Proč je tedy zemní plyn zelenější než uhlí [ač méně zelený než jádro (o tokamaku nemluvě)]
Uveřejněno dne 10 ledna 2022 000 12:19
Na veřejnost teď dopadají rozporné informace o ekologičnosti zemního plynu – věc však lze posoudit čistě s pomocí jednoduchých výpočtů. Spalování uhlí můžeme jednoduše popsat jako:
C(s) + O2(g) = CO2(g) .
Symbol (s) u C(s) značí, že se jedná o tuhou (solid) fázi, jinak je ve hře jen plynná (gas) fáze (g). Uhlí sice není grafit, ale pro jednoduchost to budeme předpokládat, abychom se dostali dál. Zemní plyn je z nějakých až 95% tvořen methanem CH4 (zbytek jsou různé vyšší uhlovodíky). Jeho spalování popíšeme [zde (l) značí, že jde o kapalnou (liquid) fázi] jako :
CH4(g) + 2O2(g) = CO2(g) + 2H2O(l) .
Dál je třeba posoudit energetiku těchto reakcí, tedy kolik poskytnou tepla. Na to stačí tabulky slučovacích tepel, ΔHf (f jako formation), z nichž nejznámnější jsou JANAF Tables. To JANAF značí Joint Army-Navy-Air-Force (Thermochemical Working Group), neb takové tabulky se potřebují třeba i na vyhodnocování kandidátů pro raketová paliva. Za temné totality jsem byl v Praze jediným držitelem nejnovější verze těch tabulek, dokonce ve dvou vydáních. Když jsem je totiž upozornil na nějakou chybu, tak mi poslali nejnovější tabulky (abych hledal dál – prostě taková mezinárodní vědecká spolupráce přes železnou oponu). Věc zde jinak netřeba komplikovatovat tím, že slučovací tepla závisí na teplotě (a v tabulkách figurují primárně hodnoty pro pokojovou teplotu).
U nás bývala chemická termodynamika dosti hojně pěstovaná. V osmdesátých letech byl jejím nestorem u nás Eduard Hála (1919-1989). Ten spolu s Jaroslavem Heyrovským (1890–1967) a Rudolfem Brdičkou (1906–1970) reprezentují hlavní zakladatele naší moderní fyzikální chemie. K jejich předchůdcům patří na pražské technice František Wald (1861–1930) či Jiří Baborovský (1875–1946) na technice v Brně. A také nacisty popravený Antonín Šimek (1887–1942) působící na brněnské univerzitě. Dnes bych za takového nestora chemické termodynamiky v Česku označil Jaroslava Šestáka, nyní působícího na Západočeské univerzitě v Plzni, když před tím byl nepochopitelně odejit z Akademie. Pod hlavičkou ZČU též figuruje v tzv. Stanfordském celosvětovém seznamu 2% nejcitovanějších badatelů, měřeno úhrně za celou dosavadní výzkumnou dráhu. Už z toho pohledu je jeho odejití z Akademie skutečně nepochopitelné – zvlášť když uvážíme, že se v tom Stanfordském seznamu nevyskytuje ani jeden z předsedů AV ČR od jejího vzniku v r. 1993. Navíc ale je Jaroslav Šesták i kompetentní vyjadřovat se k problematice skleníkového jevu, což se od Akademie dnes dost samozřejmě očekává, a už z toho důvodu by si takové povolané odborníky měla přece držet. A to není jediný takový podivný odchod produktivních lidí z té instituci jaksi stále zamrzlé v bafuňářské autokracii:
https://reportermagazin.cz/a/pLZG6/nehrajte-si-na-hrdinkukralici-valka-mezi-vedci
Akademie totiž především, ani po třiceti letech, zjevně nedokáže zajišťovat požadavky evropského etického kodexu pro vědu:
https://www.allea.org/wp-content/uploads/2017/05/ALLEA-European-Code-of-Conduct-for-Research-Integrity-2017.pdf
ač je na sebe vzala (nejpozději) svým přistoupením k organizaci ALLEA (All European Academies). To rukolapně dokládá třeba ta (z hlediska zásad organizace ALLEA) neskutečně obludná kauza „Nehrajte si na hrdinku – hrát si na Husa za všech okolností není rozumné“ – fraška jak z padesátých nebo sedmdesátých let:
https://www.dzurnal.cz/wp-content/uploads/2021/11/Stanovisko-KEVP-z-2410_2021.pdf
Leč vraťme se do čirých, průzračných vod chemické termodynamiky. Pokud tabelovaná slučovací tepla vysčítáme podél nějaké chemické reakce podle stechiometrických faktorů, dostaneme její energetickou produkci. Tak tedy zjistíme, že ta prvá hořejší reakce poskytne teplo 393.5 kJ/mol. V chemii je někdy běžnější měřit množství látky na moly spíše než na gramy – i když si nejsem jist, zda moly, Avogadrovo číslo, atd., vůbec přežily hojné reformy českých školních osnov. Proto poznamenávám, že 1 mol grafitu je 12.01 g, zatímco 1 mol methanu reprezentuje 16.04 g. Podobně z těch tabulek zjistíme, že ta druhá reakce poskytne energii 890.7 kJ/mol. Jinými slovy, spálení jednoho molu methanu (reprezentujícího zde zemní plyn) poskytuje přibližně dvakrát více tepla než spálení jednoho molu grafitu (zde reprezentujícího uhlí). Pokud bychom chtěli spalováním uhlí získat těch stejných 890.7 kJ/mol jako z 1 molu methanu, museli bychom gramáž grafitu navýšit na 12.01*890.7/393.5 = 27,19 g. Avšak tím se produkce CO2 zvyší na 1*890.7/393.5 = 2.26 molu. Spalování zemního plynu tak při dosažení stejného energetického výstupu vede ke zhruba poloviční produkci CO2 než spalování uhlí. A to je racionalizace, proč zemní plyn je ve srovnání s uhlím zelenějším palivem, a proto se na něj (dočasně) orientuje třeba EU. Nebo Čína, která využívá plynovod ze střední Sibiře, a později i ze severu Sibiře nebo i z východu včetně Sachalinu. Celosvětově ale zřejmě půjde o přechodné, překlenovací řešení. Těžba a doprava uhlí i zemního plynu sice sama má i svou vlastní uhlíkovou stopu, ale pokud třeba Čína dováží uhlí z Austrálie, tak bude jistě vetší na straně uhlí. Pokud je ale elektřina z jádra (včetně elektrolytické produkce vodíku jako paliva pro lodě a další dopravní prostředky), bere tato uhlíková stopa za své.
Ve srovnání s oběma předchozími, jaderné elektrárny neprodukují žádný CO2 (pokud pomíjíme případnou uhlíkovou stopu při předchozí isotopické separaci). A tak je jim vytýkána nižší bezpečnost s poukazem na japonskou elektrárnu Fukušima Daiiči. Tam se však jednalo o starší generaci elektráren (stavba této elektrárny začala už v r. 1967 a tak její reaktory ze sedmdesátých let tehdy na jaře 2011 spíš dosluhovaly) s řadou dnes už známých nedokonalostí, u nových konstrukcí se již nevyskytujících. Věc dále akcelerovaly chyby řídících kádrů (vzestupně směrem vzhůru často sestupně méně kompetentních – k čemuž dnes dochází asi v kterékoliv zemi). Kdyby těch chyb nebylo, fakticky by skutečné katastrofě nemuselo ani dojít. V čele elektrárenské společnosti stál člověk, který se po tsunami radši nechal odvézt do nemocnice kvůli vysokému krevnímu tlaku, a tím ochromil hierarchické řízení:
https://zdenekslanina.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=617668
Stojí za zaznamenání, že dřívější studie zdravotních rizik z titulu tam uvolněných radioaktivních isotopů vedla k odhadu, že by mohly pravděpodobně vést k navýšení úmrtí na rakovinu o dodatečných 130 případů. Nicméně v prosinci 2021 zveřejněná zevrubná analýza úmrtí na různé typy rakoviny v období 2008 až 2015 v prefekturách Fukušima a Točigi (tedy nejblíže místu fukušimské jaderné katastrofy z jara 2011 – https://www.jstage.jst.go.jp/article/jea/31/12/31_JE20200202/_pdf/-char/en):
nezjistila ve srovnání s celým Japonskem nějaké výraznější rozdíly. A v jiné perspektivě – na Covid celosvětově až dosud zemřelo podle statistik Reuters 5.79 miliónů lidí, infikováno bylo kolem 291.32 miliónů. Nebo za rok 2020 na malárii zemřelo 627 tisíc osob.
Nicméně za skutečnou dlouhodobou perspektivu jaderné energetiky se považují elektrárny termojaderné, produkující (podstatně více) energie jadernou fůzí, jmenovitě slučováním isotopů vodíku na isotopy helia, tedy procesem probíhajícím v nitru Slunce a hvězd. I zde sice vzniká nějaký radioaktivní materiál, lze ho ale považovat za méně nebezpečný. Konec loňského prosince přínesl výrazný rekord na čínském experimentálním termojaderném reaktoru EAST (akronym ze začátečních písmen názvu Experimental Advanced Superconducting Tokamak – https://thefactorylb.com ):
Samotný tokamak je slovo původně ruského původu, z poloviny minulého století. Opět jde o akronym, tentokrát ze začátečních písmen ruského názvu тороидальная камера с магнитными катушками (toroidní komora v magnetických cívkách). Toroid neboli anuloid je útvar připomínající americkou děravou koblihu doughnut – vznikne rotací kružnice po obvodu nějaké (větší) kružnice. Tokamak je tedy magnetická nadoba, která drží extrémně horkou reakční směs isotopů v ustaleném tvaru – čistě magnetickým polem (neb každý reálný fyzický materiál by se při teplotách nutných pro udržení termojaderné reakce vypařil). K dosažení vysokých intenzit magnetického pole je třeba použít supravodivé materiály jako slitiny niobu s titanem čí cínem, chlazené kapalným heliem, jež jsou známé i z jiných technických aplikací – viz. magnetické polštáře maglevů:
https://zdenekslanina.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=619343
nebo lékařská diagnostická technika MRI (Magnetic Resonance Imaging). Zde se sluší udělat malou odbočku k holandskému fyzikovi jménem Heike Kamerlingh-Onnes. Ten elektrickou supravodivost objevil v r. 1911, a dostal později Nobelovu cenu za soubor prací o chování hmoty za velmi nízkých teplot. Některé slitiny niobu se stávají supravodivými již kolem 20 K. Je však možné, že v budoucnu se přejde k tzv. vysokoteplotním supravodičům, opírajícím se např. o kysličníky mědi či o fullereny. Jako další doklad té už zmiňované akademické bafuňářské autokracie stojí za zmínku, že v bývalém Československu byl výzkum fullerenů mocensky zastaven přesně v měsíci, kdy byla v Bellových laboratořích objevena jejich supravodivost. Stalo se tak s dnes bizarním, komickým formálním zdůvodněním, že je to pro jejich izolovanost. A když už byl zmíněn Kamerlingh-Onnes, tak se sluší uvést, že ta slučovací tepla jsou přesněji slučovacími enthalpiemi, a označení této termodynamické veličiny zavedl právě Kamerlingh-Onnes – z řeckého ενθαλπος s významem vkládat teplo. A učiníme-li ještě jeden úkrok stranou, je možné i poznamenat, že název jiné termodynamické veličiny, totiž entropie, z řeckého εντρoπος se smyslem působit změnu zavedl Rudolf Clausius (přechody mezi teplem a prací).
Leč zpět ku supravodivému tokamaku EAST (což fakticky je jedno ze tří takových čínských experimentálních zařízení), co spadá pod Ústav fyziky plasmatu Čínské akademie věd v Hefei, metropoli východní provincie Anhui (http://english.ipp.cas.cn ):
Již v loňském květnu zde bylo dosaženo rekorního výsledku – plasma o teplotě 120 millionů stupňů Celsia bylo udrženo po dobu 101 vteřin. A nyní 30. prosince bylo plasma o teplotě 70 millionů °C stabilizováno po 1056 vteřin, tedy přes 17 minut. Evropskou obdobou projektu EAST je ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), na kterém dnes participuje řada zemí z evropského, asijského i amerického kontinentu. Fakticky má dvě centra – jedno v jiho-francouzském Cadarache, druhé v severo-japonském Rokkasho. Na projektu ITER vedle EU v různém rozsahu participuje např. i Rusko, Velká Británie, USA, Kanada, Čína, Indie, Austrálie, atd., a je tak administrativně komplikovanější. Vedle toho se pracuje i na řadě národních tokamaků.
Dostatek elektřiny z jaderných elektráren pak dál sníží produkci CO2 i v dopravě – postupným přechodem k elektricky poháněným dopravním prostředkům, ať už elektřinou z baterií, zabudovaných solárních článků (už existují prototypy automobilů i letadel pokrytých solárními články), nebo z vodíkových palivových článků:
https://zdenekslanina.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=694990
V posledním případě by byl potřebný vodík prvně nejspíš získáván elektrolýzou vody, a distribuován přes síť čerpacích stanic (takže by způsob doplňování paliva svou rychlostí odpovídal tomu, co je běžné u benzinu či nafty – zatímco takovou expedientnost nelze zajistit pro dobíjení baterií elektromobilů). Ve vozidle by pak byl elektrický proud generován v rámci opaku elektrolýzy, konverzí vodíku s kyslíkem zpět na vodu v palivovém článku spojenou s produkcí elektřiny prostřednictvím plynových elektrod. Vodík lze ovšem používat i přímočaře ve spalovacích turbínách.
Foto u perexu: Při těžbě zemního plynu může dojít k dlouhodobě trvajícím požarům; známý je třeba z oblasti Darvaza v Turkmenistánu (https://caravanistan.com/turkmenistan/door-hell-darwaza-gas-crater/ ).
P.S.: Nepravděpodobnou shodou okolností, několik hodin poté, co jsem vyvěsil tento text, de facto na něj bezděčně zareagoval president Turkmenistánu Gurbanguly Berdymukhamedov, a v televizním projevu uložil příslušným místum konečně uhasit ten věčný plamen v oblasti Darvaza v poušti Karakum. Oheň tam plápolá už od r. 1971. Leč tento příkaz už jednou vydal, v r. 2010, zatímco v r. 2018 ten úkaz spíše smířlivě nazval Záře Karakumu:
