Její historický vývoj, kulturní význam i současná technologická transformace ukazují, že energetická budoucnost nebude určována jen výrobou, ale stále více i distribucí, akumulací a řízením obousměrných toků.

Je zcela bezpředmětné vypočítávat, co všechno by nefungovalo, kdyby nebylo elektřiny. Ta je totiž nepochybně tou nejmocnější silou historického vývoje lidstva. Zatímco oheň nás vytáhl z jeskyně a pára z vesnice, elektřina nás spojila, rozhýbala a osamostatnila.

Elektřina byla dlouho mystériem

Počátek slova „elektřina“ sahá až do starověkého Řecka. Asi 600 let př. n. l. si starověcí Řekové všimli, že když třou kousek jantaru látkou, dokáže tento jantar přitahovat lehké předměty, jako jsou například stébla trávy nebo peří. Jantar se tak stával magnetickým. Až kolem roku 1600 anglický vědec William Gilbert ve svém díle De Magnete použil latinský termín „electricus” k popisu látek, které se chovaly podobně jako jantar – tedy při tření získávaly schopnost přitahovat jiné lehké předměty. Z tohoto latinského slova „electricus“ se nejdříve vyvinulo anglické „electricity” a od něj byly poté odvozeny podobné výrazy i v dalších jazycích včetně češtiny – „elektřina”.

Nicméně ještě na začátku 19. století byla elektřina pro většinu lidí naprosto záhadným a fascinujícím jevem – něčím mezi magií a vědou. V této době se objevila celá řada „elektrických exhibic“ a vědecko-divadelních představení, která byla velmi populární zejména mezi vyššími společenskými vrstvami. A ačkoliv šlo často o zábavu, tyto veřejné demonstrace zároveň přispívaly k popularizaci vědy. Někdy šlo i o seriózní výzkum – například Alessandro Volta (italský fyzik) nebo Luigi Galvani (italský lékař a fyzik) začali se svými pokusy s „živočišnou elektřinou“ právě na základě podobných předváděcích experimentů.

Martina Altera Krčová: Mladá generace může přinést změnu v energetice. Má zájem o udržitelnost a je otevřená novým technologiím

Benjamin Franklin prováděl slavné pokusy se statickou elektřinou, které měly také efektní charakter – včetně jeho slavného pokusu v roce 1752 s drakem během bouřky, kterým dokázal, že blesky jsou elektrické výboje. Tím otevřel dveře k výzkumu atmosférické elektřiny a vynálezu hromosvodu.

Poznání přineslo dříve nepoznaný rozvoj

Dnes je elektřina neviditelnou silou civilizace – všudypřítomnou, nepostradatelnou, a přesto neustále ohroženou klimaticky, technologicky i geopoliticky. A právě proto musíme o elektřině přemýšlet nejen jako o energii, ale jako o kulturní a existenční síle, v jejímž rozvoji a uplatnění jsme my Češi sehráli svou docela významnou úlohu. Ať už se jednalo o Františka Křižíka a jeho obloukovou lampu, elektrárny, elektrické tratě a elektrická osvětlení měst a průmyslových podniků, nebo o Zdeňka Kunce a jeho průkopnické práce v oblasti aplikací supravodivosti a konstrukcí zařízení pracujících při nízkých teplotách.

Byli jsme dokonce mezi prvními zeměmi, které začaly budovat střídavé elektrické sítě po vzoru Nikoly Tesly a zavádět nové technologie v oblasti přenosu a distribuce energie. Jednou z prvních elektráren na střídavý proud byla už v roce 1900 městská elektrárna v pražských Holešovicích. Stala se jednou z největších v Rakousku-Uhersku a dodávala proud do celé Prahy.

V roce 1919 byl přijat Zákon o elektrizaci, jelikož nově vzniklé Československo si uvědomovalo strategický význam elektřiny. Tento zákon položil základy systematické elektrizace země a byl natolik progresivní, že stanovoval i státní podporu pro výstavbu elektráren a rozvodných sítí s cílem zajistit levnou elektřinu pro všechny.

Udržitelně vyrábět a efektivně a spolehlivě distribuovat

To je dodnes jedním ze zásadních problémů elektrické energetiky – doprava elektřiny z místa výroby do místa spotřeby. S decentralizací zdrojů a vznikem lokálních výrobců elektřiny se toto téma stalo ještě aktuálnější, protože už nestačí elektřinu dopravovat jednosměrně od výrobce ke spotřebiteli. Současné elektrické sítě vyžadují dvousměrnost, protože řada spotřebitelů jsou i výrobci a elektřinu dodávají do sítě (tzv. prosumeři).

Co přináší evropská směrnice EPBD IV? Úspory či plýtvání?

Vývoji tzv. smart grids, které tyto dvousměrné toky elektřiny umožňují, se věnuje celá řada výzkumných a vývojových pracovišť na celém světě. Nové informační technologie a systémy pro měření a regulaci proto zažívají neuvěřitelný rozvoj. V této oblasti je zákonitě u nás prostřednictvím TA ČR podporována široká škála projektů zaměřených na všechny aspekty technologické transformace naší energetiky.

Jedním ze zásadních principů smart grids je fakt, že nejen elektřina teče dvěma směry – totéž platí i pro informace. A k tomu se pojí i témata, která vyžadují nové technologie a postupy, jako je aktivní řízení toku energie na základě poptávky a nabídky dle aktuálních podmínek, zvyšování flexibility sítě, její odolnosti proti výpadkům a optimalizace využití zdrojů.

Využívají se chytré měřicí systémy (tzv. smart meters) a pokročilé komunikační technologie, které umožňují sběr dat v reálném čase a efektivní komunikaci mezi všemi prvky sítě. A k tomu pochopitelně patří také zapojení nových úložišť energií a elektromobilů a systémy pro řízení spotřeby. Složitost funkcí a náročnost regulace jsou mimo jiné důvodem, proč je tak obtížné přesně určit všechny příčiny problémů s distribucí elektřiny – ať už jde o blackout ve Španělsku a Portugalsku, nebo o výpadek sítě v Česku.

Budoucnost české energetiky bude nepochybně potřebovat nejen nové zdroje elektřiny, ale i rozsáhlou digitalizaci a fyzickou modernizaci sítí pro distribuci vyrobené elektřiny. Distribuční sítě se promění v inteligentní platformy, které umožní řízenou a obousměrnou distribuci s integrací výroby, spotřeby, úložišť a doplňkových služeb. Cílem je zvládnout očekávaný nárůst spotřeby, zejména v souvislosti s elektromobilitou, klimatizacemi a tepelnými čerpadly.

Můžeme počítat s obnovitelnými zdroji energie?

Pro rozvoj obnovitelných zdrojů elektřiny máme v České republice slušný potenciál, přestože je toto téma častokrát předmětem diskuzí a jeho přínos bývá zpochybňován. Na základě srovnání různých podmínek (klimatických, geografických apod.) vyplývá, že některé energetické technologie jsou pro naši republiku perspektivními více, jiné naopak méně, a je nutné hledat kombinaci různých řešení.

Česká republika nedisponuje velkým množstvím veletoků, příznivými větrnými podmínkami ani vysokými počty slunných dnů, ale řešení se dá najít. Na první pohled je zřejmé, že z alternativních zdrojů elektřiny pro nás bude výhodná kombinace solární energetiky a využití bioplynu a biomasy spolu s větrnou energií. S jejím rozvojem, přestože má své limity v důsledku omezených větrných oblastí, se dá počítat, stejně jako s rozvojem solárních elektráren, jejichž potenciál je mnohem vyšší a z velké části stále nevyužitý.

Naopak třeba u malých vodních elektráren se s dalším rozvojem počítat nedá, protože většina vhodných lokalit a kapacit už byla využita. Mnoho zemí na světě, včetně sousedního Rakouska, má k dispozici různé zdroje geotermální energie, které využívají i k výrobě elektřiny, ale my bohužel toto štěstí nemáme. Nicméně i když Rakousko nemá tak výraznou vulkanickou aktivitu jako například Island nebo Itálie, využívá zejména středněteplotní zdroje a technologii binárního cyklu (tzv. ORC – Organic Rankine Cycle), která umožňuje výrobu elektřiny i z vod o nižších teplotách.

Tato technologie by mohla být inspirací i pro nás, protože bychom ji mohli uplatnit při využívání odpadního tepla, které bez užitku uniká do prostředí. Odpadní teplo vzniká v mnoha oblastech, například v průmyslových procesech (potravinářství, zpracovatelský průmysl, koksárenství), ale také při provozu datových center a supermarketů. Takto získané teplo by šlo využít k výrobě elektřiny právě pomocí organického Rankinova cyklu, který využívá pracovní látku s nižší teplotou varu než voda. Odpadní teplo jde ovšem využít i k vytápění pracovních prostor, obytných budov, ohřevu vody nebo v různých průmyslových procesech.

Kolik odpadního tepla máme a nevyužíváme, se odhaduje těžko, a výsledky se liší podle použitých metodik predikce. Ve všech případech jde minimálně o desítky TWh energie ročně a některé odhady hovoří o srovnatelném množství energie, jaké vyrobí jeden reaktor v Temelíně za rok. Odhaduje se, že v závislosti na průmyslovém odvětví 20–50 % vstupní energie končí jako odpadní teplo.

Jedním z nedávno ukončených výzkumných projektů na toto téma, podpořeným TA ČR částkou 5,5 mil. Kč, je projekt z Programu ZÉTA s názvem „Využití nízkopotenciálního odpadního tepla pro skladování elektřiny pomocí konceptu Carnot batteries.“

Carnotova baterie představuje v podstatě možnost ukládat elektřinu pomocí tepla. Tento projekt se snažil vyvinout způsob, jak uložit elektřinu pomocí tepla, které vzniká jako odpad v průmyslu. Místo klasických baterií využívá zásobník s kamenným prachem, který se ohřívá a následně umožňuje zpětnou přeměnu tepla na elektřinu. Výzkumníci navrhli, jak by tento koncept mohl fungovat ve skutečných továrnách, a testovali jednotlivé části s cílem minimalizovat náklady na zařízení a celkovou efektivitu.

Výsledky jsou velmi dobré a jejich praktické uplatnění je reálné. Akumulace elektřiny je samostatným a nesmírně širokým tématem, kterému se rovněž věnuje celá řada výzkumných projektů podpořených Technologickou agenturou České republiky. Vývoj veškerých nových technologií pro naši energetiku je totiž absolutní prioritou.

Na podporu a progresivní budoucnost nových technologií v oblasti energetiky otevřela TA ČR Program THÉTA 2, který se zaměřuje na transformaci a inovace v energetice s cílem snížit závislost na fosilních palivech a posílit energetickou bezpečnost. Program zahrnuje tři podprogramy zaměřené na výzkum, konkurenceschopnost a dlouhodobou udržitelnost energetiky.

Převzato z magazínu TA.Di vydávaném Technologickou agenturou ČR. Autor: Leoš Kopecký