Vesmír jako termoska

Zkušenost s neposedností tepla má každý – káva, čaj, polévka nebo kamna chladnou. Sebelepší termoska s tím stejně nakonec nic nezmůže. I celý vesmír jednou úplně vychladne [1].

Na druhou stranu, ohřát vodu na čaj nad ohněm nebo na indukci zvládne každý, ale z teplého čaje vyrobit elektřinu a dostat ji do zpět do zásuvky je trochu tvrdší oříšek. Zkrocení tepla a jeho přeměny je pro naši civilizaci naprosto klíčové – století páry, kdy se nám to povedlo, odstartovalo do té doby nevídaný rozmach technologií a úplně nám změnilo životy [2, 3]. Jak toho lidstvo před 200 lety dosáhlo, je popsáno v termodynamických zákonech.

Ukládání tepla je úkol, který z dlouhodobého hlediska vždy povede ke zklamání. V závislosti na časovém měřítku je to však prakticky možné. Pokud si chceme ohřát bojler s vodou levnou elektřinou ze solárních panelů na střeše, do večera v něm teplá voda vydrží. Navíc, čím víc jí bude, tím pomaleji bude chladnout.

Jaký tvar bojleru zvolit?

Únik tepla probíhá přes povrch – čím větší povrch, tím rychlejší chladnutí [4]. Povrch se ale zvětšuje pomaleji než objem. Krychle s objemem 1000 l má hranu dlouhou 1 m a povrch 6 m², krychle s objemem 8000 l má hranu dlouhou 2 m a povrch 24 m². Objem se zvětšil osmkrát, povrch jenom čtyřikrát, dále se tento poměr bude ještě zlepšovat. Objem roste s třetí mocninou (V = x³) a povrch s mocninou druhou (S = 6x²). Nejefektivnější z tohoto hlediska je koule – koule s objemem 1000 l má poloměr asi 0,62 m a povrch pouze 4,83 m². Z „termosky“ ve tvaru kvádru nám tedy bude teplo utíkat o čtvrtinu rychleji než z kulaté „termosky“, a zároveň čím bude větší, tím snazší bude teplo v ní udržet.

Tvar „termosky“ nám trochu pomůže, ale můžeme s tím dělat ještě něco dalšího – použijeme izolaci. Teplo se přenáší nárazy molekul mezi sebou [5]. Když ale molekuly nemají do čeho narážet, nemohou svou energii předat.

Vakuum má jisté výhody, ale i nevýhody

Z hlediska izolace je tedy absolutně nejlepší vakuum. Díky tomu se kosmonaut ve vesmíru bez skafandru dříve udusí, než stihne zmrznout, protože ve vesmíru nejsou žádné molekuly, které by jeho teplo odvedly. Vakuum využívají termosky na čaj, ale pro větší zařízení není moc praktické samotné vakuum udržovat (bojovali bychom s pevností materiálu a s hodně velkou chutí tlaků vakua a nevakua se vzájemně vyrovnat – podívejte se na video imploze uvedené v dalším čtení).

Když si chceme zateplit dům, využíváme „polystyren“. Ve skutečnosti nejsou jeho dobré izolační vlastnosti dány tím polymerem, podle kterého mu říkáme, ale tím, že je v jeho nadýchané struktuře uvězněn vzduch, který neobsahuje tolik molekul, které by mohly teplo přenášet. Podobně funguje i péřová bunda nebo nejmodernější aerogely – minerální materiály, které objemově obsahují až 99,98 % vzduchu a používají se třeba na izolaci vesmírných vozítek na Marsu [6]. Bez vkládání další energie (jako třeba v případě lednice a mrazáku) nic lepšího nenajdeme.

Nemohla by nás spasit chemie?

Další možností, jak si teplo uložit na později, je vyhnout se úplně vysokým teplotám a využít k uložení energie chemickou přeměnu. Chemické reakce v naprosté většině případů teplo buď produkují, nebo spotřebovávají. Typickým příkladem reakce uvolňující teplo je hoření. Svým způsobem si tedy můžeme uložit teplo ze Slunce na později do stromů a poté jej jejich spálením nebo jinou chemickou reakcí získat zpět.

Mnohdy, například při transportu tepla v horkovodech, je ještě výhodnější vodu zahřát, až z ní vznikne pára, protože na odpaření vody je potřeba velké množství energie (na ohřátí 1 l vody z 20 na 100 °C spotřebujeme 334 kJ energie, na její odpaření dalších 2257 kJ), které může pak zase odevzdat zpátky. Tím pádem dokážeme do stejného množství vody uložit ještě více energie a ušetříme na jejím přenosu.

K čemu tu energii chceme?

Hlavní otázkou efektivity, kterou jsme se ještě nezabývali, je, k čemu vlastně chceme tu uloženou energii využít, protože ne vždy chceme něco jen ohřívat. Nepotřebujeme doopravdy nějakou jinou formu energie? S čímž se dostáváme i ke druhé části dotazu.

Tepelnou a elektrickou energii mezi sebou můžeme přeměňovat, ale nejsou si rovné. Elektřina v drátech je jako disciplinovaná armáda, kde všechny elektrony spořádaně pochodují jedním směrem. Teplo je oproti tomu spíš jako chaotický dav na rockovém koncertě, kde do sebe částice narážejí a poletují na všechny strany. Udělat z ukázněné armády neřízený dav je snadné, a proto má i ten nejobyčejnější elektrický přímotop v podstatě stoprocentní účinnost (všechna elektrická energie je přeměněna na teplo).

Z hlediska vytápění je zase velmi výhodné použít tepelná čerpadla. Ta právě umožňují zdánlivě nereálné – ochladit už tak dost studenou hlínu nebo vodní nádrž za domem a ten naopak vyhřát. Není to ovšem zadarmo. K přenosu tepla z chladného místa do teplého se využívá kompresorů, které je potřeba pohánět elektřinou. Díky tomu, že zde není elektřina využívána přímo k ohřevu, ale jenom k přesunu tepla, je možné dosahovat více než 300% účinnosti (1 kWh elektřiny dokáže z venku dovnitř „nasát“ více než 3 kWh tepla) [7].

Jak ukáznit chaotické teplo?

Z elektřiny na teplo je to jednoduché, ale jak přinutíme chaotický tepelný dav, aby se srovnal v elektrickou armádu? V uhelných, paroplynových nebo jaderných elektrárnách k tomu využíváme obrovskou chuť páry se rozpínat. Teplo ohřívá vodu na páru a ta pak pod obrovským tlakem roztáčí hřídel turbíny, která generuje elektřinu.

Příroda si tu ale vybírá daň z chaosu: většinu tepelné energie nedokážeme zkrotit a přeměnit v organizovaný pohyb a ten v užitečnou elektřinu, takže část energie bez užitku vyhodíme do vzduchu přes všem známé chladicí věže.

Například velmi moderní 660MW parní turbína v uhelné elektrárně Nový zdroj Ledvice přemění 51,5 % tepla na užitečnou energii otáčení, ze které generuje elektrickou energii [8]. K tomu je toto číslo ještě třeba vynásobit účinnost kotle spalujícího uhlí (ten využije 85 % energie uloženého v uhlí [9]), generátoru samotného (98 %) a přičíst spotřebu pomocných systémů (4,75–13 % vyrobené elektřiny [9]), nehledě na náklady na stavbu, dopravu a údržbu. Výsledkem je promrhání asi dvou třetin energie.

Co kdybychom teplo vynechali?

Možná nečekaně nejefektivnější způsob, jak z energie vyrobit elektřinu, je teplo úplně vynechat [10]. Skutečného zvýšení efektivity dosáhneme přeskočením kroku, který vytváří nevychované teplo.

Na principu přímého využití dostupné kinetické, tedy pohybové energie fungují vodní a větrné elektrárny [11], kde masa vody nebo vzduchu (98% účinnost) přímo točí turbínou. Dále tu máme solární panely, kde dopadající světlo přímo vyráží elektrony ze struktury materiálu. Ty mají sice nižší účinnost přeměny energie, jen okolo 20 % [12], ale energie ze Slunce na Zemi dopadá obrovské množství.

Pokud si chceme elektřinu uložit na později, můžeme jako v případě tepla využít chemických reakcí. A to například v elektrolyzérech, které pomocí elektřiny rozštěpí vodu na vodík a kyslík, ze kterých pak v palivových článcích opačným procesem můžeme vyrobit elektřinu. Případně můžeme využít akumulátory, které spotřebovávají a pak produkují elektrony (ty jsou právě „nosičem“ elektřiny) přímo při elektrochemických reakcích ve svém nitru [13].

Akumulátory mají sice vyšší účinnost nabíjení a vybíjení (nabíjení i vybíjení >80 % [14]), ale mají kapacitu omezenou svojí vlastní velikostí. Naproti tomu množství energie uložené do vodíku v elektrolyzérech (účinnost elektřina-vodík 62–68 % [15]; vodík-elektřina 40–60 %; vodík-elektřina a teplo 70–90 % [16, 17]) je omezeno pouze velikostí zásobníku na vodík.

V neposlední řadě můžeme využít i přečerpávací elektrárny. Ty v době přebytku energie čerpají vodu do nádrže na kopci, a když je energie zase potřeba, tak voda tekoucí dolů otáčením turbíny elektřinu znovu vyrobí.

Technologie máme

Jak je zřejmé, problematika získávání praktických forem energie a jejich využití je hodně široká a pro naši společnost klíčová. V měnící se době je třeba se postavit energetické závislosti na mocnostech a nesmíme zapomenout ani na dlouhodobé dopady postupů, které k výrobě elektřiny používáme. Naštěstí technologie, které nám udržitelnou výrobu energie umožňují, existují.

Pro Zeptej se vědce odpovídal Mira

Zdroje:

[1] R. Lathia, T. Agrawal, V. Parmar, K. Dobariya, A. Patel, Heat Death (The Ultimate Fate of the Universe), (2015). https://doi.org/10.13140/RG.2.1.4158.2485

[2] H.W. Dickinson, A short history of the steam engine, Routledge (2022). https://doi.org/10.4324/9780429423123

[3] B. Van der Kooij, INVENTION OF THE STEAM ENGINE, EISENBRAUNS (2015). https://repository.tudelft.nl/file/File_29a24bed-f0b3-40e0-9043-c96a1e075de3

[4] R.H.S. Winterton, Newton’s law of cooling, Contemporary Physics 40(3) (1999) 205-212. https://doi.org/10.1080/001075199181549

[5] J. Kolafa, Kapitola 4: Statistická termodynamika light, Vybrané kapitoly z fyzikální chemie, Ústav Fyzikální chemie, VŠCHT Praha (213). https://old.vscht.cz/fch/cz/pomucky/kolafa/vybrkap-tisk.pdf

[6] C.-Y. Zhu, H.-B. Xu, X.-P. Zhao, L. Gong, Z.-Y. Li, A review on heat transfer in nanoporous silica aerogel insulation materials and its modeling, Energy Storage and Saving 1(4) (2022) 217-240. https://doi.org/10.1016/j.enss.2022.07.003

[7] T. Badinier, B. Ouzzine, J. de Sauvage, P. Reiffsteck, Evaluation of heat pump efficiency within an energy pile group: effect of heat cluster, underground seepage and seasonal cycles, SOILS AND ROCKS 48(1) (2025). https://doi.org/10.28927/SR.2025.004224

[8] ČEZ, Elektrárna Ledvice, https://www.cez.cz/nextcez/cs/o-cez/vyrobni-zdroje/uhelne-elektrarny-a-teplarny/uhelne-elektrarny-a-teplarny-cez-v-cr/elektrarna-ledvice-58177

[9] N.K. Gavirineni, E. Gundabattini, Enhancing the Energy Efficiency of a Supercritical Thermal Power Plant Through Improved Plant Load Factor, and Optimized Performance of Auxiliary Equipment, International Journal of Design & Nature and Ecodynamics 17(2) (2022) 177-187. https://doi.org/10.18280/ijdne.170203

[10] S. Chu, Y. Cui, N. Liu, The path towards sustainable energy, Nature Materials 16(1) (2017) 16-22. https://doi.org/10.1038/nmat4834

[11] M. Faizan, I. Afgan, Life cycle assessment of wind turbine systems: A statistical synthesis approach to address greenhouse gas emissions, Renewable and Sustainable Energy Reviews 226 (2026) 116429. https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.116429

[12] S. Philipps, Photovoltaics Report, 2016. https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf

[13] H. Nazir, N. Muthuswamy, C. Louis, S. Jose, J. Prakash, M.E.M. Buan, C. Flox, S. Chavan, X. Shi, P. Kauranen, T. Kallio, G. Maia, K. Tammeveski, N. Lymperopoulos, E. Carcadea, E. Veziroglu, A. Iranzo, M.K. A, Is the H2 economy realizable in the foreseeable future? Part III: H2 usage technologies, applications, and challenges and opportunities, Int J Hydrogen Energy 45(53) (2020) 28217-28239. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.07.256

[14] E.M. Krieger, C.B. Arnold, Effects of undercharge and internal loss on the rate dependence of battery charge storage efficiency, Journal of Power Sources 210 (2012) 286-291. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.03.029

[15] J. Ramsebner, P. Linares, A. Hiesl, R. Haas, Techno-economic evaluation of renewable hydrogen generation strategies for the industrial sector, International Journal of Hydrogen Energy 60 (2024) 1020-1040. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.02.167

[16] S. Mekhilef, R. Saidur, A. Safari, Comparative study of different fuel cell technologies, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16(1) (2012) 981-989. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.09.020

[17] H. Lohse-Busch, K. Stutenberg, M. Duoba, X. Liu, A. Elgowainy, M. Wang, T. Wallner, B. Richard, M. Christenson, Automotive fuel cell stack and system efficiency and fuel consumption based on vehicle testing on a chassis dynamometer at minus 18 °C to positive 35 °C temperatures, International Journal of Hydrogen Energy 45(1) (2020) 861-872. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.10.150