Nové zdroje energie

Současná energetická situace

Celkově podíl obnovitelných zdrojů na celosvětové výrobě elektřiny tvoří okolo 30 %. Podle roční statistiky IRENA na konci roku 2021 činila globální kapacita výroby energie z obnovitelných zdrojů 3 064 GW, oproti roku 2020 šlo se zvýšila o 257 GW (+9,1 %).

Šedesát procent nové kapacity v roce 2021 bylo přidáno v Asii, největším přispěvatelem byla Čína. Evropa a Severní Amerika obsadily druhé a třetí místo. V dalších regionech je nárůst mnohem pomalejší.

V Evropě jsou nejvýznamnějšími zdroji zelené energie:

1. Větrná energie s 34,5 % 
2. Vodní energie s 30,3 % 
3. Solární energie s 28,8 % 

Podíl a pořadí jednotlivých zdrojů energie se liší v závislosti na přírodních podmínkách jednotlivých zemích i v rámci Evropy. V České republice je na prvním místě solární energie s 48%, na druhém následuje vodní energie s 25 % a na třetím je energie z biomasy s 19,2 %.

Nejpoužívanější zdroje obnovitelné energie

Každý zdroj energie má své výhody a představuje určité výzvy, díky mezinárodním závazkům na ochranu životního prostředí se v každé oblasti však dosahuje významného pokroku. 

1. Vodní energie 

Vodní energie je velmi všestranná a lze ji vyrábět jak pomocí velkých projektů, jako jsou přehrady, tak i v malém měřítku jako jsou podvodní turbíny a nižší přehrady na malých řekách a potocích. Zajímavé jsou i přečerpávací elektrárny, které mohou sloužit i jako úložiště energie.

Ovšem většina vodních elektráren spotřebuje více energie, než je schopna vyrobit. Skladovací systémy navíc mohou potřebovat k čerpání vody fosilní paliva. V současné době se tedy vývoj zaměřuje na rozvoj a zefektivnění vodních elektráren.

Mezi současné trendy patří: 

1. Nové technologie poskytující větší flexibilitu v širokém rozsahu hydraulických podmínek. 
2. Digitalizace vodních elektráren, která přinese přesnější řízení, které samo o sobě by mohlo přidat téměř 42 TWh jen v USA.
3. Přečerpávací vodní akumulace, která by dokázala kompenzovat proměnlivé podmínky.
4. Nové technologie malých vodních elektráren, které dokáží pomoci nejen s elektrifikací vzdálených oblastí, ale i s vytvářením mini sítí.
5. Vodní technologie šetrné k rybám a vodním ekosystémům.

2. Větrná energie 

Podle údajů IRENA se světová instalovaná kapacita výroby větrné energie na souši i na moři za poslední dvě desetiletí zvýšila 75 násobně. Zvýšila se z 7,5 gigawattů (GW) v roce 1997 na přibližně 564 GW v roce 2018.

Mnoho částí světa má silný vítr, ale nejlepší místa pro výrobu větrné energie jsou častokrát odlehlá. Hlavním trendem je budování větrných elektráren v moři, kde mohou mnohem lépe využívat síly větru.

V současné době se tak budují tři typy elektráren:

1. na pevníně
2. v pobřežních vodách
3. v hlubokém moři

Pobřežní vítr je silnější než na pevnině a umožňuje použití větších turbín, zároveň ale znamená i nákladnější údržbu, která se jen prodražuje při umístění v hlubokých vodách. Vývoj ale směřuje k tomu, že v budoucnu budeme schopni vyrábět energii z oceánů a hlubokých vod efektivněji.

Současné větrné elektrárny také nejsou schopny dosáhnout větrů ve vysokých nadmořských výškách. Budoucí technologie počítají s dosahem až 500 metrů, kde jsou silnější větry.

3. Sluneční energie 

V minulosti bývalo pořízení solárních panelů velmi finančně nákladné, nicméně s rozvojem této technologie, vyšší účinností a zvýšením ceny energií, je dnes návratnost investice do solárních panelů okolo 5 let. Díky tomu se tento zdroj energie stává dostupný i pro běžné domácnosti. Mnoho vlád také povzbuzuje investice do solární energie poskytováním slev nebo daňových úlev.

Výzkum se zaměřuje především na zvyšování efektivity fotovoltaických článků, z nichž ty nejvýkonnější dosáhli 39,5 %. S pomocí technologie připomínající noční vidění se také podařilo přeměnit infračervené záření na elektřinu, což by v budoucnu umožňovalo výrobu elektřiny i v noci.

Kromě zvyšování efektivity panelů je jedním z projektů budoucnosti také získávání solární energie z vesmíru. Prototyp se skládá z fotovoltaických článků a obvodu, který přeměňuje elektřinu na rádiovou frekvenci. Poté integrovaná anténa přenese tuto energii na Zemi.

V budoucnu by tento inovativní alternativní zdroj energie mohl bez omezení pokrýt energetické nároky rostoucí populace s využitím stálého slunečního světla z vesmíru.

4. Další zdroje energie

Kromě těchto hlavních zdrojů, existují i další, které nepoškozují životní prostředí. Zatím jsou ovšem využívány buď jen v určitých oblastech anebo v malém měřítku. Ovšem změna se očekává především v pozici vodíku.

Vodík

Vodík lze použít jako čisté palivo nebo pro palivové články, které jsou podobné bateriím a lze je použít třeba pro napájení elektromotoru.

Vodík se v současnosti těší značné politické podpoře. USA chce do roku 2030 snížit cenu 1 kg zeleného vodíku na 1 dolar, zatímco Německo spolupracuje s Austrálií a Namibií, aby vytvořily globální dodavatelské řetězce vodíku. Evropská komise odhaduje, že k tomu, aby vodík mohl v roce 2050 tvořit 13–14 % energetického mixu EU, bude zapotřebí investice ve výši 180 až 470 miliard EUR.

Za posledních 20 let bylo oznámeno téměř 450 nízkouhlíkových vodíkových projektů a podle databáze Mezinárodní energetické agentury tento seznam stále roste.

Biomasa

Biomasa je organická hmota, která pochází z rostlin a organismů. Známým příkladem je spalování dřeva v krbu. K výrobě energie pomocí biomasy se používají různé metody. Toho lze dosáhnout spalováním biomasy nebo využíváním metanu, který vzniká přirozeným rozkladem organických materiálů v rybnících nebo na skládkách.

V současné době se v Evropě využije 41 MW pocházející z biomasy a jedná se o 4. nejvyužívanější alternativní zdroj energie.

Využitím biomasy sice při výrobě energie vzniká oxid uhličitý, který se dostává do ovzduší, ale je ho stejné množství jako rostlina spotřebovala během svého života, celkový vliv na životní prostředí je tedy neutrální.

Oceán

Oceán může produkovat dva druhy energie: tepelnou a mechanickou. Tepelná pro výrobu energie využívá teplotních rozdílů mezi povrchovými a hlubokými vodami oceánu. Mechanická energie využívá k výrobě energie příliv a odliv.

Na rozdíl od jiných forem obnovitelné energie je energie vln předvídatelná a je snadné odhadnout množství energie, které bude vyrobeno. Ve srovnání se sluneční a větrnou je tak tato energie mnohem konzistentnější. Nejlidnatější města bývají navíc blízko oceánů a přístavů, což usnadňuje využití této energie pro místní obyvatelstvo. Tento dosud nepříliš využitý zdroj energie má odhadovanou schopností produkovat 2640 TWh/rok.

Hlavní nevýhodou je možnost narušení mnoha citlivých ekosystémů oceánu a to jak turbínami, tak hlukem. Zároveň slaná mořská voda může jednotlivé součásti rychleji korodovat. A tak vysoká vstupní investice může být následována náročnou údržbou.

Historicky byly přílivové mlýny používány jak v Evropě, tak na atlantickém pobřeží Severní Ameriky. V současné době se tato energie využívá ve Francii, v USA, v Číně a největší se nachází v Jižní Koreji. Do budoucna se očekává další rozvoj těchto technologií.

Geotermální energie

Geotermální energie se vytváří z tepla, které vzniká pod zemskou kůrou. Když velké množství tohoto tepla uniká, vznikají sopečné erupce a gejzíry. Toto teplo lze zachytit a použít k výrobě geotermální energie pomocí páry, která pak stoupá nahoru a může být použita k provozu turbíny. Vzhledem k tomu, že infrastruktura může být postavena pod zemí, zanechává velmi malou stopu na zemi.

Geotermální energie není tak běžná jako jiné typy obnovitelných zdrojů energie, ale má významný potenciál pro dodávky energie nejen v zemích jako je Island. Překonáním technických a finančních překážek by se výroba elektřiny geotermálními metodami mohla do roku 2050 v USA zvýšit 26×, což by tvořilo 8,5 % celkové výroby elektřiny.

V současné době je hlavním omezením nákladná infrastruktura, která je pak navíc zranitelná vůči zemětřesení, které se v takových oblastech může vyskytovat.

Rozvoj a problémy využití alternativních zdrojů energie

Ačkoliv jsme v posledních desetiletích byli svědky prudkého rozvoje v oblasti alternativních a obnovitelných zdrojů elektřiny, širší adoptování energie z obnovitelných zdrojů se musí vypořádat s několika zásadními komplikacemi.

1. Využití půdy a rostoucí populace
   Odhlédneme-li od estetického hlediska, tak už kvůli růstu populace není širší využití velkých solárních farem ideálním řešením, protože zabírají hodně půdy. Minimalizace půdní stopy je zásadním požadavkem. Zajímavou alternativou je například zmíněné umístění větrných turbín na moře. Stejně tak získávání solární energie z vesmíru, by mohlo tento problém vyřešit.
   
   
2. Skladování zelené energie
   Abychom mohli naplno využít energii, která je většinou závislá na počasí nebo čase, je nutné přijít s lepšími řešeními pro skladování energie. Efektivní úložiště energie je proto zásadní pro širší přijetí alternativních zdrojů. 
   
   V průmyslové oblasti se přebytky energie využívají i k výrobě plynného vodíku. Vodík lze pak dodávat do sítě zemního plynu nebo pomocí palivových článků přeměnit na elektřinu. Ze všech paliv má nejvyšší energetickou hustotu, takže je lepší pro distribuci a skladování než ostatní média. Jeho stabilita navíc znamená, že dokáže skvěle energii udržet.

   Budoucí plány pro vodík tak zahrnují například vybudování podzemního skladovacího systému, kde by bylo možné přebytečnou větrnou energii přeměnit na vodík elektrolýzou.

3. Infrastruktura
   Elektrická síť se stává přetíženou kvůli nedostatečné expanzi a pokračujícímu růstu spotřeby elektřiny. Současná síť je zároveň nejednotná a neinteligentní, kde strana poptávky nemůže komunikovat se stranou nabídky.

   Elektrické sítě by měly být v budoucnu schopny zvládnout větší a rychlejší změny zátěže způsobené přerušovanou výrobou a měly by plánovat záložní rezervy pro doplnění vzniklých mezer.

   Efektivního řízení sítě by se dalo dosáhnout také zlepšením sběru dat, používáním účinných komunikačních protokolů, systémů monitorování sítě poskytujících operátorům aktuální informace o stavu sítě a pobídek pro koncové uživatele.

   Decentralizace sítě by navíc přinesla zákazníkům příležitosti prodávat elektřinu zpět do sítě a získat kontrolu nad potřebnou a spotřebovanou energií. A ačkoliv je většina zemí daleko od zavedení plné decentralizace kvůli obrovskému rozsahu potřebné transformace, řadu podniků, jako je UPS a někteří maloobchodní giganti a supermarkety, lze považovat za průkopníky v restrukturalizaci off-grid sítí.