Hodnocení energetického komplexu na životní prostředí Ing. Bc. Lucie Nenadálová, Ph. D. Centrum výzkumu Řež, s.r.o, oddělení Jaderný palivový cyklus, Hlavní 130, 250 68 Husinec - Řež Email: nea@cvrez.cz, tel: +420 266 172 397, www.cvrez.cz Anotace Elektrická a tepelná energie je vyráběna z obnovitelných a neobnovitelných zdrojů. Pojem energetický komplex se sice v některých ohledech a publikacích používá, ale dosud nebyl zaveden do české legislativy. Současná populace se neobejde bez energie ve formě elektřiny a tepla, jejichž výroba s sebou přináší zároveň i negativní vlivy. Stanovení jasných kritérií pro posuzování energetických komplexů na životní prostředí pomůže stanovit optimální skladbu energetického mixu tak, aby byl co nejdéle udržitelný a současně aby byla kvantitativně stanoven míra jeho vlivu na životní prostředí. V tomto článku je energetický komplex hodnocen nejprve z pohledu terminologického, ve srovnání s pojmy z energetické legislativy, a následně je provedeno stanovení kritérií vlivů na životní prostředí. Výsledkem článku je začlenění pojmu energetického komplexu do energetické terminologie a základní porovnání jednotlivých energetických komplexů mezi sebou z pohledu životního prostředí. Energetický komplex významně ovlivňuje jednotlivé složky životního prostředí a to již během těžby a dopravy surovin, výstavby jednotlivých zařízení energetického komplexu, jejich provozování a následné uzavření, včetně tvorby odpadů a jejich zpracování. Úvod Spotřeba energie na zemi prudce stoupá a s tím i produkce CO 2. Nárůst spotřeby energie je závislý na: růstu počtu obyvatel na zemi: v roce 1998 bylo na zemi 5,9 miliard obyvatel, předpokládaný vzrůst počtu obyvatel do roku 2050 bude o 3,5 miliardy, tedy 9,4 mld. obyvatel v roce 2050, průmyslovém rozvoji a využívání průmyslových technologií, rostoucích civilizačních požadavcích na kvalitu života vlivem globalizace. Některé scénáře, například scénář World Energy Council, předpokládají dokonce vzrůst počtu obyvatel do roku 2050 až na 10,1 miliardy zvýšení až o 4,1 miliardy, (WEC, 2000). V minulém století byl zaznamenám obrovský růst spotřeby energie těsně před první energetickou krizí (v padesátých a šedesátých letech) a těsně před krizí druhou (na začátku sedmdesátých let). Růst spotřeby energie prošel první a druhou energetickou krizí, jež vedly k úsilí o zmenšení spotřeby energie. Došlo k razantnímu snížení využití ropy a zemního plynu, které bylo vyrovnáno větší spotřebou uhlí a zájmem o jadernou energii. Podle mezinárodní energetické agentury IEA (International Energy Agency) se bude zvyšovat energetická spotřeba do roku 2020 o 2 % ročně. Na rozdíl od minulého století se snižuje mezinárodní přírůstek výroby elektřiny, například v letech 1971 až 1980 byl 4,79 %.
Snižování mezinárodního přírůstku elektřiny však nejprve povede ke zvýšení spotřeby primárních energetických zdrojů a později k jejich velkému snížení. Ale na množství CO 2 v atmosféře se budoucí snížení spotřeby primární energetických zdrojů neprojeví okamžitě, ale až s odstupem několik desetiletí. V České republice je energetická bilance založena na spalování fosilních paliv (uhlí), které jsou v nynějším energickém mixu zastoupeny 52,6 %, (ERU, 2013). Podíl uhlí na výrobě elektřiny sice klesá, ale velmi pomalu. Obr. 1: Energetický komplex ITAIPU Binacional, 14 000 MW, Brazílie Paraguay, foto: autor Spotřeba energie na světě je nerovnoměrná. Největším spotřebitelem energie jsou Spojené státy americké a naopak nejmenším Etiopie. Na světě spotřebuje zhruba 20 % populace 75 % z celkové spotřeby primárních energetických zdrojů a zbylých 80 % obyvatel spotřebuje 25 % primárních zdrojů energie tato nerovnoměrnost je v globalizovaném světě neudržitelná a povede k vzrůstu spotřeby primárních zdrojů energie ve světě. Vliv globalizace světa na spotřebu primárních zdrojů energie Pod pojem globalizace patří především propojení sociálně-kulturních, politických a ekonomických faktorů na světové úrovni, v jehož důsledku se některé části světa přibližují a jiné se relativně oddělují. Například přesouváním výroby do Číny. Globalizace přináší ekonomické výhody pro rozvíjející se země tím, že přináší lidem práci a vede například ke zlepšení infrastruktury země a pro země exportující má podstatné ekonomické výhody, neboť přináší obrovské zisky. Globalizace vede k vyrovnání životní úrovně v jednotlivých státech světa postupnému srovnání spotřeby energetických zdrojů na jednotlivé obyvatele světa, které jsou dosud velmi rozdílné. Jedním z pozitivních znaků globalizace je zavádění čistých energetických technologií do rozvojových zemí světa (jako například zavádění obnovitelných zdrojů energie na Ukrajině).
Energetický mix České republiky a jeho prognózy Současný energetický mix České republiky je založen na spalování fosilních paliv, které jsou zastoupeny 52,6 %, viz obrázek č. 2. Nynější zastoupení jaderných elektráren je 20%, ale dostavbou 3. a 4. bloku jaderné elektrárny Temelín se jejich podíl zvýší o 2x1200, resp. 1700 MW, (EIA, 2010). Současný výkon jaderné elektrárny Dukovany po modernizaci v roce 2012 je 2000 MW (4x500) a jaderné elektrárny Temelín je 2040 MW (2x1020). Obnovitelné zdroje energie mají následující zastoupení: fotovoltaické elektrárny 9,8 %, přečerpávací elektrárny 5,7 %, vodní elektrárny 5,2 %, bioplynové elektrárny 2,7 % a větrné elektrárny pouze 1,1 %, (ERU, 2012). Podíl obnovitelných zdrojů energie by měl do roku 2020 vzrůstat podle závazku České republiky k EU. Zastoupení paroplynových elektráren je 2,7 %, ale zemní plyn jako zdroj energie pro Českou republiku je vnímám jako rizikový vzhledem k případným problémům v dodávkách a v narůstající závislosti energetiky okolních států na zemním plynu. Obr. 2: Zastoupení jednotlivých energetických zdrojů v energetickém mixu ČR 2012, zpracováno autorem podle ERU 2012 Energetický komplex Jedním z cílů výzkumného projektu SUSEN (Udržitelná energetika), je stanovení kritérií pro posuzování vlivu energetického komplexu na životní prostředí. V zákoně o hospodaření energií je zaveden pouze pojem energetické hospodářství. Energetické hospodářství je soubor technických zařízení a budov sloužící k nakládání s energií, (Zákon o hospodaření energií, 2012). V evropské legislativě se používám pojem Energy management. V současné době byl pojem energetický komplex použit například pro energetický komplex Turceni v Rumunsku. Energetický komplex Turceni se sestává z elektrocentrály, dolů Jilt a Dragotseti a zahrnuje též využití železniční dopravy při přepravě surovin. Dalším příkladem je energetický komplex Adama Becka, zde se jedná o vznikající hydroelektrárnu na Niagarských vodopádech nebo energetický komplex Itaipu Binacional na hranici Brazilíe s Paraguají na obrázku 1, který pokrývá spotřebu Paraguaje ze 72,5 % a Brazílie ze 17,3 %. Energetické komplexy můžeme rozdělit na energetické komplexy z neobnovitelných zdrojů energie zdrojů energie, které se v historicky krátkém čase neobnoví: uhelné elektrárny,
jaderné elektrárny a paroplynové elektrárny a energetické komplexy z obnovitelných zdrojů energie neboli nevyčerpatelných zdrojů energie. Pod energetické komplexy z obnovitelných zdrojů energie patří: fotovoltaické elektrárny, větrné elektrárny, vodní elektrárny, geotermální elektrárny, bioplynové elektrárny, a další například využití zpětného tepla z odpadní vody v kanalizaci, skládek, ČOV... Dalším zdrojem energie bude očekávána termonukleární syntéza, která zatím není zařazená ani do jedné skupiny. Stanovení vlivu energetického komplexu na životní prostředí V rámci výzkumného projektu SUSEN jsou stanovována kritéria pro hodnocení vlivu energetického komplexu na životní prostředí. Prvním krokem je zadefinování jednotlivých složek energetických komplexů a poté nalezení kritérií hodnocení vlivů jednotlivých energetických komplexů na všechny složky životní prostředí (biosféru, pedosféru, hydrosféru a atmosféru). Energetický komplex můžeme hodnotit z pohledu životního cyklu. Můžeme zde vyhodnotit: těžbu, získávání a dostupnost surovin, výrobu paliva a dopravu surovin, výstavbu energetického komplexu například rozdíl mezi výstavbou jaderného energetického komplexu a fotovoltaického energetického komplexu, dobu životnosti, problematiku uzavírání elektráren, ukládání jednotlivých odpadů. Obr. 3: Schéma fotovoltaického energetického komplexu, zdroj: autor
Základní porovnání vlivů obnovitelných a neobnovitelných zdrojů na životní prostředí Vliv neobnovitelných zdrojů na životní prostředí Vliv uhelných elektráren na životní prostředí Vliv tepelných elektráren na životní prostředí začíná samotnou těžbou primárního zdroje energie - uhlí, které se používá jako energetický zdroj již od poloviny 19. století. Při těžbě je nejvíce ovlivněna biosféra odstraněním všech forem rostlin a živočichů. Pedosféra je těžbou zcela rozrušena. Těžba způsobuje podstatné změny horninového prostředí pozdějším sedáním výsypek, vodní erozí. Hydrosféra je postižena narušením vodního systému, změnou hydraulických vlastností a vydatnosti vodních zdrojů. Do atmosféry unikají emise plynů, par, aerosolů a prachu uvolňující se během těžby. Okolí je ovlivněno hlukem z těžebních strojů, který dosahuje hodnot až 90 db. Odpady z těžby uhlí výrazně narušují krajinný reliéf. Během spalování uhlí vznikají tuhé nespalitelné odpady škvára a struska, které se zachycují a ukládají na úložiště škváry a popílku. Úložiště popílku se po naplnění rekultivuje zavezením ornicí a osázením dřevinami. Popílek je unášen do komína, kde se provádí předem jeho odfiltrování zejména elektrostatickými filtry a jeho druhotné využití například do stavebních materiálů. Typickými představiteli emisí vznikajícími v tepelných elektrárnách jsou SO 2, NO X, CO a CO 2. Odstraňování SO 2 se nejčastěji provádí mokrou vápencovou vypírkou. Odstraňování oxidů dusíku (NO x ) je prováděno čpavkovými redukčními metodami. V současné době jsou vyvinuté 3 technologie pro odstraňování CO 2 : spalování paliva s kyslíkem, separace CO 2 před spalováním a odstraňování CO 2 ze spalin v České republice se zatím žádná z těchto technologií nepoužívá. Například uhelná elektrárna o výkonu 1000 MW spotřebuje během jednoho roku provozu 130 tisíc vagónu uhlí, vypustí do ovzduší 200 000 t SO 2, 30 000 t NO X a 16 000 t popílku (Mastný, 2011). Podíl fosilních paliv ve světovém měřítku je stále dominantní, je třeba zavést co nejrychleji technologie s téměř nulovými emisemi CO 2, jinak intenzita skleníkové efektu a globální oteplování Země dosáhnou katastrofální úrovně. Současné modely předpokládají nárůst průměrné teploty do roku 2100 o 1,4 až 5,8 C za století. V roce 1990 byla koncentrace CO 2 v atmosféře 354 ppm, jednotlivé modely předpokládají vzrůst CO 2 až na 680 ppm v roce 2100. Předpokládá se změna hladiny moří, velikosti ledovců, sněhové pokrývky a změna odtokových poměrů. Současné scénáře jsou však velmi rozdílné, okamžitým snížením produkce emisí o 70 % se bude situace stabilizovat (Sitzman, 2013). Vliv jaderných elektráren na životní prostředí Za normálních okolností jaderné elektrárny při výrobě elektrické energie přímo neovlivňují životní prostředí znečištěním atmosféry a nezpůsobují tedy přímo globální oteplování. V případě havárie je zabráněno šíření radioaktivních látek do prostředí bariérami o počtu 3 až 6 bariér. Jaderné elektrárny VVER používané v ČR mají 3 bariéry první pokrytí paliva, druhá hermeticky uzavřené komponenty a potrubí primárního okruhu a třetí kontejment. Pokrytí paliva (obal paliva) zabraňuje úniku štěpných produktů do chladiva. Hermeticky uzavřené komponenty a potrubí primárního okruhu jsou pravidelně kontrolovány. Ochranná obálka (kontejment) tvoří jednu z bariér a je dimenzována na následky maximální reaktorové havárie, (Matoušek, 2007). Nebezpečí vlivu na životní prostředí vzniká při přepravě vyhořelého paliva, použité palivo vyzařuje mnohonásobně více záření než palivo čerstvé. Po uzavření jaderných elektráren je
elektrárna rozdělena na nízko, středně a vysoce radioaktivní odpady, se kterými je nakládáno stejně jako s vyhořelým palivem. Vliv obnovitelných zdrojů na životní prostředí Vliv vodní, sluneční, větrné, geotermální energie a spalování biomasy na životní prostředí Obnovitelné zdroje energie nevytvářejí oxid uhličitý nebo jsou k tvorbě oxidu uhličitého neutrální. Neutrálním obnovitelným zdrojem energie je biomasa, která sice při spálení nebo rozkladu produkuje CO 2, ale stejné množství CO 2 je spotřebováno při vytváření biomasy fotosyntézou. Výhřevnost rostlinné biomasy je srovnatelná s výhřevností hnědého uhlí. Výhodným je také využití zvířecích exkrementů pro výrobu bioplynu, které má ekologické přínosy ve zmenšení spalování fosilních paliv a zabránění úniku CH 4 do ovzduší. Spalováním methanu vzniká CO 2, ale relativní skleníkový efekt metanu je 30 krát větší než CO 2. Pobyt CH 4 v ovzduší je 10 krát kratší než u oxidu uhličitého. Bioplyn se vyrábí rovněž v čistírnách odpadních vod, skládkách domovního odpadu atd. (Kadrnožka, 2006). Vlivy vodní, sluneční, větrné a geotermální energie na životní prostředí nejsou zatím dostatečně popsány, jejich vliv spočívá již v samotné výstavbě (například výstavba offshore větrných parků má značný vliv beraněním pilotů na mořské živočichy). Obr. 4: Větrné elektrárny jsou v ČR zastoupeny pouze 1,1 %, Neklid, foto: autor Vliv termojaderné fúze na životní prostředí Termojaderná fúze (syntéza) se nabízí jako další perspektivní udržitelný zdroj energie. Primární energetické zdroje v přírodě jsou založené na fúzi. Termojaderná fúze je založená na slučování lehkých prvků na jádra těžší. Jádra se k sobě přibližují překonáním odpudivé elektrostatické síly v horkém plazmatu, kde se částice pomocí svých srážek dělí na kladně nabitá jádra a záporně nabité elektrony. D (deuterium) + T (tritium) - He 4 + n + 17,6 MeV (1) 1g fuzního paliva odpovídá 10 tunám uhlí V současné době je na světě několik fuzních výzkumných reaktorů, úspěšný průběh však dosud chybí. Komerční využití termojaderné fúze se předpokládá v roce 2050.
Odpady z termojaderné fúze Pro štěpení bude dodáváno palivo o předpokládaném ročním objemu 37.4 kg deuteria a 56 kg tritia (tritium je nestálý radioaktivní izotop vodíku, který se dostává do všech složek životního prostředí). Odpad bude radioaktivní, ale úplně jinak než vstupní palivo. Předpokládá se, že poločas rozpadu radioaktivního odpadu bude 100 let a že se bude moci znovu využít. Termojaderná fúze nebude produkovat žádné emise CO 2, (Wagner, 2012). Závěr Okamžité snížení produkce emisí a tím zabránění dalšímu globálnímu oteplování povede k většímu využívání obnovitelných zdrojů energie, které nyní rostou, ale jejichž podíl nikdy nebude dosahovat 100%. Zároveň dosud není vyřešeno ukládání energie. Další možností je využití jaderné fúze jako udržitelného zdroje energie. Základním hodnocením obnovitelných a neobnovitelných zdrojů energie bylo zjištěno: jaderná energetika má negativní vliv na životní prostředí ve formě ukládání vyhořelého paliva, ale neznečišťuje atmosféru ani nezpůsobuje globální oteplování země oproti uhelným elektrárnám. Uhelné elektrárny produkují emise SO 2, NO X, CO a CO 2 a zároveň mají devastující účinky na krajinný reliéf již během těžby uhlí. Výstavba energetických komplexů z obnovitelných zdrojů energie má negativní vlivy na životní prostředí, které dosud nebyly podrobněji vyhodnocovány. Základním porovnáním výroby energie z obnovitelných a neobnovitelných zdrojů energie na životní prostředí bylo zjištěno, že při výrobě energie dochází k různých negativním vlivům na prostředí. Pouze porovnáním celého životního cyklu výroby elektrické energie bude možné mezi sebou důkladně jednotlivé fáze porovnat. Hodnocení energetických komplexů umožní ucelené hodnocení komplexního energetického hospodářství. Literatura [1] KADRNOŽKA, J. Energie a globální oteplování. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2006. ISBN 80-214-2919-4. [2] MATOUŠEK, A. Výroba elektrické energie. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2007. ISBN 978-80-214-3317-5. [3] WAGNER, F. Fusion Energy by Magnetic Confinement. Greifswald: Max Planck Institutu für Plasmaphysik, 2012. [4] WAGNER, F. Features of an electricity supply system based on variable input. Greifswald: Max Planck Institutu für Plasmaphysik, 2012. [5] MASTNÝ P.; DRÁPELA J.; MIŠÁK S.; MACHÁČEK J.; PTÁČEK M.; RADIL L.; BARTOŠÍK T.; PAVELKA T. Obnovitelné zdroje elektrické energie. Praha: ČVUT v Praze, 2011. ISBN 978-80-01-04937-2. [6] RICHTER, M. Úvod do průmyslových technologií. Ústí nad Labem: UJEP, 2012. [7] Správa o hodnotení vplyvov vyraďovaní JE V1 na životní prostředí. [8] Energetický mix ČR 2012, www.eru.cz. [9] WEC World energy council, http://www.worldenergy.org. [10] IEA International Energy Agency, http://iea.org. [11] SITZMAN, D. Stadthydrologie quo vadis? Einflüsse des demokrafischen und Klimawandels auf die Wasserinfrastruktursysteme. In: Tagungsband zum 27. Oldenburger Rohrleitungsforum. 7.- 8. února, 2013, Oldenburg. Essen: Vulkan Verlag, 2013. s. 22 25. ISBN 978-3-8027-2777-1. [12] Zákon č. 406/2000 Sb. o hospodaření energií.
[13] Zákon č. 458/2000 Sb. o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů (energetický zákon). [14] Nový jaderný zdroj v lokalitě Temelín včetně vyvedení výkonu do rozvodny Kočín, Dokumentace vlivů záměru na životní prostředí, 2010. Poděkování Prezentovaná práce je finančně podporována projektem SUSEN CZ.1.05/2.1.00/03.0108 realizovaného v rámci ERDF