Pražský magistrát hodlá začít instalovat na bytové domy města fotovoltaické panely. V rámci pilotního projektu nejprve otestuje koncept tzv. komunitní energetiky na dvou bytových domech na Černém Mostě. Výkon každé z obou fotovoltaických elektráren by měl být zhruba 10 kW. Celý projekt je součástí klimatického plánu hlavního města zaměřeného na snižování uhlíkové stopy. Ten mimo jiné obsahuje závazek do roku 2030 pokrývat polovinu svých energetických potřeb z obnovitelných zdrojů energie.

„Jde o pilotní projekt naší pražské sluneční elektrárny. Elektřina takto vyrobená bude rovnou poskytnuta obyvatelům těchto domů, to znamená, že koncoví spotřebitelé ušetří na distribučních poplatcích, které se normálně platí energetickým společnostem,“ upozornil náměstek primátora a radní pro oblast životního prostředí Petr Hlubuček na významný benefit, který spotřebitelům fotovoltaika přinese.

Významnou roli v tomto pilotním projektu bude hrát nová příspěvková organizace Pražské společenství obnovitelné energie (PSOE), která kromě odborného dozoru nad realizací projektu bude zodpovědná i za následný provoz. PSOE bude disponovat licencí na výrobu a prodej elektrické energie a pro dané bytové domy tak bude fungovat jako dodavatel. „Byl bych rád, kdyby začala fungovat už od 1. října,“ uvedl k zahájení činnosti PSOE Petr Hlubuček. Zkušební provoz fotovoltaických elektráren by měl začít do konce letošního roku a její instalace by měla vyjít na 1,9 až 3,5 milionu korun.

Společenství bude otevřeno malým a středním podnikům i samotným obyvatelům domů. Město chce například umožnit Pražanům kupovat si menší podíly v elektrárnách instalovaných na městských budovách. Na výrobě energie se tak budou moci podílet i ti, kteří nemohou instalovat fotovoltaiky na svých vlastních střechách.

Na celém záměru se podílí rovněž společnost PREdistribuce, která obyvatelům domů, kteří budou mít zájem, namontuje inteligentní elektroměry. Obyvatelé zároveň uzavřou s dosavadním dodavatelem novou smlouvu o dodávce zbývající elektřiny, kterou už nepokryje místní výrobna. Pokud se celý projekt osvědčí, plánuje Praha další instalace komunitních fotovoltaických elektráren, a to nejen na majetku města, ale i v soukromě vlastněných objektech.

„Projekt na Černém Mostě je jednou z prvních vlaštovek, které realizujeme v rámci přeměny energetiky na městských objektech. V tomto případě jde o specifikum, že se nejedná o samostatnou budovu s jedním provozovatelem, který využívá zde vyrobený proud, jako jsou například školy. V tomto případě jde o bytový dům, kde budoucími odběrateli budou přímo jednotliví nájemci. Tím, že zde vyrobená energie bude mít přímo lokálního odběratele, dojde k úspoře v rámci nutnosti dostat vyrobenou elektřinu do centrální soustavy. Tímto směrem bychom chtěli jít i na velké části dalších městských objektů. Dostáváme Pražanům cenou konkurenceschopný a ekologicky čistý proud elektrické energie s velmi zajímavou provozní cenou,” upřesnil radní hlavního města Prahy Jan Chabr.

Zapojme i veřejné budovy

Podle Aliance pro energetickou soběstačnost mohou střechy rodinných a bytových domů v Praze a okolí poskytnout dostatek fotovoltaického výkonu nejméně pro 120 000 domácností. Inspirací přitom mohou být přístupy některých měst v zahraničí. Například ve Vídni hodlají masivně rozšiřovat solární panely na celkem 120 000 m2. Podobnou cestou se u nás vydává i Brno, které plánuje instalovat solární panely na 120 městských budov a zajistit svým občanům levnou a obnovitelnou energii. „Provoz virtuální elektrárny bude mít na starosti městský podnik. Chystáme se do ní zapojit 120 000 m2 střech na 120 městských budovách, které pokryjeme solárními panely. K dispozici bude i společné úložiště energie. Brňané s vlastní fotovoltaikou, kteří se k virtuální elektrárně připojí, mohou ze systému dodávat a odebírat elektřinu, jak se jim to bude hodit,” shrnuje výhody budoucího městského systému náměstek primátorky města Brna Petr Hladík.

„Solární elektrárny jsou v současnosti nejdostupnějším zdrojem čisté energie. Na vhodné střechy obytných domů v hlavním městě a v okresech Praha-západ a Praha-východ lze instalovat 472 až 675 MW výkonu, který by dokázal zásobovat elektřinou 120 000 až 170 000 domácností s průměrnou spotřebou. Bilančně to pak vychází, že každá čtvrtá až pátá pražská domácnost může během roku spotřebovávat jen solární energii. Toto číslo by přitom mohlo být ještě vyšší, pokud by budovy využily také fasády nebo v oblastech dotčených památkovou ochranou solární střešní tašky,“ uvedl Jiří Beranovský ze společnosti EkoWATT, která analýzu pro Alianci pro energetickou soběstačnost vypracovala.

Jen rodinné a bytové domy mohou vyprodukovat přes 482 gigawatthodin elektrické energie – přitom se počítalo s omezeními, jako je orientace střechy, zastínění nebo neochota vlastníků bytových jednotek ke společné investici. Ohledně otatních typů budov, jako jsou kancelářské, průmyslové a veřejné budovy (např. budovy státních orgánů nebo škol) je třeba vzít v úvahu, že mnohé z nich čekají zásahy spojené s adaptací na změnu klimatu, ať už v podobě zateplení, výměny oken nebo zelených střech. To zvyšuje ještě potenciál pro energetickou soběstačnost.

„Instalování střešních solárů na obytných budovách má smysl a nás ve vedení města těší, že podobné analýzy vznikají. Smysluplný přechod k udržitelné výrobě energie se ale neobejde bez zapojení veřejných budov, kterých máme v hlavním městě nejvíc v republice. Tedy budov města a státních institucí, všech druhů škol, nemocnic, galerií atd. Příkladem může být ZŠ Kunratice, která získala svou vlastní elektrárnu na nevyužité střeše už v roce 2010 a od té doby vyrobí zhruba 55 000 kilowatthodin čisté elektřiny ročně,“ vysvětluje Vít Šimral, radní hlavního města Prahy pro oblast školství.

Komunální energetika v praxi

Koncept komunitní energetiky není nijak nový, má již svoji historii, jejíž kořeny sahají do Skandinávie a zemí západní Evropy. Pro příklady dobré praxe není potřeba chodit daleko, stačí překročit hranice a nahlédnout do Německa či Rakouska, případně o kousek dále, například do Belgie. Německo v roce 2018 poprvé vyprodukovalo více elektřiny z alternativních zdrojů energie než z uhlí. Zhruba polovina těchto zdrojů je přitom ve vlastnictví družstev, kterých je v zemi přes tisíc, nebo jednotlivých občanů. U nás z obnovitelných zdrojů pochází zhruba 14 % celkové energie, přičemž jen necelým 1 % se na tom podílí komunitní energetika.

Asi nejznámějším příkladem komunitní energetiky v ČR – i když nikoli fotovoltaické – je obec Kněžice ve Středočeském kraji. Tato obec je označována jako energeticky soběstačná a získala za to nejedno prestižní ocenění. Stěžejním bodem místní energetiky je bioplynová stanice a dva kotle na biomasu. Bioplynová stanice využívá bioodpad k výrobě tepla a elektřiny. Ročně takto vyrobí okolo 2600 MWh elektřiny, čímž pokryje spotřebu zhruba 90 % obce. V bioplynové stanici se míchají splašky z tamních septiků s kompostem, kejdou a dalšími tekutými zbytky ze zemědělství a potravinářského průmyslu.

Po nedávných pokusech Švýcara Bertranda Picarda se strojem Solar Impulse se na scéně objevil jeho krajan Raphaël Domjan, který chce posunout limity stanovené Picardem ještě o kus dále: s letadlem poháněným pouze sluneční energií hodlá vyletět až do stratosféry, konkrétně do výšky 25 000 metrů nad zemí, tedy až na hranici vesmíru. Této výšky by přitom letoun s konvenčním pohonem nemohl nikdy dosáhnout. Na počátku září tento švýcarský pilot se solárním letounem úspěšně uskutečnil první ostrý testovací let.

Leckdo ještě má v paměti let Bertranda Picarda s letadlem Solar Impulse. Jednalo se o první letadlo, které poprvé obletělo svět bez jakýchkoli pohonných hmot a také bez tvorby znečišťujících emisí. Projekt SolarStratos, který byl oficiálně zahájen v roce 2014, má jinou ambici: dosáhnout stratosféry, resp. výšky 25 000 metrů nad mořem s letadlem poháněným výhradně sluneční energií. Jde přitom o více než o technologický úspěch, pokud se totiž tuto smělou ambici podaří naplnit, bude to znamenat nový výškový rekord, protože žádné konvenční motorové letadlo nikdy nevyletělo tak vysoko.

Pro ty, co se nebojí

Tento velmi dobrodružný podnik má za cíl ukázat, že obnovitelné zdroje energie umožňují realizovat i velmi odvážné projekty, i takové, které by s pomocí prostředků využívajících tradiční fosilní paliva byly proveditelné jen obtížně nebo vůbec. Raphaël Domjan ve sluneční energii věří. „Na Zemi je této energie nejvíce a je také nejlevnější v celé historii lidstva,“ říká. Letec svým snažením také chce dát naději budoucím generacím: „Chci jim takto sdělit, že díky Slunci budou moci i nadále využívat služeb letecké dopravy, ale bez jejího negativního působení na životní prostředí.“

Elektrickou, resp. solární energií poháněné dopravní prostředky patří mezi velké výzvy 21. století. „Naše elektrické letadlo, které bude schopno létat ve stratosféře, tomuto způsobu létání a mobilitě zítřka otevírá dveře,“ uvádí Domjan na speciálních webových stránkách věnovaných projektu SolarStratos. Pohyb ve stratosféře, který nový letoun umožní, podle něj v budoucnu může přispět i k novým vědeckým poznatkům o možnostech mimozemského cestování.

SolarStratos je dvoumístné solární letadlo navržené Calinem Gologanem z německé společnosti Elektra Solar (dříve PC-Aero). Pohání jej dva elektromotory, každý o výkonu 19 kW. Motory roztáčejí třílistou vrtuli o průměru 1,75 m, umístěnou na špici letounu. Pro plánovaný útok na výškový rekord  bude ovšem nainstalována nová vrtule, která bude optimalizována pro výstup do  stratosféry.

Křídla o rozpětí téměř 25 m pokrývají solární články nejnovější generace o celkové ploše 22 m2, jejichž konverzní účinnost se pohybuje mezi 22 a 24 %. Napájejí je lithium-iontové baterie o celkové kapacitě 14 kWh, rozšiřitelné až na 21 kWh. Při pokusu o stratosférický let však letadlo opustí hangár se zcela vybitými bateriemi. Slunce je nabije až těsně před startem. Ihned po přistání se ověří, zda v nich letadlo má uloženo alespoň tolik energie jako při startu. Teprve pak bude možné hovořit o tom, že celý let byl stoprocentně solární.

Skafandr na solární pohon

Aby se snížila hmotnost letadla, nebude v jeho kabině udržován atmosférický tlak. To bude vyžadovat, aby při letu do stratosféry měl pilot na sobě oblek podobný tomu, jaký si oblékají astronauti. Jeho elektronické součástky bude pohánět taktéž sluneční energie, což bude také úplná novinka.

Navzdory vrtošivému počasí, které během letošního léta nad malým letištěm ve švýcarském Payerne, sídle společnosti SolarStratos, panuje, uskutečnil Raphaël Domjan od 29. července 37 cvičných letů, při nichž jej pokaždé doprovázel zkušební pilot Miguel A. Iturmendi. Některé lety trvaly i přes dvě hodiny a letadlo při nich vystoupalo do výše kolem 3000 metrů.

Na počátku září vstoupil projekt do další fáze, to když Raphaël Domjan vyrazil se svým strojem k obloze zcela sám. Během 36 minut trvajícího letu dosáhl výšky 1220 m. Zkušební lety, při nichž jej již v kabině letadla nebude nikdo doprovázet, jsou plánovány i pro nejbližší dny a týdny.

A kdy se můžeme těšit na stratosférický let? Podle plánů přípravného týmu k němu dojde někdy v roce 2023. „Ještě předtím je třeba ale překonat rekord, který drží Solar Impulse. Je jím let na solární elektrický pohon do výšky 9 400 m,“ říká Raphaël Domjan. „Nejprve tedy chceme dosáhnout výšky 10 000 m,“ dodává.

Let do stratosféry by měl podle plánu trvat přibližně šest hodin, přičemž 3 hodiny si vyžádá výstup, poté bude následovat 15 minut pohybu ve stratosféře a další 3 hodiny bude trvat sestup. Během letu budou stroj i pilot vystaveni extrémně nízkým teplotám pohybujícím se okolo -70 °C.

Pokud se řekne fotovoltaika, obvykle tím myslíme velké solární či fotovoltaické články přeměňující sluneční světlo na elektřinu, které jsou umístěné na střechách budov. Američtí vědci ale nyní přišli s objevem, který umožní zavést tuto technologii i do interiérů domů. To by mohlo dále zvýšit energetickou účinnost budov a podpořit rozvoj bezdrátových chytrých technologií, jako jsou například protipožární alarmy, bezpečnostní kamery nebo teplotní či jiné senzory, obecně zařízení spadající do tzv. internetu věcí (IoT).

Studie amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) publikovaná v časopise Energy Science & Engineering naznačuje, že možnost zachycovat světlo v interiéru a rovnou na místě je přetvářet v elektrickou energii je již na dosah. Vědci k testům použili speciální moduly pohlcující pouze světlo z LED zdrojů. Ty pak dokázaly dodávat senzorickým zařízením více energie, než tyto senzory při svém provozu spotřebovaly. Výsledek pokusů tak ukázal, že by takováto zařízení mohla při dostatečném osvětlení daného prostoru běžet nepřetržitě a bez obsluhy, nebylo by tedy nutné ručně měnit nebo dobíjet baterie.

„My v našem oboru jsme předpokládali, že pomocí fotovoltaických modulů je možné různá zařízení IoT napájet dlouhodobě, ale dosud jsme k tomu neměli data, která by tento předpoklad podporovala. Toto je tedy první krok k tomu, abychom mohli říct, že tato zařízení je možné vypojit z běžné elektrické sítě,“ uvedl Andrew Shore, strojní inženýr NIST a hlavní autor zmíněné studie.

Najít správné materiály

Většina budov je během dne osvětlena kombinací slunečních a umělých světelných zdrojů. V brzké době by však i po setmění mohl druhý ze zdrojů dodávat některým zařízením energii i nadále. Jsou zde však jisté fyzikální komplikace. Světlo z běžných interiérových zdrojů, jako jsou například LED diody, totiž pokrývá užší spektrum světla, než je tomu v případě slunečního záření, a některé materiály obsažené v solárních článcích také tyto vlnové délky zachycují lépe a jiné hůře. Aby tedy zjistili, jaké materiály použít a jak přesně je mezi sebou pospojovat, testovali Shore a jeho kolegové fotovoltaické miniaturní moduly vyrobené z fosfidu galia a india (GaInP), arzenidu galia (GaAs) – dvou materiálů velmi vhodných k zachytávání bílého LED světla – a křemíku, který je sice v tomto ohledu méně účinný, ale je to dostupnější materiál.

Vědci umístili několik centimetrů široké moduly pod bílou LED diodua celou tuto sestavu pak vložili do „černé skříňky“, která eliminovala jakékoli působení vnějších zdrojů světla. LED dioda po dobu experimentů produkovala světlo s konstantní intenzitou 1000 luxů, což je hodnota odpovídající úrovní světla v dobře osvětlených místnostech. U fotovoltaických modulů obsahujících křemík a arzenid galia se nasvícení umělým světlem ukázalo jako méně účinné než sluneční světlem, ale účinnost modulu obsahujícího fosfid galia a india byla pod LED osvětlením mnohem vyšší než v případě slunečního záření. Oba materiály – tedy fosfid galia a india a arzenid galia – pak v interiérovém srovnání výrazně předstihly efektivitu křemíku. Jejich účinnost transformovat LED záření na elektrickou energii bylo 23,1 % v případě fosfidu a 14,1% v případě arzenidu, efektivita převodu byla v případě křemíku pouhých 9,3 %.

Nový zdroj pro internet věcí

Vědce následně již příliš nepřekvapilo, že výsledky byly obdobné i v případě nabíjecího testu, kdy měřili, jak dlouho trvá modulům nabít již z poloviny nabitou 4,18voltovou baterii. Křemík se ukázal být opět nejhorším materiálem, když v nabití baterie zaostal o více než den a půl.

Vědeckým tým ale zajímalo i to, zda by křemíkový modul, navzdory jeho špatným výsledkům v testech, dokázal vyrábět dostatek energie pro provoz IoT zařízení, které většinou mají velmi nízkou spotřebu elektřiny.

Zařízením, které si vybrali pro svůj další experiment, bylo tepelné čidlo. To připojili ke křemíkovému fotovoltaickému modulu, který byl znovu osvícen LED diodou. Po zapnutí senzoru vědci zjistili, že je schopen pouze s napájením ze silikonového modulu bez problémů přenášet údaje o teplotě do blízkého počítače. Po dvou hodinách v černé skříňce světlo zhasli a senzor pokračoval v chodu, přičemž jeho baterie se v porovnání s nabíjením vybíjela poloviční rychlostí.

„I s méně efektivním miniaturním modulem jsme zjistili, že stále dokážeme dodat více energie, než bezdrátový senzor spotřebuje,“ komentoval výsledky Shore.

Zjištění vědců naznačují, že křemík, který se již běžně používá ve venkovních fotovoltaických modulech, by se mohl dobře uplatnit jako zdroj i v případě některých energeticky méně náročných interiérových zařízení. Takovéto moduly by se mohly uplatnit zvláště ve velkých kancelářských nebo průmyslových objektech, kde jsou světla většinou zapnutá nepřetržitě.

Tým vědců z NIST však plánuje pokračovat v experimentech, aby zjistil, jaké jsou možnosti využití takovýchto panelů v interiérových prostorech s proměnlivým osvětlením, tedy například bytových domech. Počítačovým modelováním hodlá prověřit, kolik fotovoltaických modulů by bylo potřeba k tomu, aby v interiéru při určité úrovni světla vyprodukovalo požadované množství elektřiny. Tyto simulace budou rozhodující pro následné diskuze o tom, zda a jak dalece nákladově efektivní implementace této nové technologie bude.

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.

Frances Arnoldová je sice vystudovaná letecká inženýrka, svou Nobelovu cenu v roce 2018 ovšem získala v oboru poměrně vzdáleném, v chemii. Nobelův výbor ji – a dva její kolegy a zároveň vědecké soupeře – ocenil za obrazně řečeno zkrocení evoluce pro potřeby vědy.

Podařilo se jí přijít se systémem pro „evoluci“ lepších enzymů. Enzymy jsou katalyzátory chemických reakcí v buňce, a tak mají celou řadu využití v chemii či medicíně. Bohužel naše znalosti nejsou takové, abychom dokázali vytvořit nový, účinný enzym „na přání“. Arnoldová (za přispění řady dalších kolegů, na které se nedostalo) přišla s metodou řízení evoluce podle přání člověka.

Vytvořila laboratorní obdobu přirozeného výběru, ve kterém imperativ „přežij do další generace“ nahradil lidský příkaz, například „rychle se navaž na látku X“. Na to navazuje postup pro napodobení mutačního procesu, který umožňuje rychle měnit podobu dané chemické látky („mutace“) a rychle ověřovat jejich účinnost. A to vše – na rozdíl od evoluce – v časových měřítkách blízkých člověku. Dnes lze s pomocí řízené evoluce vyrábět nejen účinnější enzymy, než jsou ty přírodní, ale i enzymy, které umožňují v přírodě nedosažitelných reakcí.

Metodu používají vědci i průmysl, a třeba výrobu řady léčiv si bez ní dnes nelze představit. Arnoldová konzistentně tvrdí, že od začátku si byla jistá tím, že její výzkum je skutečně převratný. „Jen mi 20 let trvalo, než jsem o tom přesvědčila zbytek světa,“ řekla novinářům po udělení ceny.

Cesta ke světlu

My se ovšem věnujme tomu, co Arnoldová dělá dnes – a co by tedy teoreticky mohlo být zajímavé za dalších 20 let. Je vedoucí vlastní velké laboratoře na Kalifornské univerzitě, takže její záběr je samozřejmě širší (spoustu práce za ni udělají jiní). Jedno téma se ovšem v každém případě v její práci vrací – a to je využití solární energie. Na pohled nejde o žádnou technologickou novinku, koneckonců fotovoltaika a její využití v energetice je jedním z největších témat posledního desetiletí v oboru. Arnoldová ale má zamířeno na jiný cíl: fotosyntézu.

Oprašme školní znalosti: rostliny při fotosyntéze s pomocí slunečního záření štěpí vodu na kyslík, elektrony a nabité vodíkové ionty (protony). Protony a elektrony se pak slučují s oxidem uhličitým a vytvářejí cukr glukózu. Ta se pak v rostlině ukládá v podobě škrobu a celulózy, což jsou jednoduše molekuly glukózy s dlouhým řetězcem (takzvané polysacharidy), které slouží jako zdroj energie pro rostlinu i materiál pro její další růst. Nu, a „odpad“ z procesu, tedy kyslík, dává přežít nám i dalším tvorům.

Fotosyntéza není nijak efektivní proces. Maximální teoretická čistá účinnost (po odečtení veškerých respiračních ztrát) činí zhruba 4 % – rostlina tedy v ideálním případě může k vytvoření cukrů využít jen každý 25. foton, který na její listy dopadne.

V průměru je to ještě podstatně méně, protože takto intenzivní může být proces pouze po krátkou dobu a za předpokladu dostatku vody a živin. Zavlažované a hnojené plodiny mohou během vegetačního období dosáhnout v průměru 2% účinnosti a nejproduktivnější lesy mírného a tropického pásu se blíží průměrné účinnosti 1,5 %. Globální kontinentální průměr činí pouze 0,33 %.

A protože oceánský plankton mění na biomasu méně než 0,1 % dopadajícího záření, průměr za celou biosféru činí tedy ani ne 0,2 %. Takže ne každý 25., ale zhruba každý 500. foton je skutečně využit k růstu rostliny.

Právě to je důvod, proč biopaliva nejsou a v dohledné době rozhodně nebudou vhodnou alternativou k jiným používaným palivům – vyprodukují na plochu příliš málo energie. Proti tomu využití fotovoltaiky nabízí v praktických podmínkách účinnosti kolem 15 % a v blízké budoucnosti ještě o něco více. Tak proč ztrácet čas s fotosyntézou?

Co vlastně chceme

Odpověď je asi většině čtenářů jasná: fotosyntéza slouží k produkci energie připravené k uložení. Z fotovoltaiky sice dokážeme dnes již poměrně levně vyrábět elektřinu připravenou k okamžité spotřebě, ale problém jejího skladování je stále nevyřešený – přesněji řečeno, řešení jsou zatím pro řadu aplikací příliš drahá. Samozřejmě, proces by se musel trochu změnit; glukózy prostě tolik nepotřebujeme.

Frances Arnoldová před počátkem své vědecké dráhy (foto Frances Arnoldová/Nobelprize.org)
Frances Arnoldová před počátkem své vědecké dráhy (foto Frances Arnoldová/Nobelprize.org)

Dobrou zprávou je, že již dnes víme o oblastech, ve kterých bychom účinnost přírodního procesu mohli naopak poměrně jednoduše překonat. Jednou možností je využití nanočástic s extrémně velikým povrchem k zachycování dopadajícího světla. Plocha takového materiálu může být na mikroskopické úrovni podstatně větší než u listu. Na pohled to sice není vidět, ale dnes dokážeme navrhovat materiály, jejichž povrch představuje pro světlo velmi účinnou past.

Nevyřešené problémy ovšem stále převažují. Největší a nejdůležitější výzva spadá do odborného ranku Frances Arnoldové. Její specialitou je vývoj nových enzymů, tedy katalyzátorů chemických reakcí v těle. A přesně v nich spočívá hlavní nevýhoda laboratorních „umělých listů“. Je zapotřebí vyvinout levnější, odolnější a také účinnější materiály, aby se vůbec dalo uvažovat o jejich nasazení v praxi.

Otevřenou otázkou je i to, který způsob využití získané energie je vlastně pro naše potřeby nejlepší. Bude výhodnější pracovat na lepších katalyzátorech pro proces sluneční katalýzy vody, tedy její rozklad na kyslík a vodík, který by pak mohl sloužit jako zdroj energie? Nebo bude lepší udělat ještě o krok více a rovnou v rámci jednoho procesu vytvářet uhlovodíková paliva, tedy v podstatě ekvivalent ropy? Šlo by patrně o jednodušší molekuly s kratšími řetězci, které se snáze vytvářejí, ale také pak lépe zpracovávají a spalují.

První postup je přece jen jednodušší, a zdá se nejsnáze dosažitelný. Pokud to ovšem dovolí historie naší energetiky: současná infrastruktura totiž není na příchod vodíku připravena. „Dnes si s ním můžete maximálně nafouknout balónek,“ zavtipkoval před několika lety poněkud hořce Daniel Nocera, který se na slavném americkém MIT věnoval právě vývoji umělé fotosyntézy. Vyrobil tehdy v laboratoři „křemíkový list“ (křemíkovou oplatku s katalyzátorem), který za ideálních podmínek měl účinnosti kolem 10 %. Navíc s využitím ne úplně drahých materiálů.

Druhá generace

Což je vše slibné, ale systém trpěl celou řadou neduhů, které nešlo jednoduše vyřešit. A jak se Nocera brzy přesvědčil, sehnat na podobný program peníze je těžké. Jeho start-up se rychle přeorientoval na vývoj průtokových baterií, a pak se ho teprve podařilo prodat společnosti Lockheed Martin.

Nocera se zatím svého nápadu nevzdal a v Indii pracuje na další generaci systému. Ta propojuje upravenou verzi jeho křemíkového listu s geneticky upravenou verzí bakterie živící se vodíkem (jak vidno, i vědci uznávají, že evoluce je v mnoha ohledech dále než jejich poznání). Bakterie se tedy živí vodíkem vznikajícím z článku a díky genetické úpravě produkují nejen biomasu, ale také alkoholy. Účinnost byla znovu kolem deseti procent, a tak zhruba o řád vyšší než u běžných rostlin.

První laboratorní prototyp "umělého listu" připravený na MIT na přelomu první a druhé deskády 21. století (foto A.Nocera/MIT)
První laboratorní prototyp “umělého listu” připravený na MIT na přelomu první a druhé deskády 21. století (foto A.Nocera/MIT)

Nocera tentokrát zkouší jinou strategii a snaží se projekt prosadit v Indii, která má méně rozvinutou energetickou infrastrukturu. To znamená, že je do ní méně investováno a nabízí se příležitost vyzkoušet nezavedené postupy. V tomto případě by to mohla být výroba biopaliv ve speciálních tancích, například pro vozidla v odlehlejších koutech rozvojových zemí.

Ale na úspěch projektu bychom rozhodně neradili v tuto chvíli nikomu sázet. Všichni odborníci se vzácně shodují na tom, že v ceně nebude moci „umělá fotosyntéze“ fosilním palivům konkurovat. Není tedy příliš mnoho důvodů investovat ani do vývoje, ani do rozvoje. Arnoldová a Nocera jistě mohou přijít na spoustu zajímavých řešení, ale bez finanční injekce se dále nepohnou. A v takovém případě tedy ani 20 let nebude na přesvědčení zbytku světa stačit.

To neznamená, že výzkum je marný. Na výrobu paliva mohou být tyto systémy příliš drahé. Ovšem lepší katalyzátory mohou najít užití v oborech s výrazně větší marží, například v chemickém či farmaceutickém průmyslu. Kouzlo snu o „umělém listu“ spočívá v tom, že inspiruje. O mnoho více bychom od něj asi v blízké době čekat neměli.

Fotovoltaický efekt feroelektrických krystalů lze zvýšit až tisícinásobně, pokud jsou v krystalické mřížce pravidelně uspořádány tři různé materiály. Objevil to tým vědců z Univerzity Martina Luthera (MLU) v Halle-Wittenbergu, kterému se podařilo střídavě navrstvit krystalické vrstvy titaničitanu barnatého, titaničitanu strontnatého a titaničitanu vápenatého. Překvapivý objev, o němž němečtí vědci informovali v odborném časopise Science Advances, by v budoucnu mohl výrazně zvýšit účinnost solárních článků.

Většina současných solárních článků funguje na bázi křemíku, jejich účinnost je však poměrně omezená. Tento fakt přivedl vědce ke zkoumání nových materiálů, jako jsou feroelektrika, k nimž patří například titaničitan barnatý, směsný oxid baria a titanu.

„Feroelektrický znamená, že materiál odděluje kladné a záporné náboje,“ vysvětluje fyzik Akash Bhatnagar z Centra pro inovační kompetence SiLi-nano při MLU základní pojmy. „Oddělení náboje vede k asymetrické struktuře, která umožňuje vytvářet elektřinu ze světla,“ dále upřesňuje Bhatnagar. Na rozdíl od křemíku však nepotřebují feroelektrické krystaly k vytvoření fotovoltaického efektu takzvaný PN přechod, jinými slovy žádné pozitivně a negativně nabité vrstvy. Díky tomu je tak výroba solárních panelů mnohem snazší.

Čistý titaničitan barnatý však neabsorbuje mnoho slunečního světla, a proto vytváří poměrně nízký fotoproud. Nejnovější výzkum ukázal, že kombinace extrémně tenkých vrstev různých materiálů výrazně zvyšuje schopnost zachytávat sluneční energii. „Důležité je, že se feroelektrický materiál střídá s paraelektrickým materiálem. Ačkoli paraelektrický materiál nemá oddělené náboje, může se za určitých podmínek stát feroelektrickým, například při nízkých teplotách nebo když je jeho chemická struktura mírně upravena,“ vysvětluje Bhatnagar.

Bhatnagarův výzkumný tým zjistil, že fotovoltaický efekt je výrazně posílen, pokud se feroelektrická vrstva střídá nikoli pouze s jednou, ale se dvěma různými paraelektrickými vrstvami. Yeseul Yun, který je na MLU doktorandem a hlavním autorem studie, popisuje: „Titaničitan barnatý jsme vložili mezi titaničitan strontnatý a titaničitan vápenatý. Dosáhli jsme toho odpařením krystalů za pomoci vysoce výkonného laseru a jejich opětovným nanesením na nosné substráty. Výsledkem byl materiál skládající se z 500 vrstev o celkové tloušťce přibližně 200 nanometrů.“

Při provádění fotoelektrických měření byl nový materiál ozářen laserovým světlem. Výsledek těchto pokusů překvapil i samotné vědce: v porovnání s čistým titaničitanem barnatým podobné tloušťky byl proud až tisíckrát silnější, a to navzdory skutečnosti, že podíl titaničitanu barnatého jako hlavní fotoelektrické složky byl snížen téměř o dvě třetiny. „Interakce mezi vrstvami mřížky zřejmě vede k mnohem vyšší permitivitě. Jinými slovy: elektrony jsou schopny díky buzení světelnými fotony proudit mnohem snadněji,“ říká Akash Bhatnagar. Měření také ukázala, že tento efekt je velmi robustní: zůstal téměř konstantní po dobu šesti měsíců.

Vědci nyní plánují pokračovat ve výzkumu, aby zjistili, co přesně způsobuje takto mimořádný fotoelektrický efekt. Akash Bhatnagar je přesvědčen, že potenciál, který nový výzkum ukázal, bude možné využít v praktických aplikacích, především při konstrukci solárních panelů. „Struktura vrstev vykazuje ve všech teplotních rozsazích vyšší energetický zisk než čistá feroelektrika. Krystaly jsou také výrazně odolnější a nevyžadují žádné speciální balení,“ dodal.

K tomu, aby se do roku 2050 podařilo v Evropě dosáhnout klimatické neutrality, jsou nezbytně nutné dvě věci: masivně investiovat do zelené energetiky a také výrazně rozšířit elektrickou přenosovou soustavu. Pokud má evropská energetika dosáhnout stavu, že bude vyrábět minimálně 90 % elektřiny z obnovitelných zdrojů, bude nutné investovat do její modernizace kolem 4 bilionů eur. Uvádí to nedávná studie, kterou vypracovala analyticko-poradenská společnost Deloitte.

Podle studie budou největší investice pravděpodobně směřovat do větrné a solární energetiky. Deloitte předpokládá, že pouze do roku 2030 bude muset být ročně vynaloženo více než 45 miliard eur na onshore, ale především na offshore projekty. Do roku 2050 by se tato částka měla ještě zvýšit na 70 miliard eur ročně. Zatímco u offshore projektů se očekává roční růst investic až o 19 %, u onshore projektů by to mělo být o něco méně – o 12 %.

O něco menší růst investic se očekává u solární energetiky – zhruba o 10 % ročně. To by přesto znamenalo roční přírůstky ve výši 40 miliard eur. Takto vydatnými finančními injekcemi se současné fotovoltaické kapacity vzhledem k tomu, že instalace fotovoltaických systémů je poměrně levná, výrazně rozšíří. Řečí čísel to znamená, že mezi lety 2025 a 2050 by se kapacita solárních elektráren mohla dokonce ztrojnásobit, takže v budoucnu by se mohla většina elektřiny vyrábět právě ze sluneční energie.

Dvě Mallorky pro soláry

K tomu, aby energetická transformace – nebo Energiewende, jak tomu říkají v Německu – byla úspěšná, jsou však potřeba nejen finanční zdroje, ale také řada surovin, spousta prostoru a pracovní síly a v neposlední řadě také souhlas místních obyvatel s instalací větrných a solárních elektráren. Aby bylo možné dosáhnout v oblasti klimatu do roku 2050 vytyčených cílů, bude nutné pouze pro solární energetiku získat přibližně 8 000 km2 prostoru. To odpovídá dvojnásobku rozlohy ostrova Mallorca. Vedle toho bude třeba nainstalovat ještě přibližně 320 000 onshore a offshore větrných turbín rozmístěných ve zhruba 8 000 větrných farmách po celé Evropě.

Pro politiky a poskytovatele energií je energetická transformace pochopitelně obří projekt, který s sebou nese značnou míru nejistoty. To si dobře uvědomují. „Evropští poskytovatelé energií stojí před dilematem: Musejí vytvořit dlouhodobé strategie, aby zvládli energetickou transformaci efektivně a úspěšně. To, zda a jak se to podaří, však do značné míry určují velmi často nejisté politické, ekonomické, technologické a sociální trendy. Proto je nyní o to důležitější identifikovat klíčové faktory a předložit realistické a konkrétní scénáře budoucnosti,“ vysvětluje Thomas Schlaak, partner divize Deloitte pro energetiku, služby a obnovitelné zdroje.

Společnost Deloitte proto vypracovala čtyři scénáře, jejichž pravděpodobnost uskutečnění je zhruba stejně velká. Scénáře obsahují celou řadu proměnných, mezi něž vcelku pochopitelně patří například vývoj poptávky po elektřině, daňová politika či vývoj cen emisních povolenek. Ze všech podstatných faktorů však nakonec vyplývá, že na rozvoj a úspěch energetické transformace budou mít nejzásadnější vliv zejména dva: odhodlání k realizaci zelené transformace energetiky a vývoj nároků na kapacity zdrojů elektřiny, resp. její distribuce.

Hlavně mít jasnou dlouhodobou strategii

Zcela zásadním faktorem v úsilí o uhlíkovou neutralitu bude rozhodná a jednomyslná evropská politika. Ta je podmínkou pro to, aby se zajistily dostatečné investice do rozvoje nových technologií. Energetické společnosti se totiž budou muset naučit nejen pečlivě sledovat neustálé změny poptávky ze strany uživatelů, ale také kompenzovat variabilitu výroby energie z obnovitelných zdrojů. Kromě výrazně přesnějších předpovědí poptávky a také počasí, což již současné technologie umožňují, to bude znamenat i to, že tyto firmy budou muset řešit zapojení technologií pro sezónní skladování elektřiny nebo pro náhlou změnu spotřeby elektřiny. Tím se však nabízejí nové příležitosti pro celý energetický průmysl a vytváří se tak prostor pro nové hráče, kteří umějí přizpůsobit své obchodní modely stále větší proměnlivosti poptávky.

Pokud tedy bude v celé Evropě v energetickém sektoru dobře fungovat hospodářská soutěž, může to výrazně stimulovat vývoj různých alternativních řešení, která energetickou transformaci urychlí. V konečném důsledku by tak mělo být možné do energetického mixu zapojit například mnohem více biopaliv, přičemž značný důraz se klade vývoj technologií pro výrobu zeleného vodíku. Jisté naděje vzbuzuje také inovativní způsob zpracování zemního plynu se zapojením technologie CCS (Carbon Capture and Storage), která je založena na oddělování a ukládání CO2 a mohla by hrát podstatnou roli v dalším vývoji energetické skladby při výrobě elektřiny.

„Jak bude vypadat budoucnost, nikdo neví,“ připouští Thomas Schlaak a dodává: „Poskytovatelé energií potřebují mít dlouhodobou strategii růstu a naše analýza poskytuje zcela konkrétní indikátory, jak tuto strategii postavit na pevný základ. V každém případě je důležité, aby poskytovatelé energií projevili vůli začít s transformací energetiky, bez ní totiž jen těžko získají podporu investorů a široké veřejnosti. To také znamená, že nyní je ta pravá chvíle, kdy si mohou zajistit ty nejlepší výchozí pozice pro výrobu obnovitelné energie. Naplánovat si dlouhodobé investice do energetické infrastruktury je proto již nyní zcela nezbytné.“

Náklady na výstavbu a provoz nových fotovoltaických elektráren jsou nyní nižší než náklady na provoz stávajících uhelných elektráren v Číně, Indii a ve velké části Evropy. Podle nové analýzy BloombergNEF by však rostoucí ceny komodit mohly v druhé polovině roku 2021 mohly fotovoltaické projekty dočasně zdražit.

Trend dobře ilustruje zdražování polysilikonu. To je výchozí surovina pro výrobu kvalitního monokrystalického křemíku, ze kterého se vyrábí samotné panely. Cena polysilikonu se od května 2020 ztrojnásobila a Bloomberg NEF uvádí, že právě kvůli zaznamenal nárůst cen modulů o 7 % v Číně a o 10 % v Indii.

Růst cen komodit ovšem alespoň zatím nevedl ke zvýšení globálních nákladů na výrobu z fotovoltaiky. Bloomberg konkrétně používá ukazatel známý jako “dlouhodobé měrné náklady”, který se často také označuje anglickou zkratkou LCOE (“Levelised cost of electricity”). Veličina zobrazuje průměrnou nákladovou cenu jedné vyrobeného objemu elektřiny (tj. obvykle MWh) po celou dobu životnosti určitého zdroje.

Vývoj "dlouhodobých měrných nákladů" na výrobu elektřiny u vybraných zdroj elektřiny pro tři různé země (autor Bloomberg NEF)
Vývoj “dlouhodobých měrných nákladů” na výrobu elektřiny u vybraných zdroj elektřiny pro tři různé země (autor Bloomberg NEF)

Musíme ovšem doplnit, že ukazatel nezahrnuje náklady na adaptaci na nové zdroje energie, která také nebude nulová. Fotovoltaika nevyrábí na přání, takže dostupnost elektřiny v dobu, kdy nevyrábí, je nutné zajistit jinak. Na druhou stranu, externality spojené s produkcí fosilních paliv v současných cenách elektřiny také nejsou plně zahrnuty (tím myslíme například znečištění ovzduší či jeho zdravotní následky).

Ale vraťme se ke zprávě BNEF. Podle ní se dlouhodobé měrné náklady nově stavěných fotovoltaických zdrojů tedy zatím nezvýšily, i když ceny surovin už stouply. To samozřejmě dlouhodobě není udržitelné: “Pokud bude nárůst [cen surovin, pozn.red.] pokračovat i v druhé polovině roku 2021, mohl by znamenat, že nově postavené obnovitelné zdroje energie budou přechodně dražší, a to téměř poprvé za několik desetiletí.” Některé zprávy už naznačují, že bod obratu není daleko: v návaznosti na zvýšení spotových cen polysilikonu monokrystalické kvality oznámila minulý měsíc společnost LONGi, velký výrobce fotovoltaických panelů, zvýšení cen. A to bylo ještě předtím, že produkci tohoto čínského výrobce ještě narušila zemětřesení.

Podle BNEF je ovšem třeba vnímat dopady růstu cen komodit v souvislostech. Agentura připomíná, že většinu nákladů na moduly tvoří výroba, nikoliv materiály. Navíc dodavatelské řetězce absorbují část tohoto nárůstu dříve, než se dotkne výrobců. A ještě k tomu někteří výrobci mají dlouhodobé obchodní smlouvy, které je mohou před tímto nárůstem po určitou dobu izolovat.

Kdo je na světě nelevnější?

Možné zdražení ovšem zřejmě nezmění základní trend: fotovoltaika začíná být na vyrobenou kilowatthodinu opravdu nejlevnější. Alespoň podle metodiky BNEF je dnes pro téměř polovinu světové populace levnější postavit a provozovat fotovoltaické projekty než provozovat stávající uhelné elektrárny. (Už v minulých letech bylo podle této analýzy levnější stavět NOVÉ fotovoltaické projekty než NOVÉ uhelné elektrárny, teď by mělo být levnější i vypnout už FUNGUJÍCÍ uhelné bloky.) Celosvětový průměr dlouhodobých průměrných nákladů pro velké fotovoltaické parky v první polovině roku 2021 činil 48 USD/MWh, což je o 5 % méně než ve stejném období loňského roku a o 87 % méně než v roce 2010.

Ale “globálně” elektrárny nikdo nestaví, důležitou jsou samozřejmě náklady místní. Tak jak to vypadá na hlavních trzích? V Číně jsou podle odhadů BNEF náklady na výstavbu a provoz solární farmy nyní 34 USD/MWh, což je levnější než 35 USD/MWh provozu typické uhelné elektrárny. V Indii mohou nové solární elektrárny dosáhnout vyrovnaných nákladů 25 USD/MWh, zatímco průměrné náklady na provoz stávajících uhelných elektráren činí 26 USD/MWh.

V Evropě došlo od roku 2014 ke snížení vyrovnaných nákladů na nově postavené solární elektrárny o 78 %. Současné náklady se pohybují v rozmezí 33 USD/MWh ve Španělsku, 41 USD/MWh ve Francii. V Německu údaj BNEF vychází na 50 USD/MWh, což má být hluboko pod typickými náklady na provoz tamníc uhelných a plynových elektráren. U nich BNEF náklady pro rok 2021 odhaduje na více než 70 USD/MWh. Škoda, že jsme si v Česku fotovoltaiku zošklivili před 10 lety, kdy byly projekty několikanásobně dražší než dnes…

Kde na světě je jaký zdroj elektřiny nejlevnější (foto Bloomberg NEF)
Kde na světě je jaký zdroj elektřiny nejlevnější? Grafika agentury BNEF ukazuje, který typ zdroje elektřiny je ve vybraných zemích nejlevnější (alespoň podle metodiky BNEF) (foto Bloomberg NEF)

Analýza BNEF byla zveřejněna ve stejném týdnu jako zpráva Mezinárodní agentury pro obnovitelné zdroje energie, která zjistila, že 62 % (162 GW) celkové výroby energie z obnovitelných zdrojů přidané v loňském roce na celém světě mělo nižší náklady než nejlevnější nová varianta fosilních paliv.

V průběhu desetiletí 2010-2020 klesly náklady na elektřinu ze slunečního záření v případě fotovoltaiky o 85 %. Ve velké části světa představuje nejlevnější zdroj vůbec, uvádí se ve zprávě. Zpráva rovněž došla k závěru, že obnovitelné zdroje mají nižší provozní náklady než uhelné elektrárny.

V současné době je údajně po světě v provozu více než 800 GW uhelných elektráren, které by šlo levněji nahradit fotovoltaikou. V USA je 61 % (149 GW) celkové uhelné kapacity dražší než energie z obnovitelných zdrojů, v Indii je 141 GW uhlí dražší. A v Německu by neměla mít žádná stávající uhelná elektrárna nižší provozní náklady než nová fotovoltaická elektrárna.

Celkem 108 milionů dolarů (cca 2,3 mld. korun) získala od investorů společnost Heliogen, která chce uvést do praxe první dostupný systém na výrobu tepla ze slunečního světla pro výrobu elektřiny. Má být levnou variantou například nejen pro produkci tepla, ale také výrobu elektřiny, či vodíku.

Ovšem právě možnost produkce bezuhlíkového tepla vysvětluje zájem některých investorů. Mezi ně se kromě některých tradičnějších rizikových investorů zařadil také ArcelorMittal, přední světová ocelářská a těžební společnost.

Jak to funguje

Heliogen byl založen již v roce 2013, ale veřejně se o něm začalo intenzivněji mluvit v roce 2019. Tehdy si získala pozornost tiskovým prohlášením, ve kterém nezapomněla zmínit, že mezi prvními investory do společnosti byl i Bill Gates. Díky němu jsme se dozvěděli o technologii Heliogenu více.

Firma se věnuje oboru, který není podstatou nijak nový: vývoji solárně-termálních elektráren. To jsou zařízení, ve kterých zrcadla soustředí odrážené světlo do jediného místa, z praktických důvodů na vyvýšeném místě, charakteristické věži uprostřed elektrárny. Vznikající teplo pak slouží k vytváření páry pohánějící turbínu. Heliogen se od jiných systémů liší ovšem v jednom důležitém ohledu, totiž dosažené teplotě. V roce 2019 společnost uváděla, že na „terči“, kde se soustředí paprsky odrážené zrcadly, tepolta těsně přesahovala 1 000 °C. Od té doby se mluví až o 1 500°C.

Při takových teplotách by se podle firmy dá uvažovat o efektivní a levné výrobě syntetických paliv. Myslíme konkrétně rozklad vody pro výrobu vodíku. V souvislosti s Heliogenem mluví nejčastěji o produkci tzv. syntézního plynu, tedy směsi vodíku a oxidu uhelnatého (CO), která může také posloužit jako náhrada řady fosilních paliv. Výchozími surovinami by byl oxid uhličitý a voda.

Koncept solární termální elektrárny společnosti Heliogen (foto Heliogen)
Koncept solární termální elektrárny společnosti Heliogen (foto Heliogen)

Jinak řečeno, postup by pak mohl sloužit k ukládání energie z obnovitelného zdroje do dobře skladovatelné podoby klasického paliva pro pohon motorů či turbín. Ovšem podobně jako v případě technologie výroby paliv z CO2 zachyceného ze vzduchu, o kterém jsme psali před časem, podobná technologie by v blízké budoucnosti mohla dávat finanční smysl pouze za specifických okolností, kdy běžná paliva budou znevýhodněna například zatížena uhlíkovou daní.

Firma toho ho dosáhla nasazením velmi přesného řídícího systému zrcadel. Kolem cílové plochy na věži jsou umístěny čtyři fixní kamery zaostřené každá na jiný pomyslný bod. Počítač vyhodnocuje v reálném čase, zda a jak se odraz mění, a podle toho určuje nastavení zrcadel. Šéf Bill Gross na serveru Vox tehdy řekl, že kamery nesledují přímo zrcadlo, ale zaostří na čtyři různé, ale stejně vzdálené body vedle zrcadla. Poté se jejich obraz vzájemně porovná, a pokud se na obrazu všech kamer objeví stejná „stopa“ rozptylu světla v atmosféře, tak je zrcadlo správně nastavené. Pokud ne, software určí nutnou korekci. Systém dokáže udržet paprsky zrcadel soustředěné na oblast o průměru zhruba 50 centimetrů.

Společnost je tedy stejně tak energetická, jako softwarová. Počítačová analýza obrazu se softwarovým inženýrům dlouhá desetiletí nedařila, změna přišla v posledních méně než 10 letech. Heliogen tvrdil, že cca před rokem 2015 neměli k dispozici prakticky použitelný systém, který by mohla firma využít. (V astronomii se používal přesnější systémy i v dříve, ale možná pro Heliogen byly až příliš “prototypové” a málo robustní. To je ovšem z naší strany spekulace.)

Kam s ní

Zvyšování teploty přitom má podle Heliogenu rozšířit možnosti využití solární energie k jiným účelům než výrobě energie. Zpráva konkrétně zmiňuje výrobu stavebních materiálů, v tisku se často objevovaly zmínky o možném využití při výrobě oceli. Má to ovšem svá omezení.

Z pohledu některých zmiňovaných aplikací (výrobu oceli či stavebních materiálů) je nevýhodou omezená pracovní doba zdroje. Tavicí pec či výrobu stavebních materiálů, která bude fungovat pouze část dne není z dnešního pohledu příliš praktická. Samozřejmě, teplo lze do jisté míry akumulovat či doplňovat z jiných zdrojů, ale to vše zdroj samozřejmě prodražuje.

Solárně-termální elektrárna pracuje jen na přímém slunci, a prakticky tedy jen na suchých a slunných místech (například ve Španělsku ano, u nás prakticky vůbec). Ostatně své o tom ví i zakladatel Heliogenu, již zmínný Bill Gross. V roce 2007 založil Gross společnost eSolar, která fungovala do roku 2016, a také se pokusila o rozvoj solární elektrárny soustřeďující světlo z mnoha zrcadel do jednoho bodu. Základní nápad byl také stejný: vzít poměrně levná zrcadla, ale vybavit je velmi dobrým řídícím systémem.

Solární termální elektrárna (foto Heliogen)
Solární termální elektrárna společnosti eSolar v nevadské poušti před demolicí (foto Heliogen)

Společnost eSolar dotáhla svou elektrárnu až k praktické demonstraci. V roce 2009 spustila v Kalifornii solární elektrárnu o výkonu 5 MW (stojí poblíž města Lancaster, tedy zároveň nedaleko od zkušebního provozu Heliogenu). Elektrárna se skládala ze dvou „jednotek“, tedy de facto dvou věží, kolem kterých stálo celkem 24 tisíc zrcadel. Světlo se soustředilo poblíž vrcholku věží, kde v potrubí vytvářelo páru pohánějící připojenou turbínu.

Jak se ovšem ukázalo, v praxi bylo zařízení ekonomicky neudržitelné. Podle údajů, které provozovatel nakonec po naléhání některých zájemců a aktivistů zveřejnil, pracovala elektrárna minimálně v prvních letech provozu zhruba čtyři až pět dní v měsíci, a to pouze během poledních hodin. Proč ne každý den, když oblast je velmi slunná a jasno je většinu roku? Dalo by se spekulovat, že provoz se vyplatil ve dnech, kdy byla cena elektřiny na trzích zvýšená.

Mezi červencem 2009 a 2010 vyrobila cca 552 megawatthodin (MWh), odhady před zahájením provozu, na jejichž základě se dělala i ekonomická analýza, uváděly odhad výroby zhruba 4 300 MWh. A nebyly to vlivem „dětských nemocí“ – během následujících dvanácti měsíců byla výroba prakticky totožná, cca 539 MWh. V roce 2015 tak byl provoz ukončen a elektrárna postupně rozebrána. Věže například zmizely v roce 2018.

Zkušenost eSolaru je tedy dobrým příkladem praktických obtíží zavádění solárně-termálních elektráren do praxe. Obor byl na přelomu první dekády 21. století plný nadějí, ale dnes jde o zcela okrajovou záležitost omezenou v podstatě na pár zemí na světě. Výkon všech elektráren tohoto typu je něco přes šest gigawattů, což je z globálního hlediska zcela zanedbatelná hodnota.

Zrcadla solární termální elektrárny společnosti Heliogen (foto Heliogen)
Zrcadla solární termální elektrárny společnosti Heliogen (foto Heliogen)

Výroba elektřiny ze slunečního záření, tedy fotovoltaické systémy, jsou praktičtější, protože vyžadují obecně řečeno jednodušší údržbu a fungují i při zamračené obloze a slabším světle. A co je samozřejmě ještě důležitější, jsou dnes jednoznačně levnější. Jejich cena také nadále klesá, a minimálně z technologického hlediska se jeví oprávněná naděje, že trend by mohl pokračovat i v blízké budoucnosti.

Uvidíme, jak se Heliogen s těmito problémy popere. Získané prostředky totiž firma použije jak na další vývoj své “Sunlight Refinery”, jak systém nazývá, a jednak na realizaci několika skutečných instalací, které by fungovaly v reálných výrobních procesech ve velkém měřítku.

Jedno z těchto pilotních pracovišť bude v Boronu v Kalifornii, kde společnost Rio Tinto provozuje důl na boráty. Podle memoranda o porozumění podepsaného v březnu zahrne technologii společnosti Heliogen do svých obvyklých procesů na místě. Další memorandum o porozumění se společností ArcelorMittal “zhodnotí potenciál produktů Heliogen v několika ocelárnách společnosti ArcelorMittal”. Plánují se zařízení v USA, v Asii a Tichomoří.

Načíst další