Vaclav Smil: Energie. Průvodce pro začátečníky

Podle Einsteinovy slavné rovnice E=mc2 lze veškerou hmotu přeměnit v energii. Je všude a je vším. V tomto hodnotném zasvěcení do tématu uznávaný odborník Vaclav Smil vysvětluje její klíčovou roli ve vývoji jak naší planety, tak moderní společnosti. Počínaje jejími zdroji a využitím až po její toky a konverze Smil mapuje kritický význam energie pro: - vnitřní procesy lidského těla, - biosféru planety země a obnovitelné zdroje, - globální oteplování a jeho prevenci. V popisu mimo jiné i politicky motivovaného závodu o účinnější a ekologičtější paliva autor rovněž odhaluje dopady našich každodenních rozhodnutí na spotřebu energie. Svým komplexním přístupem a praktickými postřehy tento stravitelně podávaný průvodce ukazuje, jak je každý aspekt naší existence ovládán jedním z nejdůležitějších konceptů našeho vesmíru.

Vaclav Smil je autorem třiceti knih o energii, životním prostředí, potravě a historii technického pokroku, mimo jiné Prime Movers of Globalization: The History and Impact of Diesel Engines and Gas Turbines (Hnací síly globalizace: Historie a dopad vznětových motorů a plynových turbín, MIT Press, 2010). Do roku 2011 působil na University of Manitoba v Kanadě, kde dosáhl titulu Distinguished Professor. V roce 2010 byl časopisem Foreign Policy zařazen do první stovky globálních myslitelů.

Energii v překladu Pavla Kaase vydalo nakladatelství Kniha Zlín, které už dříve uvedlo na český trh Smilovu knihu Globální katastrofy a trendy (ukázku z ní najdete na https://ctenarknih.blogspot.cz/2017/09/vaclav-smil-globalni-katastrofy-trendy.html).

Ukázka z knihy:

Biomasa jako palivo: teplo a světlo

První městské civilizace – hliněná města Uruk, Ur a Lagaš v jižní Mezopotámii (založená kolem roku 3200 př. n. l.) nebo dřevěná města v Číně za dynastie Šang (ko­lem r. 2000 př. n. l.) – spoléhala při přípravě jídel, pále­ní cihel i tavení kovů na naprosto tatáž paliva jako vel­ká a (alespoň zčásti) blahobytná města raně moderního světa, například Benátky 17. století nebo Paříž století následujícího. Všechna tato společenstva, ačkoliv je od sebe dělily kontinenty a tisíciletí, získávala využitelné teplo konverzí chemické energie fytomasy, především dřeva lesních stromů, ale i cíleně vysazovaných palivo­vých plantáží a dřevěného uhlí. Tam, kde nebyly nablíz­ku lesy – na nivních pláních využívaných především pro pole, v travnatých rovinách a v regionech příliš suchých, než aby v nich vyrostlo něco víc než jen drobné keře – mu­sela města dovážet palivové dřevo a dřevěné uhlí často ze značné vzdálenosti a rolníci i nemajetní obyvatelé měst využívali veškerou dostupnou fytomasu.

Posklizňové obilné zbytky se jako palivo využívaly na všech kontinentech. Obvykle byla nejhojnější obilná sláma a stonky luskovin, ale rolníci využívali též stonky bavlny, listy cukrové třtiny a kořeny některých plodin. Tam, kde byl dokonce i těchto zbytků nedostatek, používali lidé suše­ný trus skotu (na indickém subkontinentu a v Mongolsku), jaků (v Tibetu), velbloudů (v afrických a asijských pouš­tích) a bizonů (pro první osadníky na severoamerických prériích v 19. století byl bizoní trus naprosto nepostra­datelný). Jak již bylo uvedeno, energetická hustota dřeva závisí na obsahu vlhkosti, takže byly preferovány odum­řelé větve a spadané větvičky (k jejich sběru navíc neby­ly potřebné sekery ani pily). Na vzduchu vysušené dřevo má 14–16 MJ/kg, oproti tomu na vzduchu sušená sláma kolem 11 MJ/kg a stejným způsobem usušený hovězí trus 9–11 MJ/kg.

Relativně nízká energetická hustota palivové fytoma­sy by nebyla takový problém, pokud by se tato fytomasa dala sklízet s vysokou výkonovou hustotou. Jak však víme z předchozí kapitoly, většina lesů má maximálně 200 tun fytomasy na hektar (20 kg/m2), takže i kdyby bylo možné vytěžit ji všechnu (a většina je jí v mohutných kmenech stromů, které lze pokácet jen s kvalitními kovovými ná­stroji), pohyboval by se výnos kolem 300 MJ/m2. Protože je po holoseči zapotřebí 50–100 let k obnově porostu do stavu před těžbou, musí být výkonová hustota těžby dřeva vypočítávána vydělením úhrnu energie časem potřebným k obnově fytomasy. Proto i kdybychom těžbu vydělili jen padesáti, bude skutečná udržitelná výkonová hustota těžby dřeva pouhé 0,2 W/m2.

Ještě nižší výnos má dřevěné uhlí, ačkoliv je logicky lep­ším palivem než dřevo, z něhož se vyrábí. Protože jde prak­ticky o čistý uhlík, je jeho energetická hustota 29 MJ/kg, což je o nějakých 60–65 % více než u dřeva sušeného na vzdu­chu. Je proto vynikajícím metalurgickým palivem, snáze se přepravuje a skladuje a díky hoření bez většího vývinu kouře je skvělým palivem pro vaření v nevětraných prosto­rech a pro topení v palivových koších. Tradiční výroba dře­věného uhlí byla velice ztrátovým procesem, protože jen ko­lem 20 % energie z dřeva skončilo ve formě dřevěného uhlí, takže výkonová hustota lesní fytomasy dlouhodobě těžené k výrobě dřevěného uhlí by byla pouhé 0,04 W/m2.

Tyto výkony je třeba porovnat s obvyklou spotřebou te­pelné energie velkého města preindustriální éry. V závis­losti na způsobu přípravy jídla (v Číně se v zájmu úspory paliva nepeklo zdaleka tolik jako v Evropě), na náročnosti podnebí (v Číně na jih od Dlouhé řeky se tradičně netopilo vůbec, kdežto za ruských zim se spotřebovala spousta dře­va) a na objemu výroby probíhající uvnitř městských hra­deb (kovářství, hrnčířství, cihlářství) spotřebovala města preindustriální éry minimálně 10, ale i 30 wattů na čtve­reční metr zastavěné plochy. To znamená, že pokud město používalo výhradně dřevo, potřebovalo pro přísun dostat­ku fytomasy rozlohu téměř 50–150× větší, než byla jeho plocha, a 85–250× větší, jestliže bylo zásobování palivem rozděleno mezi dřevo a dřevěné uhlí. To samo o sobě vy­lučovalo existenci megaměst (minimálně 10 milionů lidí) v jakékoliv preindustriální společnosti, která byla z hledis­ka zdroje tepelné energie závislá na fytomase.

Situace se stala ještě obtížnější, když tavba železa využí­vající dřevěného uhlí, jež byla původně prováděna v ma­lém měřítku, přešla do stadia masové výroby. Ačkoliv se výkonnost postupně zlepšovala (v polovině 18. století nová vysoká pec spotřebovala na jednotku vyrobeného roztave­ného kovu necelou desetinu dřevěného uhlí oproti středo­věké výhni), dostupnost lesní fytomasy se rychle stávala klíčovým faktorem určujícím budoucí expanzi tavby že­leza. V roce 1810 americké hutnictví ročně spotřebovalo 2500 km2 lesa, což byla poptávka bohatými lesními zdro­ji země snadno uspokojitelná. O století později už by tato spotřeba dosáhla téměř 170 000 km2 lesa (to je například dvojnásobek rozlohy Rakouska) a takovéto množství uh­líku už se dalo zajistit pouze přechodem z dřevěného uhlí na koks vyráběný z uhlí. Ve Spojeném království tento pře­chod z velké části proběhl před jedním stoletím.

Sklizeň plodinových zbytků poskytovala dokonce ještě nižší výkonovou hustotu zejména v těch oblastech mírné­ho pásu, kde se sklízelo pouze jednou ročně. Při typickém výnosu obilovin před nástupem moderní éry ve výši 1 t/ha a poměru slámy a zrna 2 : 1 bylo ve zbytkové celulózní fy­tomase méně než 0,1 W/m2. Vzhledem k dalšímu využívá­ní (podestýlka, krmení, střešní krytina, výroba) však na palivo zbývala pouhá část této sklizně. Dokonce i za před­pokladu, že by se na palivo dala posbírat polovina, nedo­stali bychom víc než jednu tunu z hektaru, tj. méně než 0,05 W/m2. Rolnická rodina žijící v malém domku o jedné místnosti v mírném podnebném pásu by uspokojila svo­ji potřebu paliva na vaření a topení převážně spalováním slámy, ale velké město by své energetické potřeby poskliz­ňovými zbytky nesaturovalo, protože by musely být sbírá­ny z plochy až 600× větší než celé město.

Paliva z fytomasy jsou navíc zdrojem znečištění vzdu­chu ve vnitřních prostorech. Mohou uvolňovat velká množ­ství jedovatého oxidu uhelnatého a spalování při nedosta­tečném odvětrávání v mělkých topeništích nebo ohništích produkuje vysoké koncentrace jemných částic včetně čet­ných karcinogenů. Opakované vdechování takovéhoto kou­ře vede k narušení funkce plic a ke vzniku chronických re­spiračních onemocnění (bronchitida, rozedma plic). Tyto dopady (dodnes postihující miliony lidí v chudých zemích, kde je neefektivní spalování fytomasy nadále primárním zdrojem tepla pro přípravu jídla) lze redukovat nebo elimi­novat pouze používáním účinnějších kamen s rošty a rou­rami napojenými do komína pro odpovídající odvod spal­ných plynů.

Osvětlení se vyvíjelo pomalu od otevřených ohnišť a smolných loučí po hliněné lampy využívající nejprve zvířecí tuk (ty nejstarší vznikaly v době před nějakými 40 000 let) a pak (mnohem později, již v zemědělských kul­turách) různé rostlinné oleje. Svíčky (vyráběné ze včelího vosku nebo hovězího loje) se objevily po roce 800 př. n. l. Lepšího osvětlení bylo možné docílit pouze zvyšováním jejich počtu. Kromě jejich zjevných nevýhod (omezená ži­votnost, kouř, riziko požáru) byla účinnost konverze che­mické energie svíčky (tuku) na světlo žalostně nízká, vždy pod 0,01 %. Dokonce ani nejlepší olejové lampy z konce 18. a počátku 19. století neměly vyšší účinnost než 0,03 %. Měly skleněný cylindr a regulovatelný knot a jako palivo v nich sloužil olej získávaný z obrovských těl vorvaňů vybí­jených ve světových mořích početnými velrybářskými floti­lami. Ačkoliv první zápalky se v Číně používaly už v 6. století n. l., do Evropy se dostaly až po roce 1500 a jejich moder­ní (bezpečnostní) verze se začala prodávat až v roce 1844.

Vynález výroby plynu z uhlí destilací a zavedení petro­leje (vyráběného ve velkém rafinací surové ropy až po roce 1870), vynález první použitelné žárovky (1879–1880) a centralizovaná produkce elektřiny ve velkém (1882) umožnily podstatně pohodlnější a nakonec (se zavedením zářivek a sodíkových výbojek) o několik řádů účinnější osvětlení domácností, ulic i průmyslových objektů.

Copyright © 2006, Vaclav Smil

The moral rights of the author have been asserted

Translation © Pavel Kaas, 2018

ISBN 978-80-7473-634-6