Úvod do pojmologie

A po zbytečném úvodu (který si zbytečně můžete přečíst zde) se pojďmě přenést k něčemu opravdovému. Zapojení VPZE (vysoce proměnlivých zdrojů energie, viz zbytečný úvod) do sítě má skutečně skutečné problémy, které je potřeba řešit před tím, než na se vůbec dá na takovéto zdroje spoléhat. Mohli bychom se tu zabývat rozložením generátorů v elektrické síti a vlivu na přenosovou vzdálenost, vhodnosti geografických podmínek střední Evropy, otázce etické, co bude s chudáky uhlobarony a jejich rodinami, ale stejně jako nemá cenu řešit rozdělení majetku mezi vaše tři syny, když ještě ani nevíte, zda-li je váš druh (či družka) plodný, tak i zde je klíčový problém, který když nebude ani možné vyřešit, nikam se s VZPE nepohneme.

Tímto zásadním problémem je právě ono "VP", co dělá z prostých zdrojů energie zdroje vysoce proměnlivé, tedy vysoká proměnlivost jejich výkonu v čase. Pro pochopení, proč je tenhle problém zrovna tak problémový, si dovolím rychlé velmi povrchní shrnutí oné elektroenergické sítě. Proč máme tak rádi elektřinu je snad všem jasné. Koná za nás práci, kterou by jinak museli méně efektivně dělat voli, krávy, lidé, hořící vosk a další živé i neživé přírodniny. Otačí břemeny, zvedá břemena, svítí na břemena, sčítá břemena a nově klidně i přemýšlí o břemenech. Jenže všechna tahle práce s břemeny vyžaduje určitou práci.

Tím je myšlena práce fyzikální. Prostě - elektřina musí udělat něco, co se před tím nedělo, ať už jde o cokoli, co dělá, a protože jakmile se ve světě něco dostane do stabilního stavu, nerad to tento stav mění, tak do této změny je potřeba vložit notné úsilí. Jen si představme, jak neradi ze stabilní postele jdeme do nestabilního pracovního prostředí. Tedy, pokud samotné domácí prostředí není pro nás ještě méně stabilní, než to prostředí pracovní. Není náhodou, že pro vytrvalé soužití dvou spřízněných osob je prospěšené, když osoba vlastnící kulovnici jde občas raději na čekanou... To je ale asi téma do zcela jiné rubriky. Ale je ten svět hezky propojený, což?

Zpět k práci. Elektrické zdroje tedy za nás, naše dobytky a naše svíce konjí práci. A práce je, v pojetí termodynamiky, prostě organizovaný přesun energie - takový přesun energie, který lze snadno využít. Jde tedy říci, že na své působení vynakládají určitou energii. Tento úvod působí bohužel jako takový žebřík fyzikální pojmologie, ale bez toho se při pokusu pochopit fungování elektráren - ryze fyzikálno-chemických systémů - prostě neobejdeme. Pokusím se to udělat co nejstravitelněji.

Slovo "energie" je bohužel v běžné společnosti vnímáno mnohoznačně a spíše se většina jeho významů neshodují přímo s tím významem fyzikálním. Pro běžné smrtelnické fungování ale zatím stačí vědět, že energie je veličina, číslo, kvantita, nazývejte si to jakkoli, kterou využíváme, abychom pochopili učetnictví všehomíra. Dá se říci, že víceméně nevzniká ani nezaniká. Je to univerzální platidlo nepodléhající inflaci ani deflaci. Určitý fyzikální proces bude vždy stát stejné množství energie, nikdy víc, nidky míň. Chcete ohřát jeden litr vody z \(25^\circ\mathrm{C}\) na krásných \(100^\circ\mathrm{C}\) pro udělání čaje? Tak to vás bude stát \(313 000\) Joulů (či \(313\) kiloJoulů chcete-li). Ať už ji ohřejete u táboráku nad ohněm nebo v rychlovarné konvici. Všechna tahle množství, o kterých fyzikové rádi mluví, se běžně značí písmenky, neboť neustále psát dlouhá slova je pro jejich krátkou výdrž pozornosti náročné. Energii v případných vzorcích značme tedy písmenkem \( E \), což je snad pochopitelné, proč bylo zvoleno. Pro práci se užívá běžně písmene \( W \), neboť se jedná o anglické "Work" či německé "Werk". Sami si vyberte, co se vám více líbí.

Spočítat, kolik energie něco vyprodukuje nebo naopak spotřebuje, není vůbec složité. Od toho je veličina známá výkon, kteroužto veličinu fyzikologové a všemožní inženýrátoři značí jako \( P \), což je písmenko z ještě dob předelektrických, kdy do výkonu práce byli pracující popoháněni tradičním českým "Padej makat". Zlý jazykové budou tvrdit, že jde o anglické "Power". Výkon nám určuje, kolik energie spotřebuje či vyrobí stroj za jednotku času. Touto jednotkou času bývá standardně jedna sekunda a poté jednotkou výkonu je Watt. Známe-li výkon našeho spotřebiče, dokážeme snadno spočítat energii, kterou nás bude jeho provoz stát (či kolik energie dodá do okolí, jedná-li se naopak o zdroj) ze vzorečku \[ E = W \cdot t, \] kde se ještě vyskytuje písmenko \(t\), které značí dobu, po kterou běh daného stroje měříme.

Ověřit můj předchozí příklad s konvicí si lze tedy alespoň orientačně doma. Nalijeme vodu o známé teplotě do konvice o známém výkonu (bude téměř jistě buď na ní nebo na krabici od ní napsaný údaj o tom, kolik Wattů daná konvice spotřebuje), sepneme konvici a stopky, počkáme než se voda ohřeje, uděláme rozdíl počáteční a konečné teploty vody (která bude přibližně oněch krásných \(100^\circ\mathrm{C}\)) a vynásobíme výkon konvice s časem měření v sekundách. Tím získáme počet spotřebovaných Joulů energie pro daný ohřev. Kdybychom násobili časem měřeným v hodinách místo v sekundách, získáme pro mnohé jedince známnější údaj ve Watthodinách. Převody jsou tedy velmi jednoduché.

No - abych tady jenom neříkal moudré řeči, tak jsem si zkusil ten svůj experiment nějak provést a na ohřev vody jsem z oněch \(25^\circ\mathrm{C}\) na \(100^\circ\mathrm{C}\) potřeboval cca \(368 000\) Joulů... Vyvrátil jsem tímto tedy všechny ty Newtony, Watty, Einsteiny a odhalil světové spiknutí ve výuce fyziky na našich školách probíhající za účelem udělat z nás ovladatelné ovce pro světový řád vlčích elit. Nebo druhá možnost je, že jsem jelito já a neohříval jsem vodu přesně na \(100^\circ\mathrm{C}\), načež bych ji hned poté vypnul, ale nechal jsem ji chvíli vřít, čas jsem rozhodně neměřil zcela přesně a když jsem zmiňoval, že určitý fyzikální proces stojí vždy stejné množství energie, platí to skutečně pro všechny procesy a vesmír je účetní velmi pečlivý. A já neohříval jenom vodu, ale i konvici samotnou, drát vedoucí v konvici, vzduch v okolí...

Užitím Dionýsovy břitvy - tedy tvrzení, že když mám na výběr z několika možných vysvětlujících hypotéz, tak se přikláním k té, která zní jako větší vzrůšo - se kloním rozhodně spíše k vysvětlení prvnímu. Ale pravdu se asi nikdy nedozvíme. Když se čistě pro myšlenkový experiment přikloním k variantě druhé, jeví se za vhodné u spotřebičů i u zdrojů uvažovat kromě celkového výkonu stroje \(P_{\mathrm{celk}}\) - běžně zámého jako příkon - také výkon, který jde do činnosti, kterou od stroje požadujeme (ohřev vody, tvorba elektrické energie apod.) - zde značený \(P_{\mathrm{užit}}\). Pro naše lidské učetnictví, na rozdíl od toho vesmírého, je mnohem důležitější ten výkon užitečný. Proto je vhodné zavést účinnost stroje, také známou jako efektivitu. Značí se standardně řeckým písmenkem \(\eta\), ale protože řecká abeceda je pro mnohé španělská vesnice, budu užívat i trojpísmenného označení \(eff\). Je to prostě poměr užitečného výkonu, který nám stroj dá ku celkovému výkonu, který je vykonán. Vzorec je tedy snadný: \[ \eta = eff = \frac{P_{\mathrm{užit}}}{P_{\mathrm{celk}}} \cdot 100\%. \] \(100\%\) účinnost znamená, že veškerý výkon dodaný do stroje jde do užitečné činnosti. Když budu chtít, aby stroj konal nějakou činnost, a jeho účinnost bude již přes \(90\%\), tak v domácím prostředí již moc neušetřím strojem modernějším a účinnějším, budu-li stále požadovat po novém stroji plnění stejné výsledné činnosti ve stejné míře.

Pro nás, kteří nepracujeme v energetickém odvětví, je za mne tedy mnohem výhodnější uvažovat v celkové spotřebované energii (vždyť i faktury nám chodí spočítané dle spotřebovaných Watthodin), než ve výkonu našich spotřebičů. Údaj, že jedna vycházka na pivo mě stojí \( 200 \) Kč mi ještě moc o mých skutečných měsíčních výdajích neřekne. Je to pouze můj příkon za předpokladu, že zrovna daný ven se jdu vyvenčit. Pro můj rozpočet je důležitý celkový údaj, tedy jestli jdu tak zhruba jednou za měsíc když mám dobrý den, nebo jestli pivosofuji se svými soupivníky každý volný večer. A ušetřit můžu jak tím, že na jedné vycházcce utratím méně, tak tím, že budu chodit prostě méně často. Je-li však \( 200 \) Kč výkonu v pivu limit a níže nedokáži jít, neboť pak již není splněn účel, který od piva žádám, zbývá mi pouze chodit na pivo méně často.

A v tom je vhodné uvažování o celkové spotřebované energii. Příkladem budiž mrazák. Moderní mrazáky jsou vysoce účinné, díky izolaci a hlavně geniální podstatě chladícího cyklu (kdysi dávno jsem se o tom pokusil udělat video, ale to je ještě z mých středoškolských let a tak jsou tam drobné nepřesnosti či nejasnosti. Většina faktografických informací je tam však pro letmé pochopení snad popsána správně), kde dokonce nevyužíváme jenom práci elektrickou, ale i práci získanou z tepelného pohybu molekul z okolí a kdybychom do celkového příkonu mrazáku nezapočítali právě tento tok energie, ale měřili bychom pouze předanou energii elektrickou, tak nám vyjde účinnost přesahující sto procent. Proto nám nezbývá, než prostě zařídit, aby nemusely svou činnost vykonávat tak často. Izolace již velmi dobře drží uvnitř chladnou teplotu, ale když otevřeme dveře mrazáku, teplo se nahrne dovnitř a opět se musí spustit chladící cyklus. Ušetřit tedy můžeme méně častým otevíráním mrazáku. Otevírame-li jej často, hodí se mrazák truhlicový. Je známou fyzikální vlastností, že chladný vzduch se drží obecně dole, a tedy navzdory otevření zůstane vnitřek mrazáku chladný. Máme-li postavený mrazák stejně, jako bývá např. běžně lednička, tak po otevření dvířek se rychle teplý se studeným vzduchem promíchají a je potřeba chladící cyklus spouštět mnohem častěji.