrhenius, který poprvé poukázal na to, jaký negativní vliv může mít oxid uhličitý vznikající spalováním uhlí na celoplanetární klima. 

Počátky solární energetiky můžeme rovněž hledat v druhé polovině 19. století, kdy vynálezci jako William Grylls Adams, Augustin Mouchot, Alessandro Battaglia nebo John Ericsson stavěli zařízení na přeměnu solární energie pro účely vaření, destilace nebo chlazení. Mouchotovi se v roce 1860 podařilo zkonstruovat i funkční solární pec a později dokonce solární parní stroj. Ten se však nakonec v praxi ukázal jako nepoužitelný.

Zaměříme-li pozornost čistě na fotovoltaiku, pak zlomovým okamžikem byl rok 1883 – pouhý rok poté, co Thomas Edison uvedl do provozu první parní elektrárnu –, kdy Američan Charles Fritts vytvořil první funkční fotovoltaický článek. Jeho účinnost však byla pouze okolo jednoho procenta, a protože se k jeho výrobě používalo zlato, byl také velmi drahý. Fritts články přesto otestoval i v praxi, když je umístil na střechu jednoho domu v New Yorku.

Další milník přišel až v roce 1954, kdy vědci z Bellových laboratoří představili světu první křemíkový článek. Ten měl již účinnost šest procent, ale stále se jednalo o příliš drahou technologii. Cena těchto článků se pohybovala v tisících dolarů za watt jmenovitého výkonu a spotřeba energie na jejich výrobu přesahovala množství elektřiny, které tyto články vyrobily za celou dobu své životnosti. Využití tedy nacházely především v projektech masivně podporovaných státem, jako byly například vesmírné lety.

Historie vodních elektráren se začala psát v anglickém Northumberlandu. Tam v roce 1878 William Armstrong vynalezl a uvedl do praxe první hydroelektrický systém na světě. Jeho praktické využití však bylo poměrně skromné: vodní zdroj byl používán k napájení jedné obloukové lampy v jeho umělecké galerii. Jen tři roky nato začala vyrábět elektřinu i vodní elektrárna Schoelkopf poblíž Niagarských vodopádů. O rok později zasáhl do vývoje i Thomas A. Edison, který uvedl do provozu vodní elektrárnu Vulcan Street Plant v Appletonu. Prvenství si připsala i vodní elektrárna vybudovaná v coloradském Ames v roce 1891, ta se totiž stala prvním komerčním zdrojem elektrické energie pracujícím se střídavým proudem. Ve všech těchto případech se však jednalo o zdroje s velmi malými výkony.

V úplném závěru 19. století přišel další zlomový okamžik, tehdy totiž byla zprovozněna první opravdu velká vodní elektrárna – stalo se tak v roce 1896 u Niagarských vodopádů. Její na svou dobu neslýchaný výkon 50 000 koňských sil se přenášel vysokonapěťovým systémem firmy Westinghouse do 40 km vzdáleného města Buffalo.

Výstavba soustavy elektráren na březích Niagary byla milníkem i tím, že se při ní definitivně rozhodla tzv. válka proudů, a to ve prospěch proudu střídavého.

Později se začaly přidávat další země, mnoho vodních elektráren bylo postaveno například v Norsku, kde jsou v současné době téměř výhradním zdrojem tamní elektrické energie, ale také ve Švýcarsku, Rakousku nebo Kanadě.

Poručíme větru…

V oněch letech se podařilo přimět k výrobě elektřiny i větrnou energii. První větrné elektrárny v podstatě navázaly na tradici tehdy ještě značně rozšířených větrných a vodních mlýnů, které v éře industrializace byly nejdůležitějším, protože nejdostupnějším zdrojem energie. V Německu ke zlomu této tradice dochází až v 80. letech 19. století, přičemž v některých jeho odlehlejších regionech si tyto zdroje energie udržely dominantní roli až do 50. let 20. století.

Úplně první větrné elektrárny navrhli nezávisle a krátce po sobě dva vynálezci. V Americe to byl v letech 1887–88 Charles F. Brush, v Evropě pak o tři roky později dánský učitel a velmi všestranný vynálezce Poul la Cour. Novinka se v Dánsku rychle ujala a již na konci první světové války zajišťovaly větrné turbíny přibližně tři procenta veškeré dánské spotřeby elektřiny.

Poul la Cour dokonce značně předběhl dobu, když vyřešil i akumulaci elektrické energie vyrobené větrnou elektrárnou. V elektrolyzéru vlastní konstrukce totiž vyráběl vodík, který používal ke svícení ve škole, kde učil.

V období mezi dvěma světovými válkami se podařilo, zvláště díky kontinuálnímu vývoji této technologie v Dánsku, položit solidní základy pro další rozvoj větrné energetiky, další pokusy se získáváním elektrické energie z větru byly činěny především v USA a Německu. První větrnou elektrárnou, která překročila výkon 1 MW, bylo zařízení postavené roku 1941 v americkém Vermontu. Konstruktéři Smith a Putnam pro tuto elektrárnu sestrojili unikátní rotor o průměru přes 50 metrů a se dvěma listy, které se při silnějším větru začaly automaticky sklápět, čímž se zmenšovala plocha a snižoval se tlak větru na rotor. Toto zařízení však od počátku sužovaly vážné technické problémy, takže vydrželo v provozu pouhé čtyři roky.

Velké plány s větrnou energetikou mělo nacistické Německo, ale zůstalo jen u nich. Větrné turbíny měly energií zásobovat takzvané vojenské zemědělce. Podílet se na tom měla společnost Ventimotor, jejímž hlavním konstruktérem byl Ulrich W. Hütter, který později významně přispěl k rozvoji technologie větrných turbín do dnešní podoby. Tehdy se však podařilo uvést do provozu pouze šest prototypů, na sériovou výrobu nedošlo.

O tom, jak další rozvoj alternativních zdrojů energie vykrystalizoval ve druhé polovině 20. století až do konceptu Energiewende, si povíme příště.

Elektromotor, tedy stroj, který přeměňuje elektrickou energii v energii mechanickou, má ve svém rodném listě zapsaných hned několik otců. Nevíme přesně, který z nich byl ten pravý.

Poznání základního principu elektromotoru, v němž elektrický vodič stále obíhá kolem trvalého magnetu, se připisuje anglickému fyzikovi Michaelu Faradayovi. Popsal to v roce 1821, ovšem navázal na poznatky, které před ním publikovali André-Marie Ampère a Dominique François Jean Arago.

Kdo první motor zkonstruoval? Adepti se obvykle uvádějí dva. Buď byl pruský, v Rusku působící vynálezce Moritz Hermann Jacobi. Anebo uherský, na Slovensku narozený kněz, univerzitní profesor fyziky a vynálezce Štefan Anián Jedlík.

Z našeho středoevropského pohledu zajímavý Jacobi svůj elektromotor sestavoval v letech 1834 až 1838. Jedlíkovi se totéž povedlo už v letech 1827 až 1829. Není však zcela jasné, do jaké míry svůj návrh také realizoval v praxi. Zřejmě jej používal pouze při výuce svých studentů. Nicméně jeho přínos nevyzvedávají jenom Maďaři a Slováci, ale zaznamenávají jej i světové historické publikace.

Ty také uvádějí, že Jedlík například pět let před Wernerem von Siemens formuloval zřejmě dobře fungující princip dynama, tedy „obráceného elektromotoru“: dynamo přeměňuje mechanickou energii na (stejnosměrnou) elektřinu. Jenže ani v tomto případě Jedlík svůj nápad nedotáhl do praktického konce.

Na rozdíl od Wernera von Siemense, který proměnil své myšlenky ve svůj pravděpodobně nejúspěšnější vynález a v jeden z výrobních pilířů firmy, která se vyvinula v dnešní koncern Siemens. Dynama, která používala místo trvalých magnetů elektromagnety buzené z baterie budicím vinutím, dokázala oproti svým předchůdcům při zachování stejného výkonu snížit hmotnost pohonné jednotky o 85 %, potřebný výkon pohonu přibližně o 35 % a cenu stroje o 75 %.

Za povšimnutí stojí, že když pak byly některé Jedlíkovy přístroje vystaveny na Světové výstavě ve Vídni v roce 1873, získal tam Štefan Anián Jedlík cenu „Pokrok“. Mimochodem, to bylo vynálezci 73 let, zemřel pak ještě o 22 let později. Mezi otce elektromotoru se však řadí rovněž Brit William Sturgeon, Američan Thomas Davenport a další a další, kteří jej rozvíjeli až do dnešní podoby.

Jednoduchý motor Štefana Aniána Jedlíka uložený v muzeu v Budapešti (foto http://www.jedliktarsasag.hu (volné dílo))
Jednoduchý motor Štefana Aniána Jedlíka uložený v muzeu v Budapešti (foto http://www.jedliktarsasag.hu (volné dílo))

Nepraktické baterie

Brzy po vynálezu elektromotoru jej začali technici využívat pro pohon  dopravních prostředků. V roce 1835 jej inženýr Sibrandus Stratingh z nizozemského Groningenu a o rok později Giuseppe Domenico Botto v italském Turíně použili k pohonu silničního vozu, tedy elektromobilu.

Již zmíněný Moritz Jacobi vyrobil v roce 1838 větší elektromotor, kterým pak poháněl motorový člun na petrohradské řece Něvě. Člun byl dlouhý osm metrů. Uvezl podle některých pramenů dvanáct, podle jiných i čtrnáct pasažérů.

Jak na silnici, tak na vodě se však už tehdy ukázal problém, který si dopravní prostředky poháněné elektromotory stále nesou s sebou: zdroj elektřiny, tedy baterie, byl těžký, nevydržel dlouho a proud z něj byl drahý.I když tedy vůz poháněný elektřinou poprvé vyjel na cesty o půlstoletí dříve, než se rozjel první automobil se spalovacím motorem, k praktickému využití mu to nepomohlo. Elektromobily se pak vyvíjely paralelně s automobily poháněnými spalovacími motory.

Ve Spojených státech ještě na počátku 20. století jezdilo víc elektromobilů než vozů se spalovacím motorem. Pak se situace obrátila: spalovací motor triumfoval, protože doplnit palivo bylo tak jednoduché (a relativně levné). Elektromobil se naopak stal spíše kuriozitou (více o situaci před 100 lety v našem starším článku).

Opětovná změna se začíná projevovat zase až v posledních letech, kdy elektromobily nabírají nový dech. Zčásti k tomu přispívá množství technických vylepšení. Avšak velký podíl na změně má samozřejmě legislativní podpora, která všude ve vyspělém světě tlačí na snížení emisí oxidu uhličitého ze spalování fosilních paliv.

Do vzduchu?

S určitým zjednodušením by se dalo říci, že dopravní letectví zažilo jen několik velkých revolucí. První se začala zvolna chystat poté, co bratři Wrightové v americké Severní Karolíně prokázali v roce 1903, že letoun těžší než vzduch a poháněný benzínovým motorem se může vznášet ve vzduchu – byť při prvních letech se v něm udržel jen desítky sekund.

Provoz první regulérní letecké linky pro běžné cestující byl zahájen v srpnu 1919 mezi Londýnem a Paříží. Cestující seděli v otevřených kabinách, dostávali teplé oblečení. Cesta trvala tři hodiny, a občas se stalo, že stroj musel kvůli opravám nebo doplňování paliva přistát v polích. Letenka na toto dobrodružství zpočátku stála 42 liber, což tehdy odpovídalo výdělku běžného zaměstnance asi za půl roku.

Za druhou revoluci v našem cestování letadly se dá považovat zavedení tryskových motorů do letadel pro pasažéry. Ani to nebylo hned po vynálezu. Prvním proudovým letounem na světě byl totiž německý Heinkel He 178. Poprvé vzlétl 27. srpna 1939, byl zamýšlen jako vojenská stíhačka, ale představitele letectva tehdy nezaujal. Pasažéři začali nastupovat do proudových letounů až v polovině minulého století.

Prvenství získal britský čtyřmotorový de Havilland DH 106 Comet nasazený na standardní letecké linky v roce 1952. A teď jsme možná u zrodu třetí letecké revoluce: vzniku letadel poháněných elektřinou.

Tak jako sílí požadavky na snížení emisí skleníkových plynů z dopravních prostředků na Zemi, rostou tlaky i na omezení emisí z letadel. Možnou cestou by mohly být letouny na elektrický pohon. Nedá se od nich čekat, že nahradí trysková dálková letadla, šanci mají z dnešního pohledu zatím spíše na regionálních tratích (viz příklad strojů společnosti Eviation, o kterých jsme psali v našem starším článku).

Předpokládaná podoba stroje Alice společnosti Eviation (foto Eviation)
Předpokládaná podoba stroje Alice společnosti Eviation (foto Eviation)

Současnou základní variantou elektrického letadla jsou stroje poháněné vrtulemi. Ty jsou napojeny na elektromotory, které mohou využívat energii z baterií, či třeba palivových článků (v tom případě by se nejspíše využíval vodík z nádrže a kyslík odebíraný přímo). Nebo je možné získávat energie přímo ze Slunce.

Čistě sluneční energii využívaly letouny Solar Impulse, které konstruoval stejnojmenný švýcarský projekt. Stroj poháněný čtyřmi elektromotory dokončil v roce 2016 oblet zeměkoule. Elektřinu z fotovoltaických panelů na křídlech stroj ve dne využíval k letu a její přebytek ukládal do čtyř lithiumiontových baterií pro pohon v noci.

Letoun unesl jen jednoho člověka při denní cestovní rychlosti 90 km/h a noční kvůli nižší spotřebě energie jen asi 45 km/h. Už to ukazuje, že do podoby dopravního letadla měl velmi, velmi daleko. Koncept dopravního letadla poháněného pouze a jen díky solární energii fyzikálně nedává žádný smysl: těžko může mít tak velký povrch, aby získalo dost energie.

Projekt Solar Impulse se také nyní více soustředí na sluncem poháněné bezpilotní drony, které by se dlouhé týdny držely ve vzduchu, sledovaly meteorologická data nebo kontrolovaly dopravní situaci na silnicích.

Poněkud větší sci-fi představuje koncept, který na sklonku roku 2018 představil tým z Massachusettské techniky (MIT) ve vědeckém časopise Nature. Popsali v něm svůj létající stroj, který zatím létá jen ve sportovní hale. Má rozpětí křídel pět metrů, ale díky použitým materiálům a své velmi subtilní konstrukci váží jen 2,5 kg.

Nikdo v tomto stroji samozřejmě nelétá, je řízen dálkově. Elektrický letoun má elektrody, které vytvářejí nabité částice a vysílají je směrem k zadní části letounu. Srážkami s molekulami vzduchu vzniká tlaková síla, která letoun tlačí vpřed (funguje tedy bez elektromotoru).

Tento princip zvaný elektroaerodynamika (nebo také iontový pohon) je známý od 60. let, ale až teď se díky složitým počítačovým propočtům mohl uplatnit alespoň v experimentálním letounu. Ani konstruktéři z MIT však nevěří, že by stroj mohl komerčně létat dřív než za desítky let. A znovu to bude spíše pro jiné typy létajících strojů, než jsou velká dopravní letadla.

Elektrický pohon může totiž i létajícím strojům otevřít nové obzory – tak, jako to dokázal už v minulosti. Ale stejně jako v minulosti nečekejme, že změny se odehrají přes noc. Jak ukazuje příklad elektromobilů, technologie musí nějakou dobru zrát. A k tomu aby skutečně dospěly, vyžadují čas a někdy i notnou dávku podpory.

Letošní léto nebylo v Česku nijak extrémní, naopak svěže vlhké. Asi proto se tak u nás o klimatické změně hovořilo téměř výhradně v souvislosti s novou zprávou mezivládního panelu OSN pro změnu klimatu (IPCC). A zájem médií a většiny veřejnosti i tak opadl.

Je to trochu krátkozraké. Téma klimatické změny bude v příštích letech hýbat rozhodně politikou celé řady okolních zemí, našich důležitých obchodních partnerů i zemí méně důležitých. A téměř určitě jeho význam poroste i u nás.

Ať na ni v tuto chvíli máme názor jakýkoliv, bude dobré mít přehled o základních faktech a faktorech. K tomu má sloužit následující „průvodce“.

Jak se má oteplovat?

Dnes už existuje poměrně málo relevantních vědeckých důkazů, které by oteplování planety mohly zásadně zpochybnit. Měření posledních desetiletí ukazují všechny jedním směrem. Samozřejmě, celou řadu aspektů dnešní klimatologie lze legitimně napadat, oteplování samo ale nevypadá jako „chyba měření“.

Předpokládá se přitom, že globální oteplení je přibližně přímo úměrné celkovému množství CO2, které bylo vypuštěno do atmosféry. Jinak řečeno: čím více emisí skleníkových plynů vypustíme, tím vyšší bude průměrná světová teplota. Když si tedy stanovíme určitou hranici oteplení, kterou nechceme překročit, dá se vypočítat, kolik CO2 ještě můžeme jako lidstvo v budoucnu vypustit, abychom se pod danou hranicí udrželi.

Jak rychlé to oteplení v důsledku vypouštění CO2 mělo být? To si nikdo dnes netroufá říci přesně. Klima je složité, je v něm celá řada vazeb a souvislostí, kterém nám unikají. Velký problém bylo v posledních desetiletích například modelování vlivu mraků na teplotu, především mraků nad oceány. I z toho prostého důvodu, že měření na moři máme mnohem, mnohem méně než měření z pevniny.

Takzvaná „citlivost klimatu“. Tato hodnota udává, o kolik by se měla zvýšit teplota atmosféry při zvýšení koncentrace CO2 na dvojnásobek předindustriálních hodnot. Hodnota není zcela přesná, pohybuje se v určité rozmezí, ale to se postupně zužuje.

V roce 2020 vyšla podle celé řady odborníků přelomová studie, která na základě pěti let trvající mezinárodní spolupráce vědců různých specializací tuto klíčovou hodnotu významně zpřesnila. Nový odhad na základě různých důkazů klade tuto hodnotu do rozmezí zhruba 2,6 až 3,9°C.

Nejistota má jeden nepříjemný praktický důsledek. Pokud by chtěl mít totiž svět jistotu, že určitá hranice oteplení nebude překročena, musíme počítat s možnou vyšší citlivostí klimatu – tedy v podstatě jen s horním limitem intervalu a ten nižší v podstatě zanedbat.

Jakou si vybrat rezervu

Co by tedy vlastně znamenala snaha výrazně omezit emise tak, aby teploty vzrostly co nejméně?

Začneme dvěma čísly. Lidstvo do atmosféry vypouští v posledních letech cca 33 gigatun (Gt) CO2. Všech skleníkových plynů vypouštíme více. Aby se představa zjednodušila, uvádí se tato hodnota po přepočtu na oxid uhličitý, tedy jako „ekvivalent CO2“. Činí zhruba 46 Gt. (Ekvivalentní tyto plyny jsou opravdu jen z bilančního hlediska, fyzikálně a klimaticky jsou mezi nimi důležité rozdíly, do kterých se ale nebudeme pouštět.)

Těžko představitelná „hausnumera“ si zkusme přibížit nejprve pomocí veličiny, o které se mluví jako o „zbývajícím uhlíkovém rozpočtu“. V podstatě říká, kolik emisí lze vypustit, a tedy kolik fosilních paliv celkem ještě můžeme spálit, abychom dosáhli nějakého teplotního cíle. Neurčuje se tedy, kdy přesně má dojít ke spálení poslední tuny, jen počítá, jak velkou máme ještě rezervu.

Začněme odspodu: pro udržení oteplení pod hranicí 1,5 °C (oproti průměru z let 1850–1900) byl v roce 2020 zbývající uhlíkový rozpočet řádově 400 Gt CO2. Tedy zhruba 12násobek dnešních ročních hodnot emisí oxidu uhličitého, a méně než desetinásobek všech ročních emisí skleníkových plynů. Asi v tuto chvíli chápete, proč dosažení této hranice považují všichni za krajně nepravděpodobné. Pro udržení oteplení pod hranicí 2 °C je rezerva, tedy zbývající uhlíkový rozpočet, několikanásobně vyšší, zhruba 1150 Gt CO2.

Hodnoty nelze brát zcela jako exaktní čísla. Například oba výše zmíněné údaje jsou pro 67% pravděpodobnost nepřekročení dané teplotní hranice. Co to znamená? Proto se i uhlíkový rozpočet vztahuje k určité pravděpodobnosti, že daná hranice oteplení nebude překročena. Pokud například chceme mít alespoň 50% šanci, že nepřekročíme hranici oteplení 2 °C, můžeme vypustit již pouze 1400 Gt CO2. Na 67 % to alespoň podle současných modelů bychom neměli do ovzduší vypustit více než 1100 Gt CO2. Čím vyšší chceme mít jistotu, tím méně oxidu uhličitého si můžeme dovolit vypustit.

Koncept tzv. uhlíkového rozpočtu (foto faktaoklimatu.cz)
Koncept tzv. uhlíkového rozpočtu (foto faktaoklimatu.cz)

Směr, kterým se dnes pohybujeme, si můžeme přiblížit ještě jinak. Mezinárodní agentura pro obnovitelné zdroje (IRENA) v roce 2020 odhadla, že současné cíle a závazky snižování emisí CO2 povedou k zastavení růstu ročních emisí na hodnotě okolo 33 Gt/rok. Pro naplnění Pařížské dohody a zastavení nárůstu světové teploty okolo 2 °C by bylo potřeba světové emise do roku 2050 snížit na 10 Gt/rok.

Jinak řečeno, pokud na takových cílem bude panovat shoda, musí proběhnout něco víc než jen kosmetické a dílčí změny. Nevyhnutelně by musela přijít zásadní proměna energetiky, a nejen jí samotné.

Výdělečné emise

Pokud má proces rozběhnout, musí se zásadně rozvázat dlouhodobě pevný vztah mezi emisemi a ekonomikou. Rychlý růst světového HDP byl od počátku průmyslové revoluce doprovázen v podstatě stejně rychlým růstem emisí. Je to zcela logické, fosilní paliva byla primárním zdrojem energie pro tuto zásadní proměnu lidské společnosti a způsobu života.

Tento poměr je dnes různý v různých dobách a na různých místech světa. Například celá evropská ekonomika je mírně větší než čínská, přesto však produkuje jen přibližně 40 % čínských emisí. Zároveň i mezi evropskými státy jsou výrazné rozdíly v emisní intenzitě. Francie, která má zhruba 80 procent elektřiny z jaderných zdrojů, produkuje 171 gramů emisí na dolar HDP. Výrazně méně než třeba i Česká republika, který na jaderné zdroje spoléhá z cca 40 procent: my na dolar HDP vydáme cca 396 gramů CO2.

V tomto ohledu je jádro téměř ideálním zdrojem. I proto v něm část environmentálních aktivistů pomalu znovu nachází zalíbení. Bohužel, v českých, a obecně evropských podmínkách, to má tento zdroj poměrně těžké. Ceny jsou vysoké a v řadě zemí, včetně České republiky, chybí konkrétní dlouhodobé plány jeho rozvoje, které by je umožnily snížit (už tím, že by se mohlo vytvořit konkurenční prostředí a výrobci mohli lépe plánovat). Říkáme schválně konkrétní plány rozvoje, protože Česko například má jadernou koncepci postavenou na jaderných zdrojích, ale její hodnota je velmi sporná. Posledních několik vláda tomuto dokumentu evidentně nepřikládalo velkou důležitost, protože nepodnikly téměř nic k realizaci jeho obsahu.

Emisní intenzita do velké míry souvisí s energetickým mixem a způsobem výroby elektřiny v daných zemích a regionech. Více než polovina čínské energie pochází z uhlí, proto Čína produkuje relativně vysoké množství emisí na dolar HDP. Podobně i evropské státy s vysokou spotřebou uhlí uvolňují více skleníkových plynů na jednotku HDP. Na opačné straně spektra je právě již zmíněn Francie.

Dalším faktorem ovlivňujícím emisní intenzitu ekonomik je životní úroveň dané země, která souvisí se strukturou ekonomické produkce. Zemědělství, stavebnictví a průmysl produkuje relativně více emisí než služby, v bohatých zemích zpravidla služby představují větší podíl ekonomiky.

Velmi nízké emise na jednotku HDP mají například Švýcarsko, Singapur, Hongkong a Švédsko (méně než 150 gramů na dolar HDP). Více emisí na dolar HDP produkují častěji chudší země (například Etiopie nebo z evropských zemí Ukrajina), avšak relativně vysoké emise na HDP má také bohatá Austrálie.

Snižování náročnosti některých sektorů je opravdu technických oříšek. Ne vždy a všechno jde jednoduše vyřešit vyšším spoléháním na obnovitelné zdroje, a to už proto, že řada procesů vyžaduje také velké množství tepla. Pojďme si problém ilustrovat na jednom konkrétním příkladě, o kterém se tolik nemluví.

Emisní intenzity ekonomik (foto faktaoklimatu.cz)
Emisní intenzity ekonomik (foto faktaoklimatu.cz)

Svět na uhlíkových základech

Kdyby byl cementárenský průmysl státem, byly by jeho emise třetí největší na světě, hned po Číně a USA. V roce 2015 způsobila výroba cementu přibližně 2,8 miliard tun CO2, tedy asi 8 % světových emisí. To je zhruba čtyřikrát více než letecká doprava. Můžeme očekávat, že díky rozvoji měst bude poptávka po cementu a betonu ve světovém měřítku dále narůstat. Pro naplnění cílů Pařížské dohody bude zároveň nutné dramaticky snížit emise z výroby cementu, což se zatím příliš nedaří.

Cement je přitom pohání růst bývalého „třetího světa“. Čína mezi roky 2011 a 2013 spotřebovala více cementu než Spojené státy za celé 20. století. Nejde o omyl, číslo je výsledkem analýz mezinárodních a národních statistik. Mimochodem, veřejnosti ho představil Bill Gates, který ho převzal od Václav Smila, vědce českého původu, který emigroval po roce 1968 a dlouhá desetiletí působí v Kanadě.

Může to být vůbec pravda? Samozřejmě, že čínská ekonomika roste mimořádným tempem. Navíc v této zemi žije čtyřikrát více lidí než v USA. Dvacáté století ale pro Spojené státy znamenalo období rychlé expanze, budovaly se téměř všechny existující silnice, mosty a dálnice, vznikaly přehrady a mrakodrapy. Navíc mají obě země podobně velká území. Přesto Spojené státy mezi lety 1901 a 2000 spotřebovaly 4,5 gigatun cementu, zatímco Čína spotřebovala mezi lety 2011 a 2013 6,6 gigatun.

Rozvoj velkých čínských měst bere dech, ale ještě více to platí o městech menších. V roce 2009 bylo v Číně 160 měst s počtem obyvatel převyšujícím jeden milion. V Evropě je takových měst 35. A čísla o spotřebě cementu jsou nakonec uvěřitelná i díky dalším faktům. Současná čínská populace je asi čtyřikrát větší než populace USA, ovšem ve srovnání s americkou populací z počátku 20. století je 15krát větší.

K tomu se přidává změna ve využívání stavebních materiálů. V padesátých letech se vyrábělo přibližně stejně cementu jako oceli. Výroba oceli se ale do roku 2010 zvýšila osmkrát, zatímco výroba cementu pětadvacetkrát. V USA je také řada domů postavena ze dřeva, jehož je v Číně nedostatek. Tam naopak žije velký počet lidí ve výškových budovách postavených z cementu.

Odvětví výroby cementu bylo v Číně větší, než by mělo být. Řadu společností vlastní stát a těží z vládní podpory a přístupu k levnému kapitálu. Goldman Sachs tvrdí, že asi třetina vyrobeného cementu má nízkou kvalitu a je možné, že řada betonových budov bude v krátké době stržena a nahrazena novými stavbami.

Dostatek stavebních materiálů je ovšem klíčový pro rozvoj chudších zemí. Jeho největším producentem je Čína, kde se vyrábí přibližně 60 % světové produkce. To je ale důsledek poměrně nedávného vývoje – ještě v roce 1990 Čína vyráběla méně než čtvrtinu světové produkce. Další významní producenti cementu jsou Indie, USA a Evropská unie. Zatímco v USA a EU výroba cementu postupně klesá, v Indii a dalších rozvíjejících se ekonomikách očekáváme další růst. Dlouhodobé scénáře vývoje však očekávají, že poptávka po cementu ve světě naroste o 12–23 % do roku 2050. Nejvíce bude zřejmě záviset na míře hospodářského růstu.

Je to v podstatě nevyhnutelné, protože to souvisí se zvyšováním kvality života. Pokud například nahradíme hliněnou podlahu betonovou, zlepší se hygiena. Lepší cesty zase zlepšují zásobování, děti se lépe dostanou do škol, což všechno podporuje ekonomický růst. A teď k cementu samotnému.

Světové emise CO₂ z fosilních paliv a výroby cementu (foto faktaoklimatu.cz)
Světové emise CO₂ z fosilních paliv a výroby cementu (foto faktaoklimatu.cz)

Tuna za tunu

Výroba jedné tuny cementu vytvoří přibližně 1 až 1,2 tuny CO2. Oxid uhličitý přitom vzniká dvěma způsoby: jednak jako produkt chemické reakce, a jednak při spalování uhlí nebo plynu při zahřívání. Cement se vyrábí v pecích, zahříváním směsi rozemletého vápence a jílů na teploty okolo 1450 °C. Působením tepla vápenec rozkládá na oxid vápenatý a oxid uhličitý a tato chemická reakce je zodpovědná přibližně za polovinu emisí CO2 z výroby cementu.

Druhá polovina emisí z výroby cementu je důsledkem spalování uhlí nebo plynu při zahřívání. Zatímco zahřívání je možné provádět i s mnohem nižšími emisemi, například spalováním vodíku, oxid uhličitý z chemické reakce není prakticky možné snížit. Proto je dekarbonizace výroby cementu tak obtížná.

Možných přístupů ke snížení emisí oxidu uhličitého je několik, ani jeden z nich rozhodně nevyřeší vše. Zvýšení efektivity spalování v pecích: odhaduje se, že použití nejnovějších technologií by mohlo snížit emisní intenzitu výroby na 0,8 tun CO2 na tunu cementu.

Další možností je využívání alternativních paliv. Vzhledem k vysoké teplotě nelze k zahřívání použít elektřinu, přichází v úvahu vodík nebo syntetická paliva z biomasy. V této oblasti můžeme v následujícím desetiletí čekat velký pokrok, ale není jasné, jak rychle bude použití alternativních paliv škálovatelné.

Uvažuje se i o snížení množství CaO v cementu a jeho nahrazení jinými sloučeninami. I tento přístup je zatím oblastí vývoje a experimentů. Nemůžeme ale očekávat velké snížení emisní intenzity výroby, protože je potřeba zachovat materiálové vlastnosti betonu.

Velké naděje se vkládají do technologie zachycování uhlíku. Už existují testovací projekty. Není ale zatím jasné, jak drahé a škálovatelné řešení to bude, a odborníci se navíc v hodnocení potenciálu CCS velmi rozcházejí.

Výroba cementu se proto řadí k průmyslovým procesům, jejichž emise sice lze snížit, ale mnohem obtížněji než například v energetice. Takže dnešní scénáře předpokládají, že bezuhlíková výroba cementu je jeden z nejobtížnějších problémů z těch, které se v oblasti nabízejí.

Ale rozhodně to není jediný problém. Pokrok v celé řadě oblastí je opravdu nezpochybnitelný. Například cena lithium-iontových článků za posledních 30 let spadla zhruba třicetinásobně, cena fotovoltaických panelů také. Ale to není univerzální pravidlo, které bude platit u všech technologií a zdrojů energie.

Těžko ovšem v současné době popřít, že přechod na nízkouhlíkovaou ekonomiku s podobnou životní úrovní je z nějakých technických či jiných důvodů nemožný. Je to grandiózní úkol, jak jsme se snažili vysvětlit, ale možný je. Ale bylo by záhodno si co nejlépe vybrat, jaká bude nakonec cena ekonomická, sociální a také politická. Předvídat jistě nelze vše, alespoň rámcově bychom si ale problém měli umět představit. Snad jsme k tomu naším textem také přispěli.

Současné limity emisí pro osobní vozy se spalovacími motory v Evropské unii jsou podle výrobců přísné. A měly by být ještě přísnější. Dá se s tím vůbec něco dělat?

Podle pravidel EU by průměrný osobní automobilky měl vypouštět do vzduchu pouze 95 gramů CO2 na ujetý kilometr (může i více, ale výrobci budou platit citelné penále). Říkáme „průměrný vůz“, protože se o takzvaný flotilový průměr, který se vypočítává zpětně na základě veškerých zaregistrovaných vozů konkrétního výrobce v zemích Evropské unie. Do výpočtu se na základě speciálního matematického vzorce promítá nejen spotřeba, ale i hmotnost vozidla.

Emise CO2 přímo odpovídají spotřebě vozu a v dohledné době to jinak nebude. Zatím neexistuje žádný systém na zachycování CO2 ze spalin motoru a nezdá se, že by se to v dohledné době mohlo změnit. Technických a praktických problémů je příliš. Nabízí se otázka, proč i evropské orgány či národní vlády raději než o emisích skleníkových plynů nehovoří ke svým občanům o limitech spotřeby – na té záleží každému – ale tu nechejme stranou a přejděme k základním číslům.

Emise 95 gramů CO2 na kilometr odpovídají spotřebě zhruba 3,7 litru paliva na 100 kilometrů u dieselového motoru a zhruba 4 l/100 km u motoru benzínového. (Tady mimochodem nezáleží na metodice měření spotřeby protože pokud auta spálí paliva více, nemohou požadavky splnit, protože se z něj uvolní více CO2.) Už to je velmi nízký limit, jak se může vyvíjet dále?

Jak jsme na emovio.cz psali, na veřejnosti unikl návrh Evropké komise, podle kterého byse se emise CO2  měly během příštích let snížit ze současných až 30 mg/km. Spotřeba paliva by se totiž v takovém případě musela pohybovat kolem 1,2 litru nafty na 100 km nebo 1,4 litru benzinu na 100 km. V takovém případě by velkou část nabídky nutně musely tvořit elektromobily, které mají podle metodiky nulové emise oxidu uhličitého.

Ale ani ty zbylé vozy se spalovacími motory nebudou moci mít vysokou spotřebu. Jak daleko vlastně ještě výrobci mohou zajít?

Benzín à la diesel

Z technického hlediska navíc existuje celá řada způsobů, jak účinnost motorů nadále vylepšit. Jeden takový „skok“ v efektivitě se právě děje. Měly by ji představovat pohonné jednotky s takzvanou technologií HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition, česky se překládá jako „vznětové spalování homogenní směsi“). V těchto motorech se má spalovat benzin, v principu jde ovšem o „diesel“. O zážeh paliva se v HCCI motorech nemá starat zapalovací svíčka; palivo se má pod tlakem samo vznítit stejně jako v naftovém motoru.

Jde samozřejmě především o úsporu paliva. Díky vznětovému principu spalování by motor měl být schopen využít velmi chudou směs paliva se vzduchem. Jednoduše řečeno, ve válci je palivo promícháno se vzduchem tak dobře, že ho k vytvoření stejného výkonu stačí méně. Japonská automobilka Mazda, která zřejmě bude první, kdo tento typ začne prodávat, slibuje snížení o dramatických 20 až 30 procent oproti jejímu dnešnímu úspornému dieselu Skyactive-G. A o 35 až 45 procent oproti motorům Mazda z roku 2008.

První modely s motory Skyactiv-x přichází na trh v roce 2021 (foto Mazda)
První modely s motory Skyactiv-x přichází na trh v roce 2021 (foto Mazda)

V praxi vypadá takový záměna možná jednoduše, ale ve skutečnosti to tak ani zdaleka není. I proto si na praktické realizaci této myšlenky i v nedávné minulosti celá řada velkých firem vylámala zuby. Japonská automobilka dokázala projít problémy špatného běhu motorů při jiných než optimálních otáčkách, a vlastně postavila jakýsi „hybrid“, kombinaci vznětového principu a klasického zapalování svíčkami. (Poznámka bokem: Protože marketing miluje odborně znějící názvy a zkratky, Mazda to celé nazvala SPCCI – Spark Controlled Compression Ignition, tedy doslova „jiskrou řízené zapalování směsi“. Což vlastně neříká nic, ale zní to dobře.)

V podstatě jde ovšem o to, že motor, respektive jeho řídicí jednotka, na základě otáček a zatížení tedy bude volit mezi zážehovým a vznětovým principem. Přechod mezi oběma režimy by přitom samozřejmě měl být co nejhladší, aby motor pracoval co nejefektivněji (a řidič nic nepoznal). Motory jsou tak kompresory, ne turbodmychadly, aby nedocházelo k prodlevám při přechodu z jednoho režimu do druhého.

Protože motor je snad poměrně blízko výrobě, s auty vybavenými těmito motory už se svezli také první novináři. Podle nich je dojem z něj přesně takový, jaký by si všichni milovníci silných aut asi představovali: rozdíl není poznat.

Mazda bude patrně první, ale nepochybně nebude jediná. Stejný princip údajně využívá Mercedes ve svých motorech ve Formuli 1, totéž dělá Ferrari a je nasnadě, že konkurence v podobě Renaultu a Hondy musí pracovat na tomtéž. Novinka by tedy mohla pomoci plnit limity ještě v blízké budoucnosti. Ale jak dlouho to bude stačit?

Hon na procenta

Samozřejmě samotné spalování není to jediné, co se dá vylepšit. Například jen použití novějších syntetických olejů s přesně nadávkovanými přísadami prvků, které by laik v oleji nehledal (například molybdenu), může podle výrobců zvyšovat celkovou účinnost pohonu vozidla i o více než 0,5 procenta.

V praxi může jedno půlprocento k druhému znamenat poměrně veliký rozdíl, jak nasvědčuje i vývoj posledních desetiletí. Celková energetická účinnost spalovacích motorů u řady vozů na konci minulého století byla kolem 20–25 procent. K pohonu vozu tedy nakonec sloužila pouze pětina až čtvrtina energie, kterou je možné získat spálením daného množství paliva. V takovém případě by už samotná změna maziv de facto zvýšila účinnost takového motoru zhruba o dvacetinu: tedy jako kdyby váš motor měl 105 kW místo 100 kW. To neohromí, ale potěší.

Podobných opatření (včetně rozšíření turbo-dmychadel, systémů start-stop atd.) výrobci v poslední době uskutečnili řadu. Ve výsledku se tak podařilo účinnost moderních motorů poměrně výrazně zvýšit a dnes se udává, že u řady vozidel přesahuje 35 procent a v případě těch nejnovějších se dostává na hodnoty kolem 40 procent. Jak dosvědčuje příklad Mazdy, trend může ještě minimálně nějakou dobu pokračovat. Optimistické hlasy v průmyslu říkají, že výhledově (tedy možná zhruba do roku 2030) bychom se mohli dostat na hodnoty kolem 50 procent.

Stačí to?

Může takové auto ale splnit evropské normy stejného roku? S přimhouřením alespoň jednoho oka můžeme říci, že spálením jednoho kilogramu paliva lze získat při stoprocentní účinnosti kolem 10 kilowatthodin (kWh) energie. Při přepočtu na litr je to tedy někde mezi 7 až 8 kWh. Pro jednoduchost v tomto velmi přibližném výpočtu pomineme rozdíly mezi benzínem a naftou a výsledek je trochu „neostrý“. My ovšem naštěstí auta podle nových standardů stavět nemusíme, tak nám snad bude odpuštěno.

Co to v praxi znamená? Zatím pouze hypotetický motor s 50procentní účinností by tedy z jednoho litru paliva měl vyrobit maximálně 4 kWh. Jak daleko na to auto dojede, ptáte se? To lze snadno ilustrovat. U většiny vozů se spotřeba v kilowatthodinách neudává, ale existuje jedna výjimka: elektromobily.

V jejich případě se totiž v kilowatthodinách udává objem jejich „nádrže“, tedy baterie. A z provozních dat vyplývá, že spotřeba elektromobilů současných generací s rekuperací energie při brzdění se pohybuje kolem 17–20 kWh na 100 kilometrů. Ztráty u elektromobilů jsou velmi malé. Ani ten nejúčinnější systém pohonu, který dnes na silnicích je, na čtyři kilowatthodiny neujede více než zhruba dvacet kilometrů.

Ještě jinak řečeno, vůz, který využije celou polovinu energie paliva opravdu ke svému pohonu, by se asi v reálném provozu mohl dostat na spotřebu někde kolem čtyř litrů na sto kilometrů. Ale pokud by měl dosáhnout reálné spotřeby kolem tří litrů, musela by se účinnost motoru zvýšit poměrně vysoko nad 60 procent. Ovšem kde brát?

Za hranicí možností?

Nějaké další možnosti se nabízejí, ale jejich potenciál není neomezený. Ostatně ani velké velké stacionární systémy (generátory, ale i lodní motory) dnes nedosahují o mnoho lepší účinnosti než kolem 50 procent.

Největší ztrátovou složkou je teplo, které odchází spolu s výfukovými plyny. Přesné hodnoty se mohou lišit, ovšem zhruba platí, že u zážehových motorů takto odchází asi 40 % a u vznětových okolo 30 % celkové tepelné energie. Je tedy jen logické, že konstruktéři se snaží o využití tohoto tepla pro zvýšení celkové účinnosti přeměny energie paliva na „užitečnou práci“.

Ne že by teplo vznikající ve spalovacích motorech nemělo žádné využití (zahřívání prokřehlých cestujících je užitečné). Konstruktéři ovšem sní o něčem zásadnějším. Například nějakém systému přeměny odpadního tepla na elektrickou energii, využitelnou buď pro provoz pomocných zařízení motoru, nebo přímo k přídavnému pohonu klikového hřídele.

Již desetiletí se spekuluje o možném využití tzv. termoelektrického jevu. Což je jednoduše přímá přeměna rozdílu teplot na elektrické napětí a naopak. Nemá smysl zabíhat do detailů, protože tento jev je sice dobře popsaný, ale k jeho praktickému použití máme daleko. Účinnost známých materiálů se pohybuje v nejlepším případě pouze v jednotkách procent. Navíc jde většinou o materiály poměrně exotické a drahé.

Pokud se to změní, půjde nejspíše o zajímavé řešení. V principu by podobné zařízení mělo být jednoduché a nijak nesnižovat tepelnou činnost samotného motoru. Každý watt navíc je tedy „čistý zisk“. 

Tudy ne

Ale nasezení takové technologie v časovém horizontu tohoto desetiletí je čirou utopií. Jinak řečeno, ani optimisté v tuto chvíli nevidí způsob, jak pouze s pomocí dlouho ověřené a známé technologie spalovacích motorů dosáhnout vytyčených cílů. (Které se sice mohou ještě měnit v roce 2023 na základě průběžného vyhodnocení, ale to je samozřejmě jen částečná útěcha.) Velké instituce i podniky bývají z podstaty konzervativní a nejistoty se bojí.

Na druhou stranu musíme ihned upozornit, že technologické možnosti, jak těchto cílů dosáhnout, jsou k dispozici již dnes. Jen nejsou zdaleka tak vyspělé jako klasické vozy se spalovacími motory. Zdá se nepochybné, že výrobci – minimálně pro evropský trh – k nim přesto budou muset ve zvýšené míře sahat.

Připomínáme totiž znovu, že tyto normy nemusí plnit všechny vyráběné vozy. Ale jak je evidentní, vozy pouze spalovacími motory ho téměř určitě plnit nemohou. Dnes je jasně nejefektivnějším způsobem, jak si průměr srazit, je prodej čistých elektromobilů, které přímo žádný CO2 nevypouštějí. To se může změnit.

Od roku 2025 by snad měli výrobci deklarovat CO2 emise nově prodávaných vozů se započtením celého životního cyklu paliva. Má se tedy mimo jiné počítat, kolik oxidu uhličitého vypouštějící elektrárny pro daný typ vozidla podle složení energetické výroby v tom daném státě. A v tu chvíli se elektromobily už tak výhodnými zdaleka nejeví.

Unijní průměr je velmi zhruba kolem 400 gramů CO2 na kilowatthodinu spotřebovanou v síti. Na jednu kWh dnešní automobily ujedou pět až šest kilometrů, což znamená, že jejich spotřeba se pohybuje kolem 60 gramů CO2 na kilometr. V celé řadě zemí – včetně třeba Německa – jsou hodnoty ještě výrazně nepříznivější a elektromobily by byly velmi „špinavé“. Debata kolem přechodu k čistší automobilové dopravě bude nepochybně ještě bouřlivá.

Světová města rostou. Ještě před 100 lety byla velká většina obyvatel světa doma na venkově a ve městech žil zhruba každý pátý obyvatel planety. V roce 2007 podle zprávy OSN (shrnutí v PDF) zřejmě poprvé došlo k tomu, že počet obyvatel měst byl vyšší než počet lidí žijících mimo města. Od té doby se poměr neustále zvyšuje. Dnes zhruba 55 za 100 lidí žije ve městech. A pokud se nic zásadního nezmění – a zatím není jasné, proč by mělo – v roce 2050 už bude na ve městech žít 70 ze 100 obyvatel světa.

To je v mnoha ohledech vlastně dobře. Může se tak uvolnit plocha pro jiné využití, třeba na ochranu přírody; ve velkých městech také vzniká nejvíce nových nápadů, myšlenek a vynálezů. Ale není to samozřejmě jen dobře. Život ve městech může být snadno nepříjemný, uhoněný a bez oddechu. Velkou měrou k tomu může přispět i doprava. Každodenní kolony nikomu na klidu a pohodě nepřidají.

Chce to kvalitu

Tento problém má už jedno známé a ověřené řešení: dobrou městskou hromadnou dopravu. Ta prokazatelně dokáže snížit počet automobilů na ulicích, tím je zklidnit, snížit míru znečištění a udělat město celkově příjemnější. Dnes může být účinek takových opatření o větší, že velká část dopravních prostředků blízké budoucnosti může být elektrických, a nemusí tedy vypouštět do ovzduší vůbec žádné emise.

Důležité je znovu opakovat, že aby hromadná doprava skutečně ulicím ulevila, musí se s ní cestovat příjemně, dobře – a přitom to samozřejmě nesmí být příliš drahé. Lidé těžko budou jezdit dopravou, na kterou budou muset dlouho čekat, která je nedoveze tam, kam chtějí, a ve které se nebudou cítit dobře a bezpečně.

Tak by mohly vypadat autonomní autobusy v blízké budoucnosti
Tak by mohly vypadat autonomní autobusy v blízké budoucnosti (foto DAM)

Je to těžké: jak to udělat, aby autobusů, tramvají či trolejbusů nebylo moc a přitom se každý dostal rychle tam, kam potřebuje? Zdá se, že to nemá řešení – a skutečně asi jedno jediné řešení neexistuje. Dobrá hromadná doprava v nějakém větším městě tedy bude muset být velmi „pestrá“.

Na jedné straně jsou zapotřebí rychlejší dopraví prostředky na větší vzdálenosti (metro, příměstské vlaky). To velká města poměrně dobře umí zvládnout. Zároveň ale musí být existovat možnost, jak popojet jen pár ulic. Ať už proto, že počasí procházce nepřeje, nebo už na nic dotyčný nemá věk. A tady je dna výběr menší. To by se ovšem mohlo změnit.

Malý, šikovný, samostatný

Na několika místech světa, včetně několika evropských měst (například Helsinek), se v posledních letech zkoušely či zkouší různé typy malých samořiditelných „minibusů“ pro 10-20 lidí, které by mohly problém „jak se dostat jen o pár ulic dál“ snadno vyřešit. Tato téměř výhradně elektrickými motory poháněná vozítka nebývají stavěná na rychlosti; u řady z nich se pohybuje nejvyšší rychlost kolem 25 km/h. Zato bývají obratná, takže se vejdou i do malých uliček. Některá z nich by dokonce mohla umět bokem, například zvažovaný švédský NEVS

Většina by se také měla časem naučit řídit sama, bez pomoci lidské ruky. Díky tomu by jich mohlo být na ulicích více najednou, a lidé by na „svojí“ linku nemuseli tak dlouho čekat. To je pro dnešní programy a počítače stále příliš obtížný úkol. Ovšem městské autobusy mají úkol o něco lehčí než osobní auta.

Za prvé se pohybují menší rychlostí, což dává trochu více času na rozhodování. Což se možná může zdát z hlediska počítače zbytečné, ale není: technika není neomylná a v nižších rychlostech je více času například odhalit senzoru, který přehlédne chodce či překážku. V tomto ohledu se od nás od lidí zatím stále nedokonalí počítačoví „řidiči“ zase tolik neliší.

Za druhé se pohybují po stálých trasách, které dopředu znají. Samozřejmě mohou i tak narazit na obtížné situace, ale každé zjednodušení se hodí. Trasu si mohou počítače před vyjetím například mnohokrát projet, aby se dopředu zjistilo, zda a jaké by s ní mohl mít potíže.

Dnešní elektrické „minibusy“ jsou si na pohled všechny dosti podobné (ono není divu, jsou stavěné všechny pro stejnou práci). Na našem videu se můžeme podívat na stroj HEAT, který se testuje v německém Hamburku. Je zhruba pět metrů dlouhý, uveze maximálně 10 cestujících a ve starobylém přístavním městě jezdí zkušebně od poloviny roku 2020.

Kolem nás se každý den odehrává spoustu věcí, o kterých nevíme, a přitom je někdo dělá kvůli nám. Někdo se musí starat o to, abychom měli čím topit, svítit, co jíst… A také, aby se k nám dostali věci, které chceme nebo potřebujeme.

Neustále roste obliba služeb, které takové věci mají doručit až k nám domů. Doprava takového na internetu objednaných počítačů, knížek nebo třeba stavebnic je přitom dlouhý řetězec. Začíná kdesi v minulosti: když byla daná věc vyrobena. Což bylo obvykle ve chvíli, kdy jsme vůbec neměli nic objednáno, ba jsme možná nevěděli, že právě tuhle věc budeme chtít či potřebovat. Pokračuje pak cestou po moři, vzduchem, silnici či železnici přes velké, či doslova obří sklady až k nám.

Nejtěžší a nejnáročnější přitom nebývá cesta přes mořem nebo v letadle z jedné země do druhé. Největší potíže dnes máme v posledním kroku: ve chvíli, kdy (už skoro) náš počítač, knížka či stavebnice jsou v podstatě jen kousíček od nás. Ve chvíli, kdy jim zbývá jen pár posledních kilometrů. Často se tomu říká „poslední míle“, což je samozřejmě překlad z angličtiny, protože kdo jiný by používal takovou podivnou jednotku délky. Dodejme jen pro úplnost, že není vůbec jasné, která míle to vlastně má být: nejspíše to ta míle, která má 1 609,344 metru, ale také by to klidně mohla být míle geografická (1 855,3176 m), nebo třeba námořní (1 853,184 metru)…

Hodiny zbytečné

Ať je to kterákoliv míle, je to míle obtížná. Především ve stále rostoucích městech není takový úkol pro kurýry, kteří ten poslední úsek mají na starosti, nic jednoduchého. Zácpy jsou běžné, parkovat není kde a zákazníci – i ti, kteří se na své věci opravdu těší – nebývají vždy dochvilní. Natož aby byli vždy tam, kde by v danou chvíli měli být. Kurýři tak drtivou většinu svého času stráví něčím než rozvážkou: čekám na zákazníky, hledáním místa na zaparkování…

Poslední míle se tedy mění v problém. Naštěstí nevyřešené problémy jsou zároveň příležitosti zkusit něco nového. V případě by tím něčím novým měli být kurýři robotičtí. V podstatě jde o spojení několika novinek, které už jsou k dispozici nebo se vyvíjí.

Experimentální dodávka EZ-Flex společnosti Renault určená právě pro dopravu na poslední míli
Experimentální dodávka EZ-Flex společnosti Renault určená právě pro dopravu na poslední míli (foto Renault)

Jednou je jednoduchý elektrický pohon s bateriemi, které vystačí na prakticky celodenní pohyb ve městě (cca 200 kilometrů) a přitom neruší a neznečišťuje okolí. Dalším jsou všudypřítomné mobilní telefony, díky kterými můžete přesně sledovat, kde takový kurýr, kdy se k vám blíží a „domluvit“ se s ním na předávce. Nu, a tou poslední novinkou je samozřejmě „samořídící“ auto. To je v současné chvíli největší problém, a nejen technický.

Příkladem může být český prototyp takového robotického kurýra, který připravují společně firmy Bring Auto a Roboauto. Jde vlastně o malé, šikovné elektrické vozítko, které uveze asi tunu nákladu, jen tři metry dlouhé a jen metr široké. (Malá šířka mu pomáhá zaparkovat i na rušné ulici, aniž by zcela blokovalo provoz.)

V České republice dnes samořiditelná auta na silnici nesmějí. A tak zatím jezdí autíčko buď ovládané na dálku, nebo přímo s řidičem za volantem. Ale už jezdí, sbírá zkušenosti a kilometry, aby bylo připravené zkusit vyřešit zapeklitý problém „poslední míle“, jak dostane příležitost.

V budoucnosti by každý mohl mít svého řidiče, přitom řidič by mělo být poměrně vzácné povolání. Přesně to slibuje vize samořiditelných (či autonomních) vozů. Jak se takové auto ovšem na silnici vůbec vyzná a orientuje?

Začalo to nesměle

Auta, která se opravdu sama a bez lidské pomoci umí pohybovat na silnici, dnes ještě zdaleka nejsu připravená vyrazit na silnice. Konstruktéry a vývojáře čekají podle všeho ještě roky práce, a kdo ví, kdy se k cíli dostanou. Ale je vlastně nečekaným úspěchem, že vozy alespoň něco zvládnou.

K orientaci na silnici totiž dnešní používají počítačové programy, které dokáží rychle a přesně „přeložit“ obraz z kamer (či radaru, ale to je vlastně podobné) do jazyka počítačům srozumitelného. Dlouho šlo o slepou uličku. Počítače v obrazu samy od sebe nic nevidí. Ať se programátoři a počítačoví vědci snažili, jak mohli, počítače až do konce 20. století nedokázali naučit, jak poznat auto od kočky, či žirafu od Eifelovky. Změna přišla na konci prvního desetiletí 21. století, kdy „dozrály“ nové metody programování, které zvládnou zjednodušeně řečeno napodobit někeré rysy lidské intuice (koho zajímá víc, může si přečíst více o hlubokém učení a neuronových sítích).

Díky nic počítače mohou najít v obraze najít význam. Musí se to nejprve dostatečně dlouho a trpělivě učit , k čemuž potřebují spoustu učiva (tedy hodně obrázku), dobré instrukce a dostatek výpočetního výkonu. Ale už to není problém nijak neřešitelný. Když teď víme, kde auta vzala mozek, jaké smysly vlastně na silnici používají?

Garáž společnosti Waymo (patří do koncernu Google), která se specializuje na vývoj samořiditelných vozů (foto Waymo)

(Ne)lidské smysly

Jak asi vyplývá z našeho krátkého exkurzu do historie, dnešní vozy používají k orientaci na silnici především kamery, konkrétně řečeno digitální kamery. Ty jsou dnes levné, dostupné a kvalitvní. Na kamerách se tedy u vozů, které se mají alespoň do určité míry řídit samy, nijak nešetří. Například na vozech Tesla Model 3 je osm kamer, které dohromady vidí dokola celého auta.

Ale to nebývá jediný smysl, který auta mají k dispozici. Prakticky u všech dnešních vozů a u všech zvažovaných samořiditelných vozů blízké budoucnosti jsou ultrazvukové „uši“, tedy senzory, které sledují především bezprostřední okolí, tedy prostor několika metrů kolem vozu. Jde o stejný typ senzorů, který může řidiče upozornit na překážku při couvání.

Běžné optické kamery samozřejmě špatně vidí ve tmě. Řízení za tmy se tedy musí řešit jiným systémem. Dnes se za ten nejslibnější považuje „laserový radar“ známý jako LIDAR. Ten pracuje podobně jako radar, jen namísto radiových vln vysílá pulsy pro lidské oko neviditelného záření a měří dobu, kdy se paprsek odrazí od okolních objektů a vrátí zpátky. Pošle miliony za sekundu a z údajů, které tak získává, si sestavuje reálném čase velmi detailní mapu okolí.

Zatím jsou LIDARy poměrně drahé, předpokládá se, že by měly postupně (nadále) zlevňovat, a samořiditelná auta se bez nich neobejdou. Jsou velmi přesné, zvládnou určit přesnou polohu daného předmětu s centimetrovou přesností i na vzdálenosti kolem stovky metrů. Hodí se tak pro přesnou a navigaci v provozu.

Ještě to chvíli bude trvat

Laserový radar není dokonalý. Občas se stává, zvlášť když se auto pohybuje větší rychlostí, že vysílané paprsky nedopadnou tam, kam mají, a systém některé objekty jaksi „přehlédne“. Zastavit ho může také například hustý padající sníh, kterým laserové paprsky neprojdou. Prototypy samořiditelných vozů společností jako Google či Uber a dalších tak jsou vybaveny obvykle ještě klasickým radarem, který v podobných podmínkách má „vidět“ lépe.

Bude ještě nepochybně nějakou dobu trvat, než se vše podaří dobře „vyladit“ a uvést do takového stavu, aby se auta skutečně mohla řídit sama. Ale kdo ví, třeba to bude dříve, než si myslíme. Ostatně počítače se například nejen žirafy a Eifelovky, ale i chodce naučili poznávat mnohem rychleji, než všichni očekávali.

Na druhou stranu, jak se můžete podívat na našem videu, samořiditelná auta už dnes zvládnou leccos. Uvidíte na něm samořiditelný autobus společnosti AuveTech, která připravuje podobná vozidla pro hromadou dopravu v centru měst.

Demonstrační jízda vozidla AuveTech (video AuveTech)

Známky pro samořidiče

Je jasné, že auta se ještě nějakou dobu neobejdou na silnicích bez lidské pomoci a dozoru. Jejich dospívání k samostatnosti se dnes nejčastěji hodnotí známkováním, které připravila mezinárodní skupina odborníků na automobilovou techniku SAE. Samořídící auta podle se známkují přesně opačně než děti v českých školách: známka 1 je vyhrazena pro ty, co umí nejméně, známka 5 je určena pro ty nejlepší. (Což je stejně jako v Estonsku či Turecku, pro zajímavost.)

1: PODPORA ŘIDIČE

To je vůz, který řidiči pomáhá. Příkladem může být tempomat, který sám udržuje rychlost a odstup od vpředu jedoucího vozidla. Počítač v autě může mírně zasahovat do řízení na základě aktuální jízdní situace, konkrétně zrychlovat, zpomalovat, lehce zatáčet. Ovšem auto může vykonávat vždy jen jednu funkci, nikoli je kombinovat.

2: ČÁSTEČNÁ AUTOMATIZACE

Tomuto stupni se přezdívá „nohy z pedálů, oči na silnici“. Takový systém dokáže v podstatě totéž co „jednička“, ovšem může zkombinovat několik činností najednou. Dokáže samo zároveň například zrychlovat a točit volantem. Řidič ale doslova nemůže spustit oči ze silnice, musí být vždy připraven okamžitě převzít řízení. Dobrý příkladem je systém automatického parkování.

3: PODMÍNĚNÁ AUTOMATIZACE

Na úrovni 3 už může počítač za určitých okolností úplně převzít kontrolu nad vozem. Nezvládne žádné složité situace, ale dokáže si poradit například na široké dálnici s dobře vyznačenými jízdními pruhy. Řidič nemusí mít ruce na volant, a ani nemusí sledovat silnici, ale stále musí být připraven na upozornění systému převzít řízení. Autopilot při jízdě po dálnici automaticky zrychluje, řídí, brzdí, a dokonce se i vyhýbá.

4: VYSOKÁ AUTOMATIZACE

Situace je přesně opačná než v případě stupně 3. Auto se většinou řídí samo, člověk musí zasáhnout pouze občas. Například, pokud je velmi špatné počasí, husté sněžení apod. Důležité je, že auto si umí poradit i v případě, kdy vyzve člověka k převzetí řízení, ale ten nereaguje. Samo pak bezpečně zastaví.

5: PLNÁ AUTOMATIZACE

Stroj zvládá úplně všechny situace, volant není vůbec potřeba. Člověk jen nasedne a dá vědět, kam chce jet.

Load More