Článek
V nedávném článku jsme popisovali paradoxní situaci kolem klimatizace. Tato inovace nám sice umožňuje zvládnout vyšší teploty. Zároveň ovšem jde o náročný spotřebič, který zvyšuje spotřebu energie. A to v současnosti znamená vypouštění dalších skleníkových plynů a posilování skleníkového efektu.
K oteplování planety přispívají klimatizační jednotky ještě jinak – ostatně jako každý jiný spotřebič – vytvářejí odpadní teplo. Což se může zdát jako naprosto banální problém. Ale nemusí tomu být navždy. Tedy pokud nám vydrží náš současný neukojitelný hlad po energii.
Lehké přihřívání
Když hovoříme o energii, máme obvykle na mysli tu, která vychází z baterie nebo kterou získáváme z paliva či elektrické zásuvky. Fyzikové tomu říkají přesněji „volná energie“. Což neznamená, že je zadarmo a volně k dispozici (byť někteří si to myslí), nýbrž že jde o užitečnou energii, kterou lze k něčemu použít. Můžeme s ní například telefonovat nebo jí pohánět auto.
Žádný proces není ovšem dokonale účinný a přeměna jakékoliv volné energie v práci vede ke ztrátám, tedy ke vzniku odpadního tepla. Někdy více, někdy méně, podle toho, jak je daný stroj účinný. Ale dokud někdo nepřijde s perpetuum mobile (a neporuší tedy několik opravdu základních fyzikálních zákonů), tak stroje, které by nevytvářely žádné odpadní teplo, nebudou. Proto platí, že čím více energie spotřebujeme, tím více ohříváme své okolí.
Nejde přitom o nějaké mizivé procento z celkové spotřeby energie. V současné době totiž většinu volné energie, kterou využíváme, promrháme. Podle odhadu skupiny německých vědců ji v současnosti využíváme pouze z 28 procent. Zbytek se ztrácí v životním prostředí.
Jak velký je účinek tohoto odpadního tepla? Před několika měsíci publikoval Thomas Murphy z Kalifornské univerzity v San Diegu v časopise Nature Physics komentář, ve kterém se (mimo jiné) přesně na tuto otázku pokusil odpovědět.
Murphy spočítal, že v současnosti je příspěvek odpadního tepla k ovlivňování klimatu přibližně 30krát nižší než příspěvek skleníkových plynů. A o čtyři řády (tedy nejméně 10tisíckrát) méně důležitý než vliv sluneční činnosti. Zatím je to tedy v podstatě jen malá a prakticky zanedbatelná položka v teplotním zúčtování Země.
Jak ale Murphy upozorňuje a historie jasně dokládá, lidská spotřeba energie v posledních několika stoletích rychle roste – o nízké jednotky procent ročně. Nemusí se to zdát jako příliš, ale při růstu o 2,3 procenta ročně se naše spotřeba každé století zdesetinásobí.
Mimochodem, hodnota 2,3 %, se kterou Murphy pracuje, je do jisté míry náhodná. Nemáme tak přesné údaje, abychom mohli říct, o kolik spotřeba energie ročně v posledních staletích rostla, ale bylo to někdy kolem 2–3 %. S hodnotou 2,3 % vychází růst kulatý a přitom je to hodnota, která zhruba odpovídá historickým záznamům.
I když je meziroční růst malý, jde vlastně o růst exponenciální (byť v případě energie s nízkým koeficientem). A jak jsme se přesvědčili během koronavirové pandemie, exponenciální růst je dlouho nenápadný a pak najednou dokáže překvapit, a to i ty, kteří by o něm měli vědět dost na to, aby překvapeni nebyli.
Podle Murphyho úvahy by se totéž mohlo stát s odpadním teplem. Pokud bychom pokračovali v exponenciálním zvyšování spotřeby energie, nevyhnutelně by rostla i produkce odpadního tepla. Za sto let by ho v jeho extrémně zjednodušeném modelu bylo desetkrát více a mělo by na klima už znatelný vliv (asi třetinový proti skleníkovým plynům dnes). Za další století už by jeho vliv byl zhruba třikrát silnější, než je dnes vliv skleníkových plynů. A za 400 let ode dneška by při pokračování trendu teplota povrchu Země dosáhla bodu varu vody.
Nic takového se určitě z mnoha důvodů nestane. Jde jen prostě o protažení současného trendu, který má ukázat, že současný stav nemůžeme pokládat za normální stav věcí.
Kde vzít energii a „nekrást“
Možností, jak si s odpadním teplem poradit, je celá řada. Jednou je samozřejmě více využívat sluneční energii. Země má svou současnou teplotu jak díky svému vnitřnímu teplu, tak energii přicházející ze Slunce (vliv mají oba jevy zhruba stejný, mimochodem).
Pokud by například naše civilizace byla poháněna výhradně energií z přicházejícího slunečního záření, problém je v podstatě vyřešen. V podstatě bychom jen udělali mezikrok, který oddaluje chvíli, kdy se sluneční paprsky nevyhnutelně změní v teplo ohřívající planetu.
Neznamená to, že by v takovém hypotetickém případě mohli lidé využívat jen a jen solární panely. Platí to na veškerou energii získanou v důsledku ze sluneční energie, tedy třeba biopaliva, vítr a vodu. Sluneční záření ohřívá vzduch více v blízkosti rovníku než u pólů, a právě to v kombinaci s rotací Země vede ke vzniku vzdušného proudění. I vítr je tedy poháněn Sluncem. Vypařování, a tedy existence koloběhu vody na Zemi, je také důsledek vlivu slunečního záření.
Takzvané obnovitelné zdroje tedy de facto využívají energii, která už v zemském systému je. Z pohledu celé planety tedy vlastně nevytvářejí odpadní teplo. Ovšem množství energie, které můžeme z těchto zdrojů získat, je omezené.
V případě třeba vodních elektráren se už praktickým limitům blížíme, v případě větrné a solární energie ještě nikoliv. Což ovšem neznamená, že žít jen z těchto zdrojů by bylo praktické nebo levné (a levná energie je základ moderní ekonomiky, jak ji známe, to je neoddiskutovatelné). A všechny známé zdroje energie množství odpadního tepla na povrchu Země zvyšují.
Méně odpadu
Pokud by – a je to velké pokud – tedy růst lidské spotřeby energií pokračoval stejným tempem i v dalších stoletích, lidé by nejspíše museli přijít s jiným řešením.
Tím nejjednodušším by asi bylo zvyšování účinnost využití energie. Jak jsme viděli, velká část spotřebovaných energií se vynakládá neúčinně. Jak ovšem poznamenává i Murphy, prostor pro úspory není vlastně tak velký, jak by se mohlo zdát.
Určitě bychom například mohli lépe využívat odpadního tepla řady strojů a zařízení. Třeba české jaderné elektrárny vypouštěly zatím velkou část zbytkového tepla do vzduchu, protože postavit horkovod z Dukovan do Brna je prostě příliš drahé. V případě Temelína se situace v posledních letech mění, ale zaostává za původními velkolepými plány na výstavu vyhřívaných skleníků či akvakultur.
Opakovaně také narážíme na fyzikální limity, které nám brání zvyšovat účinnost některých zařízení. Elektromotory, které už roztáčí velkou část ekonomiky, mají účinnost nad 80 procent.
LED osvětlení už také nemá daleko k zatím velmi pevně vyhlížejícím teoretickým limitům; jeho účinnost by se dala zvětšit možná dvoj- až trojnásobně, ale co to je v porovnání s exponenciálním růstem spotřeby? Zvyšování účinnosti by určitě pomohlo problém oddálit, ovšem v hypotetickém scénáři pokračující apetit lidstva po energii nevyřeší.
Ochladit planetu
Čistě technologická řešení alespoň na papíře existují. Stačí jen zbavit se části pozemského tepla do okolního vesmíru. To se nestane jen tak samo od sebe, okolní vakuum od nás přebytečné teplo nepřijme.
Ale je například možné teplo vyzářit. Což se přirozeně pochopitelně děje, ovšem jen do určité míry. Navíc se naše atmosféra zároveň chová jako deka a unikající záření z velké části zachycuje. A tím zadržuje i teplo. Kdyby se výrazně zvýšilo množství tepla v atmosféře, chtělo by to úniku záření do vesmíru nějak pomoci.
Jednou možností je využít „okno“ v naší atmosféře. Infračervené paprsky o vlnové délce osmi až 13 mikrometrů procházejí zemskou atmosférou lépe než záření v jiných oblastech. Naše atmosféra je pro ně velmi dobře průhledná, a tak snadno unikají do chladného vesmíru.
Praktické využití jevu omezuje fakt, že sálání je v případě běžných materiálů možné pouze v noci. Ve dne na povrch dopadá mnohem více slunečního světla, než kolika je možné se zbavit sáláním. Běžné materiály se tedy na slunci zahřívají.
To ale není žádný nepřekročitelný fyzikální zákon. Dnes už prakticky víme, že lze postavit materiál (zde autoři popisují jeden hojně citovaný příklad), který je i na přímém slunečním světle chladnější než okolní vzduch, protože se části dopadajícího tepla zbavuje vyzařováním do chladného vesmíru. Za podmínky, že panely jsou pod širým nebem a není zataženo, dodejme.
V suchých a horkých oblastech může být rozdíl až 10 °C. V oblastech s vyšší vzdušnou vlhkostí (tedy třeba i v Česku) je rozdíl teplot menší. Část unikajícího tepla totiž zachytí vodní pára v atmosféře.
Možností využití jevu, a tedy ochlazení planety „atmosférickým oknem“, je vícero, mají své různé výhody a nevýhody (docela dobře je shrnuje dedikovaná stránka na Wikipedii, bohužel pouze v angličtině). Tím hlavním pochopitelně je, že „chladivými“ panely či barvou těžko můžeme reálně pokrýt celou planetu.
Nouze není ani o ještě ambicióznější řešení problému s přebytečným teplem. V některých se uvažuje třeba o stavbě několikakilometrových komínů, aby vám bylo jasné, jak daleko v tuto chvíli mají k praktické realizaci.
Debata o limitech
Obří komíny ovšem zatím pro řešení otázky „zbytkového tepla“ nejsou zapotřebí, máme vlastní problémy a debaty kolem nich. Tohle je problém, který by mohl zajímat budoucí generace, pro nás není důležitý. A možná ani ty, protože jde jen o hodně hrubý odhad budoucího vývoje, založený na údajích z posledních několika staletí.
Ekonomika by se v budoucnosti mohla v mnohem větší míře stát virtuální a energie nebude zapotřebí tolik. Problém s vyzařováním tepla do vesmíru může mít relativně snadné, ve velkém měřítku aplikovatelné řešení.
Otázka o tom, kdy nám teplo z našich strojů může skutečně zatopit, má dnes posloužit spíše jako výchozí bod k diskuzi. Třeba o tom, jestli a jaké jsou případně „meze růstu“, míněno tedy hlavně růstu ekonomického (tak otázku předkládá Murphy). Nebo třeba o tom, v jaké míře v současné „lidské éře“, antropocénu, jsme připraveni skutečně přebrat odpovědnost za planetu, na kterou patrně budeme mít čím dál větší a větší vliv.
