Člověk přirozeně touží po tom, aby po sobě na světě zanechal něco dobrého a užitečného. Třeba přehrady na řekách vzbuzují zcela přirozeně respekt a uznání už svou velikostí, zároveň je všeobecně v povědomí jejich spolehlivá a bezchybná funkce po dobu přesahující délku života jednotlivce.

V našich jaderných elektrárnách Dukovany a Temelín je spoutána a zkrocena energie mocnější, než jaká je síla povodní na největších evropských veletocích. Podvědomě tušíme, že technika, která něco takového dokázala, musí představovat jeden z vrcholů lidského umu, a sotva u nás najdeme viditelnější příklady velkého a spolehlivě fungujícího lidského díla.

To může být důvodem, proč velká část naší veřejnosti postupně přijala tyto dvě jaderné elektrárny „za své“. Plánovaná stavba elektrárny Dukovany II tak u nás zatím vyvolává vcelku kladná očekávání.

O elektřině

Elektřina je ušlechtilou formou energie. Lze ji přímo a s malými ztrátami měnit v mnoho jiných užitečných forem, takže se dá využít téměř na cokoliv — od výpočtů v počítačích přes pohon strojů až po topení nebo klimatizaci. Naproti tomu teplo je nejprostší formou energie. Každou jinou energii v ně lze přeměnit beze zbytku, zato obrácená přeměna je vždycky možná jen částečně.

Výroba elektřiny dosud převážně spočívá právě na přeměně energie přírodních paliv v teplo. V kotlích tepelných elektráren pálíme uhlí nebo zemní plyn, v jaderných reaktorech štěpíme atomy uranu, a vyrábíme tak horkou páru, která roztáčí turbínu a s ní spojený elektrický generátor.

Přitom vždy nejméně polovinu původní energie obsažené v použitém palivu ztrácíme ve formě takzvaného odpadního tepla. To lze využít nanejvýš k topení a ohřevu teplé vody — za cenu značných investic do dálkových horkovodů a s velkými ztrátami cestou ke spotřebiteli.

Atomová elektrárna v 21. století

Naše republika počítá s jadernou energetikou jako prostředkem ke splnění našich mezinárodních závazků k omezení emisí. Kromě toho se bez bližšího odůvodnění tvrdí, že projekt Dukovany II zajistí naši energetickou bezpečnost, podpoří rozvoj našeho průmyslu a pomůže zvýšit jeho technickou úroveň.

Rádi bychom zde ukázali, že přinejmenším v posledním bodě může být výsledek přesně opačný. Technický koncept dukovanské i temelínské elektrárny totiž pochází ze šedesátých let minulého století a žádný jiný není pro Dukovany II k dispozici.

Nová elektrárna by měla být hotova kolem roku 2038 a k tomu, aby se vůbec zaplatila, by měla být v provozu alespoň šedesát let. Během této doby se tak Dukovany II stanou unikátní technickou kuriozitou — více než století starou technologií stále udržovanou v provozu.

Představme si teď na chvíli, že máme stále v provozu továrny, kde parní stroj pohání jednotlivé soustruhy nebo tkalcovské stavy pomocí kožených řemenů, jak to bylo běžné před sto čtyřiceti lety. A nyní si uvědomme, že stejně bizarní situace nastane, pokud postavíme Dukovany II, a budeme je provozovat tak dlouho, aby se zaplatily.

Člověk by mohl namítnout, že co je staré, nemusí být nutně špatné. Koncept dnešních jaderných elektráren ale technicky nijak skvělý není. Jeho nedokonalost lze jednoduše doložit na několika následujících příkladech:

1. Účinnost jaderné elektrárny je dosud na úrovni parních lokomotiv.

Každý současný temelínský blok dodává do sítě elektrický výkon kolem 1000 MW. Zároveň produkuje 2000 MW odpadního tepla, kterého je potřeba se zbavit. Malý zlomek se využívá k vytápění blízkého Týna nad Vltavou a zbytek se odvádí do vzduchu chladicími věžemi elektrárny.

Dvě třetiny spotřebovaného jaderného paliva a dvě třetiny vytvořeného odpadu tak připadají jen a pouze na vrub odpadního tepla, které jde doslova pánubohu do oken. U připravované elektrárny tomu nebude jinak.

2. Využívají se jen zlomky promile vytěžené rudy.

Z tisíce tun průměrné uranové rudy získáme s použitím dnešních technologií přibližně sto kilogramů jaderného paliva, takzvaného obohaceného uranu. Tato směs se skládá z pěti kilogramů uranu 235 a pětadevadesáti kilogramů izotopu uranu 238, který se v našich reaktorech pracujících s otevřeným palivovým cyklem nevyužívá.

Je dobré podotknout, že technologie obohacování uranu byla vyvinuta za účelem výroby atomových zbraní, kde ekonomika nehrála žádnou roli.

V temelínském reaktoru je naráz dvaadevadesát tun paliva, sto kilogramů palivové směsi v něm vyhoří za zhruba jeden den. V praxi to znamená přibližně jednou za rok provozu přenést z reaktoru do chladicího bazénu kolem třiceti tun vysoce radioaktivního ozářeného paliva a do reaktoru pak doplnit stejné množství nového paliva.

Jaderný odpad v České republice neumíme zpracovat a dále využít. Zatím je potřebná technologie pro přepracování jaderného paliva natolik nedokonalá a zároveň drahá, že se její použití pro mírové účely nevyplácí.

Z tisíce tun průměrné uranové rudy obsahující 0,1 % uranu se tak rozštěpí a k výrobě energie využije pouze necelých pět kilogramů, tedy méně než 0,005 promile, přičemž prakticky veškerý vytěžený materiál se stane nepříjemným odpadem. Při třetinové účinnosti přeměny tepla na elektřinu se v elektřinu „přemění“ jen třetina rozštěpeného uranu, tedy pouhých 1,7 kg z každého tisíce tun vytěžené rudy.

3. Po celou dobu provozu hrozí roztavení reaktoru.

Náklady na stavbu jaderných elektráren se během několika posledních desetiletí mnohonásobně zvýšily kvůli snaze zlepšit jejich bezpečnost. Všechny reaktory, které jsou k dispozici, však fungují tak, že se v nich palivo vyměňuje po co možná nejdelší době provozu, většinou po několika letech. Tím se v něm ovšem hromadí radionuklidy, které své rozpadové teplo produkují i po zastavení reaktoru.

Každá havárie, která — podobně jako naposledy ve Fukušimě — na delší dobu vyřadí chlazení reaktoru i všechny záložní chladicí systémy, má tak nevyhnutelně za následek tavení palivových článků, a nakonec i celého reaktoru. Podrobný popis tohoto nebezpečí pro jadernou elektrárnu Dukovany dobře ilustruje diplomová práce Jakuba Veselého obhájená v roce 2017 v Brně na Vysokém učení technickém — viz kapitola 5.1, první dva odstavce na straně 21.

Sama předsedkyně Státního úřadu pro jadernou bezpečnost Dana Drábová připouští, že dříve či později opět podobně velká jaderná havárie nastane. Snahou orgánů, jako je její úřad, je proto zajistit, aby ani v takovém případě radioaktivita uvolněná ze žárem poškozeného reaktoru neunikla mimo elektrárnu.

Jaderná elektrárna je tedy opravdu nestandardní mnohasetmiliardovou investicí, protože u ní po celou dobu provozu reálně hrozí náhlé a úplné zničení. To bychom si měli stále připomínat.

Ekonomika fosilních paliv, jaderné energetiky a obnovitelných zdrojů

Fosilní paliva zatím tvoří páteř naší ekonomiky, a uhlí donedávna bylo nezpochybnitelně nejlevnějším zdrojem elektřiny. To se nyní začíná měnit, zřejmě i zásluhou mechanismu povolenek pro emise skleníkových plynů. Na něm se podílíme na základě námi uzavřených a ratifikovaných mezinárodních smluv.

Mějme ale na paměti, že žádnou přirážkou tohoto typu dosud nejsou zatíženy škody působené zplodinami hoření na zdraví lidí, a že tyto zplodiny ve stejné míře vznikají i při spalování takzvaných biopaliv. Argumentem, proč bychom i u nás skutečně měli chtít přestat energii získávat spalováním uhlíkatých paliv, by proto měla být především starost o naše vlastní zdraví.

Jaderná energie přitom není dobrou alternativou. O její klesající výhodnosti svědčí nejlépe sama předloha zákona o opatřeních k podpoře výroby energie z nízkoemisních zdrojů. Stát zde garantuje ČEZ výkupní cenu elektřiny z nového jaderného reaktoru. Pokud by investice do Dukovan II nehrozila prodělkem, žádné státní záruky pro investora by nebylo zapotřebí.

O obnovitelných zdrojích se traduje, že potřebám naší republiky nemohou stačit. Dostupnost elektrické energie z nich lze však snadno propočítat. Předpokládáme-li současnou celoroční spotřebu České republiky 75 TWh, což je zhruba pětinásobek roční výroby Temelína, pak by k jejímu pokrytí stačila roční produkce z asi 500 čtverečních kilometrů solárních článků průměrné současné účinnosti.

Poznamenejme, že budovami zastavěná plocha (bez komunikací) v naší republice činí přes 1300 kilometrů čtverečních. Obnovitelné zdroje tedy mohou pokrýt celou spotřebu elektřiny v České republice bez toho, že by významně ovlivnily využívání půdy.

Elektřina z nových solárních elektráren navíc začíná být v posledních dvou letech levnější než elektřina ze zdrojů neobnovitelných, a tím se stává konkurenceschopnou i bez dotací. Možná jsou důsledkem tohoto trendu i nedávno ohlášené nové plány ČEZ, přestože jejich motivací je hlavně potřeba zlepšit si rating u bank a roli určitě hraje i záměr urvat něco z dosud existujících podpor.

Širšímu využití obnovitelných zdrojů k výrobě elektřiny však dosud brání poslední větší překážka. Tou je nedostupnost dostatečně levných a účinných způsobů pro její dlouhodobé ukládání.

Všeobecný přechod k bezemisní ekonomice zatím nezní realisticky

Zkusme na chvíli ponechat stranou technické nedostatky současné jaderné techniky a znovu zvážit, zda bychom snad fosilní paliva i přesto nemohli plně nahradit jadernou technologií. Musíme přitom vzít v potaz, že dnešní hospodářství spotřebovává většinu energie přímo v podobě paliv — uhlí a plyn na topení, naftu a benzín do aut, přímá spotřeba v energeticky náročných provozech těžkého průmyslu a podobně.

Celková spotřeba veškeré energie, tedy nejen elektřiny, se pro naši republiku odhaduje na osmnáct set petajoulů (pět set terawatthodin) ročně. Jeden temelínský blok zvládne ročně vyrobit asi 7,5 terawatthodin, takže bychom jich na pokrytí celé naší energetické spotřeby potřebovali asi šestašedesát.

Předpokládejme, že naše energetická spotřeba zůstane na dnešní úrovni. Abychom ji do roku 2050 plně pokryli dnešní jadernou technologií, měli bychom po příštích třicet let, do provozu uvádět dva temelínské bloky ročně.

Pokud by každý z nich stál 150 miliard korun, jak předpokládá návrh na stavbu Dukovan II, pak bychom museli každoročně investovat 300 miliard Kč až do roku 2050. Realističtější odhady nynějších nákladů na jeden blok ovšem hovoří o dvojnásobku, tedy třech stech miliard.

Ani „pouhých“ 300 miliard každoročních více-výdajů ale nevypadá jako něco, co by si mohl náš stát dovolit.

Podíváme-li se stejnou optikou na obnovitelné zdroje energie, ekonomická bilance všeobecného přechodu k bezemisní ekonomice nevypadá povzbudivěji. Například podle studie EnergyWatchGroup Univerzity v Lappeenrantě z roku 2019 by taková transformace v Evropské unii měla do roku 2050 stát 30 tisíc miliard eur. Pro naši republiku by každoroční podíl na potřebných výdajích vycházel přibližně na 650 miliard Kč.

Budoucnost vidíme v levném ukládání velkých množství elektřiny

Při bližším pohledu na posledně citovanou studii se ukáže, že astronomické náklady celkového přechodu na obnovitelné zdroje vycházejí z předpokladu, že je nutno zmnohonásobit kapacitu elektrických přenosových sítí, budovat záložní zdroje elektřiny, drahá bateriová úložiště a infrastrukturu pro ukládání a přepravu vodíku. Především pak zahrnují další dlouhá léta dotací na výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů — se záměrem, aby náklady na její výrobu z nově stavěných zdrojů oproti dnešku ještě několikanásobně klesly a tím nakonec ekonomicky „vyřídily“ i výrobu tepla z fosilních paliv.

Metoda pro levné dlouhodobé ukládání elektřiny by tyto problémy mohla vyřešit lépe. Představme si, že nějaké zařízení dokáže uchovat letní přebytky solární elektřiny na zimu, a přitom ji díky své nízké ceně a vysoké účinnosti nezdraží více než o třetinu až polovinu.

Sluneční a větrné elektrárny se rázem stanou spolehlivým zdrojem i přes kolísající svit slunce a sílu větru. Elektřina z nich přitom svojí průměrnou cenou bude stále porážet elektřinu z neobnovitelných zdrojů, jako jsou fosilní paliva nebo uran. V tom případě všechny dosavadní zdroje elektřiny založené na neobnovitelných zdrojích energie ztratí smysl.

I když elektřina zatím tvoří jen část celkové spotřeby energie, plné pokrytí její spotřeby pomocí obnovitelných zdrojů by mohlo představovat zdolání nejtěžšího úseku na cestě ke splnění našich mezinárodních závazků, čistšímu vzduchu a ke zlepšení našeho zdraví. Jestliže totiž obnovitelné zdroje ekonomicky zvítězí v disciplíně „výroba elektřiny“, další postupné nahrazení neobnovitelných zdrojů už s velkou pravděpodobností proběhne spontánně.

Jinými slovy — pokud najdeme způsob opravdu levného ukládání velkých množství elektřiny, pro přechod hospodářství na obnovitelné zdroje energie nebude potřeba dalších podpor a dotací. Změna nastane samovolně, podobně jako když kdysi elektřina nahradila parní stroje v továrnách.

Pokud je však levné ukládání velkých množství elektřiny technicky možné, proč už nějaká úložiště elektřiny v terawatthodinových objemech dávno nepoužíváme, třeba místo dnešních vodních přečerpávacích elektráren? Vysvětlení je jednoduché. Po levné metodě k ukládání terawatthodin elektřiny zatím nebyla reálná poptávka, protože ji nikdo nepotřeboval.

Elektřina z neobnovitelných zdrojů byla k dispozici kdykoliv a žádný levnější zdroj neexistoval. Tato situace se zásadně změnila až v posledních dvou letech, a společnost — včetně průmyslníků a politiků — ještě nestihla na změnu podmínek zareagovat.

Účinnost: chvála elektrochemie

Než začneme bádat a vynalézat, bývá dobré se pro jistotu podívat, zda nějaká vhodná technologie náhodou již není známa. Vysoká účinnost baterií při ukládání a znovuzískávání elektřiny spočívá v tom, že obě přeměny — elektrické energie v chemickou a zpět — probíhají přímo. Nezahrnují tedy žádnou chemickou přeměnu, která by tvořila „pouze“ teplo, a to je obrovská výhoda.

Připomeňme, že z tepla jde na elektřinu přeměnit jen jeho část. Přímá elektrochemická přeměna je ale možná i s účinností blížící se sto procentům.

Baterie, jak je známe, se však i přes svou vysokou účinnost pro levné ukládání elektřiny nehodí. Na uložení malého množství elektřiny totiž potřebují velké množství drahého materiálu.

Objemová hustota energie: chvála paliv

Kromě vysoké účinnosti je pro levné uložení velkého množství energie druhým rozhodujícím faktorem to, kolik energie můžeme nastřádat v jednotce objemu pracovního média, třeba vody v přečerpávací elektrárně. Na velikosti uvažovaného zařízení a množství potřebného materiálu totiž závisí celkové investiční náklady.

Baterie nebo přečerpávací vodní elektrárny se pro uložení terawatthodin elektřiny nehodí právě kvůli své nízké hustotě energie. Byly by příliš veliké, a proto nesmyslně drahé. Podobně je tomu třeba při ukládání energie zkapalňováním vzduchu.

Ideální by bylo, spojit vysokou účinnost přímé elektrochemické přeměny energie s vysokou hustotou energie paliv. Zatím jediným palivem, které lze přímo přeměnit na elektřinu a zároveň je přímo dostupné elektrolýzou, je vodík. Litr kapalného vodíku představuje zhruba dvě kWh elektřiny, což je ve srovnání s bateriemi velmi slušná objemová hustota energie.

Má to ale háček. Vzhledem k bodu varu -253 °C se kapalný vodík nedá snadno skladovat.

Nádrže s tak dobrou tepelnou izolací, aby v nich při normální teplotě okolí vydržel týdny nebo měsíce bez velkých ztrát, jsou nákladné. Další způsoby skladování vodíku, třeba v podobě stlačeného plynu nebo ve formě chemických sloučenin, prodražují ukládání elektřiny do vodíku ještě více.

Základem řešení se mohou stát dvě zapomenuté technologie

Nynější velkolepé plány Evropské unie na obrovské investice do vodíkové ekonomiky v rámci Green Dealu se mohou kvůli nízké objemové hustotě energie vodíku a obtížnosti jeho skladování nakonec ukázat jako slepá ulička. V technické literatuře lze ale naštěstí najít dosud opomíjená řešení, jež mohou být technicky i ekonomicky slibnější, a mohla by být uvedena do praxe rychleji a s menšími náklady.

Příkladem budiž ekonomika, využívající jako médium pro levné ukládání elektřiny místo vodíku alkalický kov sodík. Toho je na Zemi dostatek, známe jej třeba jako součást kuchyňské soli, a jeho průmyslová výroba elektrolýzou roztaveného hydroxidu sodného byla provozována už před sto lety.

Technickou výzvou dneška by bylo inovovat tento takzvaný Castnerův proces a využít jej jako metodu pro velkokapacitní ukládání elektřiny. Zároveň by bylo nutné přivést do praxe jako průmyslový zdroj elektřiny palivový článek podle US patentu 3 730 776, schopný měnit sodík zpět v hydroxid sodný. Schopní inženýři vybavení dostatkem zdrojů by však oba tyto úkoly mohli vyřešit během několika málo let.

Technické inovace pro energetiku 21. století nemusejí tedy spočívat ve vyřešení nějakého gigantického problému typu řízené jaderné fúze. Naopak. Měli bychom se dobře rozhlížet kolem sebe a pokoušet se nově využít především to, co už máme k dispozici.

Tím však rozhodně nemyslíme urychlené vyhlášení tendru na dodavatele Dukovan II, stavbu velkých plynových elektráren, nebo budování celoevropské sítě pro rozvod vodíku. Takovéto plány investic do drahých a technicky neuspokojivých technologií spíše připomínají přípravy na vyplutí dalšího Titaniku.

Hledejme raději inovativnější, rychlejší a ve výsledku levnější řešení. Začněme hned, drobnými praktickými kroky s největším poměrem možného přínosu k nákladům.

Navrhujeme soustředit se především na levné ukládání velkých množství elektřiny, v němž vidíme největší slabinu dnešní energetiky. Příkladem tohoto přístupu by se mohlo stát zavedení sodíku jako elektrochemického pracovního média díky novému využití dvou zapomenutých technologií.

Jsme přesvědčeni, že podobnými inovativními přístupy lze technicky a ekonomicky překonat dosavadní nevyhovující stav energetiky a umožnit spontánní přechod hospodářství na obnovitelné zdroje energie bez potřeby dalších dotací.