Mýty o solárnej elektrárni (2) - O energetickej návratnosti nielen solárnych elektrárni

Rozprávka o špajze a záhrade

Bol raz jeden dom. Jedného dňa ho objavil istý pán Ing. Sapiens Homo. Dom sa mu páčil a keďže dom bol prázdny až na pár zvierat, nasťahoval sa. Pán Sapiens bol z chudobnej rodiny. Tvrdo bojoval o každé sústo, no jedného dňa objavil obrovskú špajzu, naplnenú zásobami (z) predchádzajúcich generácií majiteľov domu do prasknutia. Keď videl tie zásoby, zo dňa na deň prestal primitívne zháňať obživu a začal sofistikovane bieliť špajzu. Pánovi Sapiensovi sa veľmi darilo, inými slovami prosperoval. Počet členov rodiny v dome začal nekontrolovateľne, priam až exponenciálne rásť. Čo však bolo horšie, niektorí členovia rodiny začali mať veľký apetít ("boli rozožraní" bude presnejšie). Následkom tohoto stavu začali zo špajze rýchlo ubúdať zásoby. Bolo potrebné chodiť do nej stále hlbšie a hlbšie a načahovať sa do políc stále ďalej a ďalej. Dospelo to do zvláštneho štádia. Keď niektorý obyvateľ domu šiel do špajze pre ďalšiu dávku zásob, po ceste späť vyhladol a z tejto dávky zásob postupne odjedal. To by možno ani nevadilo, keby nehrozilo, že raz náš milý obývateľ skončí pred špajzou s prázdnymi rukami. Našťastie si túto nie zrovna perspektívnu budúcnosť špajze stihlo uvedomiť niekoľko prezieravých obyvateľov domu. Preto začali obrábať obrovskú záhradu za domom, ktorá dosiaľ zostávala bez povšimnutia. Zo začiatku im to išlo ťažko.Nevedeli ako, bolo ich málo, a z času na čas aj oni museli siahnuť do špajze. Vo využívaní záhrady sa však zlepšovali. Tu rozprávka končí na rázcestí otázkou o čase. 

Budú mať Sapienovci dostatok času a zásob zo špajze, aby sa stihli naučiť a potom efektívne obrábať záhradu? Čo sa stane, keď nebudú? Koniec nechávam na fantáziu čitateľa. 

EROEI - Energetická návratnosť energetickej investície

V angličtine sú zaužívané dve skratky EROEI (Energy Returned On Energy Invested) alebo EROI (Energy Return On Investment). Energetická návratnosť energetickej investície EROEI je podiel energie, ktorú možno pomocou zdroja získať a energie, ktorú bolo potrebné vložiť na výrobu, montáž a prevádzkovanie takéhoto zdroja. Ide o tento jednoduchý vzťah:
 

EROEI = Všetka zdrojom získaná energia / Energia spotrebovaná

alebo aj

EROEI = Čistý energetický zisk zdroja / Energia spotrebovaná +1

Tento jednoduchý vzťah má dve charakteristické vlastnosti.

1) Je pomerne nepresný a veľmi závisí od metodiky výpočtu. Napríklad je dôležité do spotrebovanej energie započítať celý životný cyklus od ťažby materiálov, výroby, až po odstránenie a spracovanie odpadu. Ak sa však zdroj recykluje na nový zdroj, je vhodné túto recykláciu=výrobu nového zdroja započítať až do EROEI nového zdroja. Veľký vplyv na hodnotu EROEI má aj reálna životnosť zdroja, ktorá výrazne môže EROEI zvýšiť alebo znížiť.

2) Má zásadný význam pre celú energetiku. A to z jednoduchého dôvodu. Všetko čo má EROEI≤1 nie je zdroj ale spotrebič, respektíve slúži iba na premenu energie z jednej formy na druhú s určitou konečnou účinnosťou ≤ 1. Aby bol zdroj užitočný pre spoločnosť, hodnota EROEI by nemala klesnúť pod 3:1. Prečo 3:1? Dajme tomu, že chceme aby sa zdroj :

 +1 Návratnosť - Energeticky zaplatil,

 +1 Využitie - Vyrobil pre našu potrebu aspoň toľko energie, koľko sme do neho investovali,

 +1 Rozvoj - Aby sa s jeho pomocou dal postaviť jeden zdroj navyše.

EROEI má zásadný dosah na dlhodobý koncept nielen energetiky, ale aj dopravy, stavebníctva, potravinárstva atď.. Toto si však stále uvedomuje malé množstvo odbornej verejnosti. Bolo by zaujímavé spočítať aktuálne spoločné EROEI všetkých zdrojov. Momentálny trend je však jasný. EROEI klesá a až dosiahne hodnotu pod 3:1, spomalí sa rozvoj. Ak klesne pod hodnotu 2:1, rozvoj sa zastaví a my si budeme musieť začať "odtŕhať od úst". Ak klesne pod hodnotu 1:1, tak nás čaká bieda. Podľa niektorých štúdií by momentálna rozožranosť niektorých ekonomík dokonca potrebovala na svoje udržanie EROEI až 9:1. Dôvodom je prílišná spotreba energie na každom kroku. Realizácia skutočnej energetickej efektívnosti tiež stále čaká, kým niekto zdvihne príležitosť zo zeme. 

Opäť budem vychádzať z niekoľkých aktuálnych odborných článkov, kde už za mňa spracovali kvantum menších jednotlivých výskumov rôznych svetových pracovísk. Informačné zdroje z ktorých čerpám sú uvedené za týmto článkom:

Poďme rovno na výsledky. Pokiaľ nie je uvedené elektráreň ide o tepelnú energiu:

V tabuľke možno vidieť niekoľko zaujímavých výsledkov:

• EROEI ropy za posledných 100 rokov výrazne kleslo. 

• Veľmi nízke EROEI u bionafty a bioetanolu. Tu sa ponúka otázka, prečo má táto výroba takú podporu, keď ani ekologické hľadisko nie je veľmi dobré.

• Devastačná ťažba ropy z ropných pieskov v porovnaní so štandardnou ťažbou ropy je na tom výrazne horšie.

• Vodné elektrárne sú z hľadiska EROEI najlepšie obnoviteľné zdroje.

Grafické znázornenie EROEI z tabuľky (zdroj: ja)

Všeobecne neobnoviteľné zdroje majú zatiaľ lepšie EROEI ako obnoviteľné zdroje. Prečo teda prejsť na obnoviteľné zdroje (samozrejme tie s EROEI viac ako 3)? Dôvod je klesajúce EROEI u neobnoviteľných zdrojov (konečné prijatelne dostupné množstvo) a rastúce alebo stagnujúce EROEI u obnoviteľných zdrojov (rast spôsobený zlepšovaním technológie). Ak by sme čakali, kým sa EROEI obnoviteľných a neobnoviteľných zdrojov vyrovná, určite by z ekonomických dôvodov začali mať obnoviteľné zdroje výraznejšiu podporu a aj by boli lepšie prijímané verejnosťou. Je však otázne či by sme potom mali dostatok času prejsť na energetiku obnoviteľných zdrojov.

Vráťme sa k fotovoltaike.

Budem vychádzať z článku (Cucchiella, 2012), kde autori podrobne popísali analýzu EROEI pre fotovoltické panely a elektrárne umiestnené v troch mestách Talianska. Z ich údajov následne odvodím EROEI na Slovensku, kde máme menej slnečnej energie. Opäť uvediem len závery. Kto bude mať záujem preštudovať si pôvodný článok, odkaz naň je uvedený na konci článku.

EROEI sa u solárnych elektrárni, využívajúcich fotovoltaiku počíta pomocou doby energetickej návratnosti EPBT (Energy PayBack Time) zariadenia, keďže palivo - slnečná energia prichádza, bez vykonania akéhokoľvek úsilia a teda potrebujeme energeticky splatiť iba elektráreň.

V tabuľke je EPBT pre rôzne solárne elektrárne s rôznymi typmi fotovoltaických panelov a môj prepočet pre Slovensko:

V článku autor predpokladal životnosť systému 20 rokov. Potom EROEI fotovoltaickej elektrárne je nasledovná:

Celá sústava solárnej elektrárne je veľmi dobre recyklovatelná. Preto je pravdepodobné že EROEI a EPBT nasledujúcej generácie recyklovaných solárnych elektrárni bude výrazne lepšia ako u dnešných. 

Krátka úvaha na záver

Majme na porovnanie dva zdroje s EROEI 6:1 resp. 7:1. Z toho chcem 3:1 využiť, 2 resp. 3:1 dať na rozvoj a 1:1 ostalo na vrátenie energie zo stavby zdroja, ktorú následne tiež využijem na vybudovanie rovnakého zdroja. Potom:

Toto je môj veľmi hrubo načrtnutý scenár rozvoja navždy udržateľnej čistej energetiky pomocou obnoviteľných zdrojov.

Dúfam že sa mi týmto článkom podarilo nielen vyvrátiť mýtus o nenávratnej energii vloženej do výroby a montáže solárnych elektrárni ale aj rozšíriť obzor o energetickej návratnosti energetickej investície EROEI, ktorá je podľa mňa najdôležitejším vzťahom energetiky. 

Doplnenie

Článok bude časom doplnený o zaujímavé postrehy z diskusie.

Literatúra

Hall, Ch.A.S., Lambert, J.G., Balogh, S.B.: EROI of different fuels and the implications for society, Energy Policy, Vol 64, 2014

Cucchiella, F., D'Adamo, I.,: Estimation of the energetic and environmental impacts of a roof-mounted building-integrated photovoltaic systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol 16, Jun 2012

Arodudu, O., Voinov, A., van Duren, I.: Assessing bioenergy potential in rural areas - A NEG-EROEI approach, Biomas and bioenergy (2013), http://dx.doi.org/10.1016/j.biombioe.2013.07.020