O akých energetických zdrojoch sa hovorí v spojitosti s budúcnosťou

Svetová energetika prechádza výraznou transformáciou, pretože mnohé firmy sa snažia, aj vďaka tlaku spoločnosti, o udržateľnejšiu a ekologickejšiu budúcnosť. Do úvahy v tomto spore prichádza hneď niekoľko odlišných zdrojov energie, o ktorých sa v súčasnosti diskutuje a ktoré sa skúmajú v súvislosti s uspokojovaním budúcich energetických potrieb, pri súčasnom zmierňovaní klimatických zmien a znižovaní závislosti od fosílnych palív.

Kam sa posúvajú obnoviteľné „klasiky“

Solárna energia sa stala v posledných dekádach hlavným uchádzačom v hľadaní udržateľnej energie. Klesajúce náklady na solárne a fotovoltaické panely spolu s technologickým pokrokom spôsobili, že solárna energia sa stáva čoraz atraktívnejšou možnosťou. Fotovoltaické (PV) články premieňajú slnečné svetlo priamo na elektrickú energiu, zatiaľ čo koncentrovaná slnečná energia (CSP) využíva zrkadlá na sústredenie slnečného svetla na prijímač, ktorý generuje teplo na výrobu elektrickej energie. 

Potenciál solárnej energie je obrovský a ponúka potrebnú rozšíriteľnosť, ktorá dokáže uspokojiť širokú škálu energetických potrieb, od malých inštalácií pre domácnosti až po veľké projekty pre verejný sektor. Slnečná energia prináša významné výhody pre životné prostredie, pretože vyrába elektrickú energiu bez emisií skleníkových plynov alebo výrazného prispievania k znečisťovaniu ovzdušia. 

Solárna energia však čelí určitým obmedzeniam. Jedným z nich je nepravidelnosť, keďže výroba slnečnej energie závisí od dostupnosti slnečného svetla, čo spôsobuje, že za zvýšenej oblačnosti alebo v noci je jej výroba menej stabilná. Na vyriešenie tohto problému je nevyhnutné integrovať riešenia na skladovanie energie, ako sú moderné batérie alebo zásobníky na báze vodíka, ktoré umožňujú skladovať prebytočnú energiu na použitie počas obdobia s nedostatkom slnečného svetla alebo bez neho.  Prekonanie týchto obmedzení a optimalizácia systémov solárnej energie bude mať zásadný význam pre plné využitie jej potenciálu ako čistého a obnoviteľného zdroja energie.

Výhody ostávajú, no problémy tiež

Veterná energia je ďalším rýchlo rastúcim obnoviteľným zdrojom energie. Vďaka pokroku v technológii veterných turbín sa veterná energia stala účinnejšou a nákladovo efektívnejšou. Veterné farmy na pevnine a na mori využívajú kinetickú energiu vetra a premieňajú ju na elektrickú energiu. Toto rýchlo rastúce odvetvie obnoviteľných zdrojov energie má mnoho benefitov, jednou z jej kľúčových výhod je opäť relatívne jednoduchá možnosť tvorby výrazne odlišného množstva energie, od malých turbín pre jednotlivé domácnosti až po veľké veterné farmy, ktoré môžu vyrábať značné množstvo elektrickej energie zásobujúc celé mestá a regióny. 

Veterná energia sa môže pochváliť aj nízkymi emisiami skleníkových plynov, čím prispieva k zníženiu emisií oxidu uhličitého a iných znečisťujúcich látok spojených so spaľovaním fosílnych palív. Veterná energia však trpí tými istými problémami solárna energia, súvisiacimi hlavne s prerušovanou prevádzkou, keďže rýchlosť vetra nie je konštantná, čo vedie k výkyvom vo výrobe energie. 

Účinná integrácia do siete je rozhodujúca na dosiahnutie rovnováhy medzi nestálosťou veternej energie a celkovým dopytom po energii. Veterné farmy bojujú aj s potenciálnymi vplyvmi na životné prostredie, ako sú účinky na voľne žijúce živočíchy, najmä vtáky a netopiere, ako aj obavy súvisiace s estetikou a ochranou krajiny. Vyváženie výhod a problémov veternej energie bude mať zásadný význam pre maximalizáciu jej potenciálu ako udržateľného a spoľahlivého zdroja energie.

Od turbíny k turbíne

Vodná energia je už desaťročia spoľahlivým obnoviteľným zdrojom energie. Veľké vodné priehrady využívajú na výrobu elektrickej energie energiu z tečúcej alebo padajúcej vody, zatiaľ čo menšie prietokové systémy a prílivová energia využívajú prirodzený prúd riek a príliv. 

Hydroelektrárne sú už dlho považované za spoľahlivý a obnoviteľný zdroj energie. Jednou z jej významných výhod je jej dispečerské riadenie, čo znamená, že vodné elektrárne môžu rýchlo reagovať na zmeny v dopyte po elektrickej energii. Okrem toho vodné nádrže slúžia ako systémy skladovania energie, ktoré umožňujú uskladnenie prebytočnej elektrickej energie v obdobiach nízkeho dopytu a jej uvoľnenie počas dopytu v špičke, čo prispieva k stabilite siete.  Výstavba a prevádzka veľkých vodných priehrad však môže mať výrazný vplyv na životné prostredie, vrátane životov mnohých ľudí žijúcich v regióne. Priehrady môžu narušiť prirodzené riečne toky, zmeniť biotopy a brániť migračným trasám vodných živočíchov. 

Tieto ekologické zmeny si vyžadujú starostlivý manažment a zmierňujúce opatrenia na minimalizáciu nepriaznivých účinkov na biodiverzitu a fungovanie ekosystémov. Pre udržateľný rozvoj vodných elektrární je rozhodujúce vyvážiť výhody vodnej energie, ako je jej dispečerský potenciál a potenciál skladovania energie, s potrebou zachovania životného prostredia.

Trochu iné turbíny ako v priehradách vodných nádrží sa roztáčajú aj v jadrových elektrárňach. Jadrová energia má v diskusii o energetike svojich zástancov aj kritikov a z rôznych menej či viac racionálnych dôvodov je určite aj najviac polarizujúcou. Jadrové reaktory vyrábajú elektrickú energiu prostredníctvom riadených štiepnych reakcií. Pokročilé konštrukcie jadrových reaktorov, ako sú malé modulárne reaktory (SMR) a reaktory IV. generácie, ktoré sú prísľubom vyššej bezpečnosti, menšieho množstva odpadu a vyššej účinnosti majú potenciál pritiahnuť väčšie množstvo pozitívnej pozornosti verejnosti. 

Malé modulárne reaktory sú navrhnuté tak, aby mali menšie rozmery a boli flexibilnejšie, čo ponúka výhody, ako je zjednodušená konštrukcia a efektívnejšie bezpečnostné prvky. Cieľom reaktorov IV. generácie je prekonať obmedzenia súčasnej jadrovej technológie využitím pokročilých palivových cyklov, zdokonalených chladiacich systémov a vlastných bezpečnostných prvkov. 

Hoci tieto pokročilé konštrukcie ponúkajú významné výhody, problémy pretrvávajú. Jednou z kľúčových výziev je likvidácia jadrového odpadu. Nájdenie vhodných riešení na dlhodobé skladovanie rádioaktívneho odpadu má zásadný význam pre zabezpečenie bezpečného nakladania s jadrovým odpadom. Okrem toho pri prijímaní a využívaní jadrovej energie zohráva kľúčovú úlohu vnímanie verejnosti. 

Obavy z možných nehôd, šírenia jadrových materiálov a rizika katastrofických udalostí je potrebné riešiť prostredníctvom prísnych bezpečnostných predpisov, transparentnosti a účinnej komunikácie. Riešením týchto výziev môžu pokročilé konštrukcie jadrových reaktorov zohrávať dôležitú úlohu pri zabezpečovaní čistej, spoľahlivej a udržateľnej energie v budúcnosti.

Udržateľnosť pri výrobe paliva samotného

Bioenergia získaná z biomasy má významný potenciál na dekarbonizáciu rôznych odvetví. Biopalivá, ako napríklad etanol a bionafta, sa môžu používať v doprave, zatiaľ čo elektrárne na biomasu vyrábajú elektrinu spaľovaním organických materiálov. Okrem toho môžu chemické látky na báze organických zložiek nahradiť produkty na báze fosílnych palív. 

Bioenergia využíva biomasu, ako sú poľnohospodárske zvyšky, špeciálne energetické plodiny a organický odpad, na výrobu tepla, elektriny a biopalív. Jednou z kľúčových výhod bioenergie je jej obnoviteľnosť, keďže biomasa sa môže neustále produkovať prostredníctvom udržateľných poľnohospodárskych postupov a odpadového hospodárstva. 

Treba tiež povedať, že bioenergia má potenciál na sekvestráciu uhlíka, keďže rastliny počas rastu absorbujú oxid uhličitý, čím sa kompenzujú emisie skleníkových plynov, keď sa biomasa používa na výrobu energie. Existujú však obavy týkajúce sa konkurencie medzi potravinárskymi a energetickými plodinami, ako aj potenciálu nepriamych emisií skleníkových plynov vyplývajúcich zo zmien vo využívaní pôdy. 

Zabezpečenie udržateľnosti surovín na výrobu biomasy má zásadný význam, aby sa zabránilo negatívnym vplyvom na životné prostredie, ako je odlesňovanie alebo vyčerpávanie živín z pôdy. Prijatím udržateľných postupov získavania zdrojov, riešením konkurencie v oblasti využívania pôdy a investovaním do moderných technológií konverzie môže bioenergia prispieť k nízkouhlíkovému energetickému systému a zároveň minimalizovať potenciálne environmentálne kompromisy.

Technológie nadchádzajúcich dekád

Skúsime predstaviť aj naše tipy na technologické oblasti, ktoré majú potenciál prevrátiť energetický priemysel naruby. Kľúč k úspechu samozrejme stále ostáva v systéme skladovania energie, ako sú pokročilé uhlíkové batérie alebo uskladňovanie vodíka, tie totižto majú zásadný význam pre umožnenie integrácie prerušovaných obnoviteľných zdrojov energie do siete. Pozrime sa však na systémy samotnej výroby.

Vývoj energie z jadrovej syntézy, alebo jadrovej fúzie, ktorá kopíruje proces výroby energie vo vnútri našej materskej hviezdy, je prísľubom prakticky neobmedzenej, čistej energie. Umelá fotosyntéza má zase za cieľ napodobovať prirodzený proces fotosyntézy na výrobu obnoviteľných palív. Zhrňme teda vyhliadky, výzvy a súčasné výskumné úsilie v týchto oblastiach.

Novinka spred sedemdesiatich rokov

Energia jadrovej syntézy predstavuje potenciálne revolučný zdroj čistej a takmer neobmedzenej energie. Jej cieľom je replikovať proces, ktorý poháňa naše Slnko (a všetky ostatné hviezdy), kde sa atómy vodíka zlučujú, vzniká hélium, pričom sa uvoľňuje obrovské množstvo energie. Na rozdiel od tradičného štiepenia jadier, pri ktorom dochádza k štiepeniu atómov, pri reakciách jadrovej fúzie dochádza k spájaniu atómových jadier.

Jedným zo sľubných prístupov k dosiahnutiu fúzie je magnetická fúzia. Ide o vytvorenie plazmy izotopov vodíka pri extrémne vysokých teplotách a jej uzavretie pomocou magnetických polí. V súčasnosti najznámejším a najúspešnejším zariadením na jadrovú syntézu sú reaktory typu tokamak, ktoré využívajú toroidný tvar na magnetické ohraničenie plazmy. Výskumníci dosiahli významný pokrok pri kontrole plazmy a dosahovaní teplôt potrebných na fúzne reakcie.

Energia z jadrovej syntézy ponúka niekoľko výhod. Vyrába energiu bez vzniku dlhodobého rádioaktívneho odpadu alebo uvoľňovania skleníkových plynov. Ponúka tiež takmer neobmedzené zásoby paliva, pretože izotopy vodíka, ako sú deutérium a trícium, možno získať z morskej vody. Okrem toho by elektrárne využívajúce jadrovú syntézu boli vo svojej podstate bezpečné, keďže reakcia sa v prípade poruchy prirodzene zastaví, na rozdiel od súčasných jadrových reaktorov.

Stále však pretrvávajú významné výzvy. Hlavnou prekážkou je dosiahnutie trvalej fúznej reakcie, pri ktorej sa vyprodukuje viac energie, ako sa spotrebuje, tzv. čistý zisk energie. Extrémne intenzívne podmienky potrebné na fúziu predstavujú technologické a technické výzvy vrátane udržania stability plazmy a kontroly produkovaných vysokoenergetických neutrónov. Okrem toho vybudovanie a prevádzka praktickej fúznej elektrárne v komerčnom meradle sú náročné úlohy, ktoré si vyžadujú značné investície a spoluprácu na medzinárodnej úrovni.

Napriek týmto výzvam výskumné úsilie na celom svete pokračuje v rozvoji technológie jadrovej syntézy. Cieľom medzinárodnej spolupráce, ako je napríklad projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), je preukázať uskutočniteľnosť energie jadrovej syntézy vo väčšom meradle. Prelomové objavy v oblasti jadrovej syntézy by znamenali revolúciu v energetike a poskytli by takmer neobmedzený a ekologicky čistý zdroj energie.

Pre inšpiráciu nemusíme opustiť planétu

Umelá fotosyntéza sa snaží napodobniť prirodzený proces fotosyntézy, pri ktorom rastliny premieňajú slnečné svetlo, vodu a oxid uhličitý na kyslík a sacharidy, pričom slnečnú energiu ukladajú do chemických väzieb. Napodobnením tohto procesu sa vedci snažia využiť slnečné svetlo a vyrábať čisté palivá, ako napríklad vodík alebo palivá na báze uhľovodíkov, priamo z bohatých a obnoviteľných zdrojov.

Jeden z prístupov k umelej fotosyntéze zahŕňa využitie špecializovaných katalyzátorov, ktoré dokážu rozdeliť molekuly vody na vodík a kyslík. Tieto katalyzátory, primárne na báze často používaných kovov, ako je železo alebo nikel, uľahčujú chemické reakcie potrebné na výrobu paliva. Vodík získaný týmto procesom sa môže použiť ako čistý a univerzálny nosič energie alebo v kombinácii s oxidom uhličitým na výrobu uhľovodíkových palív. Umelá fotosyntéza ponúka niekoľko výhod. Umožňuje priamu premenu slnečnej energie na chemické palivá, čím sa prekonáva nepravidelnosť slnečného svetla. Okrem toho využíva široko dostupné zdroje, ako je voda a oxid uhličitý, čím znižuje závislosť od fosílnych palív a zmierňuje emisie skleníkových plynov. Okrem toho poskytuje aj riešenie na skladovanie energie, keďže vyrobené palivá sa môžu skladovať a použiť v prípade potreby.

Aby sa však umelá fotosyntéza stala praktickou a ekonomicky životaschopnou technológiou, je potrebné vyriešiť niekoľko problémov. Vývoj účinných katalyzátorov, ktoré dokážu riadiť požadované reakcie s vysokou selektivitou a stabilitou, je kľúčovým cieľom výskumu. Okrem toho predstavuje technickú a ekonomickú výzvu rozšírenie výroby a integrácia systémov umelej fotosyntézy do existujúcej infraštruktúry. Ďalej, je potrebné zlepšiť celkovú účinnosť premeny energie umelej fotosyntézy, aby bola konkurencieschopná s inými zdrojmi energie. Teda prekážok je zatiaľ dosť.

Výskumníci na celom svete však aktívne skúmajú umelú fotosyntézu, pričom sa dosiahol významný pokrok vo vývoji účinných katalyzátorov a integrovaných systémov uskladnenia energie. Na pokrok v tejto technológii, optimalizáciu jej účinnosti a prekonanie zostávajúcich prekážok sú potrebné ďalšie investície a spolupráca. V prípade úspechu by umelá fotosyntéza mohla poskytnúť udržateľnú a uhlíkovo neutrálnu cestu na výrobu palív, čo by prispelo k čistejšej a udržateľnejšej energetickej budúcnosti.

Možnosti jestvujú, ale…

Keďže svet čelí naliehavej potrebe prechodu na udržateľnú energetickú budúcnosť, kľúčovú úlohu bude pravdepodobne zohrávať kombinácia obnoviteľných zdrojov energie, pokročilých jadrových technológií a inovatívnych riešení v oblasti skladovania energie, akým je umelá fotosyntéza. Pokračujúci výskum, vývoj a investície do týchto zdrojov energie sú nevyhnutné na dosiahnutie stabilného nízkouhlíkového hospodárstva a zmiernenie vplyvov zmeny klímy. Využitím týchto sľubných technológií môžeme pripraviť cestu k čistejšej a udržateľnejšej budúcnosti pre budúce generácie bez strachu o náš vlastný komfort.

Energeticky čistá budúcnosť si však vyžaduje oveľa vyššie investície do inovácií a výskumu, ako dnes môžeme vidieť. Avšak, na to treba nie len celospoločenský ale aj celopolitický konsenzus, že energetika je hlavným problémom, ak sa pozeráme do blízkej či ďalekej budúcnosti. Alokácie financií do tejto oblasti sa javí ako úplne prirodzená vec, keď berieme do úvahy, že naše osobité energetické potreby rastú takmer z roka na rok, celková populácia a produkcia narastá a štandardné spôsoby získavania energie sú dnes takmer obsolentné.

Budúcnosť rozhodne nie je čierna, máme obrovské možnosti, ako zvrátiť negatívny vplyv ľudskej spoločnosti na jedinú planétu, ktorú dnes dokážeme efektívne obývať. Avšak bude potrebné aby sme si na všetkých úrovniach uvedomili, že práve naša generácia môže byť poslednou, ktorá má na tieto zmeny čas.