Článek
Disclaimer: Dnes to bude trošku delší, ale slibuji, že to bude stát za to.
Byl jednou jeden mudrc a jeden král. Jednoho dne pomohl mudrc králi vyřešit jeden zapeklitý problém. Pověst sice neprozrazuje, zda šlo o prosazení ekonomické reformy či odstranění bradavice, ale víme jistě, jak to bylo dál. Král mudrci vyjádřil svou vděčnost tím, že nechal zcela na něm, jakou si vybere odměnu. Mudrc se podrbal na svých plesnivých vousech a zvolil obilí (některé verze tedy hovoří o rýži, ale to zase není tak důležité).
Ale protože chtěl krále ve skutečnosti vytrolit, vymínil si, aby výplata i stanovení jejího objemu proběhly poněkud bizarní formou: „Víš, jak máš na dvoře tu obří šachovnici, králi? Nech odnést všechny figurky a poruč obilí postupně vyskládat na jednotlivá políčka takto: Na první pole přijde jedno zrníčko a na každé další dvakrát tolik než na to předchozí – tedy na druhé pole dvě zrníčka, na třetí čtyři, na čtvrté osm a takhle dál až do zblbnutí, totiž do 64. políčka,“ pravil mudrc. Král to šacoval dohromady tak na tři čtyři pytle obilí, takže se napřed zaradoval, jak z toho vyšel lacino. Ale o to víc později bědoval.
Když spokojeně odjížděl na lov tetřevů, zaujal ho nezvyklý povyk na dvoře. Královské služebnictvo plnilo sotva třetí řadu šachovnice a už zápolilo s nečekaným problémem. „Ať si to tam poskládá sám, když je tak chytrej!“ lamentoval hofmistr, a když spatřil přicházejícího krále, rychle dodal: „Mudrc jeden pitomej!“. Jenomže brzy bylo ještě hůř, protože se zjistilo, že celkové množství požadovaného obilí mnohonásobně převyšuje celosvětovou roční produkci (za domácí úkol si to zkuste spočítat přesně, napovím jen základní vzoreček: 2(n – 1)).
Přiznám se vám, že půvabnější a výstižnější výklad exponenciální funkce jsem v životě neslyšel. Nejvíce se mi na něm líbí to, jak dobře ilustruje, že náhlá numerická exploze je pro většinu z nás, prostých smrtelníků, prostě neuchopitelná (vzpomeňme na covid a reprodukční číslo). A věřte nebo ne, právě tímto příběhem z blíže nespecifikované východní pohádky uvedl sovětský experimentální fyzik Pjotr Kapica v roce 1976 svou přednášku na stockholmské univerzitě. Chtěl tím popsat zákonitosti, kterými se řídí rozvoj prakticky všech globálních problémů.
„Je zřejmé, že proces, který se rozvíjí geometrickou řadou, musí dosáhnout maxima a pak se zastavit. Přiblížení k tomuto maximu může mít ovšem charakter exploze,“ říká Kapica a na příkladu infekční choroby popisuje, že ono zastavení může mít tři podoby: uzdravení (bakterie se přestanou rozmnožovat), smrt (člověk hyne spolu s bakteriemi) nebo přechod nemoci do chronického stadia (lidské tělo ničí tolik bakterií, kolik jich vzniká).
„Jeden z hlavních globálních problémů je neustále pokračující exponenciální růst počtu obyvatel na zeměkouli, zvlášť silný v některých zemích. Ten se dříve nebo později musí zastavit, třeba už jen proto, že nebude pro všechny dostatek potravin. Před lidstvem stojí úkol tento růst zastavit bezbolestně. Bezbolestně, a ne hladomorem, který dnes začíná být leckde reálným řešením,“ pokračuje Kapica. „O problému populace se dnes hodně diskutuje, bohužel však neexistuje obecně uznávané řešení. My se ho dotýkat nebudeme, spokojíme se s předpokladem, že se v příštím století počet obyvatel na Zemi nebude příliš měnit. Budeme se zabývat problémem, jak lidstvu zajistit dostatečně vysoký a stálý životní standard, a dokážeme, že je to možné tehdy, bude-li v globálním měřítku rozřešen problém energetický.“
Odpusťte. Šířím tady nějaká moudra, aniž bych vám řádně představil jejich autora. Tak tedy Pjotr Leonidovič Kapica (*1894 – †1984) byl sovětský experimentální fyzik moldavsko-ukrajinského původu, který se zabýval jevy probíhajícími v plazmatu (dokonce se pokoušel o řízenou termonukleární fúzi) a fyzikou nízkých teplot. To druhé přitom dělal tak dobře, že si za to vysloužil i Nobelovu cenu. To však zdaleka není jediný laicky srozumitelný důkaz jeho vědeckého významu. Už v meziválečném období se stal členem britské Královské společnosti a v 60. letech převzal v Cambridge Rutherfordovu medaili a cenu. Je po něm pojmenována planetka (3437 Kapica) i některé veličiny (Kapicův odpor či Kapicovo číslo).
Vím, co si myslíte, a přiznám se, že jsem si to zprvu myslel taky. Sovětský vědec, Hrdina socialistické práce, moderátor populárního vědeckého pořadu v televizi, cesty na Západ… Vedle, jak ta jedle! Kapica měl do kariérního komunisty daleko, dokonce byl na sovětské poměry až neuvěřitelně občansky statečný. Ve 30. letech zachránil kolegy Vladimira Foka a Lva Landaua před Stalinovými čistkami, pohádal se se šéfem NKVD Lavrentijem Berijou (kolik takových bylo, že o tom mohli ještě vyprávět?), v korespondenci polemizoval i se samotným Stalinem, odmítl spolupracovat na vývoji atomové bomby, podporoval mírové iniciativy i čisté životní prostředí a v roce 1973 odmítl (jako jediný) podepsat dopis členů Akademie věd SSSR odsuzující občanské postoje a aktivity Andreje Sacharova.
Pravda, užil si kvůli tomu všemu taky své – na poměrně dlouhé období mu soudruzi sebrali pas a zakázali mu opustit zemi nebo ho vyhodili z Ústavu fyzikálních problémů. Ale jednocestnou jízdenku směr Sibiř nikdy nedostal, za což nejspíš vděčil tomu, že jeho objevy byly tak užitečné pro průmysl.
Zpět do Stockholmu, roku 1976 a ke Kapicově definici energetického problému. V rozvinutých zemích roste životní úroveň a země rozvojové chtějí (kupodivu) totéž. Surovinové zdroje ubývají, takže třeba kovy je třeba preparovat ze stále chudších a chudších rud. Je třeba bojovat proti znečišťování životního prostředí, zvyšovat produktivitu v zemědělství, eventuálně rozvíjet syntetické potraviny. To všechno vyžaduje dramatický nárůst spotřeby energií.
„Jestliže tedy energetika hraje v národním hospodářství tak důležitou roli, je překonání energetické krize, která se dnes neúprosně blíží, největším globálním problémem lidstva,“ burcuje Kapica.
A teď sledujte tu jízdu. Možná vás to překvapí, ale příčinu energetické krize vidí sovětský vědec v tom samém, co současní evropští politici, či dokonce ekologičtí aktivisté: V závislosti na uhlí, plynu a ropě. Jen má na rozdíl od nich o dost pragmatičtější přístup. Neřeší klimatickou změnu (protože tehdy skoro nikdo nevěděl, co to je), neřeší ani závislost na ošklivých režimech (možná nejspíš proto, že z jednoho sám pochází a sám si to uvědomuje), ale řeší čistě fakt, že při dnešní úrovni těžby zásoby fosilních paliv dojdou „během jednoho až dvou století.“ Pro doplnění kontextu dodejme, že přednáška ve Stockholmu proběhla tři roky po vypuknutí ropné krize.
Takže problémem jsou fosilní paliva, paradoxně ta, která naší civilizaci umožnila do té doby nepředstavitelný rozkvět. A protože podle zákona zachování energie nelze zhotovit perpetuum mobile, které by nám dávalo energii z ničeho, je třeba co nejrychleji najít náhradní zdroje (nikoliv se fosilních paliv prostě bez náhrady zbavit). V opačném případě hrozí prudký pokles spotřeby energie, a tedy i životní úrovně lidstva.
„Východisko z takové situace je zřejmé. Je nutné nalézt zdroje energie, které by byly prakticky nevyčerpatelné.“
Při hledání svatého grálu, totiž onoho „prakticky nevyčerpatelného zdroje energie“, pracuje Kapica s termínem hustota energetického toku. Tato podivná veličina s ne úplně sexy názvem vyjadřuje množství energie uvolněné na jednotku hmotnosti či objemu a je nesmírně důležitá. Do značné míry z ní totiž vyplývají všechny zásadní parametry, které na zdroje energie klademe my jako jejich uživatelé: návratnost vložené energie, materiálová náročnost výstavby, prostorová náročnost, a dokonce i cena výroby.
Přeměnu sluneční energie na elektrickou či mechanickou považuje Kapica právě kvůli nízké hustotě energetického toku za neefektivní a neekonomickou. Pro představu uvádí, že sluneční výkon 1000 MW (odpovídající jednomu bloku Temelína, který však Kapica samozřejmě nezmiňuje) lze při nejlepší vůli alespoň teoreticky odebrat až z plochy 10 km2.
U geotermální energie dostatečnou hustotu toku připouští, ale pouze v oblastech s intenzivní sopečnou činností. To poněkud limituje využití této energie v celosvětovém měřítku. Prostě máme málo sopek, no (vysvětlujte to ale obyvatelům takové Neapole).
Podobnou situaci vidí Kapica u vodní energie, byť připouští, že vhodných horských lokalit je trochu více než těch sopečných. „Ve světovém měřítku pokrývá tato energie méně než 5 % spotřeby a zdá se, že tento podíl nelze již zvýšit,“ podotýká. A následující bezmála padesátiletý vývoj mu v podstatě dává za pravdu – podíl vody na celkové spotřebě energie se horko těžko doplácal na 6 %.
Až překvapivě skeptický je pak Kapica vůči větrné energii, jejíž hustota toku je „nejen malá, ale i nesmírně proměnlivá.“
Při této příležitosti je vhodné připomenout, co se snažíme nahradit čím. Na jedné straně máme hořlavé látky, v nichž se po tisíciletí opakujícími se biologickými procesy hromadila chemická energie a které mají díky tomu obrovskou hmotnostní, a často i objemovou hustotu toku. A na druhé straně zdroje sice hrozně sympatické, na první pohled i prakticky čisté, ale ve skutečnosti na energetický tok velmi řídké. Není divu, že navzdory všem politickým cílům, masivním investicím i velkolepým pokrokům a objevům postupuje dekarbonizace i v moderní době velmi pomalu. Zatímco v roce 1990 jel svět na fosilní paliva z 87 %, v loňském roce z 82 %.
„Přesto se ukazuje, že využití sluneční, vodní a větrné energie může lidstvu pomoci při řešení energetických problémů maloodběratelů, kde může být konzumována dražší energie. Pokud se týká základního problému energetiky vysokých výkonů, musíme si uvědomit, že tyto zdroje nemohou odvrátit blížící se energetickou krizi,“ tvrdí Kapica a poukazuje na to, že největší spotřebu energie mají velkospotřebitelé, tedy firmy z oblasti hutnictví, strojírenství či stavebnictví.
Říkáte si, vědátor umí jen kritizovat, co takhle nějaký nápad, jak to teda všechno vyřešit? Při stockholmské přednášce zazněly minimálně čtyři, z nichž realizovatelný je zatím pouze ten první. Asi vás nepřekvapí, že spočívá ve využití jaderné energie.
„Uranu je v přírodě dost a při používání tzv. množivých reaktorů mohou jeho zásoby vystačit na několik tisíc let. Navíc někteří vědci tvrdí, že by již dnes bylo rentabilní těžit uran z mořské vody, kde je ho rozpuštěno prakticky nekonečné množství,“ vysvětluje Kapica.
Opět malá odbočka do světa energetické hustoty toku. Porovnání obnovitelných zdrojů, fosilních zdrojů a jaderných zdrojů v tomto parametru tak trochu připomíná známý vtip o jednom technologickém dialogu:
Google říká: „Já všechny najdu!!!“
Facebook: „Já všechny znám!!!“
Wikipedie: „Já všechno vím!!!“
Internet: „Kdyby nebylo mě, tak tu nejste!!!“
Elektřina: „Tak se všichni uklidníme…“
Zatímco obnovitelné zdroje mají energetickou hustotu toku maximálně v řádu stovek Wattů na m2, nafta něco nad milion Wattů na m2. Ovšem kam se hrabe v hmotnostním porovnání na uran! Zatímco z kilogramu nafty získáme sotva 12 tisíc Wh energie, z kilogramu uranu více než 25 miliard Wh, tedy o 6 řádů víc.
Sluší se vyzdvihnout, že Kapica ve Stockholmu věnoval nemalou část své přednášky bezpečnostním aspektům jádra, kromě atomové bomby zmínil i tehdy ještě nedořešený problém s radioaktivním odpadem. Vřele pak doporučuji jeho popis havárie v kalifornské Browns Ferry z roku 1975, kterou způsobil pracovník obyčejnou svíčkou ve snaze odhalit, kudy utíká z potrubí stlačený vzduch.
Na druhou stranu právě tuto pasáž je třeba číst optikou rozděleného světa – můžeme se například jen domnívat, nakolik pocházel následující odstavec z Kapicovy hlavy a nakolik z hlavy ideologického editora:
„Předpokládá se, že podmínky, ve kterých se v USA jaderná energetika rozvíjí, povedou dříve či později ke katastrofě srovnatelné s Hirošimou. Tento předpoklad se potvrzuje mimo jiné i tím, že žádná pojišťovací společnost není dosud ochotna jaderné elektrárny pojistit. Jmenovaní konstruktéři odešli od firmy General Electric, neboť nechtěli nést morální odpovědnost za provoz existujících jaderných elektráren a za následky dalších možných havárií.“
Pro úplnost doplním, že Pjotr Kapica zemřel 8. dubna 1984, tedy přesně dva roky a 18 dní před havárií v Černobylu…
„Také je možné stavět tyto elektrárny v oblastech, kde není obyvatelstvo, např. na neobydlených ostrovech, a získanou energii měnit v chemickou: rozkládat vodu a zkapalněný vodík používat jako paliva. Takové palivo je mnohem lepší než nafta, neboť při spalování neznečišťuje ovzduší,“ říká dále Kapica. Bravo, budiž růžový vodík – další myšlenka, která bude nejspíš hýbat energetikou příštích let a desetiletí!
A nakonec Kapica jmenuje ještě dvě další technologie, které dosud v praxi nebyly realizovány. Tu první uhodnete snadno – je to termojaderná fúze. O té druhé sám tvrdí, že je prakticky neuskutečnitelná. O to víc je však fascinující.
„Z našich současných kosmogonických představ vyplývá, že souběžně s naším vesmírem vznikl ještě jeden, úplně stejný, ale tvořený antihmotou. Existence antihmoty byla experimentálně dokázána; lze ji získat v urychlovačích – pravda, pouze v nepatrném množství několika jednotlivých částic. Jednou z jejích vlastností je schopnost anihilace: při dotyku antihmoty a hmoty normální se obě změní v energii. Spočítat tuto energii je snadné. Z jednoho gramu anihilované hmoty se uvolní stejné množství energie jako při spálení 10 000 tun černého uhlí. Znamená to tedy, že jedna tuna antihmoty by stačila krýt roční spotřebu energie celé zeměkoule.“
V závěru se nejspíš opět vyřádil sovětský ideolog, který vyšperkoval Kapicovu přednášku ještě o tuto objevnou myšlenku: „Řešení globálních problémů přivede lidstvo k vybudování společnosti se socialistickou strukturou, neboť jedině tato struktura dovede sladit zájmy jednotlivých států se zájmy všeho lidstva.“ Zpátky ni krok!
Co si tedy z Kapicovy téměř půl století staré přednášky odnést do současnosti? Čím se můžeme inspirovat při plánování nové bezemisní energetiky? A mohou nám některé myšlenky poradit, jak provést něco, co teď chtějí skoro všichni evropští politici, tedy opravit Green Deal?
Domnívám se, že klíčem k pochopení našeho problému i nalezení řešení je právě zmíněná hustota energetického toku. Jde o fyzikální důkaz, že velkou energetiku nelze postavit čistě na obnovitelných zdrojích energie a akumulaci, ale rovněž na zdrojích, které jsou dostatečně „husté“. Dekarbonizace na „Kapicův“ způsob by měla být založena především na rozvoji jaderné energetiky. Že to v praxi opravdu funguje, o tom svědčí poslední vývoj emisí ve Francii, respektive v Německu (jak chcete). Kromě investic do výstavby nových jaderných zdrojů a OZE je třeba velmi obezřetně opouštět fosilní paliva a především investovat do inovací a nových technologií.
Stojíme na prahu největší proměny energetiky v dějinách. Zkusme to nezvorat!
