V posledních měsících či týdnech se objevila řada článků či studií analyzujících surovinovou náročnost spojenou s klimatickými cíli EU. Jako nové kritérium či minimálně akcent se v nich objevuje co největší evropská soběstačnost, resp. bezpečnost při obstarávání těchto surovinových zdrojů. Patří k nim i studie, kterou v nedávných dnech zpracovala belgická Katholieke Universiteit Leuven. Studie, na kterou upozornila agentura Reuters, se zabývá možností dosažení klimatické neutrality do roku 2050 při zohlednění rostoucí spotřeby kovových materiálů. Podle studie do stanoveného termínu vzroste například spotřeba lithia oproti současnosti nejméně 35krát a kovů vzácných zemin 7–26násobně.

Vedle toho bude evropská energetická transformace potřebovat také mnohem více hliníku (o 30 % více než dnes), mědi (o 35 %), křemíku (o 45 %), niklu (o 100 %) a kobaltu (o 330 %). Všechny tyto suroviny jsou nezbytné k tomu, aby EU byla schopna dostát svým plánům na výrazné zvýšení podílu elektromobilů na dopravním provozu a větrných, solárních či vodíkových zdrojů v oblasti energetiky.

Nadějné vyhlídky

Nadějnou informací, kterou studie přináší, je, že do roku 2050 by mohlo být 40 až 75 % evropské spotřeby kovů v oblasti čisté energetiky uspokojováno místní recyklací. O těchto číslech však lze uvažovat pouze za předpokladu, že Evropa do recyklačního průmyslu intenzivně zainvestuje, uvádí se ve zmíněné studii s názvem Metals for Clean Energy, kterou si u univerzitních vědců objednala asociace Eurometaux, sdružující evropské metalurgické společnosti.

Studie KU Leuven je první, která v této oblasti nabízí takto konkrétní a dlouhodobou prognózu. Uvádí se v ní, že do roku 2050 budou evropské plány na výrobu technických zařízení spjatých s čistou energetikou vyžadovat každoročně minimálně:

– 4,5 milionu tun hliníku (minimální nárůst o 33 % oproti dnešní spotřebě)

– 1,5 milionu tun mědi (35 %)

– 800 000 tun lithia (3 500 %)

– 400 000 tun niklu (100 %)

– 300 000 tun zinku (10 až 15 %)

– 200 000 tun křemíku (45 %)

– 60 000 tun kobaltu (330 %)

– 3 000 tun kovů vzácných zemin neodymu, dysprosia a praseodymu (700–2 600 %)

Podle studie by Evropa mohla kolem roku 2030 čelit vážným výrobním problémům zejména v důsledku globálního nedostatku pěti kovů: lithia, kobaltu, niklu, vzácných zemin a mědi. Poptávka po primárních kovech by v EU měla vrcholit kolem roku 2040, poté by zvýšená míra recyklace měla přispět k větší soběstačnosti evropských zemí, avšak za předpokladu, že se výrazně posílí recyklační infrastruktura a budou odstraněny legislativní překážky. V souladu s tímto předpokladem by do roku 2050 lokálně recyklované kovy měly umožňovat produkci tří čtvrtin v Evropě používaných bateriových katod, všech permanentních magnetů a významně by se mohly podílet i na spotřebě hliníku a mědi. Studie také uvádí, že recyklace kovů může ušetřit 35 až 95 % CO2.

Nejisté projekty

Podle studie rovněž existuje teoretická možnost vybudovat nové „domácí“ doly, které by do roku 2030 dokázaly pokrýt 5 až 55 % evropských potřeb v oblasti primárních kovů. Součástí těchto úvah jsou i takové projekty, jako je například potrubí pro přepravu lithia či vzácných zemin. Realizace mnoha již známých projektů je ale zatím velmi nejistá. Komplikují ji například odpor projekty dotčených regionů a komunit, problémy s povolovacími řízeními nebo fakt, že se opírají o nevyzkoušené technologie.

Evropa by potřebovala i více vlastních rafinérií, aby si mohla vytěžené rudy a druhotné suroviny sama přetvářet na požadované druhy kovů nebo chemikálií. Kvůli evropské energetické krizi jsou však nové investice do rafinace z ekonomického hlediska stále méně efektivní – ostatně prudce rostoucí ceny elektřiny již na evropském kontinentu způsobily dočasné uzavření téměř poloviny stávajících kapacit rafinace hliníku a zinku, přestože jejich produkce v jiných částech světa vzrostla. Na spalování uhlí založená čínská a indonéská produkce kovů tak zřejmě bude i v příštích letech dominovat globálnímu růstu kapacit rafinace kovů a vzácných zemin.

Závěrečným varováním studie je, že recyklace Evropské unii nezajistí – rozhodně ne do roku 2040 – dostatečně silný surovinový zdroj pro výrobu baterií do elektrických vozidel ani pro zařízení obnovitelné energetiky. Většina těchto zařízení totiž právě vstupuje na trh, nebo na něj vstoupila před velmi krátkou dobou, a příštích 10 až 15 let tedy suroviny použité k jejich výrobě rozhodně nebudou k dispozici pro recyklaci. Neznámým faktorem samozřejmě zůstává, jakými cestami se bude ubírat v příštích letech technologický vývoj a zda případné změny v chování spotřebitelů nebudou také mít významnější vliv na poptávku po kovových materiálech.

Na evropském tokamaku JET, který leží v dnes „neevropské“ Británii, se podařilo prokázat platnost modelů, které se využívají v oboru jaderné fúze. Tento týden oznámené výsledky reálně naznačují, že slučování atomových jader by se tak skutečně v dohledné době mohlo stát reálně využitelným zdrojem energie.

V polovině minulého století se v pozemských laboratořích podařilo napodobit způsob, jakým si hvězdy vyrábí energii. A optimismus některých vědců neznal mezí.

Jak dnes víme, zcela naivně předpokládali, že nebude trvat dlouho a rostoucí hlad lidstva po energii budou z velké části pohánět termonukleární elektrárny. V nich mělo magnetické pole udržovat a stlačovat oblak plynu rozžhaveného na takové teploty, aby v nich docházelo za běžných podmínek nemyslitelným jevům.

Silně ohřátý plyn se totiž změnil v plazma: z obalu atomu se tedy „odtrhnou“ elektrony a plyn se „rozloží“ na soubor elektronů se záporným nábojem a kladně nabitých jader atomů. Stejně jako v jádru Slunce měly být v jádru těchto elektráren podmínky natolik extrémní, aby jádra atomů překonala čas od času svůj odpor, spojila se a do okolí uvolnila fenomenální množství energie.

Dostat tyto “malé magnety” k sobě je obvykle nemožné. Ale pokud dodáme jádrům dostatek energie (tj. zahřejeme prostředí), čas od času se k sobě mohou přiblížit na velmi malou vzdálenost. Tak malou, že až na tak malou vzdálenost, že vzájemný magnetický odpor převáží přitažlivá jaderná. A obě jádra se sloučí v jádro těžší, přičemž se uvolní energie, v principu stejně jako v nitru Slunce.

Vědci v polovině 20. století ještě netušili, že čím víc se budou snažit dosahovat vyšších parametrů plazmatu, tím víc se tomu bude plazma „bránit“. Tehdejší modely předpokládaly, že ztráty energie z plazmatu izolovaného ve vakuové nádobě pomocí silného magnetického pole budou jen malé. Mělo se za to, že energie bude „utíkat“ pouze díky srážkám jednotlivých částic a jejich postupné difúzi (posunem) napříč magnetickým polem směrem k okraji plazmatu.

Schéma tokamaku (foto Entler a kol.)
Schéma tokamaku (foto Entler a kol.)

Zrozen v neúspěchu, dospěl k úspěchu

Velmi brzy experimenty ovšem fúzním optimistům ukázaly, na jak velikém omylu jsou. Ukázalo se, že zvyšování teploty plazmatu pomocí dodávání energie „z venku“ je málo účinné. Vede k vyšší intenzitě turbulence a tím k rychlejšímu úniku energie z plazmatu. V důsledku tak nešlo plazma účinně zahřát na „zápalnou teplotu“, a tím spustit termonukleární reakci.

Následovaly roky frustrací a neúspěchů. Odborníci na fúzi sice stále snili, ale cesta k praktickému nasazení fúze se zdála obtížná a nejistá. To platilo i na přelomu 70. let a 80. let, kdy začala ve Velké Británii stavba velkého tokamaku JET.

Dodnes jde o největší zařízení svého druhu na světě: hlavní poloměr jeho vakuové komory, ve které magnetické pole udržuje oblak rozžhaveného plazmatu, je 2,96 metru, vedlejší pak 1,25 metru (komora je toroidální, to znamená, že má tvar nafouknuté pneumatiky). Celkový objem komory je 100 m3.

Ale ještě před spuštěním tokamaku JET v roce 1983 se nečekaně objevila naděje. V roce 1982 se německému fyzikovi Fritzi Wagnerovi a jeho kolegům totiž podařilo do značné míry vyřešit problém ztrát. V jejich tokamaku ASDEX se plazma při experimentech začalo chovat jinak, než očekávali. „Pod rukama“ jim přešlo do stavu, kdy došlo náhle k výraznému navýšení jeho teploty a hustoty v centru. „Vůbec jsme to nečekali, prostě se to stalo,“ vzpomínal Wagner o desetiletí později na objev, který obor posunul o míle vpřed.

Wagnerem objevený „H-mód“ plazmatu umožnil výrazně zvýšit výkony stávajících zařízení, včetně plánovaného JET. Zvláště, kdy se podařilo zjistit, jak se plazma do tohoto stavu dostane a jak ho dosáhnout. Náhle se zdálo, že postavit zařízení, které by opravdu mohlo vyrábět více energie, než kolik spotřebuje, není jen snem.

Zjevné bylo, že JET je na to moc malý. Vznikl ovšem projekt velkého mezinárodního reaktoru ITER. Ten měl být prvním zařízením, v jehož komoře by fúzí mělo vznikat podstatně více energie, než kolik je zapotřebí na její udržení. Poměr se trochu měnil s tím, jak se měnil projekt (zmenšoval se kvůli rozpočtu), dnes se počítá, že na každou jednotku energie, která se použije na ohřátí plazmatu, by se mělo uvolnit 10 jednotek energie ze spojování jader v zařízení.

Kompozitní snímek komory tokamaku JET. Levá polovina je "v běhu" s plazmatem, v právi části je nasvícený vnitřek komory během vypnutí (foto UKAEA
Kompozitní snímek komory tokamaku JET. Levá polovina je „v běhu“ s plazmatem, v právi části je nasvícený vnitřek komory během vypnutí (foto UKAEA

JET na něco takového nemohl nikdy dosáhnout. Jednoduše není dost veliký – a velikost je u tokamaků klíčová. Ve větší komoře se částice paliva, tedy vodíku, mohou déle „zdržet“, a mají tedy více času najít si partnera a změnit se na helium. V menším zařízení příliš mnoho atomů paliva uteče z plazmatu ven. Doplňovaný vodík se pak musí ohřívat. To stojí spoustu energie, a tak v důsledku je spotřeba zařízení vyšší, než kolik se uvolní z fúze. Takže aby ITER mohl být „energeticky ziskovým“, musel být zároveň také největším a nejdražším fúzním reaktorem, jaký byl kdy postaven.

Na stavbu ITERu, jehož cena zřejmě přesáhne 20 miliard eur, se nakonec složilo několik desítek zemí světa, včetně České republiky. S podpisem příslušné mezinárodní dohody a začátku stavby v Cadarache na jihu Francie v roce 2007, JET získal jasný hlavní účel. V Británii stojící „Společný evropský torus“ (JET je zkratka výrazu „Joint European Torus“) slouží především jako zkušební zařízení, na kterém se mají ověřovat postupy a techniky navržené pro ITER.

Britský tokamak kvůli tomu prošel důležitou rekonstrukcí v roce 2011. Cílem bylo, aby se JET co nejvíce podobal ITERu. Změn bylo vícero. Dříve byla kupříkladu komory pro plazma (tzv. fúzní komory) z uhlíku. Uhlíková stěna má řadu příznivých vlastností, problémem je ovšem, že uhlíkové vrstvě vzniká radioaktivita a dosti ji poškozují neutrony vylétající z plazmatu. Navíc z uhlíkové stěny uvolňované atomy znečišťují plazma, a tím zhoršují jeho výkony.

JET proto v rámci modernizace dostal nové stěny komory, a to ze stejných materiálů, z jakých budou u ITERU: stěna je tak z beryllia a wolframu. Beryllium je vzácný a lehký stříbřitý kov, jenž se používá jen v některých specifických oblastech, třeba v jaderném průmyslu.

Wolfram je teplotně nesmírně odolný kov s teplotou tání 3 400 °C., se kterým se těžko pracuje. V JET se používá především na tzv. divertory, které najdete ve spodní části fúzní komory, a jde v podstatě o „výfuk“. Magnetická past v tokamacích není a nikdy nebude dokonalá a částice, které se z ní uniknou, se musí z vakuové komory tokamaku odvádět. A k tomu slouží otvor právě divertor.

Je zjevné, že divertor je ohromně tepelně namáhaný. Předpokládá se, že u elektráren budou materiály divertoru muset dlouhodobě snést tepelnou zátěž podobnou té, které by čelily na povrchu Slunce. Na to zřejmě ani wolfram nemusí stačit, a tak se dnes vyvíjejí nové metody, jak problém vyřešit. Některé se budou zkoušet i na připravovaném českém tokamaku COMPASS-U.

Divertor u dna plazmové komory tokamaku COMPASS v pražském Ústavu fyziky plazmatu (foto IPP)
Divertor u dna plazmové komory tokamaku COMPASS v pražském Ústavu fyziky plazmatu (foto IPP)

Z hlediska přípravy na provoz ITERu je také extrémně důležité použité palivo. JET je jediný tokamak současnosti, který prošlo administrativně i technicky složitým schvalovacím procesem na využití radioaktivní „formy“ vodíku (tedy správně izotopu) – tritia. Tato nejtěžší forma vodíku (má v jádře dva neutrony) je vzácná a obtížně se s ní zachází, ovšem pro jadernou fúzi má velmi zajímavé vlastnosti. Lze ho totiž ve stávajících fúzních zařízení „zapálit“ snáze než cokoliv jiného. Tritium by tedy (spolu s jinou „formou“ vodíku, deuteriem) mělo představovat palivo minimálně pro první generaci fúzních elektráren.

Náročné přípravy, které trvaly nakonec i kvůli pandemii déle, než se čekalo, nakonec vyústily v sérii experimentů během šesti měsíců roku 2021. Jejíž výsledky jsme se my jako veřejnost dozvěděli na tiskové konferenci 9. února 2022 (záznam je ke shlédnutí na YouTube).

Vyplývá z nich celkem jednoznačně, že současný výzkum je na správné cestě, a ITER by měl splnit to, co se od něj očekává. Cesta k využití „energie hvězd“ se zdá být náhle mnohem jistější a přímočařejší.

Co se stalo?

Během oné zmíněné šestiměsíční „kampaně“, jak se podobným sériím pokusů s podobnými parametry říká, vědci na JET uskutečnily celou řadu „výstřelů“ s do té doby nevídanými výkony. Výkon plazmatu překračoval obvykle 10 megawattů (MW). V několika případech se dokonce průměrný výkon přiblížil téměř 12 MW. Z plazmatu se totiž během pěti sekund uvolnilo celkem zhruba 59 megawattů energie.  

Pravda, na JET podařilo v minulosti dosáhnout vyššího maximálního výkonu (konkrétně to bylo 16 MW), ale v tomto případě je mnohem důležitější trvání než maximální výkon. Námi zmíněných pět sekund je z hlediska fyziky plazmatu skutečně velmi dlouhá doba. Dalo by se dokonce říci, že nečekaně blízká nekonečnu.

Pokud se totiž podaří plazma udržet v komoře pět sekund, v principu není problém udržet ho třeba pět hodin, komentoval pro novináře výsledky Radomír Pánek, ředitel pražského Ústavu fyziky plazmatu: „Klíčové je, že plazma už bylo stabilní, bylo v takzvaném stacionárním stavu.“ Zjednodušeně můžeme říci, že pokud se v JET podařilo udržet plazma několik desetin sekund, už by bylo ho možné udržet v podstatě neomezenou dobu. Tedy pokud bude fungovat magnetická past, jež rozžhavené plazma drží.

To v případě JET je bohužel nemožné. Jeho magnety jsou totiž z chlazené mědi, nejsou tedy supravodivé. Vzhledem k tomu, jak silné magnetické pole vytvářejí (v tomto případě cca 3,5 Tesla), za provozu v nich vzniká mnoho tepla. Je ho tolik, že chladicí systémy si s ním při této úrovni výkonu neporadí déle než pět sekund.

Mimochodem, ITER podle některých kritiků nevyužívá technologie supravodivých magnetů tak dobře, jak je dnes možné. Magnety z supravodivých slitin nové generace jsou základem technologie start-upu CFS, který chce ITER dosti troufale předběhnout se svým vlastním tokamakem a rychle postavit i fúzní elektrárnu.

I tak by měly systémy ITERu uchladit a udržet jeho magnety v chodu výrazně delší dobu, než třeba v případě JET. Konkrétně se počítá, že při maximální výkonu 500 MW by měl ITER být schopen udržet plazma déle než pět minut (300 sekund). V tomto režimu by právě plazma mělo vydávat desetkrát více energie, než kolik se do něj dodává.

Konstrukční plán sedmipatrové budovy tokamaku ITER. Asi chápete, proč se o něm hovoří jako o nejsložitějším vědeckém projektu všech doba (foto ITER Organization)
Konstrukční plán sedmipatrové budovy tokamaku ITER. Asi chápete, proč se o něm hovoří jako o nejsložitějším vědeckém projektu všech doba (foto ITER Organization)

Při sníženém výkonu 300 MW by měl ITER plazma udržet stabilní kolem hodiny. V tom případě bude „energetická návratnost“ ohřevu nižší, pouze 5:1. „Návratnost“ je v uvozovkách proto, že z ITERu se žádná elektřina vyrábět nebude, jde pořád jen o fyzikální experiment. Skutečná elektrárna bude muset mít poměr „návratnosti“ ještě výrazně vyšší, určitě někde nad 20:1, aby skutečně mohla vydělávat i finančně.

Dodejme také, že ITER by měl těchto výkonů dosáhnout až roky po své plánovaném zprovoznění v roce 2025. Dnes se počítá, že plného výkonu by měl dosáhnout o 10 let později, výsledky z JET však dávají jistou naději, že by to mohlo být i dříve. A pro to, že jsou vlastně „nudné“.

Nijak se totiž neodchýlily od očekávání. Nebylo například zcela vyloučeno, že po zapálení paliva a „rozhoření“ fúze ve větším měřítku se podmínky v plazmatu trochu nezhorší. Jak jsme totiž říkali, běžné tokamaky nepracují s tritiem a směs ve fúzní komoře vlastně „nezapálí“ (tedy fúze při běžných experimentech probíhá v zanedbatelném měřítku). Vědci se tedy trochu obávali, zda v plazmatu nezačnou kvůli vzniku fúzních částic (konkrétně alfa částic) nezačnou vznikat nějaké anomálie, které by narušily stabilitu plazmatu. Naštěstí se obavy nepotvrdily. Zdá se tedy stále jistější, že dnešní modely chování plazmatu jsou dostatečně dobré a přesné, aby dopředu předpověděly chování plazmatu i v ITERu. Možná tedy půjde harmonogram experimentů poněkud urychlit.

Vzhledem k tomu, jak důležitý tento reaktor pro celý obor je, je to skvělá zpráva. Fúzní výzkum nepotřebuje překvapení, potřebujete jistotu a předvídatelnost. Pak by už měl konečně dojít k cíli, ke kterému už zhruba 70 let zbývá „maximálně 20 let“, jak říká fousatý vtip.  

Spojením k energii

  • Jaderná či nukleární fúze je typ jaderné reakce, při které dochází ke slučování atomových jader lehčích prvků v jádra těžších prvků a zároveň k uvolnění energie. Termojaderná fúze probíhající za vysokých teplot je zdrojem energie většiny hvězd včetně Slunce. Jaderná fúze je v principu opakem štěpení jader těžkých prvků.
  • Proti slučování jader působí odpudivá elektrická interakce (obě jádra jsou kladně nabitá). Dostanou-li se však lehká jádra dostatečně blízko k sobě, aby překonala Coulombovu bariéru, převládne nad elektrickou silou přitažlivá jaderná síla a obě jádra se sloučí. Rozdíl mezi klidovými hmotnostmi jader před a po sloučení se uvolní ve formě energie.
  • Jedním ze způsobů, jak může fúze probíhat, je působení vysoké teploty a tlaku, kdy do sebe jádra mohou narazit s dostatečnou energií k překonání coulombovské bariéry. V tom případě mluvíme o termonukleární fúzi.
  • V jádru Slunce a dalších menších hvězd hlavní posloupnosti probíhá takzvaný proton-protonový cyklus, kdy se slučují samotné protony (jádra vodíku) na helium. U větších hvězd ke stejné proměně dochází cyklem C-N-O.
  • Ve starších hvězdách dále dochází k 3-alfa reakci, kdy se protonovým cyklem vytvořené helium přeměňuje na uhlík. Ve větších hvězdách pak fúzemi vznikají i další prvky jako je neon, kyslík nebo křemík. Nejtěžší prvek vznikající ve hvězdách termonukleární fúzí je železo, které má příliš silné vazby (fúze energii neprodukuje, ale spotřebovává) a při jeho nahromadění dochází ke gravitačnímu kolapsu a explozi supernovy. Těžší prvky ve vesmíru vznikají jinými typy nukleosyntézy, například při této explozi.
  • Snaha po využití jaderné fúze jako zdroj energie je předmětem bádání, jehož cílem je vytvořit fúzní reaktor. K tomuto zkoumání slouží zejména tokamaky a stelarátory.
  • Jednorázovou jadernou fúzní reakci není těžké vyvolat (lze jí dosáhnout např. elektrickým výbojem[1]), je ale obtížné udržet ji v reaktoru po delší dobu a zajistit kladnou bilanci získané energie ku dodané.
  • Reakce teoreticky použitelná pro výrobu energie na Zemi je syntéza deuteria a tritia:
  • D + T4He + n
  • Deuterium je v přírodě běžně se vyskytující izotop vodíku. Ve svém jádře obsahuje jeden proton a jeden neutron. Tritium je izotop vodíku, který oproti deuteriu obsahuje ještě jeden neutron navíc. Vyskytuje se velmi vzácně, protože jeho poločas rozpadu je 12 let.

Technologie na oddělování a ukládání uhlíku je dnes technicky zralá. Díky ní se mohou i energeticky náročná odvětví podílet na „zelenání“ ekonomiky, říká Ruth Gebremedhin, zástupkyně organizace Global CCS Institute.

Existují podle vašeho názoru nějaké významné technické překážky, které brání širokému rozšíření technologií ukládání uhlíku (zkráceně CCS, z anglické zkratky „carbon capture and storage“)? Nebo je to především finanční záležitost?

Největší překážka pro zavádění CCS do značné míry souvisí s nedostatkem dobré ekonomické motivace, a k tomu bude zase potřebí nějaké legislativní podpory. Technologie CCS existuje již 50 let a technické prvky týkající se plánování projektů CCS – i když jsou složité – jsou poměrně vyspělé a osvědčené. Aby se zavádění této technologie zrychlilo, bude zapotřebí vypracovat jasnější předpisy v oblasti ukládání uhlíku, která sníží riziko pro investory a zvýší jejich ochotu do projektů vstupovat.

A pokud se nevyskytnou žádné technické problémy, mohla by být technologie rychle nasazena do současných energetických, či průmyslových zdrojů? Lze ji snadno integrovat například do současných elektráren nebo cementáren?

To, kolik času může nasazení potřebovat, se může regionálně lišit. Do značné míry to závisí na dopravní a skladovací infrastruktuře spojené s projektem. Průměrně trvá 5-7 let, než se komerční projekt CCS zavede od počátečních fází plánování až do plného provozu.

A jaké jsou náklady? Mohli by projekty fungovat při současných cenách uhlíku, tedy povolenek, v Evropské unii?

Náklady na CCS se liší v závislosti na odvětví a na typu a kvalitě oxidu uhličitého, který je ze zařízení snižován. Mohou se pohybovat od 20 euro za tunu do 100 eur za tunu zachyceného a uloženého CO2. Pokud jde o trhy s uhlíkem, zvýšená cena uhlíku skutečně podněcuje průmysl k investicím do technologií snižování emisí, jako je CCS, protože povolenky jsou dražší.

Řež úložištěm oxidu uhličitého (foto CCS Institute, překlad SPE)
Řež úložištěm oxidu uhličitého (foto CCS Institute, překlad SPE)

Může se CCS uplatnit v energetice? Nebo je to reálné pouze pro průmysl? Proč? Jak může ovlivnit provozní náklady?

Vzhledem k tomu, že CCS je flexibilní technologie, lze ji použít v širokém spektru průmyslových odvětví, včetně energetiky, výroby cementu, chemické výroby a dalších. Pokud jde o provozní náklady, ty tvoří do značné míry náklady na přepravu a ukládání zachyceného CO2 a také energie potřebná ke každodennímu provozu samotného zařízení, ale jejich výše se projekt od projektu může lišit. Náklady je možné snížit, pokud je linka na separaci uhlíku součástí nějaké větší sítě, ve které infrastrukturu pro přepravu a skladování sdílí mezi sebou několik společnostmi. V evropském regionu se takové sítě zařízení na separaci a ukládání uhlíku ukazují jako nejvhodnější provozní model.

Hodně bylo slyšet o „čistém uhlí“. A co „čistý plyn“? A čistá průmyslová zařízení?

Uhlí se sice již desítky let z velké části používá jako zdroj energie, ale produkuje emise oxidu uhličitého, jejichž množství musí klesnout, pokud chceme do roku 2050 dosáhnout nulových čistých emisí. Podobně je tomu v mnoha dalších průmyslových odvětvích. Zachycování a ukládání uhlíku je účinná technologie, díky které mohou energeticky náročná průmyslová odvětví mohou být součástí zelené přeměny naší ekonomiky.

Může CCS dlouhodobě konkurovat klesajícím cenám obnovitelných zdrojů, třeba ve spojení s bateriemi?

V řešení klimatické krize mají své místo všechny osvědčené technologie a snahy o zmírnění dopadů na klima, včetně zalesňování, solární a větrné energie. Obnovitelné zdroje energie sice rychle zvyšují svůj podíl na výrobě elektřiny, ale dosažení nulových čistých emisí bude vyžadovat také hlubokou dekarbonizaci energeticky náročných odvětví, které nelze dosáhnout pouze elektrifikací. K řešení změny klimatu musíme využít všechny nástroje, které máme k dispozici, včetně obnovitelných zdrojů energie a zachycování a ukládání uhlíku.

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

Celosvětová kapacita CCS se zvyšuje. Je tento nárůst rozložen po celém světě, nebo se soustřeďuje do některých oblastí? A pokud ano, kde a proč? 

Na celém světě je 135 zařízení CCS v různých fázích příprav. Z hlediska počtu nasazených zařízení nadále vede Severní Amerika, kde jich je celkem 78. To je do značné míry způsobeno státní podporou, která motivuje k investicím. Příkladem může být daňová sleva 45Q, na kterou mají nárok projektanti CCS projektů ve Spojených státech.

Ve Spojeném království a v evropském regionu se situace z našeho pohledu výrazně zlepšila a celkem se připravuje 38 projektů na zachycení a ukládání oxidu uhličitého. Vláda Spojeného království vyčlenila více než jednu miliardu liber na podporu zachycování a ukládání uhlíku, přičemž se zaměřila zejména na rozvoj sítí CCS. Evropská Komise dala jasně najevo, že hodlá dál pokračovat v ochraně klimatu, a jejím cílem je do roku 2030 sníží emise o 55 %. Komise se rovněž zavázala zvýšit financování na rozšíření inovativních technologií v oblasti klimatu. Jen v letošním roce Komise zdvojnásobila finanční prostředky určené na inovační fond EU na 20 miliard eur, na které mohou dosáhnout i projekty na separaci a ukládání oxidu uhličitého.

V Asii a Pacifiku se zájem o CCS roste a příbývá regionů, které tuto technologii využívají ke snižování emisí v průmyslu. V různých fázích vývoje je celkem pět projektů. Jen v letošním roce se do klubu zemí, které s technologií experimentují, přidaly Malajsie i Indonésie oznámily.

Co je CCS a co dokáže

CCS je vlastně obdobou metod, které se používají už desítky let při těžbě uhlovodíků, tedy fosilních paliv. Těžaři oxid uhličitý pumpují pod zem, aby se zvýšila těžba ropy z daného naleziště. CO2 vytlačí z horniny uhlovodíky, které by jinak už kvůli poklesu tlaku v nalezišti nebylo možné vytěžit. “Ani oddělení CO2 není z technického hlediska problém. Existuje několik postupů, které je možné nasazovat podle konkrétního zdroje,” vysvětlil v rozhovoru pro náš server geolog Jaromír Leichmann z Masarykovy univerzity.

I když je technologie na pohled jednoduchá, její využití nedává samo o sobě ekonomický smysl. Postup je známý, ale pracný a tedy drahý. Bez nějaké státní podpory nemůže tato technologie dnes rozhodně na trhu konkurovat. Připravují se technologie druhé či třetí generace, které by měly přinést podstatné snížení ceny, ale to je všechno otázka budoucnosti. A ani v jejich případě nebude separace CO2 zadarmo. Bude záležet na tom, zda se společnost rozhodne, že tyto náklady navíc je ochotná zaplatit, či nikoliv. Neexistuje však jiný způsob, jak používat fosilní paliva a nevypouštět do vzduchu další CO2.

Podzemní kapacity pro ukládání CO2 jsou značné a emise uhlíku by mohly výrazně snížit na dlouhou dobu. Pro ČR máme předběžný konzervativní odhad úložné kapacity zhruba 850 milionů tun CO2, což by určitě umožnilo realizovat desítku projektů CCS. Česká republika přitom dnes produkuje ročně zhruba 100 milionů tun CO2, dvěma největšími individuálními producenty jsou elektrárny Počerady a Tušimice s produkcí kolem pěti milionů tun ročně. Celosvětově je potenciál mnohonásobě větší, a je těžké ho spolehlivě odhadnout. Dnes se odhaduje nejméně na stovky let dnešních emisí CO2.

Souvrství hornin musí mít dostatek drobných, milimetrových pórů, které může oxid uhličitý vyplnit. Musí být také dostatečně propustné, aby se mohl CO2 šířit do celého jeho objemu. Nad úložištěm musí být dostatečně silná vrstva těsnicí horniny, která funguje jako „poklička“ a brání pronikání uloženého plynu zpět na zemský povrch. V praxi jsou vhodné třeba některé hluboké geologické vrstvy obsahující vodu, obvykle slanou. Nebo také velmi hluboké a netěžitelné uhelné sloje, případně už vytěžená ložiska ropy a zemního plynu (i když těch třeba v České republice mnoho není).

Z geologické praxe je jasné, že CO2 je nepochybně možné uložit na velmi dlouhou dobu, existuje totiž celá řada geologických systémů, v nichž byl tento plyn zcela přirozeně uložen po dlouhá tisíciletí. A jak jsem už říkal, i lidé mají bohaté zkušenosti, protože CO2 se třeba v ropném průmyslu doslova pumpuje pod zem dlouhá desetiletí, zkušeností je tedy v tomto konkrétním ohledu poměrně dost a postupy dobře propracované.

V ČR byla a je průkopníkem výzkumu této technologie Česká geologická služba historicky, zabývá už od roku 2005. V současné době ČGS koordinuje česko-norský projekt CO2-SPICER, jehož cílem je připravit první české pilotní úložiště CO2 v dotěžovaném ložisku ropy a plynu na jihovýchodní Moravě. Projekt je spolufinancován Norskými fondy a Technologickou agenturou ČR a kromě výzkumných institucí z ČR a Norska je do něj zapojena i firma MND, jejíž účast je zárukou využití výsledků v průmyslové praxi.

Global CCS Institut je mezinárodní think tank, jehož cílem je urychlit zavádění CCS jakožto zásadní technologie pro řešení změny klimatu. Zveřejnění jeho zprávy předchází klimatické konferenci v Glasgow, na níž se sejdou představitelé vlád a pozorovatelské organizace včetně Global CCS Institute, aby vyhodnotili pokrok v oblasti klimatických závazků a podpořili zvýšení ambicí i konkrétní investice.

Firma Rolls-Royce založila novou odnož zaměřenou na vývoj menších jaderných reaktorů. Ta dostala do začátku 400 milionů liber (cca 12 mld. Kč), napůl od soukromých investorů, napůl od britské vlády. Nové typy reaktorů mají zemi pomoci splnit cíl snižování emisí.

Nová „divize“ společnosti ponese název Rolls-Royce SMR. Tři písmena v názvu jsou zkratkou anglické podoby výrazu „malý modulární reaktor“ („small modular reactor“). To je označení pro reaktory, které by měly mít menší výkon než dnešní kolosy a zároveň by se měly stavět do jisté míry „sériově“: z modulů, které se staví ve výrobním závodě, a pak se relativně jednoduše skládají na místě, kde má stát samotná elektrárna.

Nejde přitom rozhodně o exkluzivní nápad společnosti Rolls-Royce, podobné projekty vznikají prakticky po celém světě. Ale jejich realizace vázne, a to hlavně z ekonomických důvodů. Jak to chce změnit známá britská společnost?

Od ponorek k elektrárnám

Firma Rolls-Royce rozhodně není žádný jaderný nováček. Její konstruktéři navrhly tři generace reaktorů pro ponorky britského královského loďstva, její inženýři a dělníci je pak staví.

Navíc na projekt není sama: vede konsorcium osmi dalších firem, které mají zkušenosti z jiných aspektů výstavby jádra. Do konsorcia tedy patří například společnosti stavební, které mají zkušenosti mimo jiné i s velkými infrastrukturní veřejnými zakázkami. Rolls-Royce je ovšem hlavním účastníkem projektu: ve výsledku by měla vlastnit cca 80 procent nově vzniklé společnosti.

Jejím hlavním úkolem bude vyvinout nový typ jaderné elektrárny postavené kolem malého reaktoru využívající osvědčené technologie tzv. lehkovodních reaktorů. Jde tedy v podstatě o zařízení s velmi podobnými výkony a na stejném principu jako jaderné reaktory v Dukovanech (V Temelíně stojí již reaktory výrazně výkonnější). Výkon reaktorů Rolls-Royce by měl být cca 470 megawattů (MW), dukovanské měly původně 440 MW (dnes 505 MW po instalaci lepších turbín). Tento údaj mimochodem také znamená, že striktně řečeno nejde o „malý modulární reaktor“, protože ty podle klasifikace Mezinárodní agentury pro atomovou energie (IAEA) mají výkon do 300 MW.

Hlavní výhodou nového reaktoru by ovšem neměly být rozměry, ale cena. Po rozjezdu výroby by měla jedna jednotka stát méně než dvě miliardy liber (tedy méně než 60 miliard Kč) při výkonu zhruba kolem 470 MW elektrického výkonu.

Pro srovnání: v Británii se dnes staví velké, „tradiční“ reaktory v elektrárně Hinkley Point. Ty vyjdou podle všeho na více na 20 miliard liber (asi 600 miliard korun), přičemž budou mít zhruba třikrát větší výkon než připravovaný reaktor Rolls-Royce.

Velkou roli v tomu hrát sama velikost projektu. Cenu velkých atomových elektráren do značné míry určuje, kolik investor zaplatí na úrocích z peněz, které si na stavbu musel půjčit. Proto dnes velké jaderné elektrárny na běžném komerčním finančním trhu nemají prakticky šanci – objem půjčených peněz by musel být tak veliký, že splácení úvěru se extrémně protáhne a prodraží.

Ze stejného, tedy finančního důvodu, bude projekt malých reaktorů Rolls-Royce poměrně technicky konzervativní. Čím je projekt větší nebo náročnější z technického hlediska, tím riskantnější se může zdát bankám, vysvětlují své rozhodnutí Rolls-Royce a jeho partneři. Pokud by nová jednotka stále méně než dvě miliardy liber, rozhodně by se tím usnadnilo shánění financování.

Zednické inovace

Třetím faktorem, který o finančním úspěchu rozhoduje (a je spjatý s náročností projektu i jeho celkovou velikosti) je čas. Cílem je, aby se stavba nové „malého reaktoru“ Rolls-Royce dala zvládnout do čtyř let – a to od určení a schválení místa až ke schválení k provozu.

Schvalování místa firma nepočítá, protože v první fázi předpokládá, že se bude stavět hlavně na místech, která jsou vyčleněna na stavbu jaderných reaktorů. Například v České republice jsou v podstatě připravená „volná místa“ jak v areálu elektrárny Dukovany, tak Temelín, a na obou by se výhledově měly stavět další bloky.

Harmonogram stavby by pak měl být zhruba následující: zhruba rok a půl až dva roky by měly trvat přípravné práce, při nichž se kopou základy, připravuje se staveniště a tak dále a tak podobně. Tato fáze představuje zhruba 15 % celkových nákladů na elektrárnu. V druhé fázi se na místo dopravují moduly vyrobené ve specializovaném závodě a montují se dohromady.

Právě v této fázi se britské konsorcium chce pokusit přijít s hlavními inovacemi. Jde spíše o záležitosti provozní, které mají zajistit, že zakázka půjde podle plánu a bude hotova přesně na čas.

Jednou takovou inovací má být, že stavba by měla probíhat pod střechou. Půdorys navrhované elektrárny je poměrně malý. Má tvar nepravidelné elipsy o maximální délce zhruba 180 metrů a šířce v nejširším bodě kolem 70 metrů. Tu celou plány Rolls-Royce SMR navrhují ukrýt pod lehkou, ale samozřejmě poměrně odolnou střechou. Má jít o vícenásobně použitelnou konstrukci, která se tedy má přemisťovat ze stavby na stavbu.

Stavba pod střechou má mít celou řadu výhod, ale v případě klasických jaderných elektráren je nepraktická: používají se tam příliš velké díly. Konstrukce například stavbu oddělí od okolí, takže ta méně znečišťuje a obtěžuje okolí. Během stavby není nutné ohlížet se na počasí, které třeba v britských podmínkách v některých částech roku poměrně výrazně omezuje možný rozsah stavebních činnosti. Celá konstrukce také má být funkční: pod střechou se nachází pojezdové jeřáby, které mají zjednodušit práce na staveništi.

Vizualizace možné podoby budovy malé jaderné elektrárny společnosti Rolls-Royce SMR (foto Rolls-Royce SMR)
Vizualizace možné podoby budovy malé jaderné elektrárny společnosti Rolls-Royce SMR (foto Rolls-Royce SMR)

Aby nehyzdila

Když byl návrh nové britské malé elektrárny před několika lety poprvé představen, zaujal také svým vzhledem. Samotná elektrárna je pak rozdělena do několika budov, které jsou ovšem všechny překryty lehkým krytem. Na starších vizualizacích byl často k vidění jako průhledný, na těch současných se spíše objevuje střecha pokrytá (alespoň na pohled) fotovoltaickými panely.

Celý komplex je navržen údajně s ohledem na to, aby elektrárna byla co poměrně málo nápadná, a to hlavně při pohledu z úrovně terénu. Pozorovatel by měl vidět malý pahorek s budovou, která připomíná spíše koncertní halu než průmyslovou budovu. Spodní, zelenou část „pahorku“ tvoří násyp obsahující obsahuje některé pomocné budovy a systémy. Nemá tedy funkci čistě estetickou.

Stavba by tedy neměla rušit, naopak by měla působit pokud možnost nenápadně. Což může jistě být zajímavý způsob, jak se pokusit oblomit odpor alespoň části odpůrců dalšího rozvoje jádra.

Dodejme ovšem, že Rolls-Royce si pečlivě vybíral, co veřejnosti prezentovat. Na jeho vizualizacích například nejsou nikdy vidět chladící věže. Ty skutečně nejsou nutné, pokud v blízkosti leží nějaká dostatečně velká vodní plocha, kterou lze využít k chlazení elektrárny. Ve Velké Británii to často nebývá daleko k moři, ovšem v případě vnitrozemských lokalit, včetně třeba celé České republiky, by ovšem musela stavba obsahovat ještě mohutné chladící věže. A ty nenápadné ani při nejlepší vůli být nemohou.

Nejen na britský trh

První nové „atomové rollsrojsy“ by měly nepochybně vzniknout ve Velké Británii, cílem společnosti je ovšem prodávat pokud možno po celém světě. Jednání o tom, kde přesně by to mohlo být, jsou zatím v rané fázi. V britském případě přichází ovšem v úvahu zhruba pět lokalit, na kterých by mohlo stát celkem maximálně 16 bloků.

Společnost má alespoň zatím ambiciózní časový harmonogram. První z nových bloků by měl stát v roce 2030. Ovšem již v roce 2035 by firma ráda viděla v provozu 10 svých malých reaktorů.

Na druhou stranu, Rolls-Royce SMR by mohl mít zajištěný odbyt. Ve Velké Británii totiž platí zákon o zajištění uhlíkové neutrality do roku 2050. Stát tedy musí tlačit na snižování emisí oxidu uhličitého v elektroenergetice. Jaderné zdroje přitom jsou osvědčenou možností, jak uhlíkovou stopu snížit.

Ovšem modulární stavba reaktorů je nejen pro Rolls-Royce skutečně novinkou. Bez zajištění dostatečného počtu zakázek, a tedy v podstatě „sériové“ výroby modulů, se tento ekonomický model nikdy nemůže vyplatit. Jinak bude naopak na jednotku výkonu výrazně dražší než tradiční velké jaderné zdroje. A jak jsme připomněli i my, ty jsou dnes dost drahé na to, aby to alespoň v západních zemích celkem spolehlivě pohřbilo šance na nějakou „renesanci“ těchto velkých zdrojů.

Budou malé lepší?

Malé reaktory se „papírově“ v posledních letech těší stále větší pozornosti. Mezinárodní agentura pro atomovou energii ke konci roku 2020 registrovala 70 konkrétních návrhů malých modulárních reaktorů. Nejdále v jejich vývoji pokročily firmy z jaderných mocností, jejichž vlády pokrok v oblasti jaderných technologií různými způsoby přímo podporují. Týká se to USA, Ruska, Číny, Francie i Velké Británie. Technologie SMR vyvíjí rovněž Kanada, Jižní Korea, Indonésie, Argentina a Saudská Arábie.

V dubnu 2021 schválila první projekt SMR o výkonu 125 MW například čínská vláda. Modul, který vychází z domácí technologie ACP 1000 má být v jaderné elektrárně Čchang-ťiang v provincii Chaj-nan uveden do provozu dokonce už v roce 2026.

Rusko má jako tradičně velké ambice, ale slabší reálné výkony. Ovšem v oblasti malých reaktorů si nevede tak špatně. Na konci roku 2019 připojilo k síti plovoucí jadernou elektrárnu Akademik Lomonosov se dvěma reaktory s celkovým výkonem 70 MW. Prakticky všichni ostatní o podobných zdrojů zatím jen mluví.

Situace se ale snad pomalu mění. A to i na Západě, který se aktivně snaží omezovat emise oxidu uhličitého, přitom mu však stále chybí spolehlivý a předvídatelný bezemisní zdroj.

Ukázka malé elektrárny se dvěma reaktory ACP100 (foto CNNC)
Ukázka malé elektrárny se dvěma malý připravovanými čínskými reaktory ACP100 (foto CNNC)

Kapka ke kapce

Na jaře roku 2020 udělilo ministerstvo energetiky USA kalifornské společnosti Oklo povolení k zahájení testů rychlého neutronového mikroreaktoru Aurora s výkonem 1,5 MW.

V srpnu 2020 se SMR další americké firmy NuScale Power stal prvním a zatím jediným projektem tohoto druhu na světě, který obdržel osvědčení národního úřadu pro jadernou bezpečnost, že splňuje všechny jeho bezpečnostní požadavky. NuScale Power předpokládá, že první elektrárnu složenou z dvanácti samostatných modulů, z nichž každý bude mít výkon 77 MW, spustí v Idahu v roce 2027.

Letos v březnu slíbila kanadská vláda 45 milionů USD (téměř jednu miliardu korun) na podporu vývoje 300 MW solného reaktoru společnosti Moltex Energy Ltd. a kanadský federální regulátor v současné době přezkoumává zhruba deset dalších návrhů SMR.

Kanada je každopádně z různých důvodů v poměrně dobrém postavení, aby podobný systém dotáhla do praxe. Tamní firmy nemají sice kapitálové možnosti například amerických protějšků, mají však poměrně výraznou politickou podporu a dlouholetou tradici domácího jaderného průmyslu.

Kanadský trh je velmi specifický a v jiných podmínkách by sázka na rozvoj malých modulárních reaktorů měla zřejmě menší naděje na úspěch. Nedávná analýza jejich zavedení v českých podmínkách, kterou vedl František Hezoučký, dospěla k závěru, že tato technologie by byla v důsledku nejméně několikanásobně dražší než klasické, velké reaktory chlazené a moderované lehkou vodou.

V Kanadě to ovšem na řadě míst nemusí platit, protože tam stále řeší budování zdrojů energie v odlehlejších oblastech. Výstavba velkých reaktorů je v takových oblastech z praktických důvodů nesmyslná, ať již proto, že mají příliš veliký výkon, nebo by doprava dílů do takových oblastí byla prakticky nemožná. Ekonomické výhledy mohou také samozřejmě změnit i dodávky tepla z reaktoru, zvláště pokud se podaří dodržet slibované parametry. Jak jsme již ale uvedli, jde zatím o nevyzkoušenou technologii. Nasazení musí předcházet demonstrace takového systému.

Francouzský energetický gigant EDF je lídrem národního francouzského konsorcia, které vyvíjí lehkovodní reaktor 170 MW navržený tak, aby se mohl stát náhradou středně velkých elektráren na fosilní paliva. EDF podle vedoucího její divize nových jaderných projektů Xaviera Ursata očekává, že po roce 2030 bude řada zemí potřebovat nahradit ropné, uhelné a případně plynové elektrárny, jejichž areály budou ideálním místem pro instalaci SMR. Základní konstrukce francouzského reaktoru má být dokončena příští rok a mezitím chce EDF přesvědčit vládu, aby už do roku 2030 umožnila výstavbu pilotního zařízení, které se stane referenčním vzorkem a odrazovým můstkem k obchodní expanzi.

Na vývoji SMR pracuje také české Centrum výzkumu Řež, které je součástí skupiny ČEZ. V lednu loňského roku získal jeho projekt malého modulárního reaktoru s označením Energy Well patent Úřadu průmyslového vlastnictví a nyní probíhá příprava na výstavbu experimentální jednotky. Cesta k případné realizaci bude ovšem ještě velmi dlouhá, a jiné společnosti a subjekty mají veliký náskok.

Společnost Helion Energy, technologický start-up zaměřený na využití termojaderné fúze k výrobě elektřiny, získala v novém kole financování od investorů 500 milionů dolarů. Hodnota celé společnosti byla v tomto kole naceněna na tři miliardy dolarů.

Firma vznikla v roce 2013 skupinou odborníků, kteří hledají novou cestu k využití procesu, který dodává energii hvězdám: tedy slučování jader atomů za vysokých teplot. Zjednodušeně řečeno chce postavit jakousi obdobu naftového motoru. Do speciální komory se „vystřelují“ malé obláčky rozžhaveného plazmatu, obvykle dva proti sobě, které se srazí, a pak ještě stlačí silným magnetickým polem. V obláčku mají vzniknout tak extrémní podmínky, aby docházelo ke slučování jader ve větším měřítku. V komoře se tak bude uvolňovat energie, která se má využít k výrobě elektřiny.

Tento princip nikdy nebyl na větším zařízení využit. Většina odborníků z oboru dnes za nejslibnější princip považuje reaktory, ve kterých plazma delší či kratší domu mají udržet silné magnety (celý princip se nazývá obecně „magnetické udržení“). Nejčastějším reaktorem tohoto typu jsou tzv. tokamaky, které se staví již zhruba 70 let, a na celém světě jich vzniklo větších či menších cca 250.

Proti tomu zařízení Helion Energy je z velké v podstatě nové a unikátní. Těžko si tedy představit, že by společnost při jeho stavbě nemusela řešit nečekané problémy, které mohou zhatit i ty nejlépe připravené plány.

Firma první větší zařízení teprve staví. S konstrukcí začala v červenci roku 2021 poblíž města Everettu ve státě Washington, kde má sídlo. Mělo by jít o zařízení, které bude z jaderné fúze podstatně více energie, než se spotřebuje na ohřátí plazmatu (nevíme, jestli více, než se spotřebuje na všechny ostatní systémy). Takový „energeticky ziskový“ fúzní reaktor zatím ještě nikdo nepostavil.

I když nemá „mnoho v ruce“, firma je zatím velmi optimistická i co se týče časových výhledů. Podle jejich odhadů by své velké zařízení měla zprovoznit v roce 2024, a prakticky okamžitě ukázat, že je použitelné k výrobě většího množství energie, potažmo elektřiny. Během několika dalších let by pak chtěla vyvinout demonstrátor skutečné elektrárny.

Je asi zbytečné říkat, že dodržení tohoto harmonogramu by bylo ohromným překvapením. O zvládnutí jaderné fúze se lidstva snaží již téměř 100 let. A výsledky zatím vždy zaostávaly za očekáváními.

Největší investor

Půl miliardy dolarů by byla významná pomoc pro drtivou většinu mladých společností, v oboru jaderné fúze je to zcela mimořádné. Soukromé fúzní snahy získaly od 90. let 20. století finanční prostředky v celkové výši nízkých jednotek miliard. Nejlepší, byť neúplný odhad, zhruba 1,8 miliardy dolarů, uvádí zpráva o stavu fúzního průmyslu, kterou letos – a to vůbec poprvé – zveřejnily Asociace fúzního průmyslu (FIA) a britský Úřad pro atomovou energii (UKAEA).

Největším investorem v tomto kole byl Sam Altman, známá postava Silicon Valley. Altman byl v letech 2014 až 2019 prezidentem startupové dílny Y Combinator v Silicon Valley a nyní je generálním ředitelem organizace Open AI, která se zabývá výzkumem umělé inteligence a kterou spoluzaložil s Elonem Muskem a dalšími. (Musk od té doby odstoupil s odvoláním na střet zájmů v souvislosti s aktivitami společnosti Tesla v oblasti umělé inteligence). Altman byl také velkým zastáncem univerzálního základního příjmu, tedy myšlenky, že by vláda měla každému občanovi poskytnout základní životní minimum jako kompenzaci za technologické poruchy, které činí některá pracovní místa irelevantními.

Před lety si Altman údajně sestavil seznam technologií, do kterých by se chtěl zapojit, a umělá inteligence a energetika byly na prvním místě tohoto seznamu. Do Helion Energy poprvé investoval v roce 2015, tehdy to bylo 9,5 milionu dolarů.

Hvězdné sliby

Zmíněná zpráva o stavbu „fúzního oboru“ ukazuje, že Helion není zdaleka jedinou společností, která tvrdí, že její úspěch je za rohem. Většina autory zprávy oslovených soukromých fúzních společností údajně očekává (či alespoň autorům řekla), že fúzní energie bude dodávat elektřinu do sítě v roce 2030.

Zpráva uvádí, že na světě existuje nejméně 35 soukromých společností zabývajících se jadernou fúzí. Většina z nich je soustředěna v USA a Evropě. Z těchto 35 společností se jich tucet prohlásil za společnosti v rané fázi vývoje nebo fungující „v režimu utajení“, a proto odmítly poskytnout bližší informace. U zbývajících 23 společností 12 z nich uvedlo, že zahájily činnost teprve v posledních pěti letech.

Ačkoli ne všechny společnosti uvedly výši finančních prostředků, které obdržela, 18 společností, které tak učinily, do dnešního dne nashromáždilo téměř 1,8 miliardy dolarů plus dalších 85 milionů dolarů v grantech a jiných finančních prostředcích od vlád. Čtyři z největších hráčů na poli soukromé fúze – Commonwealth Fusion Systems, General Fusion, TAE Technologies a Tokamak Energy – se na tomto objemu podílí velkou většinou: 85 procenty.

Podle zprávy je nejoblíbenější technikou fúze, kterou společnosti využívají, magnetické udržení, při němž se k zadržení vysokoteplotního plazmatu používají magnetická pole. Zatímco výroba elektřiny je hlavním cílem soukromých společností zabývajících se jadernou fúzí, téměř polovina firem vidí využití této technologie také v pohonu pro vesmírné lodě (jak jsme říkali, jsou to optimisté) a na dalších trzích včetně lodního pohonu, vodíkového paliva a průmyslového tepla.

Ambiciózní cíle

V nadcházejícím desetiletí bude největším experimentem v oblasti jaderné fúze tokamak ITER, který se v současné době staví ve Francii a jehož spuštění se očekává koncem roku 2020. Jedná se o výzkumný reaktor, v jehož plazmatu má vznikat zhruba 10krát více energie, než kolik je zapotřebí k jeho ohřevu.

ITER je ovšem stále experimentální zařízení, které nikdy nebude dodávat elektřinu do sítě. Ve fúzním výzkumu se obecně předpokládá, že výrobu elektřiny poprvé vyzkouší další generace zařízení, která by mohla začít pracovat někdy kolem poloviny 21. století. Například Velká Británie v současné době projektuje prototyp zařízení STEP, které by mělo být v provozu ve 40. letech 21. století. Řada států Evropské unie zase předběžně spolupracuje na přípravě projektu známého jako DEMO.

Navzdory tomuto časovému horizontu se podle zprávy většina soukromých společností domnívá, že tohoto cíle mohou dosáhnout dříve – i když v menším měřítku. Více než dvě třetiny společností oslovených pro účely zprávy se domnívají, že elektřina vyrobená z jaderné fúze by se mohla dostat do sítě v roce 2030, zatímco 20 % si myslí, že to bude spíše ve 40. nebo 50. letech tohoto století.

„Tato zpráva ukazuje, jak se soukromý fúzní průmysl, převážně mimo zájem veřejnosti, přibližuje ke komerčnímu využití fúzní energie,“ říká ředitelka komunikace FIA Melanie Windridgeová. „Ambiciózní časové plány, na které upozornil náš první průzkum, ukazují, s jakým zápalem a odhodláním se toto rostoucí odvětví rozvíjí.“ Další možností samozřejmě je, že společnosti přeceňují obtíže spojené s dosažením deklarovaného cíle, nebo nechtějí odradit investory.

Windridgeová řekla časopisu Physics World, že pokud má mít fúze významný dopad na cíle v oblasti změny klimatu, pak bude první výroba elektřiny nutná v roce 2030 a komerční zavádění se rozběhne v roce 2040. To však nebude jen výsledkem činnosti soukromých firem.

„Společnosti si uvědomují význam spolupráce veřejného a soukromého sektoru, zejména v oblasti technologií, jako je šlechtění tritia a nové materiály,“ dodává Windridge. „Vyzýváme k větší podpoře partnerství veřejného a soukromého sektoru, abychom jim pomohli realizovat jejich ambice.“

Spojením k energii

  • Jaderná či nukleární fúze je typ jaderné reakce, při které dochází ke slučování atomových jader lehčích prvků v jádra těžších prvků a zároveň k uvolnění energie. Termojaderná fúze probíhající za vysokých teplot je zdrojem energie většiny hvězd včetně Slunce. Jaderná fúze je v principu opakem štěpení jader těžkých prvků.
  • Proti slučování jader působí odpudivá elektrická interakce (obě jádra jsou kladně nabitá). Dostanou-li se však lehká jádra dostatečně blízko k sobě, aby překonala Coulombovu bariéru, převládne nad elektrickou silou přitažlivá jaderná síla a obě jádra se sloučí. Rozdíl mezi klidovými hmotnostmi jader před a po sloučení se uvolní ve formě energie.
  • Jedním ze způsobů, jak může fúze probíhat, je působení vysoké teploty a tlaku, kdy do sebe jádra mohou narazit s dostatečnou energií k překonání coulombovské bariéry. V tom případě mluvíme o termonukleární fúzi.
  • V jádru Slunce a dalších menších hvězd hlavní posloupnosti probíhá takzvaný proton-protonový cyklus, kdy se slučují samotné protony (jádra vodíku) na helium. U větších hvězd ke stejné proměně dochází cyklem C-N-O.
  • Ve starších hvězdách dále dochází k 3-alfa reakci, kdy se protonovým cyklem vytvořené helium přeměňuje na uhlík. Ve větších hvězdách pak fúzemi vznikají i další prvky jako je neon, kyslík nebo křemík. Nejtěžší prvek vznikající ve hvězdách termonukleární fúzí je železo, které má příliš silné vazby (fúze energii neprodukuje, ale spotřebovává) a při jeho nahromadění dochází ke gravitačnímu kolapsu a explozi supernovy. Těžší prvky ve vesmíru vznikají jinými typy nukleosyntézy, například při této explozi.
  • Snaha po využití jaderné fúze jako zdroj energie je předmětem bádání, jehož cílem je vytvořit fúzní reaktor. K tomuto zkoumání slouží zejména tokamaky a stelarátory.
  • Jednorázovou jadernou fúzní reakci není těžké vyvolat (lze jí dosáhnout např. elektrickým výbojem[1]), je ale obtížné udržet ji v reaktoru po delší dobu a zajistit kladnou bilanci získané energie ku dodané.
  • Reakce teoreticky použitelná pro výrobu energie na Zemi je syntéza deuteria a tritia:
  • D + T4He + n
  • Deuterium je v přírodě běžně se vyskytující izotop vodíku. Ve svém jádře obsahuje jeden proton a jeden neutron. Tritium je izotop vodíku, který oproti deuteriu obsahuje ještě jeden neutron navíc. Vyskytuje se velmi vzácně, protože jeho poločas rozpadu je 12 let.

Oprava: V článku bylo chybně uvedeno, že zařízení STEP má být uvedeno do provozu ve 40. letech 20. století, místo správného 21. století. Za omyl se omlouváme.

Lidstvo ukládá stále větší část skleníkových plynů pod zem. Podle think tanku Global CCS Institute se rozjíždí boom technologií zachytávání a ukládání oxidu uhličitého (CCS). V roce 2021 vzrostl celkový počet komerčních projektů ve fázi přípravy a zařízení v provozu o 71 na 135, tedy o 90 %.

Kapacita systémů na zachycování a ukládání CO2 u všech sledovaných projektů zvýšila se již čtvrtým rokem v řadě. Merizoční skok byl mimořádný, téměř o třetinu. Celou zprávu o globálním stavu CCS za rok 2021 najdete zde.

Jak naučit staré palivo nové triky

Technologie by měla jednoduše řečeno umožnit další využívání fosilních paliv, a tedy stávající infrastruktury bez vypouštění dalšího uhlíku do ovzduší. Experti považují technologii CCS za základní prvek pro dosahování globálních cílů v oblasti ochrany klimatu.

Účinnost zachycení CO2 se obvykle pohybuje mezi 80 a 99 procenty, v závislosti na technologii. V podstatě je to však jediný způsob, jak s fosilního zdroje udělat zdroj nízkouhlíkový. Pokud bychom tedy opravdu chtěli vybudovat „nízkouhlíkovou ekonomiku“ a stále používat třeba uhlí či zemní plyn, jinou možnost než technologii separace CO2 a jeho ukládání nemáme.

„Pro dosažení čistých nulových emisí je technologie CCS naprosto zásadní a my předpokládáme, že růst v této oblasti bude pokračovat i nadále, protože klimatické ambice se stále více mění v konkrétní činy. CCS se stane nedílnou součástí dekarbonizace energetiky a průmyslových odvětví, jako je výroba cementu, hnojiv a chemických látek, a zároveň otevře nové příležitosti v oblastech, jako je například čistý vodík,“ řekl generální ředitel Global CCS Institute Jarad Daniels.

Velmi pomalý start

Projekty CCS se i přes svůj zajímavý potenciál dlouho nemohly dostat ani do fáze větších praktických experimentů. Cena byla příliš vysoká. A svou roli sehrálo i to, že i proti ukládání uhlíku existuje jistý politický odpor. Podle některých totiž v podstatě jen prodlužuje naši závislost na fosilních palivech, které se prostě musíme zbavit.

Evropské plány počítaly s rozjezdem několika velkých projektů do roku 2015, které měly být financovány z průmyslem odkoupených emisních povolenek. Ceny povolenek ovšem byly nečekaně nízké, a peníze se tak nenašly. Situace se ovšem změnila. Ceny povolenek jsou dnes nepříjemně vysoké, a CCS je jednou možností, jak si s rostoucí cenou uhlíku poradit (dodejme, že tento růst ceny uhlíku není problém jen čistě podniků a výrobců v EU, promítně se do ní nejspíše i zvažované uhlíkové clo, případně a daně ve státech i mimo Evropu.)

Podle roční zprávy o globálním stavu CCS existuje dnes na celém světě 135 komerčních zařízení, z nichž 27 je plně v provozu, 4 ve výstavbě a 102 v různých fázích přípravy. Aktuálně fungující zařízení jsou schopna ročně uložit 36,6 milionů tun CO2. Kapacita všech připravovaných zařízení letos vzrostla oproti roku 2020 o 48 % na 111 milionů tun. Pokud by se tedy podařilo dokončit všechny rozpracované projekty, celková roční kapacita by dosáhla téměř 150 milionů tun.

V zavádění technologie CCS zůstávají nadále globálním lídrem Spojené státy americké, které v roce 2021 oznámily více než 40 nových projektů. To lze přičíst daňovým úlevám, silnějším závazkům v oblasti klimatu včetně opětovného připojení k Pařížské dohodě i očekávanému nárůstu poptávky po nízkouhlíkových energetických produktech. Pozadu však nezůstává ani Evropa, kde kromě tradičních bašt CCS typu Norska, Nizozemí či Velké Británie vyvíjejí nová komerční zařízení Belgie, Dánsko, Itálie či Švédsko.

I v Česku

„V České republice byla technologie CCS až donedávna na okraji zájmu; v poslední době se však začíná více a více dostávat do povědomí odborné veřejnosti. Důvodem je jednak klimatická politika EU se zpřísněnými cíli redukce emisí do roku 2030 a klimatickou neutralitou v roce 2050, jednak rostoucí ceny emisních povolenek, které letos dosáhly rekordní výše.

Průmyslové podniky vypouštějící emise CO2 do atmosféry se tak stále naléhavěji snaží najít trvale udržitelné řešení, jak tyto emise redukovat. Pro řadu z nich se technologie CCS nabízí jako jedna z mála schůdných variant, často i jako jediná reálná varianta,“ říká Vít Hladík z České geologické služby.

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

Česká geologická služba historicky byla a stále je průkopníkem CCS v ČR; výzkumem v tomto oboru se zabývá už od roku 2005. V současné době ČGS koordinuje česko-norský projekt CO2-SPICER, jehož cílem je připravit první české pilotní úložiště CO2 v dotěžovaném ložisku ropy a plynu na jihovýchodní Moravě. Projekt je spolufinancován Norskými fondy a Technologickou agenturou ČR a kromě výzkumných institucí z ČR a Norska je do něj zapojena i firma MND, jejíž účast je zárukou využití výsledků v průmyslové praxi.  

Technologie CCS dnes nachází čím dál tím rozmanitější uplatnění v řadě odvětví, včetně výroby energie, zkapalněného zemního plynu (LNG), cementu, oceli, přeměny odpadu na energii, přímého zachytávání CO2 ze vzduchu s jeho následným uložením a výroby vodíku. Přitom začíná dominovat provozní model tzv. CCS klastrů, v němž více zdrojů emisí sdílí společnou dopravní a úložnou infrastrukturu.

Co je CCS a co dokáže

CCS je vlastně obdobou metod, které se používají už desítky let při těžbě uhlovodíků, tedy fosilních paliv. Těžaři oxid uhličitý pumpují pod zem, aby se zvýšila těžba ropy z daného naleziště. CO2 vytlačí z horniny uhlovodíky, které by jinak už kvůli poklesu tlaku v nalezišti nebylo možné vytěžit. „Ani oddělení CO2 není z technického hlediska problém. Existuje několik postupů, které je možné nasazovat podle konkrétního zdroje,“ vysvětlil v rozhovoru pro náš server geolog Jaromír Leichmann z Masarykovy univerzity.

I když je technologie na pohled jednoduchá, její využití nedává samo o sobě ekonomický smysl. Postup je známý, ale pracný a tedy drahý. Bez nějaké státní podpory nemůže tato technologie dnes rozhodně na trhu konkurovat. Připravují se technologie druhé či třetí generace, které by měly přinést podstatné snížení ceny, ale to je všechno otázka budoucnosti. A ani v jejich případě nebude separace CO2 zadarmo. Bude záležet na tom, zda se společnost rozhodne, že tyto náklady navíc je ochotná zaplatit, či nikoliv. Neexistuje však jiný způsob, jak používat fosilní paliva a nevypouštět do vzduchu další CO2.

Podzemní kapacity pro ukládání CO2 jsou značné a emise uhlíku by mohly výrazně snížit na dlouhou dobu. Pro ČR máme předběžný konzervativní odhad úložné kapacity zhruba 850 milionů tun CO2, což by určitě umožnilo realizovat desítku projektů CCS. Česká republika přitom dnes produkuje ročně zhruba 100 milionů tun CO2, dvěma největšími individuálními producenty jsou elektrárny Počerady a Tušimice s produkcí kolem pěti milionů tun ročně. Celosvětově je potenciál mnohonásobě větší, a je těžké ho spolehlivě odhadnout. Dnes se odhaduje nejméně na stovky let dnešních emisí CO2.

Souvrství hornin musí mít dostatek drobných, milimetrových pórů, které může oxid uhličitý vyplnit. Musí být také dostatečně propustné, aby se mohl CO2 šířit do celého jeho objemu. Nad úložištěm musí být dostatečně silná vrstva těsnicí horniny, která funguje jako „poklička“ a brání pronikání uloženého uloženého plynu zpět na zemský povrch. V praxi jsou vhodné třeba některé hluboké geologické vrstvy obsahující vodu, obvykle slanou. Nebo také velmi hluboké a netěžitelné uhelné sloje, případně už vytěžená ložiska ropy a zemního plynu (i když těch třeba v České republice mnoho není).

Z geologické praxe je jasné, že CO2 je nepochybně možné uložit na velmi dlouhou dobu, existuje totiž celá řada geologických systémů, v nichž byl tento plyn zcela přirozeně uložen po dlouhá tisíciletí. A jak jsem už říkal, i lidé mají bohaté zkušenosti, protože CO2 se třeba v ropném průmyslu doslova pumpuje pod zem dlouhá desetiletí, zkušeností je tedy v tomto konkrétním ohledu poměrně dost a postupy dobře propracované.

„Rychlost rozvoje CCS, kterou jsme za poslední rok zaznamenali, je značná, ale k dosažení cílů v oblasti klimatu je zapotřebí udělat víc,“ uvedla Guloren Turan, generální ředitelka pro podporu a komunikaci Global CCS Institute. „Scénář udržitelného rozvoje Mezinárodní energetické agentury předpokládá, že technologie CCS by měla k celkovému globálnímu snížení emisí CO2 do roku 2050 přispět 15 procenty, což vyžaduje stonásobné zvýšení stávající kapacity provozních zařízení.  A třebaže je rychlost rozvoje CCS velice slibná, tak k dosažení klimatických cílů do roku 2050 je zapotřebí ještě rychlejší zavádění odpovídajících technologií.“

Global CCS Institut je mezinárodní think tank, jehož cílem je urychlit zavádění CCS jakožto zásadní technologie pro řešení změny klimatu. Zveřejnění jeho zprávy předchází klimatické konferenci v Glasgow, na níž se sejdou představitelé vlád a pozorovatelské organizace včetně Global CCS Institute, aby vyhodnotili pokrok v oblasti klimatických závazků a podpořili zvýšení ambicí i konkrétní investice.

Mezinárodní agentura pro energii (IEA) ve své čerstvě vydané souhrnné zprávě World Energy Outlook varuje, že rozvoj čisté energetiky je příliš pomalý na to, aby se podařilo dosáhnout stanoveného cíle, tedy nulových emisí uhlíku do roku 2050.

Ve zprávě, jež by měla posloužit i jako příručka pro světové lídry, kteří se na přelomu října a listopadu sjedou na klimatický summit do skotského Glasgowa, IEA upozorňuje na to, že emise uhlíku se do poloviny století sníží o pouhých 40 %, pokud země zůstanou u svých aktuálních klimatických závazků. Podle agentury si změna strategie a politiky, nutná k zahlazení stávajícího deficitu, vyžádá jen v příštím desetiletí zhruba 4 miliardy amerických dolarů nad rámec již předpokládaných „klimatických“ investic.

Zpráva IEA dále uvádí, že zatímco prodeje elektromobilů dosáhly v roce 2020 nových rekordů a budování obnovitelných zdrojů energie, jako je větrná energetika a fotovoltaika, pokračovalo v rychlém růstu, lze ke každému údaji dokládajícímu rychlost pozitivní změny energetiky uvést jiný, méně pozitivní, který je spíše dokladem stagnace.

Rychlé, ale nerovnoměrné hospodářské oživení po loňské hluboké recesi způsobené koronavirovou pandemií nyní významně zatěžuje celosvětovou energetickou infrastrukturu. V nedávné době došlo k prudkému růstu cen na trzích se zemním plynem, uhlím a elektřinou, což nyní zakoušíme na vlastní kůži i v České republice.

„Navzdory veškerému příznivému vývoji, k němuž přispívají obnovitelné zdroje a elektromobilita, dochází v roce 2021 k velkému oživení využívání uhlí a ropy,“ pokračuje zpráva. Proto také v letošním roce došlo k druhému největšímu ročnímu nárůstu emisí CO2 v historii.

Špatné scénáře

Zpráva předkládá několik scénářů budoucího vývoje. Jeden z nich předpokládá, že by téměř veškerý růst poptávky po energii do roku 2050 zajišťovaly nízkoemisní zdroje. I když to zní slibně, IEA varuje, že roční emise by zůstaly zhruba na dnešní úrovni. Celosvětová průměrná teplota by se tak i nadále zvyšovala a v roce 2100 by mohla být až o 2,6 °C nad úrovní před průmyslovou revolucí.

Další scénář pracuje s variantou, že závazky nulových emisí, které řada zemí přijala, budou realizovány včas. I tehdy by ale globální nárůst průměrné teploty v roce 2100 činil přibližně 2,1 °C nad úrovní v době těsně před průmyslovou revolucí. I při dosažení nulových emisí ve stanovené době by tedy teplotní trend byl stále značně nepříznivý.

Letošní klimatický summit COP26 se tak bude odehrávat v poněkud temném stínu Pařížské dohody z roku 2015. Tato dohoda, kterou OSN označila za právně závaznou mezinárodní smlouvu o změně klimatu, má za cíl omezit globální oteplování na méně než 2 °C, nejlépe na 1,5 °C ve srovnání s předindustriální úrovní. Jedná se nepochybně o náročný závazek, ale OSN zcela jasně prohlásila, že 1,5 °C je považováno za horní hranici, pokud jde o předcházení nejhorším důsledkům změny klimatu. Pokud by totiž pokračovala současná trajektorie emisí CO2, OSN varuje, že celosvětová průměrná teplota by se v jejich důsledku do konce století mohla zvýšit až o 4,4 °C.

Do špinavých zdrojů již neinvestovat

Výkonný ředitel IEA Fatih Birol v komentáři k nově publikované zprávě uvedl: „Celosvětová obrovská síla čisté energetiky naráží na hlubokou zakořeněnost fosilních paliv v našich energetických systémech. Národní vlády musí tento problém vyřešit na nadcházejícím klimatickém summitu tím, že dají jasný a nezaměnitelný signál, že jsou odhodlány rychle rozšířit čisté technologie budoucnosti,“ napsal dále Fatih Birol. Sociální a ekonomické zisky plynoucí ze zrychlení přechodu na čistou energii mohou podle něj být opravdu značné, ale obrovská by mohla být i cena za nečinnost.

Světoví lídři, kteří za několik týdnů přijedou do Glasgowa, by se proto podle Fatiha Birola měli sjednotit a investorům z celého světa jasně říci, jaké jsou priority. Mimo jiné by jim měli vzkázat to, že riskují ztrátu peněz, pokud budou i nadále pokračovat v investování do „špinavých“ zdrojů energie.

Rusko přijalo současnou nejistotu ohledně poptávky po vodíku a jeho komerční životaschopnosti a doufá, že se mu s pomocí západních partnerů podaří v příštích letech toto odvětví transformovat, protože tlak dovozců na čistší palivo sílí.

Podle vodíkové strategie se Rusko stane jedním ze světových lídrů ve výrobě a vývozu vodíku, přičemž do roku 2030 chce dosáhnout 20% podílu na světovém trhu a do roku 2035 vyvézt 2 miliony tun vodíku ročně a do roku 2050 15-50 milionů tun ročně.

Konečný cíl 50 milionů mt/rok vývozu vodíku by odpovídal přibližně 160 miliardám kubíků zemního plynu ročně. „To by v podstatě nahradilo veškerý dnešní vývoz zemního plynu z Ruska do Evropy vodíkem,“ uvedla analytická společnost S&P Global Platts.

Vzhledem k tomu, že spotové ceny zemního plynu v Evropě vzrostly na rekordní hodnoty, obrátily se všechny oči na ropném a plynárenském fóru v Ťumeni v polovině září opět k rozvoji vodíkového sektoru jako potenciální alternativě zemního plynu.

Rusko zvažuje rozvoj vodíkových projektů založených na jaderné energii, zemním plynu a obnovitelných zdrojích a plánuje využít domácí zdroje, stávající trasy dodávek energie a blízkost potenciálních budoucích spotřebitelů v Evropě a Asii.

Plánuje se vytvoření nejméně tří vodíkových klastrů – na severozápadě pro vývoz do Evropy, na východě pro dodávky do Asie a v Arktidě pro domácí využití vodíku a potenciální vývoz.

„Dialog s Evropou“

Zatímco Rusko se v současné době zaměřuje především na výrobu tzv. šedého a modrého vodíku na bázi zemního plynu, otázkou zůstává, zda jej budou kupovat evropští zákazníci, kteří mohou upřednostňovat zelený vodík kvůli jeho ekologickým přínosům.

V současné době jsou náklady na modrý vodík v Evropě nižší než na zelený. Společnost S&P Global Platts ocenila 16. září vodík vyráběný z plynu s CCS včetně investičních nákladů a uhlíku na 4,21 Eur/kg, zatímco ocenění vodíku vyráběného z obnovitelných zdrojů pomocí elektrolýzy bylo vyšší a činilo 9,75 Eur/kg.

Ruské ministerstvo energetiky tvrdí, že se zachycováním uhlíku lze eliminovat až 90 % emisí z vodíku vyráběného z plynu. „Potřebujeme dialog [s Evropou] o tomto plánu. Mohlo by se podařit vyjednat, že tento de facto zelený vodík bude uznán jako de iure,“ řekl 15. září na fóru v Ťumeni generální ředitel společnosti Gazprom Neft Alexandr Djukov.

Rusko má obrovské zásoby plynu a analytická společnost Platts uvedla, že ruská vláda a velcí ruští producenti plynu myšlenku vývozu modrého vodíku podporují. „Ekonomická stránka a přijatelnost modrého vodíku v dlouhodobém horizontu však ještě není vyřešena,“ uvedla.

Náměstek ruského ministra energetiky Pavel Sorokin během zasedání v Ťumeni zaměřeného na vodík uvedl, že v určitém okamžiku by mohlo dojít k „průlomu“ v oblasti vodíku na bázi plynu. „Musíme na to být připraveni,“ řekl.

Podle analytické společnosti S&P Global Platts by cílový podíl Ruska na exportním trhu ve výši 15-50 mil. mt/rok představoval pro ruskou ekonomiku hodnotu 30-100 mld. dolarů, zatímco celková ekonomická hodnota dnešního vývozu ropy ve výši 5 mil. b/d činí přibližně 70-120 mld. dolarů. „Zdá se, že existují určitá konkrétní čísla, která podporují jejich národní cíl získat výzamný podíl na trhu s vodíkem,“ uvedla.

Kromě toho by měl být plynovod Nord Stream 2 do 10 let připraven na přimíchávání vodíku do jednoho nebo obou potrubí a jeho přepravu, Tím by se podle ruského ministerstva energetiky vyřešil problém přepravy, který zdvojnásobuje ceny vodíku.

Nicméně prezident Vladimir Putin na začátku tohoto měsíce uvedl, že Rusko by se mělo zabývat také výrobou ekologického vodíku a čpavku na ruském Dálném východě. Ta bude zaměřena na asijské trhy, především Čínu a Japonsko, „kde poptávka v příštích desetiletích neustále poroste“.

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.

Jaderná energetika je v západním světě poněkud šedivá. Pokud se nějaké reaktory staví, jsou do značné míry jeden jako druhý: vždy jde o víceméně obdobný typ „temelínských“ lehkovodních reaktorů. Ovšem i když jde o vyzkoušený a osvědčený typ, i náročností technologie jsou tyto reaktory v současné podobě prostě příliš drahé. Jak Češi ví z vlastní zkušenosti.

„Jádro“ má ovšem celou řadu různých podob, které mají své výhody – a samozřejmě i nevýhody. Možná by některý alternativní typ mohl pomoci vyřešit současný finanční problém oboru. V Evropě či USA se ovšem s netradičními typy reaktorů dnes experimentuje sporadicky. Je zapotřebí za nimi často vyrazit do vzdálenějších konců světa.

Jedním z center dnešních (řekněme rovnou, že i globálně relativně skromných) snah o hledání alternativy je Čína. Tamní firmy i instituce pracují na vývoji několika různých typů. Jeden z nich se dokončuje v elektrárně Š‘-tao-wan (pinyin přepis je Shidaowan, pod tím ho najdete v angličtině) na východním pobřeží Číny.

V elektrárně mají stát postupně dva malé modulární reaktory, každý o výkonu zhruba 200 megawattů (MW) tepla, které dohromady mají roztáčet jedinou turbínu (malé jsou reaktory s výkonem pod 300 MW, modulární znamená, že se dají jednoduše skládat do bloků.) Ta využije se zhruba poloviční účinností vyprodukované teplo k výrobě elektřiny a do sítě tak má dodávat maximálně zhruba 210 MW elektrického výkonu.

Ke startu reakce alespoň prvního reaktoru by mělo dojít údajně snad během letošního roku. Zatím v elektrárně probíhají ovšem hlavně nejaderné zkoušky. Letos v srpnu například úspěšně proběhla první provozní zkoušky turbíny. Při které byla samozřejmě poháněna „nejadernou“ parou.

Ale nejaderná část zařízení by neměla představovat velký problém. Samotné reaktory mohou být větší oříšek. Čína si totiž na tomto zařízení má vyzkoušet hned dvě zajímavé technologické novinky: méně tradiční reaktor pracující s vysokou teplotou a také možnosti „skládaných“ elektráren.

Plný kuliček

Reaktor označovaný jako HTR-PM (anglicky High Temperature Gas Cooled Reactor – Pebble-Bed Module, tedy zhruba „Plynem chlazený vysokoteplotní reaktor s ,oblázkovým‘ palivem“) používá jako palivo uran, přesněji řečeno oxid uraničitý. Obsahuje 8,5 procenta aktivního uranu 238, tedy zhruba na jednotku objemu dvakrát více než u běžných komerčních reaktorů. Ještě nezvyklejší je, že palivo se do reaktoru nenakládá v podobě tyčí, nýbrž malých kuliček o průměru šesti centimetrů. Právě proto se o tomto typu reaktoru občas hovoří jako o „oblázkovém“ (doslovný překlad anglického „pebble reactor“).

V jednom jediném reaktoru v Š‘-tao-wanu má takových kuliček být nasypáno zhruba čtvrt milionu. Velkou výhodou této formy paliva, jak ukázaly jiné, menší projekty, je možnost průběžné výměny paliva za chodu reaktoru. Můžete si jednoduše představit, že reaktor je jakési velké silo, do kterého se shora sype čerstvé palivo a dole vypadává vyhořelé. Cesta jednoho „oblázku“ reaktorem přitom trvá řádově měsíce.

Každý oblázek v čínském reaktoru obsahuje sedm gramů uranu, většinu objemu kuličky totiž tvoří grafit. Ten nejen fyzicky chrání a drží pohromadě samotné palivo a vznikající jaderný odpad, ale také bude sloužit ke „zpomalování“, odborně řečeno moderování neutronů.

Obecně totiž platí, že neutrony odlétají z rozbitých jader tak rychle, že mají jen malou šanci zasáhnout další atom paliva. Udržet redakci v jaderném reaktoru tedy není jednoduché, pokud nechcete používat vysoce obohacené palivo (což s sebou nese například velká bezpečnostní rizika), nebo postavit opravdu neprakticky velký reaktor.

Reaktorová nádoba reaktoru HTR-PM před uložením na místo v roce 2017. V budově je postavena na výšku. Ta je zhruba 25 metrů, samotná aktivní zóna, kde probíhá reakce, pak 11 metrů. V její spodní části je také vidět otvor, kde se z něj odstraňuje vyhořelé palivo, nové se doplňuje shora. (foto CNC)
Reaktorová nádoba reaktoru HTR-PM před uložením na místo v roce 2017. V budově je postavena na výšku. Ta je zhruba 25 metrů, samotná aktivní zóna, kde probíhá reakce, pak 11 metrů. V její spodní části je také vidět otvor, kde se z něj odstraňuje vyhořelé palivo, nové se doplňuje shora. (foto CNC)

Většina reaktorů (ne všechny, ale to teď není důležité) tak obsahuje právě i moderátor, tedy materiál, o jehož atomy se neutrony vzniklé při reakci „zbrzďují“. V případě nejběžnějších, tzv. tlakovodních reaktorů k tomu slouží právě voda. Ovšem grafit má pro to velmi vhodné vlastnosti a v minulosti se jako moderátor mnohokrát používal. Známým příkladem je například „černobylský“ reaktor typu RBMK.

Čím tepleji, tím lépe

Ale byť v Černobylu způsobila ohromné problémy hořlavost grafenu, velkou výhodou tohoto materiálu je i to, že snáší vysoké teploty. A HTR-PM by měl být specialista na vysoké teploty. Pracovní teplota by se měla pohybovat kolem 1000 °C, což dnes nejrozšířenější moderátor, tedy vodu, samozřejmě vylučuje. (Reaktor je samozřejmě hermeticky uzavřený a atmosféra neobsahuje kyslík, jinak by to v Š‘-tao-wan vypadalo opravdu jako v Černobylu.)

Voda ovšem v tlakovodních reaktorech neslouží pouze jako moderátor, slouží také jako chladič, který odvádí vznikající teplo z aktivní zóny reaktoru ven, a k turbínám. To musí tedy u čínského modulárního reaktoru obstarat jiná látka, v tomto případě hélium.

Hélium je sice poměrně drahé, ale má celou řadu dalších výhod. Jako inertní plyn nereaguje s materiály v reaktoru dokonce ani při taktových vysokých teplotách – a ani při případných vyšších teplotách po eventuální nehodě. To z hlediska životnosti i bezpečnosti jsou kladné body, a tak i hélium už zažilo svou jadernou premiéru dávno před reaktorem HTR-PM.

Dohromady použité materiály poskytují zajímavé možnosti, které u komerčních reaktorů nenajdeme. Jde především o vysokou pracovní teplotu, která nejen zvyšuje relativní účinnost přeměny tepla v elektřinu (50 % je nadprůměrné číslo), ale také otevírá nové možnosti využití. Často se zmiňuje možnost výroby vodíku z vody pomocí tzv. jód-sirného procesu, který vyžaduje teploty právě kolem 1000 °C.

To samozřejmě otevírá možnost zapojení reaktorů do „vodíkové ekonomiky“. Ovšem nejde o triviální úkol: práce s reaktivními sloučeninami při tak vysokých teplotách není jednoduchá a klade velké nároky na používané materiály. Plynem chlazený reaktor tohoto typu má i další výhody, například je možné u něj poměrně jednoduše regulovat výkon v rozmezí řádově desítek procent, takže by měl na pružněji reagovat na požadavky regulátora. Ale nejvyšší efektivitu by měl mít stejně v režimu konstatní výroby, takže není jasné, zda se tato možnost může někdy prakticky využívat.

Zdroj s maximální výstupní teplotou kolem tisíce stupňů Celsia by ovšem samozřejmě mohl najít i jiné využití, například v petrochemii, metalurgii, snad i při odsolování mořské vody, atd. A zastánci konceptu také připomínají, že reaktory by mohly nahradit dnešní uhelné elektrárny třeba pro vytápění domácností. Může to být praktické? Netušíme, ale je jasné, že hlavní roli bude hrát cena. A tady v tomto ohledu zatím s atomovými zdroji nejsou příliš dobré zkušenosti. A s vysokoteplotními reaktory už vůbec.

Složíme se na to?

Reaktor pracující s takto vysokými technologiemi vyžaduje velmi kvalitní materiály i zpracování. Levný a jednoduchý může být těžko. Projekt Š‘-tao-wan by tento problém chtěl vyřešit způsobem, který – stejně jako chlazení héliem a oblázkové palivo – navrhovali či zkoušeli jiní, ale zatím nikdo neuspěl. Reaktory HTR-PM by se měly vyrábět sériově.

V Š‘-tao-wanu zatím mají stát pouze dva, snad už během dvou let by se měly začít stavět větší celky, ve kterých jednu turbínu má pohánět šest malých reaktorů, takže dohromady budou mít výkon zhruba 600 MW elektrických. Pokud se tak opravdu stane, čínské reaktory HTR se stanou prvním skutečným příkladem dlouho slibované třídy tzv. „malých modulárních reaktorů“. 

Uvidíme, zda bude také prvním úspěšným příkladem. Studie OECD před několika lety odhadovala, že bez sériové výroby je cena jednoho malého reaktoru na jednotku výkonu je zhruba o 50 až 100 procent vyšší než u velkých tlakovodních reaktorů. Protože HTR-PM je poměrně technicky náročný projekt, cena bude spíše vyšší. Je sice pravdou, že reálné ceny za dostavbu stejných elektráren jsou tedy podle odhadů o více než polovinu nižší než v USA a Evropě, ovšem v Číně je levnější i konkurence.

Jedinou záchranou se zdát být jen výroba ve velkém, nic jiného nedává ekonomický smysl. Ta je možná ovšem pouze v případě, že se projekt neukáže příliš technologicky náročný, uvádění do provozu proběhne bez velkých komplikací a provoz sám bude bezproblémový.

Load More