Územní stopa elektřiny ze slunce, větru a biomasy

Jak číst tuto grafiku

Grafika porovnává územní stopu (územní náročnost) obnovitelných zdrojů elektřiny, tedy jak velké území by bylo v ČR potřeba k výrobě 25 TWh elektřiny za rok – zhruba 40 % současné spotřeby. Přibližně stejné množství elektřiny by do sítě ročně dodaly tři velké jaderné bloky (například dva bloky v Temelíně a jeden nový v Dukovanech).

Jakou roli v rozvoji obnovitelných zdrojů elektřiny hrají územní limity?

Pro rozvoj větrných parků a fotovoltaiky v Česku není územní stopa zásadním limitujícím faktorem. Dobře to ukazuje srovnání se současným stavem: už dnes se znatelná část našeho území využívá pouze pro energetiku, a to velmi neefektivně. Jen na bionaftu se využívá řepka z polí o rozloze asi 1,5 % území, což je zhruba třetina celkové rozlohy řepkových polí u nás. Z této řepky ale lze ve formě bionafty získat jen asi 3 TWh energie, což v ČR pokryje pouze 4 % spotřeby energie v dopravě. Naproti tomu solární panely a větrné elektrárny by na stejně velkém území vyrobily 15× více – asi 45 TWh čisté elektřiny ročně,¹ což by pokrylo téměř 75 % současné spotřeby elektřiny v ČR. A kromě toho je možné území s větrnými elektrárnami a fotovoltaikou využívat současně i k dalším účelům (viz Dvojí využití půdy níže) a při dobře promyšlené výstavbě i podpořit biodiverzitu (například pestré louky a remízky ve větrných parcích), což v případě monokultury s řepkou není možné.

Naopak biomasa může mít na území ČR v produkci elektřiny a energie obecně pouze doplňkovou roli. Tyto omezené kapacity je vhodné využívat na speciální účely (kapalná biopaliva pro nákladní nebo leteckou dopravu, zálohování elektrické sítě nebo vytápění), u kterých zatím nemusí být bezemisní alternativa vždy levnějším řešením.

Metodika výpočtu a další souvislosti

Výpočet územní stopy závisí na použité metodice a odhadovaných parametrech, a v literatuře se proto liší. Níže jsou předpoklady a metodika výpočtu uvedeny pro každý zdroj zvlášť, samotné výpočty jsou k dispozici v přiložené tabulce.

Výpočet územní stopy shrnuje následující tabulka, vyjadřující roční výrobu elektřiny z jednoho km² území:

Zdroj	Instalovaný výkon (MWp/km2)	Průměrný koeficient ročního využití	Průměrná roční výroba elektřiny (GWh/km2)
Vítr	9,6	28,9 %	24,4
Slunce	59,1	12,5 %	64,8
Biomasa	–	–	2,1

Například pro fotovoltaiku je na roční výrobu 25 TWh potřeba 25 000 GWh ÷ 64,8 GWh/km² = 386 km². Proto jsou také na mapce v grafice k fotovoltaice vyznačené 4 čtverečky (každý s plochou 100 km²).

Vítr

Metodické poznámky. Výpočet využívá didaktický model vycházející ze studie Ústavu fyziky atmosféry AV ČR. Pro větší přehlednost pracuje s jediným typem větrné elektrárny² o maximálním výkonu 5 MW, průměru rotoru 160 m a koeficientu využití 29 %. Předpokládá rozmístění věží do čtvercové sítě s rozestupy, které odpovídají 4,5-násobku průměru rotoru³ (tedy 720 m). Na každou elektrárnu proto vychází územní stopa v podobě čtvercové parcely o přibližné ploše 0,5 km².

• Z hlediska zastavěné plochy je územní stopa větrných parků téměř nulová. Důležitou roli při rozhodování o další výstavbě bude nicméně hrát i vizuální stránka, tedy viditelnost větrných elektráren v krajině. Velikost území, které by při výše uvedené výstavbě bylo silně ovlivněno výhledem na větrné elektrárny, by mohla být naopak vyšší než uváděných 1,3 %.
• Množství elektřiny vyrobené na hektar půdy se může s dalším technologickým vývojem ještě zvyšovat.⁴ Došlo k tomu i v minulosti: v posledních 20 letech se například zásadně zvětšila výška věží i průměr rotorů elektráren. S dalším zvětšováním by výroba elektřiny na hektar dále rostla – větší rotor totiž využije větší pás pohybujícího se vzduchu, navíc s rostoucí vzdáleností od země se zvyšuje také průměrná rychlost větru. To ale zároveň znamená, že by takové elektrárny byly viditelné na větší vzdálenosti, a celkový dopad na charakter krajiny proto nelze přesně odhadnout.

Dvojí využití půdy. Věže elektráren, transformátory a přístupové cesty by zabraly jen nepatrnou část z uvedených 1,3 % území. Téměř veškerou půdu ve větrných parcích lze dále využívat jako pole, pastviny, lesy nebo pro fotovoltaiku. V zalesněné krajině jsou také větrné parky více skryté, a tedy méně nápadné. Navíc výroba z větru a ze slunce ve stejné lokalitě se může vzájemně doplňovat: především s ohledem na sezónní variabilitu (léto–zima) a částečně i variabilitu denní (den–noc). Kapacita napojení na přenosovou soustavu je pak využita efektivněji.

„Hluková stopa“. Kromě námitek spojených s viditelností větrných elektráren v krajině a narušením jejího rázu zaznívají také obavy z hlukového zatížení. V tomto směru je nicméně optimalizace dnes už velmi pokročilá a stavby jsou povolovány jen v dostatečné vzdálenosti (minimálně 500 m) od rezidenční zástavby. To znamená, že bezpečně splňují hlukové normy a ve většině případů se hluk při provozu turbíny příliš neliší od hluku pozadí (hluk způsobený větrem je silnější než hluk elektrárny).⁵

Ekologická stopa. V některých oblastech mohou být větrné parky rizikem pro netopýry a větší ptačí druhy, v těchto lokalitách proto může být výstavba omezena. Na mnoha dalších místech se však o velký problém nejedná nebo lze negativní dopady zásadně omezit selektivním vypínáním turbín v kritických obdobích, aniž by docházelo ke znatelným ztrátám na celkové produkci elektřiny.⁶ Vypínání provozu je například vhodné při aktivitě netopýrů během teplých letních nocí, v období tahu ptáků, po sklizni plodin či při sečení trávy. Z hlediska rizik je také dobré zmínit, že větší nebezpečí představují pro ptáky průhledné a lesklé plochy staveb, doprava, elektrické vedení v krajině, znečištění ovzduší, jedy používané například k hubení škůdců v zemědělství nebo klimatická změna.⁷

Slunce

Metodické poznámky. Při výpočtu byly uvažovány fotovoltaické panely instalované v rovnoběžných řadách, v energeticky optimálním sklonu a s energeticky optimálními mezerami (v poledne zimního slunovratu se zastíní celá mezera, ale ne panely samotné).⁸ V půdorysu tak pod šikmými panely leží necelá třetina parcely. Územní plocha fotovoltaické elektrárny byla ještě navýšena o třetinu kvůli potřebě přístupových cest, okrajů a dalšího technického vybavení. Jde o odhad situace za 10–20 let, přičemž se předpokládá efektivita nejlepších dostupných FVE panelů dneška – 23 %. V tomto ohledu se tedy jedná o spíše konzervativní odhad, neboť do budoucna lze očekávat mírné zvýšení konverzní efektivity panelů.⁹

Pro přesnější výpočet by ovšem bylo nutné zahrnout ještě další faktory, například postupné mírné snižování efektivity instalovaných panelů v čase.

Dvojí využití půdy

• V zemědělství. Navzdory vysoké efektivitě fotovoltaiky jsou někdy velké instalace na polích kritizovány kvůli „znehodnocení“ zemědělské půdy. Jedním z možných řešení je takzvaná „agrivoltaika“, kdy jsou solární panely zpravidla instalovány výš (dál od země) a pod nimi se pěstují vybrané plodiny, kterým se lépe daří v částečném zastínění (příliš mnoho slunce znamená, že fotosyntéza už neprobíhá, navíc dochází k rychlému odparu). Mezi takové plodiny patří špenát, locika salátová, bazalka, brokolice a další. Stín pod panely ale vyhledávají i pasoucí se zvířata.¹⁰ Zároveň vegetace prospívá i fotovoltaickým panelům, neboť je do určité míry ochlazuje a tím zvyšuje jejich efektivitu. Rozvoji agrivoltaiky v Česku zatím brání legislativa.
• V zástavbě a dříve využívaných lokalitách. Kromě toho lze velkou část fotovoltaických zdrojů umístit i na střechy a fasády budov.¹¹ Například studie EGÚ Brno odhaduje technický potenciál střech na 9 TWh ročně. Dále lze pro výrobu elektřiny využít také brownfieldy nebo lokality znehodnocené těžbou uhlí.

Srovnání s územním dopadem těžby uhlí. Územní dopad 25 TWh elektřiny z fotovoltaiky je srovnatelný s územním dopadem z české uhelné energetiky. V ČR je dnes těžbou uhlí zasaženo přibližně 0,7 % území (výsypky a jámy po těžbě uhlí), což přináší jen o málo více než 25 TWh elektřiny.¹²

Biomasa

Metodické poznámky. Výpočet se opírá o studii Utrechtské univerzity. Ta předpokládá využití rychle rostoucích dřevin (topol nebo vrba) pěstovaných v tzv. výmladkových plantážích.

Výpočet pro infografiku počítá (v souladu s uvedenou studií) s průměrným výnosem 10 tun suché hmoty na hektar za rok, spalným teplem 19,4 MJ na tunu a efektivitou elektráren 40 %. Ještě o něco vyšší výnosy by mohla přinést tráva zvaná ozdobnice (miscanthus), ta ale zatím není v Česku rozšířená.¹³

Podobně jako u hnědého uhlí se finančně (ani z hlediska získané energie) nevyplatí přepravovat biomasu na větší vzdálenosti. Proto je potřeba mít v zemi k dispozici větší množství menších elektráren, ty ale zároveň nedosahují efektivity elektráren velkých. Přesto se dá v tomto případě počítat se 40% efektivitou – spalováním biomasy totiž kromě elektřiny vzniká také teplo.¹⁴

Pro přesnější výpočet územní stopy by bylo nutné započítat i energetickou spotřebu při obdělávání, zpracování a přepravě energetických plodin. V případě rychle rostoucích dřevin je ovšem takto spotřebovaná energie jen malým zlomkem energie vyrobené, protože jejich pěstování a zpracování je poměrně nenáročné (např. na rozdíl od již zmiňované řepky není třeba je obdělávat, hnojit, ošetřovat postřikem ani složitě zpracovávat).

Proč má u biomasy smysl porovnávat územní stopu na výrobu elektřiny, když se biomasa často používá na vytápění nebo v dopravě? Převod na energii ve formě elektřiny umožňuje porovnat výnos z biomasy s výrobou ze slunce a větru. Takový převod není pro biomasu ve srovnání územní stopy nevýhodný, protože z elektřiny vyrobené z biomasy můžeme získat podobný nebo větší užitek než z přímého užití biomasy ve vytápění a dopravě:

• Ve vytápění lze elektřinu převést na násobek tepelné energie pomocí tepelného čerpadla. Ztrátová konverze biomasy na elektřinu a použití této elektřiny v tepelném čerpadle tak má tepelně zhruba stejný efekt jako přímé spalování biomasy na teplo.
• V dopravě má kWh elektřiny násobně vyšší užitek než kWh energie získané z paliva pro spalovací motor. Konverze biomasy na elektřinu a její použití v elektromotoru tak bude vycházet ještě lépe než konverze biomasy na biopaliva a využití těchto paliv ve spalovacím motoru.

Emisní stopa biomasy. Hlavním důvodem pro využití obnovitelných zdrojů energie je v době klimatické změny potřeba transformace na nízkouhlíkovou společnost. Proto je důležité nastavit také pravidla pro udržitelné využívání biomasy, aby celková emisní stopa takto vyrobené energie byla co nejnižší. Evropská unie taková pravidla pro udržitelnou biomasu už stanovena má a postupně je zpřísňuje. Pravidla se řídí následujícím principem: emise z energetického využívání biomasy musí být výrazně nižší než emise ze spalování fosilních paliv.¹⁵ Zároveň nesmí toto využívání biomasy vést ke snižování obsahu uhlíku v zemědělské půdě ani škodit lesům neudržitelnou těžbou.¹⁶

Poznámky