technologie

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”.

Společnost E.DIS, jeden z německých provozovatelů elektrické rozvodné sítě, zahájila v polovině července zajímavý experiment: ve své rozvodné stanici v Altentreptow začala testovat možnost využití autonomních mobilních robotů k provádění kontrolních prohlídek těchto zařízení. E.DIS se ve spolupráci se start-upem Energy Robotics snaží autonomně pracující roboty, kteří jsou vybaveni vysoce citlivými senzory a měřicími systémy vycvičit k tomu, aby dokázali vykonávat velmi speciální a náročné úkoly, jejichž bezchybné plnění veřejnost od provozovatele elektrické sítě očekává.

V budoucnu by se tak díky robotům měla výrazně zkrátit délka kontrolních cyklů v rozvodně. Další velkou výhodou by mělo být to, že půjde provádět kontrolu stavu rozvodny i za nepříznivého počasí, například v silné bouři, z pohodlí kanceláře, tedy na dálku, což dále zvýší bezpečnost práce provozovatele sítě.

V právě probíhajícím projektu společnost E.DIS testuje typ robotů, který je zaměřen právě na automatizaci cyklicky se opakujících úkolů, jako je měření, resp. sběr naměřených hodnot. Cílem celého projektu je vytvořit takové inspekční řešení, které půjde jednoduše přizpůsobit libovolné lokalitě.

Jednou z výhod rozvodny, kterou si pro testování firma E.DIS vybrala, je to, že v ní je již nainstalována 5G mobilní síť. Tato okolnost by měla výrazně přispět k vysoké kvalitě přenosu naměřených dat. Dodejme však, že pro spolehlivý přenos zaznamenaných dat postačuje i stávající mobilní standard LTE.

Kromě toho jsou typ a technické parametry této rozvodny pro E.DIS velmi typické. Pokud tedy skončí pilotní fáze projektu úspěšně, firma předpokládá, že roboty nasadí do pravidelného provozu i v dalších svých rozvodnách v Braniborsku a Meklenbursku – Předním Pomořansku.

Kvalitnější kontrola, méně nebezpečí

„Firma E.DIS spustila tento pilotní projekt proto, aby mohla v budoucnu využívat k inspekci rozvoden digitální technologie a dlouhodobě z nich těžit,“ vysvětlil poměrně lapidárně hlavní záměr projektu Sven Mögling, manažer inovací ve společnosti E.DIS. O technologické náročnosti projektu podle něj svědčí to, že se na něm podílí i několik expertů zaměřených přímo na vývoj softwaru a hardwaru pro autonomní inspekční roboty. Tito roboti se dnes již používají například v odvětvích, jako je ropný a plynárenský průmysl, chemický průmysl nebo oblast energetiky. Cílem všech takovýchto robotických aplikací je, aby se lidé nedostávali do nebezpečného pracovního prostředí a zároveň aby se zvýšila kvalita a frekvence kontrol.

Hlavním partnerem projektu je ale společnost Energy Robotics. Ta patří k dnes již etablovaným vývojovým firmám specializujícím se na softwarová řešení pro mobilní kontrolní roboty v průmyslových aplikacích. Jedná se o start-up, který vznikl teprve nedávno, v roce 2019, jako spin-off na půdě Technické univerzity Darmstadt. E.DIS v něm našel skvělého partnera, který disponuje opravdu rozsáhlým know-how v oblasti vývoje a výroby speciálních operačních systémů pro měřicí roboty. Energy Robotics nabízí komerčně dostupnou softwarovou platformu, která v sobě spojuje hardwarově nezávislý operační systém robotického zařízení, cloudovou správu celého robotického parku a analýzu dat řízenou umělou inteligencí uzpůsobenou pro průmyslové aplikace.

Roboti pro širokou škálu využití

Marc Dassler, generální ředitel společnosti Energy Robotics, si spolupráci velmi pochvaluje: „Je to pro nás skvělá příležitost znovu dokázat, že naše kontrolní roboty lze použít v mnoha různých průmyslových odvětvích. Kontroly můžete provádět ve vysoce rizikových oblastech, jako je ropný a plynárenský průmysl, systémy pro tepelné čištění odpadního vzduchu nebo elektrárenské rozvodny – možnosti použití jsou opravdu různorodé a lze je přizpůsobit různým požadavkům klienta.“

Společnost E.DIS si od projektu slibuje především to, že díky němu získá řadu nových poznatků, například o průběhu automatizovaného načítání údajů z analogových měřicích přístrojů. Kromě toho by měl projekt zkvalitnit i kontrolu takových základních bezpečnostních opatření, jako oplocení rozvodny či uzamčení všech jejích bran a dveří. K vyšší kvalitě kontrol by nemalou měrou měly přispět kamerové systémy nainstalované na robotech. Ty by měly umožnit vytváření podrobných 3D map celé lokality rozvodny. Kromě testování vlastního záznamu a ukládání takovýchto informací je cílem projektu také prověření možností jejich přenosu prostřednictvím mobilní sítě.

Sven Mögling však zdůrazňuje, že toto vše se již v Altentreptow v zásadě podařilo v rámci pilotního projektu úspěšně otestovat. „Stále však máme před sebou několik cílů. Jsme například zvědaví, jak měnící se povětrnostní podmínky, například bouřky a silný déšť, mohou spolehlivost záznamu a přenosu dat ovlivnit,“ dodal. Právě to se podle něj bude v následujících týdnech a měsících intenzivně zkoumat.

Společnost E.DIS předpokládá, že testovací fáze včetně dalšího průběžného vývoje této technologie bude trvat až do konce letošního roku.

Na Islandu zahájilo minuý týden provoz největší zařízení na světě, které nasává oxid uhličitý přímo ze vzduchu a ukládá ho pod zem. Oznámily to společnosti Climeworks AG a Carbfix, které stojí za touto nově vznikající ekologickou technologií.

Švýcarský start-up Climeworks se specializuje na zachycování oxidu uhličitého přímo ze vzduchu. Za partnera si vybral islandskou firmu Carbfix, která se zaměřuje na uskladňování oxidu uhličitého. Společně vyvinuly zařízení, které ročně odsaje 4000 tun oxidu uhličitého ze vzduchu. To odpovídá ročním emisím zhruba 790 aut.

Celosvětové emise oxidu uhličitého loni podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) činily 31,5 miliardy tun.

Přímé zachycování oxidu uhličitého ze vzduchu je jednou z několika technologií, které umožňují jeho zachycení z atmosféry. Vědci to považují za nezbytný postup ve snaze omezit globální oteplování, které zřejmě způsobuje větší vlny veder, lesní požáry, záplavy a zvyšování hladiny moří.

Zařízení se nazývá Orca, což je odkaz na islandský výraz pro energii. Skládá se z osmi velkých kontejnerů podobného vzhledu jako ty, jež se používají v lodní dopravě, které obsahují vysoce kvalitní filtry a ventilátory k odsávání oxidu uhličitého. Izolovaný oxid uhličitý se pak smíchá s vodou a je pumpován hluboko pod zem, kde se pomalu mění v horninu. Obě technologie využívají obnovitelnou energii z blízké geotermální elektrárny.

Přímé zachycování oxidu uhličitého ze vzduchu je stále začínající a nákladnou technologií, vývojáři však doufají, že se jim podaří snížit ceny díky rozšíření zařízení, protože více firem a spotřebitelů se snaží snížit svoji uhlíkovou stopu. Podle IEA je na světě nyní v provozu 15 zařízení na přímé zachycování oxidu uhličitého ze vzduchu, které ročně zachytí více než 9000 tun.

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

Americká ropná společnost Occidental v současnosti vyvíjí největší zařízení na přímé zachycování oxidu uhličitého, které má z ovzduší blízko některých jejích ropných polí v Texasu ročně odčerpat jeden milion tun oxidu uhličitého.

Boj za snižování množství oxidu uhličitého v atmosféře se dnes vede na mnoha frontách. Na další možný způsob, jak se zapojit do tohoto snažení, a přitom být i určitým způsobem produktivní, přišli vědci z německého Fraunhoferova ústavu IGB. Začali tento skleníkový plyn používat jako surovinu při výrobě plastů. Postup je následující: z oxidu uhličitého nejprve vyrobí metanol a kyselinu mravenčí, které následně prostřednictvím kontrolovaného působení mikroorganismů přemění na stavební bloky pro tvorbu polymerů. Na průmyslové využití této metody si však budeme muset ještě nějaký čas počkat, vědci totiž odhadují, že do praxe tato technologie může proniknout až za zhruba 10 let.

Podle odborných údajů dosáhla koncentrace CO2 v zemské atmosféře již přibližně 400 částic na jeden milion (ppm), což odpovídá 0,04 procenta. Pro srovnání: ještě v polovině 19. století se tato hodnota pohybovala kolem 280 ppm. Emise CO2 ze spalování fosilních paliv proto mají od počátku letošního roku „svoji cenu“ – výrobní společnosti od té doby musejí za své emise CO2 platit. Mnoho firem proto hledá způsoby, jak se těmto poplatkům vyhnout nebo je minimalizovat. Některé firmy si ale začaly klást i otázky typu: Jak můžeme snížit emise CO2 pomocí tzv. biologicky inteligentních procesů?

Zkusme to s biotechnologiemi

V současné době se výzkumům v tomto směru velmi intenzivně věnují vědci z německého Fraunhoferova ústavu pro mezifaciální a bioprocesní technologie (Fraunhofer-Institut IGB) v rámci projektů EVOBIO a ShaPID. Jedná se o technologicky velmi náročné projekty, proto na nich spolupracuje i několik dalších Fraunhoferových ústavů. „Oxid uhličitý používáme jako základní surovinu,“ říká Jonathan Fabarius, vedoucí výzkumu mikrobiální katalýzy na Fraunhofer IGB. „Postupujeme dvěma směry: jedním z nich je heterogenní chemická katalýza, při které pomocí katalyzátoru přeměňujeme CO2 na metanol. Druhým je elektrochemie, s jejíž pomocí vyrábíme z CO2 kyselinu mravenčí,“ popisuje dále.

Unikátnost tohoto výzkumu však nespočívá pouze v produkci metanolu a kyseliny mravenčí na bázi CO2, ale především v jejich kombinaci s biotechnologiemi, přesněji řečeno s fermentací za pomoci mikroorganismů. Zjednodušeně lze říci, že vědci nejprve z CO2 vyrábějí metanol a kyselinu mravenčí a ty pak používají jako „krmivo“ pro mikroorganismy, které pomáhají s výrobou dalších, komplexnějších produktů.

Příkladem takového produktu jsou organické kyseliny, které se používají jako stavební bloky při výrobě polymerů. Tímto způsobem by tedy bylo možné vyrábět plasty na bázi CO2. Bylo by tak ale možné vyrábět i aminokyseliny, například jako potravinové doplňky nebo krmivo pro zvířata.

Mnoho výhod

A jak vlastně tyto mikroorganismy „pracují“? A jak lze vlastně to, co produkují, ovlivňovat? „V zásadě používáme metabolismus mikroorganismu k řízení výroby požadovaných produktů. Do mikrobů vložíme geny, které dodají plán pro tvorbu konkrétních enzymů. Celý tento proces se nazývá metabolické inženýrství. Enzymy, které pak v mikroorganismu vznikají, katalyzují výrobu určitého produktu. Geny, které by tento proces mohly negativně ovlivnit, dokážeme cíleně vypínat. Tímto řízeným střídáním genů můžeme vyrábět širokou škálu produktů,“ popisuje Jonathan Fabarius.

Tento nový postup nabízí řadu výhod. Vedle toho, že tak lze vytvářet zcela nové produkty, je možné jím také zlepšit stopu CO2 již zavedeným produktům. Zatímco konvenční chemické procesy vyžadují mnoho energie a někdy i použití toxických rozpouštědel, s pomocí mikroorganismů lze vyrábět za mnohem méně drastických a energeticky účinnějších podmínek, mikrobi se totiž dokážou množit v ekologicky čistých vodných roztocích.

Celý tento výzkum je zajímavý také tím, že vědci při něm používají nejen nativní metylotrofní bakterie, tedy ty, které přirozeně zpracovávají metanol, ale dokážou pracovat i s kvasinkami, které metanol metabolizovat nedokážou. Souběžně se svým výzkumem také po očku neustále sledují, zda věda neobjevila nějaké nové zajímavé mikroorganismy, které by mohli zapojit do výstavby svých malých „buněčných továren“.

Výzkumný tým Fraunhoferova ústavu nyní rozpracovává celý výrobní řetězec: počínaje kultivací mikroorganismů přes genové modifikace až po možnosti škálování produkce. I když jsou některé výrobní etapy stále pouze v čistě laboratorní fázi, jiné již jsou dále a byly při nich již nasazeny i první bioreaktory.

Pokud jde o průmyslové využití celé této nové technologie, vědci očekávají, že k němu dojde ve střednědobém až dlouhodobém horizontu – zhruba za deset let. Tlak na průmyslový sektor, aby zaváděl progresivní ekologické výrobní procesy, jako je tento, však neustále roste.

Lithium-iontové baterie mají v oblasti elektromobility či skladování energie v rámci distribučních sítí zcela nezastupitelnou roli. Avšak materiály, které se v současné době k jejich výrobě používají, mají stále řadu nedostatků, a to jak z hlediska výkonu, tak i z hlediska bezpečnosti. Zejména výzkum a vývoj nových forem elektrolytu proto aktuálně představuje pro vědce v řadě zemí zcela zásadní výzvu.

Na australské School of Chemistry při Monash University se v nedávné době podařilo skupině vědců pod vedením profesora Douga MacFarlanea ve spolupráci s komerční společností Calix vyvinout nové chemické řešení, které by mohlo výkonnost i bezpečnost li-ion baterií posunout o značný kus vpřed. V rámci výzkumu, jehož výsledky nedávno uveřejnili v časopise Advanced Energy Materials, tito chemici popisují vývoj nové soli lithia, která by mohla překonat stávající problémy s elektrolytem a nahradit hexafluorfosfátovou sůl, která se nyní v bateriích běžně používá.

Jak známo, s li-ion bateriemi je spojeno jisté riziko výbuchu nebo vznícení, pokud se s nimi zachází nesprávně. Mají také tendenci korodovat. „Lithiovou solí, která se v současné době používá v lithium-iontových bateriích, je hexafluorfosfát lithný, který představuje nebezpečí v podobě možného vzniku požáru a který je také značně toxický,“ popisuje rizika profesor MacFarlane.

Bez rizika i při vysokém napětí

U menších přenosných zařízení poháněných lithiovými bateriemi lze toto riziko obsažené v bateriích částečně zmírnit. Avšak ve velkých bateriích určených pro elektromobily nebo pro bateriová úložiště je potenciální nebezpečí mnohem větší. Baterie pracující s vysokým napětím a energií proto podle Douga MacFarlanea nemohou používat hexafluorfosfátovou sůl.

„Naším cílem bylo vyvinout bezpečné fluoroboritanové soli, na které nemá vliv, zda, případně jakým atmosférickým podmínkám jsou vystaveny,“ uvedl jeden z autorů studie Binayak Roy z Monash University. „Hlavní výzvou při vývoji nové soli fluoroboritanu přitom bylo syntetizovat ji v čistotě potřebné pro bateriové aplikace, což jsme dokázali rekrystalizačním procesem. Při praktické aplikaci lithiové baterie s katodami z oxidu lithia a manganu se pak podařilo dosáhnout více než 1 000 nabíjecích cyklů, a to i po vystavení obvyklým atmosférickým podmínkám, což je ve srovnání s hypercitlivou hexafluorfosfátovou solí zcela neuvěřitelný výkon,“ dodal.

Podle Binayaka Roye tak tento elektrolyt ve spojení s novým katodovým materiálem po instalaci ve vysokonapěťové lithiové baterii svými funkčními parametry značně překonal konvenční sůl. Kromě toho vědci zjistili také to, že nová sůl je na hliníkových sběračích proudu při vyšších napětích velmi stabilní, což je jeden z hlavních požadavků na baterie nové generace.

Hlavně tepelná stabilita a nehořlavost

Na výzkumu se podílela i australská společnost Calix, která se zabývá výrobou materiálů používaných v bateriích. Tyto materiály jsou na bázi manganu a společnost si zakládá na tom, že vznikají z minerálů vytěžených přímo doma v Austrálii. Od aktuálního výzkumu si společnosti Calix slibuje, že jí pomůže urychlit zavedení nových technologií výroby li-ionových baterií do praxe. Hlavním cílem jejího snažení pak je zajistit Austrálii domácí výrobu, a tedy co největší soběstačnost v produkci baterií pro skladování energie.

„Calix vyvíjí platformovou technologii pro výrobu vysoce výkonných, cenově konkurenceschopných materiálů pro bateriové systémy. Velmi těsně spolupracujeme s výzkumnými partnery na našich univerzitách Monash a Deakin, a to prostřednictvím společnosti StorEnergy, která podporuje vývoj elektrolytových systémů, které jsou kompatibilní s elektrodovými materiály Calix. Vynikající elektrochemický výkon a stabilita, kterou prokázal nový elektrolyt od vědců z Monash University, ve spojení s novým elektrodovým materiálem z oxidu lithia a manganu je důležitým milníkem, který nás posouvá o krok blíže k masové produkci baterií obsahujících elektrodové materiály nové generace,“ komentoval výsledky výzkumu Matt Boot-Handford, generální ředitel pro výzkum a vývoj společnosti Calix.

Podle australských vědců bude v příštích letech hrát zajištění tepelně stabilních, nehořlavých kapalných solí stále významnější roli, protože poroste riziko, že na mnoha místech světa bude docházet k stále větším teplotním extrémům. Navrhování bateriových technologií s garancí vysoké míry bezpečnosti a stability tedy bude v Austrálii, ale i mnohde jinde, úkolem opravdu velké důležitosti.

Produkce řady automobilek bude letos nižší, než se předpokládalo. Jedním z hlavních viníků tohoto nepříznivého vývoje jsou polovodiče, resp. jejich nedostatek, který se navíc stále prohlubuje. Na začátku letošního roku analytici předpovídali, že v důsledku nedostatku polovodičů se letos vyrobí o 1,5 milionu vozidel méně. Do dubna se toto číslo vyšplhalo na více než 2,7 milionu a v květnu to již bylo více než 4,1 milionu. Nedostatek polovodičů podtrhl nejen křehkost dodavatelských řetězců v automobilovém průmyslu, ale také upozornil na závislost automobilek na desítkách malých a skrytých počítačů, které dnešní vozy obsahují.

„Žádný jiný průmysl neprochází tak rychlými technologickými změnami jako automobilový,“ řekl Zoran Filipi, vedoucí oddělení automobilového inženýrství Mezinárodního centra automobilového výzkumu při Clemson University. „Je to dáno potřebou řešit hrozbu stále přísnějších předpisů týkajících se emisí CO2 a současně udržovat krok s vývojem automatizace a tzv. infotainmentu a plnit tak očekávání zákazníků ohledně výkonu, pohodlí a služeb,“ vysvětlil. V nadcházejících letech proto můžeme očekávat, že tento trend ještě zesílí s tím, jak stále více automobilek bude ustupovat od spalovacích motorů a přecházet k elektromobilitě a také k autonomním vozidlům.

Důraz na bezpečnost neustále roste

„Kdysi byl software jen jednou ze součástí auta. Dnes určuje hodnotu celého automobilu,“ poznamenává Manfred Broy, emeritní profesor informatiky na Technické univerzitě v Mnichově a přední odborník na automobilový software. Podle něj to, zda vůz bude úspěšný, závisí na jeho softwaru mnohem více než na jeho mechanickém provedení. „Téměř všechny inovace vozidel se v současnosti také pojí se softwarem,“ upozorňuje profesor Broy.

Zhruba před deseti lety obsahovaly vozy prémiových kategorií kolem 100 mikroprocesorových řídicích jednotek, jejichž celková délka kódů se pohybovala kolem 100 milionů řádků. Dnes mohou vozy nejvyšších tříd, vybavené špičkovými technologiemi, jako jsou asistenční systémy typu ADAS, obsahovat i 150 řídicích jednotek. Počtu 100 řídicích jednotek se přibližuje i řada vozidel nižších tříd, protože funkce, které byly kdysi považovány za vysoce nadstandardní, například adaptivní tempomat nebo asistenční brzdné systémy, se posunuly do oblasti standardního vybavení.

Stále přitom přibývají nové a nové bezpečnostní funkce, které rovněž vyžadují pokročilé řídicí technologie, nemluvě o trvale se zpřísňujících emisních limitech, které mohou vozidla splňovat pouze s pomocí sofistikované elektroniky a softwaru. Vzpomeňme v této souvislosti na aféru Dieselgate. Za jejím propuknutím stál fakt, že německá automobilka Volkswagen vybavila své automobily s dieselovými motory TDI softwarem, který rozpoznával, že motor pracuje v režimu odpovídajícím požadavkům laboratorních testů výfukových plynů, a změnou nastavení motoru dočasně snižoval množství vznikajících oxidů dusíku, aby její vozy splnily zákonný limit.

Poradenská společnost Deloitte odhaduje, že od roku 2017 lze přibližně 40 % nákladů na pořízení nového vozu přičíst elektronickým systémům fungujícím na bázi polovodičů, což je vzhledem k roku 2007 zdvojnásobení nákladů. (Před 50 lety to bylo pouhých 5 % z celkové ceny.) Do roku 2030 se tento podíl pravděpodobně vyšplhá až na polovinu celkových pořizovacích nákladů. Pokud vezmeme v úvahu jen samotné polovodiče, pak podle Deloitte jich má dnes každé nové auto v sobě v průměru za zhruba 600 amerických dolarů.

„Roste především množství softwaru napsaného za účelem detekce nesprávného chování vozidla a zajištění jeho bezpečnosti,“ říká Nico Hartmann ze společnosti ZF se sídlem v německém Friedrichshafenu, která je jedním největších světových dodavatelů automobilových komponentů. Jestliže k těmto účelům byla zhruba před deseti lety určena asi třetina softwaru, dnes je to podle Hartmanna často více než polovina.

Každý vůz unikátem

Softwarovou variabilitu, která znamená, že software v podstatě z každého jednotlivého vozidla činí unikát, dokládá například luxusní model SUV XC90 společnosti Volvo. Ten obsahuje přibližně 110 elektronických řídicích jednotek, přičemž jejich konkrétní sestava závisí na několika faktorech. Volvo totiž stejně jako všechny ostatní automobilky nabízí každý svůj model v různých variantách v závislosti na tom, pro který segment trhu je určen. Každý vůz totiž musí splňovat nejen regulační předpisy daného regionu, ale každý kupující má mít možnost vybrat si z více variant: ať již jde o funkce motoru, nebo o funkce vnitřního vybavení. Právě to, jaká konfigurace standardního, volitelného a zákonem požadovaného vybavení je zvolena, určuje přesný počet a typy řídicích jednotek, jejich softwaru a související elektroniky, které bude vozidlo obsahovat. Klíčové je samozřejmě to, aby jejich spolupráce byla zcela plynulá a harmonická.

Deloitte odhaduje, že nejméně 40 % rozpočtu na vývoj vozidla, od úplného počátku až do začátku výroby, plyne na systémovou integraci, testování, ověřování a validaci. Mít plně pod kontrolou veškerou elektroniku a software v každém jednotlivém vozidle je tedy poměrně obtížný úkol, který často vyvolává napětí mezi marketingovými odděleními automobilek, která se snaží vycházet zákazníkům co nejvíce vstříc a nabízet tedy co nejširší paletu variant, a mezi vývojáři a konstruktéry, kteří požadují na základě dobré obeznámenosti se složitostí realizace redukci této diverzity. Není proto překvapením, že efektivní správa této výrobní komplexnosti je v automobilovém průmyslu významným problémem, který v dohledné době jistě nezmizí.

Miliarda testů

Nejde samozřejmě pouze o software, ale i o fyzickou architekturu součástek, která s ním souvisí. Mnoho řídicích jednotek je spojeno s nějakými senzory nebo akčními členy, se kterými interagují, například v brzdových systémech nebo při monitoringu motoru. Kabelový svazek tak může obsahovat i více než 1 500 drátů o celkové délce až 5 000 metrů a o hmotnosti kolem 70 kg. Snižování hmotnosti a složitosti těchto kabelových svazků se proto stalo jedním z hlavních cílů automobilek.

I přes značnou snahu automobilek se přesto ne vždy podaří důkladně otestovat všechny možné kombinace sestav řídicích jednotek před zahájením výroby. Zatímco bezpečnostní prvky vozidla bývají většinou pevně dány, konečná podoba celé sestavy řídicích jednotek se zpravidla odvíjí od toho, jak vysoké požadavky na komfort vznese zákazník. V některých případech tak vozidlo, které sjíždí z výrobní linky, je také prvním vozidlem v dané softwarové konfiguraci.

Některé automobilky tak musejí řešit i statisíce potenciálních kombinací pro každý jednotlivý model. Máte-li pak důkladně vyzkoušet každou jednotlivou kombinaci elektroniky, znamená to otestovat až miliardu jejích unikátních konfigurací. Na druhou stranu celou řadu těchto konfigurací lze dnes řešit již během vývoje, tedy ještě před fyzickou částí výroby, počítačovými simulacemi.

Situaci ale komplikuje fakt, že téměř veškerý vývoj řídicích jednotek a příslušného softwaru zajišťují externí dodavatelé, kteří často nemají přehled o tom, jak má fungovat celá sestava, takže můžou nastat problémy se vzájemnou kompatibilitou. Jak málo softwaru automobilky vyvíjejí samy, dokládá nedávný výrok Herberta Diesse, předchozího generálního ředitele koncernu Volkswagen a současného předsedy jeho představenstva, v němž připustil, že jen asi 10 % softwaru pochází přímo od Volkswagenu. Zbývajících 90 % zajišťují desítky externích dodavatelů.

Komplikace, které tím mohou vzniknout, potvrzuje průzkum mezi dodavatelskými firmami automobilek, které odpovídaly na otázku, jak těžké je zjistit, zda změna v softwaru jedné řídicí jednotky ovlivní funkci jiné. Potíže připustilo více než 90 % z nich, z toho 37 % dotázaných firem uvedlo, že je to obtížné, 31 % odpovědělo, že je to velmi obtížné, podle 7 % je to téměř nemožné a podle 16 % to není možné vůbec. Dodejme, že podobné to je i z uživatelského hlediska: 83 % řidičů tvrdí, že nakonfigurovat si správně nový vůz je pro ně až příliš složité. To jsou bezpochyby znepokojující údaje.

Automobilky se vedle všech výše zmíněných problémů se softwarem musejí navíc připravit na to, že budou čelit stále sílící hrozbě záměrného vnějšího, hackerského útoku na software vozidla. Tato problematika se v současné době již řeší na mezinárodní úrovni, což dokládá například usnesení OSN o regulaci kybernetické bezpečnosti vozidel, některé prognózy jsou však spíše skeptické. Například poradenská společnosti McKinsey varuje, že složitost automobilového softwaru rychle přerůstá možnosti dále jej efektivně rozvíjet a udržovat. Složitost tohoto softwaru totiž za poslední desetiletí vzrostla čtyřikrát, ale produktivita firem, které jej automobilkám dodávají, se za stejnou dobu téměř nezvýšila. V příštím desetiletí se přitom tato složitost pravděpodobně opět několikanásobně zvýší. Výrobci automobilů i jejich dodavatelé se proto budou muset velmi usilovně snažit, aby tuto mezeru mezi vývojem a produktivitou co nejdříve uzavřeli.      

“Toto není místo cti a slávy”, má stát vytesáno v kameni. A nápis pak pokračuje v tomto patetickém duchu dále: “Nepřipomíná se tu žádná slavná osobnost, neleží tu nic cenného. To, co tu leží, by bylo pro nás nebezpečné a odpudivé. Toto poselství je varováním před nebezpečím.”

To není kletba u vchodu do starobylé mohyly. Vzkaz se má nacházet u vchodu do dlouhodobého úložiště jaderného odpadu, které bylo vybudováno v hloubce přes 600 metrů ve stabilních horninách pod pouští v Novém Mexiku. Obrovský komplex tunelů a jeskyní označovaný jako WIPP ( Waste Isolation Pilot Project) je určen k ukládání nejnebezpečnějšího jaderného odpadu americké armády.

Tento odpad zůstane smrtelně nebezpečný déle než 300 tisíc let. Tedy zhruba stejnou, možná o něco delší dobu, než po kterou Homo sapiens chodí po povrchu planety. WIPP je dnes jedním ze dvou funkčních hlubinných úložišť na světě. Druhé zařízení tohoto typu bylo v roce 2020 otevřeno ve Finsku. 

Až se zařízení někdy v příštích 10 až 20 letech naplní, budou jeskyně zavaleny a uzavřeny betonem a zeminou. Rozsáhlý komplex budov, které v současnosti na místě stojí, bude kompletně zdemolován. Na jeho místě vznikne “největší vědomý pokus naší společnosti o komunikaci přes propast času”.

Plánovat na další desítky či stovky tisíc let totiž samozřejmě nedokážeme. Nikdo si netroufne říci, co bude v příštích desetiletích, natož delší časových horizontech. A pokud lidstvo upadne nebo zcela vymře, a přijdou jiné inteligentní bytosti, jejich setkání s jaderným by rozhodně nemuselo být příjemné.  

Varovat budoucnost

Plán pro WIPP počítá s obrovskými zhruba sedm metrů vysokými žulovými sloupy, které budou označovat vnější hranici celého areálu, jehož rozloha je 10 kilometrů čtverečních. Ve středu tohoto území, přímo nad samotným úložištěm,  pak má být val zeminy 10 metrů vysoký a 30 metrů široký. Uvnitř tohoto valu pak budou další čtyři žulové sloupy. 

Uprostřed této monumentální obdoby nápisu “Zákaz vstupu” bude místnost s informacemi o úložišti. Pro případ, že by se informace staly nečitelnými, bude na stejném místě pohřbena identická zpráva. A další kopie bude v samotné valu. Podrobné informace o WIPP budou uloženy v mnoha archivech po celém světě na speciálním papíře opatřeném razítkem s pokynem, že musí být uchovávány po dobu 10 tisíc let. To je doba, po kterou má zatím úložiště licenci. 

Vítejte ve světě jaderné sémiotiky. Rozsáhlé krajinné úpravy navržené pro potřeby WIPP jsou v nemalé míře ovlivněny science fiction. Jaderní fyzici, inženýři, antropologové, spisovatelé sci-fi, umělci a další dohromady vytvořili esoterický obor, který chce budoucí lidské generace – a vůbec všechny, kdo přijdou po nás – varovat před smrtonostným dědictvím našeho jaderného průmyslu.

Stavba trvalého úložiště jaderného odpadu WIPP pro potřeby ozbrojených sil USA (foto US DoD)
Stavba trvalého úložiště jaderného odpadu WIPP pro potřeby ozbrojených sil USA (foto US DoD)

Mohlo to být horší

Pokud se vám zdá zvolené řešení pro WIPP poněkud přehnané, vězte, že není zdaleka tak “originální” jako některé jiné navržené nápady. Neprošel například návrh pokrýt lokalitu lesem masivních betonových trnů. Nebo nápad vytvořit atomový kultu, jehož kněžstvo by s pomocí legend a rituálů vštěpovalo budoucím generacím nábožný strach z místa, kde odpad leží. (Výraz “atomoví kněží” v této souvislosti poprvé použil zřejmě lingvista Lingvist Thomas Sebok v roce 1981.)

Neprosadil se ani myšlenka vytvořit speciální živý Geigerův počítač, tedy detektor radiace. Měly jím být kočky, které by při ozáření měnily barvu. Předpoklad byl, že by se lidé naučili těchto změn bát a vyhýbali by se místům a situacím, ve kterých jejich domácí mazlíčci náhle změní barvu. (“Radiokočky” se staly relativně populárním memem a přežívají například na tématickém zboží, třeba tričkách, takže tak špatný nápad to zřejmě nebyl.)

Tento a další nápady se zrodily v rámci zcela vážně míněné iniciativy “Pracovní skupiny pro lidské zásahy” (míněno zásahy do úložiště). Vznikla v roce 1981 v souvislosti s projektem dodnes nedokončeného úložiště pod Yucca Mountain ve státě Nevada. Tato pracovní skupina je všeobecně považována za zakladatele oboru jaderné sémiotiky. 

Budou na to dbát

Na její práci navázala Agentura pro jadernou energii (NEA) se sídlem v Paříži prostřednictvím “Iniciativy pro zachování záznamů, znalostí a paměti napříč generacemi” (RK&M Initiative), která začala pracovat v roce 2011 a jejíž závěrečná zpráva byla zveřejněna v roce 2019. nEA je mezivládní agentura, která podporuje spolupráci mezi 33 zeměmi s vyspělou infrastrukturou jaderných technologií. U mezinárodní organizace nepřekvapí, že její návrhy nemají už originální půvab původní americké komise. Doporučuje například děla fyzické připomínky ve větším počtu, třeba i o velikosti mincí, aby je nešlo snadno vymazat z historického záznamu. Třeba aby je nebylo možné jednoduše strhnout. Svítící kočky či založení nového náboženství to není, ale zato se řada podobných doporučení dá opravdu v praxi provést.  

Ale i přes řadu existujících doporučení neexistuje jasná shoda, jak problém řešit. Není to nic překvapivého – nejlepší metoda se nedá nijak experimentálné ověřit. A dosavadní historické příklady komunikace vzdálených generací s jejich následníky nevyznívají jednoznačně. 

Jednoduché značení rozhodně nemůže stačit. Studie Mezinárodní agentury pro atomovou energii zjistila, že i dnes může jen 6 % světové populace rozpoznat symbolem radiace (tedy známý černý “trojlístek” s kroužkem uprostřed na žlutém pozadí). 

Najdou se univerzálnější symboly, které jsou srozumitelné déle. Po zemětřesení a následné tsunami v roce 2011 se například ukázalo, že lidé celkem dobře chápu význam 1000 let starých kamenů, které varují právě výskytem těchto vln a vyznačují v krajině místo, kam v minulosti tyto katastrofy zasáhly. Ale také se ukázalo, že řada obyvatel varování ignoruje a staví v oblastech ohrožených tsunami. I když lidé o riziku ví, vyhodnocují ho jinak, než by si autoři varování přáli. Bezprostřední existenční tlaky či prostě jejich potřeby a záliby pro ně mají mnohem větší váhu, než by si plánovači přáli. I když zprávě porozumí, není jisté, zda na ni budou vůbec dbát. 

Podzemní prostory úložiště Onkalo ve Finsku (foto Posiva)
Podzemní prostory úložiště Onkalo ve Finsku (foto Posiva)

Finové na to jdou jednoduše

Zmíněná RK&M Initiative nakonec dospěla zjednodušeně řečeno k závěru, že úložiště by měla být vyznačena vícero způsoby. Nemělo by se spoléhat na jeden jediný, protože žádný se nezdál dostatečně spolehlivý a přesvědčivý. Je to pochopitelné a opatrné řešení. Ale ne každému se zdá. 

Například první civilní dlouhodobé úložiště jaderného odpadu, finské Onkalo, je založen na úplně jiném konceptu. V Onkalo bude po tisíce let izolováno použité palivo ze všech finských jaderných reaktorů v hloubce přibližně 450 metrů pod povrchem země. Použité palivo se bude balit do ocelovoměděných kanystrů v nadzemním zapouzdřovacím zařízení, odkud budou převezeny do podzemních tunelů úložiště, a dále do místa finálního uložení – hnízd těsněných bentonitovým pufrem.

Až se úložiště naplní, jeho stavitelé zahladí všechny stopy jeho existence. Úložiště leží v plochém, pevném a stabilním skalním masivu na ostrově Olkiluoto v Baltu, byl původně pokryt převážně borovým lesem. A tak by měl vypadat i po dokončení všech prací a úprav. 

Finové se rozhodli jednoduše budoucí generace nevarovat a zároveň ani nepokoušet. Oblast je natolik geologicky stabilní, že by měla řádově stovky tisíc let přežít bez otřesů. A technologie ukládání odpadů podle nich bude tak spolehlivá, že by se měla obejít bez zásahu člověka. 

Nabízí se tak myšlenka, že o tom, jak kdo uloží svůj nejtrvanlivější odhad, nerozhodují nakonec něco komise. Možná hraje větší roli povaha organizací, zemí a národů, které problém řeší. Finsko zvolilo krajně nenápadné řešení. Americké ozbrojené síly po sobě nechají třikrát zálohovanou monumentální památku. Může to být náhoda? 

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.

V roce 1941 vydal spisovatel science fiction Isaac Asimov povídku s názvem “Rozum”. Byl to varovný příběh o robotice a umělé inteligenci, ale dnes se na něj vzpomíná také pro zvláštní prostředí, ve kterém se odehrával: vesmírnou stanici, která shromažďuje sluneční energii a posílá ji na zemský povrch s pomocí mikrovlného vysílače. Od té doby je se myšlenka na vesmírné solární elektrárny stala předmětem úvah celé řady technologických nadšenců a snílků.

Mezi nimi byl i Donald Bren. Muž, který díky svému postavení – je jedním z nejbohatších amerických developerů – stojí v pozici, kterou mu většina fandů sci-fi nápadů může jen závidět. O vesmírných “solárních farmách” si může nejen číst a snít; může za ně také utratit spoustu peněz. A přesně to posledních několik let skrytě dělal.

Kalifornský technologický institut před několika dny oznámil, že Bren a jeho žena Brigitte věnovali škole od roku 2013 více než 100 milionů amerických dolarů určených právě na výzkum získávání fotovoltaické energie z oběžné dráhy.

Vzhůru!

Dlouholetá podpora má být zakončena praktickou zkouškou ve vesmíru. Tým z Caltechu usiluje o první vypuštění testovacího pole na konci roku 2022 nebo 2023. “Je to dosti odvážné,” řekl pro server IEEE Spectrum Ali Hajimiri, profesor elektrotechniky a spoluředitel projektu Caltech Space Solar Power. Ovšem díky dlouhodobé podpoře projektu je podle něj “možné riskovat. Někdy se vyplatí a někdy ne, ale když to děláte s rozvahou, nakonec dosáhnete něčeho, co jste nikdy nečekali.”

Devětaosmdesátiletý Bren vydělal většinu svého jmění – odhaduje se na 15,3 až 16,1 miliardy dolarů – budováním kanceláří a domů v Orange County v Kalifornii. Je většinovým vlastníkem ikonické budovy MetLife v New Yorku. Věnoval také pozemky a peníze na ochranu životního prostředí. Poskytuje jen málo rozhovorů (odmítl se vyjádřit i pro článek o jím podporovaném projektu vesmírné elektrárny), a zatímco o projektu Caltech Space Solar Power už se vědělo roky, skutečnost, že ho Bren finančně podporuje byla až dosud utajena.

Jako hejna ryb

Vysoká oběžná dráha Země je skvělým místem pro fotovoltaickou elektrárnu. Slunce tu nikdy nezapadá a nikdy se netvoří mraky. V minulosti zvažované projekty elektráren na oběžné dráze ovšem nerealisticky masivní, a tedy příliš nákladné.

Inženýři si představovali obří příhradové konstrukce, obvykle měřené v kilometrech (nebo mílích, podle toho, v které zemi vznikaly), na nichž byly připevněny fotovoltaické panely nebo zrcadla, které pohlcovaly nebo koncentrovaly sluneční světlo a přeměňovaly je na stejnosměrný proud. Ten se přenášel na zem pomocí laserových nebo mikrovlnných paprsků. K vybudování jediného zařízení mohly být zapotřebí stovky startů raket. Podle odborníků, kteří pracují na projektu Caltechu, to byly projekty příliš ambiciózní, než aby mohly uspět.

Prototyp konstrukce, kterou vyvíjí odborníci na kalifornské technice v rámci projektu Space Solar Power. Jeho hlavní výhodou má být nízká hmotnost (foto Caltech)
Prototyp konstrukce, kterou vyvíjí odborníci na kalifornské technice v rámci projektu Space Solar Power. Jeho hlavní výhodou má být nízká hmotnost (foto Caltech)

“K tomu, aby to bylo přesvědčivé, bylo zapotřebí změnit paradigma technologie,” vysvětlil pro novináře Harry Atwater, profesor aplikované fyziky a materiálových věd Howarda Hughese na Caltechu a vedoucí projektu. “Namísto hmotnosti kolem kilogramu na metr čtvereční hovoříme o systémech, které dnes můžeme vyrábět v rozmezí 100 až 200 gramů na metr čtvereční, a máme plán, jak se dostat do rozmezí 10 až 20 gramů na metr čtvereční.”

Jak? Nejde o jedno jediné řešení. Ale asi největší změna v myšlení spočívá ve výrobě modulárních solárních konstrukcí. Lehké gallium-arsenidové fotovoltaické články by se připevňovaly na “dlaždice” – základní jednotku návrhu Caltechu, z nichž každá by mohla být malá až 100 centimetrů čtverečních, což je zhruba plocha malého talíře.

Každá dlaždice – a to je klíčové – by byla vlastní miniaturní solární stanicí, vybavenou fotovoltaikou, drobnými elektronickými součástkami a mikrovlnným vysílačem. Dlaždice by se spojovaly do větších “modulů” o rozloze řekněme 60 metrů čtverečních. Tisíce modulů by pak tvořily hexagonální elektrárnu, se stranou dlouhou až několik kilometrů. Moduly by však nebyly ani fyzicky propojeny. Žádné těžké nosné trámy, žádné svázané kabely, a tedy mnohem menší hmotnost. Podle vědců si můžeme elektrárnu představit jako hejno ryb nebo ptáků; tedy skupnu identických na sobě nezávislých prvků pohybujících se ve formaci.

Přenos k přijímačům na zemi by probíhal pomocí sfázované antény – mikrovlnné signály z dlaždic by byly synchronizovány tak, aby je bylo možné zaměřit i bez pohyblivého vysílače. Podle Atwatera by to bylo z podstaty bezpečné řešení: mikrovlnná energie není ionizující záření a hustota energie by se “rovnala hustotě energie ve slunečním světle”.

Činorodý ruch

Vesmírná solární energie je pravděpodobně ještě roky vzdálená. Analytici z Centra pro vesmírnou politiku a strategii společnosti Aerospace Corporation varují, že “nepůjde o rychlé, snadné nebo úplné řešení”.

V oboru však panuje optimismus. Technologii se věnuje japonská kosmická agentura JAXA, práce probíhají i v Číně. Náklady na starty se snižují a do vesmíru míří celá řada nových projektů, od internetových satelitů až po lodě NASA určené k cestě na Měsíc.

Analytici Aerospace Corp. tvrdí, že pozemní energetické sítě nemusí být prvními uživateli satelitů využívajících sluneční energii. Místo toho se podle nich uvažuje o využití pro jiná vesmírná plavidla. Mikrovlnný paprsek z orbitální solární farmy by mohly v některých případech být praktičtější než vlastní solární panely.

“Je potřeba mnoho další práce? Ano,” přiznal okamžitě Hajimiri. Ale část problémů, které v minulosti představovaly nepřekonatelný problém, se již zdají být řešitelné. Uvidíme, jestli se aspoň část z nich podaří vyřešit do roku 2041, kdy Asimovova vize bude slavit stoleté výročí.

Australská společnost GMG tvrdí, že se jí podařilo vyvinout bateriové články pro elektromobily, které lze nabít až šedesátkrát rychleji než konvenční lithium-iontové baterie. Nová technologie by zároveň měla být i levnější, bezpečnější a snadněji recyklovatelná. Do sériové výroby by se tyto články měly dostat v roce 2024.

Společnost Graphene Manufacturing Group (GMG), která sídlí v australském Brisbane, vyvinula články ve spolupráci s taktéž australskou University of Queensland. Ty vedle toho, že se nabijí až šedesátkrát rychleji než nejlepší lithium-iontové články, dokážou uložit i třikrát více energie než nejlepší články na bázi hliníku. To by například znamenalo, že elektromobil, jehož nabíjení dnes trvá hodinu, by mohl být s novou technologií nabitý k plnému výkonu za pouhou minutu.

Články by údajně měly být také bezpečnější, protože pro ně neexistuje žádná horní hranice, která by mohla způsobit spontánní přehřátí. Díky základním stavebním materiálům by měly být ve srovnání s těmi současnými také udržitelnější a snadněji recyklovatelné.

Nanotechnologie a grafen

GMG plánuje, že nové grafen-hliník-iontové baterie uvede na trh na konci letošního nebo na počátku příštího roku, nejprve však pouze v podobě knoflíkových baterií. K zahájení výroby článků pro elektromobily by podle předpokladů mělo dojít na začátku roku 2024.

Bateriové články jsou založeny na technologii australského Institutu pro bioinženýrství a nanotechnologie při University of Queensland. Důležitou roli v celém procesu výroby elektrické energie totiž hraje právě speciální nanotechnologie, která umožňuje implementovat atomy hliníku do malých otvorů v grafenových vrstvách baterie.

Grafen je supertenká, pouze jeden atom tlustá forma uhlíku, strukturou podobná grafitu. Je to jeden z nejpevnějších známých materiálů na světě. Díky této „2D struktuře“ má některé zvláštní fyzikální vlastnosti, které se ukazují být pro řadu průmyslových odvětví velmi zajímavé.

Podle testu v recenzovaném odborném časopise Advanced Functional Materials články vykazují „i při vysoké zátěži vynikající výkon a překonávají tak všechny dosud známé AIB-katodové materiály“.

„Baterie se nabíjejí tak rychle, že je to v podstatě superkondenzátor,“ řekl Forbesu generální ředitel GMG Craig Nicol. Knoflíková baterie se například nabije za méně než 10 sekund. Nové články by také měly nabídnout mnohem vyšší hustotu výkonu než současné lithium-iontové baterie. Zároveň nevyžadují žádné vzácné prvky a nemají problémy ani s příliš vysokými teplotami. „Zatím nenastaly žádné teplotní problémy. Dvacet procent lithium-iontové baterie (ve vozidle) má co do činění s chlazením. Je vysoce pravděpodobné, že toto chlazení nebo topení vůbec nebudeme potřebovat,“ potvrzuje Nicol. „Nepřehřívají se a v dosavadních testech fungují dobře i při teplotách pod bodem mrazu,“ dodává.

Výrobce slibuje flexibilitu a příznivou cenu

Podle Nicola lze novou technologii článků velmi dobře integrovat do standardních výrobních procesů, a to tak, že se konstrukčně upraví pro instalaci do běžných, pro lithium-iontové baterie určených pouzder, například do platformy MEB koncernu Volkswagen. „Naše baterie budou mít stejný tvar a napětí jako mají současné lithium-iontové články, ale můžeme se takříkajíc přeladit na jakýkoli tvar,“ zdůraznil Craig Nicol.

GMG zatím nepodepsala žádné smlouvy s velkými automobilkami ani s jejich dodavatelskými firmami: „Zatím jsme se s žádnou velkou značkou nespojili, naše baterie by ale klidně mohla být zdrojem energie třeba pro iPhone, který by dokázala nabít během několika sekund,“ je přesvědčen Nicol. „Nejprve chceme na trh uvést knoflíkovou baterii. Tu půjde nabít za méně než minutu a ve srovnání s lithiem bude poskytovat trojnásobek energie,“ vysvětlil ředitel Nicol.

Také výrobní náklady by se měly pohybovat v přijatelných mezích. Cena hliníku se totiž v posledních letech nezvýšila tak výrazně, jako tomu bylo v případě lithia. Australské „zázračné“ baterie by se také měly obejít bez mědi, která cenu dnes běžných baterií také znatelně navyšuje.

GMG je sice podle svých slov otevřená obchodním dohodám s jinými výrobci, ale na druhé straně by chtěla tuto technologii rozvinout co nejdále vlastními silami. Firma je na tento další vývoj připravena: v Austrálii disponuje několika až padesátigigawattovými výrobními závody.

Načíst další