Energie

Poptávka po energii rychle roste v důsledku faktorů, jako je rostoucí globální populace, urbanizace, industrializace a technologický rozvoj. Protože je základní složkou všech produktů a používá se téměř ve všech aspektech každodenního života, je energie zásadní složkou pro zvyšování úrovně blahobytu společnosti. Přímo souvisí se všemi aspekty lidského blahobytu, včetně potřeb, zemědělských záležitostí, zdravotní péče, zaměstnanosti, vzdělávání a udržitelnosti [1]. Procento lidí, kteří mají přístup k elektřině na celém světě se zvýšilo z 83 % v roce 2010 na 91 % v roce 2020. Počet jednotlivců bez přístupu k elektřině se během této doby snížil z 1,2 miliardy na 733 milionů. Pouze 92 % světové populace by mělo v roce 2030 přístup k elektřině, pokud věci budou pokračovat tak, jak jsou, a 670 milionů lidí zůstane bez proudu [2]. Aby byl rozvoj udržitelný, musí být poskytování energetických služeb bezpečné, cenově dostupné a mít minimální negativní dopady na životní prostředí [3].

Zdroje energie

Energie se dodává v různých formách, včetně mechanické (potenciální a kinetické), tepelné, elektrické, chemické a jaderné energie. Může být také převedena z jedné formy do druhé pro použití v různých aplikacích a může být kategorizována různými způsoby [4] .

Primární energie obsahuje všechny zdroje energie, které nebyly transformovány, přímo využívány nebo dovezeny, jak je znázorněno na obrázku 1. Existují dva různé druhy primárních zdrojů energie: neobnovitelné a obnovitelné. Ropa, uhlí, plyn, uran a všechny ostatní formy obnovitelné energie, jako je vodní a větrná energie, jsou příklady primární energie. Zatímco obnovitelná energie se vyrábí ze zdrojů, které lze v průběhu času přirozeně doplňovat a jsou tak vhodné pro použití, neobnovitelné zdroje energie mají omezenou zásobu, protože obvykle trvá dlouho, než se obnoví [5, 6]. Sekundární energie vzniká při transformaci nebo zpracování primární energie; příklady zahrnují výrobu elektřiny ze spalování zemního plynu nebo zpracování vodní elektřiny. Výroba ropných produktů, jako je benzin z rafinace ropy a výroba koksu z uhlí, jsou dva další příklady sekundární energie [7] .

Neobnovitelné zdroje energie

Neobnovitelná energie pochází ze zdrojů, které buď nelze v blízké budoucnosti doplnit, nebo jejichž rychlost doplňování je výrazně nižší než míra využití. Protože tyto primární zdroje energie se v přírodě vyskytují v omezeném množství, jsou považovány za neobnovitelné zdroje. Mezi neobnovitelné zdroje energie patří fosilní paliva (uhlí, ropa a plyn) a radioaktivní nerosty, které se využívají při výrobě jaderné energie [5] .

Uhlí je sedimentární hornina, která má černou nebo hnědočernou barvu a lze ji spalovat za účelem výroby energie. Přestože uhlí lze použít k výrobě tepla v průmyslu, jeho hlavním účelem je výroba elektřiny a mnoho národů spoléhá na jeho dostupnost jako stálý zdroj energie. Ropa je směs uhlovodíků, které lze nalézt v kapalném, plynném a pevném skupenství. Kapalná a plynná ropa, dva nejrozšířenější druhy ropy, se typicky těží z ložisek vrtáním studní a čerpáním hotového produktu na povrch. Diesel je surový ropný produkt, který se široce používá v energetických aplikacích, jako je doprava, vytápění a výroba elektřiny. Zemní plyn je plyn, který lze nalézt jak samostatně, tak rozpuštěný v rope. Má více energie na jednotku paliva a má obvykle menší dopad na životní prostředí než ropa nebo její produkty, což je jeho hlavní výhoda. Zemní plyn má různé aplikace od komerční až po průmyslové využití. Komerční využití zahrnuje vaření a vytápění, zatímco průmyslové aplikace zahrnují prostorový ohřev a ohřev vody. Radioaktivní nerosty (uran nebo plutonium) uvolňují energii ve svých atomech, když se jádro rozpadá jaderným štěpením, uvolňuje teplo, které pak může být použito k výrobě elektřiny [1, 6]. Spalováním uhlí, ropy nebo plynu v elektrárnách na fosilní paliva vzniká teplo ve formě páry, která pohání masivní turbíny vyrábějící elektřinu. Tyto stroje trvale vyrábějí elektřinu po dlouhou dobu [3].

Obnovitelné zdroje energie

Obnovitelné zdroje energie jsou ty, které lze přirozeně doplňovat, takže jsou prakticky neomezené. Slunce, zemské teplo, vítr a voda jsou jen některé příklady. Energie získaná z biomasy je rovněž považována za obnovitelnou [9]. Obnovitelné zdroje mají obrovský potenciál poskytovat všechny potřebné energetické služby. Další rozvoj a využívání obnovitelných zdrojů energie pomocí moderních konverzních technologií by zlepšilo globální energetickou bezpečnost, snížilo dlouhodobou cenu konvenčních paliv a zachovalo zásoby fosilních paliv pro další aplikace a budoucí generace [10].

K dispozici nebo ve vývoji je široká škála technologií, které poskytují cenově dostupné, spolehlivé a dlouhodobé služby obnovitelné energie [10]. Sluneční energie vzniká přeměnou slunečního záření na teplo nebo elektřinu. Solární energie se využívá v různých technologiích. Patří mezi ně solární ohřev, fotovoltaické články a technologie solární tepelné výroby elektřiny. Spalováním biomasy lze z biomasy vyrábět energii dvěma způsoby: přímo jako teplo nebo elektřinu, nebo nepřímo jako kapalinu nebo plyn, které mohou vyrábět energii. Dřevo, kukuřice, cukrová třtina, živočišný odpad a pevný komunální odpad jsou několika příklady biomasy. Energii lze získat také z metanu, který vzniká rozkladem biomasy na skládkách. Technologie biomasy zahrnují energetické systémy z biomasy a dopravní biopaliva. Větrné turbíny mohou přeměnit větrnou energii na elektrickou nebo mechanickou energii. Aby bylo možné využít sílu větru, větrné turbíny se obvykle skládají z lopatek namontovaných na hřídelích a věžích. Proudící voda vytváří energii, kterou lze zachytit a přeměnit na elektřinu, díky čemuž je vodní energie nejčistším a nejúčinnějším způsobem výroby elektřiny. Pomocí geotermální technologie je teplo ze zemského podpovrchu získáváno a buď přímo využíváno pro účely vytápění a chlazení, nebo přeměněno na elektřinu [3, 9, 11].

Tabulka 1 porovnává výhody a nevýhody obnovitelných a neobnovitelných zdrojů energie.

Tabulka 1 : Srovnání zdrojů energie [5]

Globální energetický sektor

Globální poptávka po energii rychle roste v důsledku urbanizace, populace a hospodářského růstu, zejména v rozvíjejících se tržních ekonomikách. Jak je znázorněno na obrázku 1, celková světová zásoba primární energie (TPES) vzrostla mezi lety 1971 a 2019 více než 2,6krát a dosáhla 606 EJ [12] . Většina globálních dodávek energie pochází ze zemí Organizace pro hospodářskou spolupráci a rozvoj (OECD). V roce 2019 obdržely země OECD 37,1 % celkových dodávek energie. Na druhém místě se umístila Čína s podílem na nabídce 23,5 % [12] .

Jak je znázorněno na obrázku 3, v roce 2019 zajišťovala ropa 30,9 % světových dodávek primární energie, uhlí 26,8 % a zemní plyn 23,2 % světových dodávek primární energie. Následují hořlavé obnovitelné zdroje a odpad (9,4 %), jaderná energie (5,0 %), vodní energie (2,5 %) a větrná, geotermální a solární energie (2,2 %) [12]. Čína dominovala na globálních trzích koncentrované solární tepelné energie, vodní energie, solární fotovoltaické energie a větrné energie, což představuje téměř polovinu všech instalací v roce 2020 [9] . V rozvojových zemích představuje biomasa více než 20 % celkových dodávek energie. V těchto zemích se většina biomasy používá k vaření a vytápění [13] .

Obrázek 3 : Globální podíl na celkové dodávce energie podle zdrojů, 2019 [12]

polovinu tempa růstu zaznamenaného v roce 2018 a v roce 2019 dosáhla 418 EJ (Exajoule). Jak je vyobrazeno na obrázku 4, ropa zůstává dominantním zdrojem (40,4%), kterou následuje elektrická energie (19,7 %), zemní plyn (14,5 %), biopaliva (10,4 %), uhlí (9,5 %) a další (3,6 %) včetně větrné, solární, vodní a geotermální energie [12] .

Regionálně, s 3,4% nárůstem, Čína představovala 90% čistého celosvětového růstu poptávky po energii v roce 2019, zatímco poptávka po energii klesla téměř ve všech vyspělých ekonomikách. Poptávka po energii v Evropské unii klesla o 2 %, zatímco ve Spojených státech klesla o 0,8 %. Zatímco poptávka v jihovýchodní Asii vzrostla rychlým tempem o 3,4 %, růst v Indii klesl ze 4 % v roce 2018 na 0,9 % v roce 2019, což je nejnižší úroveň od roku 2007 [12].

Ačkoli nejvíce energie z obnovitelných zdrojů (26 %) využívá energetika, představovala v roce 2019 pouze 17 % celkové konečné spotřeby energie. Obnovitelné zdroje nadále hrají v poptávce po energii v průmyslu menší roli, zejména v odvětvích vyžadujících vysoké teploty zpracování. Obnovitelná energie představuje přibližně 14,8 % celkové průmyslové poptávky po energii a využívá se především v podnicích, které vyžadují nízkoteplotní procesní teplo. Obnovitelná elektřina představuje 10 % obnovitelného průmyslového tepla, ale pouze 1 % celkové spotřeby průmyslového tepla v roce 2019. Sektor dopravy má i nadále nejnižší podíl obnovitelných zdrojů, přičemž ropa a ropné produkty (spolu s 0,8 % neobnovitelné elektřiny) splňují téměř všechny celosvětové potřeby energie v dopravě (95,8 %). Pouze 3,1 % těchto požadavků splnila biopaliva a 0,3 % elektřina z obnovitelných zdrojů. Obnovitelná energie uspokojuje rostoucí část konečné poptávky po energii budov, ale stále tvoří méně než 15 % celkové poptávky po energii [9] .

Energetický sektor je rozhodujícím sektorem pro dlouhodobý rozvoj každé země; jeho výroba a spotřeba má však environmentální, ekonomické a sociální důsledky, jako je změna klimatu, znečištění a energetická chudoba. Udržitelná energie je definována jako energie, kterou lze opakovaně využívat a uspokojuje naše aktuální energetické potřeby, aniž by byla ohrožena její životnost nebo se vyčerpávala [3, 14]. Při spalování uhlí, ropy nebo plynu v elektrárnách na fosilní paliva vzniká teplo ve formě páry, která pohání masivní turbíny vyrábějící elektřinu. Tyto stroje vyrábějí elektřinu konzistentně po dlouhou dobu. Naproti tomu spalování fosilních paliv uvolňuje do atmosféry velké množství skleníkových plynů a dalších škodlivých plynů a pevných látek, což způsobuje klimatické změny, kyselé deště a kontaminaci půdy a vody. Používání obnovitelných zdrojů energie k výrobě elektřiny namísto fosilních paliv snižuje emise z energetického sektoru [3, 15]. Je nezbytné vytvořit energetický systém, který splňuje ekonomické potřeby a zároveň chrání životní prostředí, protože výroba, přeměna a využití energie mají podstatný negativní vliv na životní prostředí. Globální emise CO ₂ související s energetickou úrovní v roce 2019 stagnovaly na přibližně 33 gigatun (Gt). Emise uhlíku ze spotřeby energie se mezi lety 2018 a 2019 zvýšily o 0,5 %, což je méně než polovina 10letého průměrného ročního tempa růstu ve výši 1,1 % [12, 16].

Výhody obnovitelné energie pro životní prostředí, jako jsou nižší emise uhlíku a menší znečištění ovzduší, jsou dobře známy. Ale teprve v posledních desetiletích, kdy se využívání technologií obnovitelných zdrojů energie rozšířilo, se ukázaly jeho mnohé socioekonomické výhody. Každý rok se na celém světě vytvoří značný počet pracovních míst díky obnovitelným zdrojům energie. V odvětví obnovitelné energie bylo celosvětově zaměstnáno rekordních 10,3 milionu lidí. Více než miliarda lidí žije v oblastech bez přístupu k elektřině a další miliarda je závislá na nepravidelných dodávkách. Pro 80 % lidí bez přístupu do venkovských oblastí nebo malých rozvojových ostrovních států jsou nyní řešení mikroobnovitelné elektrické elektrárny, které jsou finančně dostupné díky zvýšené spolehlivosti, rychle klesajícím nákladům na technologie a podpůrným politikám [15] .

Energetická účinnost

Energetická účinnost je poměr energetického vstupu a výstupu z hlediska výkonu, provozu, produktů nebo energie. Znamená to vytvářet stejné množství práce s menší energií. Energetická účinnost je typicky vyjádřena jako množství výstupní energie pro specifikovaný energetický vstup a je vyjádřena jako procento mezi 0 % a 100 %. Od výroby energie po spotřebu energie existuje v celém řetězci několik míst, kde lze zvýšit energetickou účinnost [17] .

Energetická účinnost má několik výhod, včetně nižších emisí skleníkových plynů, nižší poptávky po dovozu energie a nižších výdajů domácností a ekonomiky. Každá oblast ekonomiky má významný potenciál pro zlepšení účinnosti, ať už jde o budovy, dopravu, průmysl nebo výrobu energie. Iniciativy v oblasti energetické účinnosti mohou vést k vytváření nových pracovních míst v energetickém sektoru a průmyslu [6, 17] .

Globální primární energetická účinnost se zvýšila o 1,9 % ročně z 5,6 megajoulů za USD v roce 2010 na 4,7 v roce 2019. Aby bylo dosaženo cíle energetické účinnosti, musí roční míra růstu do roku 2030 být v průměru 3,2 % ročně [2] .

Odkaz

1. WEC, World Energy Resources, World Energy Council. 2016.

2. UN. The Sustainable Development Goals Report 2022, United Nations. 2022 13/10/2022]; Available from: https://unstats.un.org/sdgs/.

3. IPCC, Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, ed. R.P.-M. Ottmar Edenhofer, Youba Sokona, Kristin Seyboth, Patrick Matschoss, Susanne Kadner, Timm Zwickel, Patrick Eickemeier, Gerrit Hansen, Steffen Schloemer, Christoph von Stechow. 2011: Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

4. Ackerman, C., et al., Primary Energy Infobook, The National Energy Education Development (NEED) Project in 2019.

5. Zohuri, B. and P. McDaniel, Chapter 9 - Energy insight: an energy essential guide, in Introduction to Energy Essentials, B. Zohuri and P. McDaniel, Editors. 2021, Academic Press. p. 321-370.

6. IEA, Energy Technology Perspectives 2020, International Energy Agency. 2020.

7. Iliev, I., et al., Energy Efficiency and Energy Management Handbook. Bulgaria Energy Efficiency for Competitive Industry Financing Facility (BEECIFF): Project Preparation, Capacity Building and Implementation Support, ed. I.K. Iliev. 2012.

8. Rahman, M., J.-H. Kim, and S. Hossain, Recent Advances of Energy Storage Technologies for Grid: A Comprehensive Review. Energy Storage, 2022.

9. REN21, Renewables 2021 Global Status Report, Paris: REN21 Secretariat. 2021.

10. Turkenburg, W., et al., Renewable Energy (Chapter 11), in Global Energy Assessment, J.ü.r. Schmid, Editor. 2012, Cambridge University Press.

11. Panwar, N.L., S.C. Kaushik, and S. Kothari, Role of renewable energy sources in environmental protection: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011. 15(3): p. 1513-1524.

12. IEA, Key World Energy Statistics, International Energy Agency, Editor. 2021, Energy Information Administration: Paris.

13. IRENA, Hydropower, in Renewable Energy Technologies: Cost Analysis Series. 2022, International Renewable Energy Agency: Germany.

14. Hollaway, L.C., 19 - Sustainable energy production: key material requirements, in Advanced Fibre-Reinforced Polymer (FRP) Composites for Structural Applications, J. Bai, Editor. 2013, Woodhead Publishing. p. 705-736.

15. IRENA. Renewable Energy Benefits, International Renewable Energy Agency. 2022 12/10/2022]; Available from: https://www.irena.org/benefits.

16. BP, BP Statistical Review of World Energy. 2020, British Petroleum: London. p. 1-44.

17. Erbach, G., Briefing 2015, Understanding Energy Efficiency, EPRS | European Parliamentary Research Service. 2015.