of 62 /62
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE ALTERNATIVNÍ ZDROJE ENERGIE ALTERNATIVE ENERGY SOURCES BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS AUTOR PRÁCE JAROSLAV STRÁNSKÝ AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE Ing. et Ing. JAN ŠKVAŘIL SUPERVISOR BRNO 2011

Alternativní zdroje energie - vutbr.cz

  • Author
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Alternativní zdroje energie - vutbr.cz

Alternativní zdroje energieFAKULTA STROJNÍHO INENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV
FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE
ALTERNATIVNÍ ZDROJE ENERGIE
ALTERNATIVE ENERGY SOURCES
VEDOUCÍ PRÁCE Ing. et Ing. JAN ŠKVAIL SUPERVISOR
BRNO 2011
Energetický ústav
obor: Strojní inenýrství (2301R016)
editel ústavu Vám v souladu se zákonem .111/1998 o vysokých školách a se Studijním a
zkušebním ádem VUT v Brn uruje následující téma bakaláské práce:
Alternativní zdroje energie
v anglickém jazyce:
Alternative energy sources
zhodnocení jejich potenciálu.
Cíle bakaláské práce:
2. Analýza a zhodnocení energetického potenciálu tchto zdroj
Seznam odborné literatury:
Alternatívne zdroje energie I. : slnená energia / Pavol Rybár, Peter Tauš, Radim Rybár.
Košice: Elfa, 2001. 81 s. :. ISBN: 80-89066-16-X.
Energie pro 21. století / Pierre Bacher. Praha: Krigl, 2003. 182 s. :. ISBN: 80-902403-7-2
(bro.).
Biomasa: obnovitelný zdroj energie / [zpracoval tým autor Zdenk Pastorek, Jaroslav Kára,
Petr Jevi]. Praha : FCC Public, 2004. 286 s. :. ISBN: 80-86534-06-5 (bro.).
Energie prostedí, geotermální energie, tepelná erpadla / [autoi text Jií Beranovský ... et
al.].Praha : EkoWATT, c2005. 1 sloený l. ([10] s.) :. ISBN: (Skládanka).
Energie vtru / [autoi text Jií Beranovský ... et al.]. Praha : EkoWATT, c2005. 1 sloený l.
([10]s.) :. ISBN: (Skládanka).
Termín odevzdání bakaláské práce je stanoven asovým plánem akademického roku
2010/2011.
L.S.
doc. Ing. Zdenk Skála, CSc. prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc.
editel ústavu Dkan fakulty
Abstrakt:
V této práci jsem se pokusil shrnout souasný stav svtových energetických zdroj,
které pouíváme k pemn na elektrickou energii. Je zde ešena otázka náhrady
docházejících zásob fosilních paliv a redukce vypouštní skleníkových plyn. Vhodnou
náhradu hledám v oblasti alternativních zdroj energie, mezi které jsem zahrnul energii
Slunce, vody, vtru, geotermální energii, vyuití tepelných erpadel, energii spalování,
jadernou energii, palivové lánky a pouití vodíku. O kadém nahrazujícím zdroji se dozvíte
o jeho historii, výhodách a nevýhodách, principu funkce zaízení, která energii transformují, a
o porovnání potenciálu, který je vyuitelný v R a ve svt.
Abstract:
In this work, I tried to summarize the current state of world energy resources that we
use to convert into electrical energy. There is solved the question of compensation running
short supplies of fossil fuels and reduce discharge of greenhouse gasses. I´m looking for
suitable compensation in department of alternative energy sources, among which I included
the power of the Sun, water, wind, geothermal energy, using heat pumps, combustion energy,
nuclear energy, fuel cells and hydrogen use. About anyone of replacing sources you learn
about its history, advantages and disadvantages, the principle of function energy transform
devices, and compare the potential that is available in the CR and in the world.
Klíová slova:
palivové lánky, vodík, výroba elektrické energie, energetika
Keywords:
wind energy, geothermal energy, heat pumps, energy of combustion, nuclear energy, fuel
cells, hydrogen, electricity production, power engineering
Jaroslav Stránský
Alternativní zdroje energie
STRÁNSKÝ, J. Alternativní zdroje energie. Brno: Vysoké uení technické v Brn,
Fakulta strojního inenýrství, 2011. 62 s. Vedoucí bakaláské práce Ing. et Ing. Jan
Škvail.
Prohlašuji, e jsem bakaláskou práci „Alternativní zdroje energie“ vypracoval
samostatn pod vedením Ing. et Ing. Jana Škvaila a uvedl v seznamu literatury všechny
pouité literární a odborné zdroje.
V Brn dne 26. kvtna 2011
Autor
Podkování:
Moc rád bych chtl podkovat vedoucímu bakaláské práce Ing. et Ing. Janu Škvailovi za
jeho as a odborné vedení.
Dále také rodin a pítelkyni, bez jejich morální podpory a motivování by tato práce
nemohla vzniknout.
Jaroslav Stránský
2. SOUASNÝ STAV .............................................................................................- 16 -
2.1 PROBLÉM VZRSTAJÍCÍ POPULACE A ENERGETICKÝCH NÁROK ............................................ - 16 - 2.2 SKLENÍKOVÝ EFEKT .................................................................................................... - 18 - 2.3 ALTERNATIVNÍ ZDROJ ................................................................................................ - 19 -
3. DRUHY ALTERNATIVNÍCH ZDROJ ENERGIE .....................................................- 21 -
3.1 ENERGIE SLUNENÍHO ZÁENÍ ..................................................................................... - 21 - 3.2 ENERGIE VODY ......................................................................................................... - 24 - 3.3 ENERGIE VTRU ........................................................................................................ - 31 - 3.4 GEOTERMÁLNÍ ENERGIE ............................................................................................. - 34 - 3.5 TEPELNÁ ERPADLA ................................................................................................... - 37 - 3.6 ENERGIE SPALOVÁNÍ .................................................................................................. - 40 - 3.7 JADERNÁ ENERGIE ..................................................................................................... - 46 - 3.8 PALIVOVÉ LÁNKY ..................................................................................................... - 51 - 3.9 VODÍK .................................................................................................................... - 52 -
4. ZÁVR .............................................................................................................- 54 -
6. SEZNAM ODKAZ POUITE GRAFIKY ...............................................................- 61 -
Jaroslav Stránský
1. ÚVOD
Ji dávno ped vznikem veškerého ivota ve vesmíru tu byla, provází nás na kadém
kroku a je naší souástí, není moné, aby se kdykoliv vytratila – energie. Je to fyzikální
veliina, která charakterizuje schopnost hmoty konat práci. Známe jí nkolik druh –
mechanická, elektrická, magnetická, vnitní, atd. Pro lidstvo se s prbhem asu stala
nejdleitjší práv ta elektrická, která pohání stroje a pístroje po celém svt. Nememe ji
vytvoit ani zniit, pouze pemnit, íká zákon zachování energie. Díky tomuto zákonu
meme elektinu získávat napíklad pemnou z energie mechanické i tepelné a naopak za
pomoci energie elektrické meme docílit pohybu tles i vzniku tepla. Vhodný zpsob
výroby elektrické energie je proto v souasnosti práv tím, o co se snaíme nejvíce s ohledem
na ekologické a ekonomické monosti naší planety.
Populace lidstva neustále stoupá a pedpokládá se stále její nárst. Se vzrstajícím
potem obyvatel naší planety se samozejm zvyšují i energetické poadavky, které v dnešní
dob z tém naprosté vtšiny uspokojujeme díky fosilním palivm. Fosilní paliva mají
omezené zásoby, a proto se zaalo vyuívat zdroj alternativních. Ovšem nejen nedostatek
souasných energetických zdroj vede k inovaci zpsob produkce energie.
Druhým a nemén podstatným dvodem je niení ivotního prostení, které je
zpsobeno necitlivými zásahy lidstva do pírodních proces. Miliony i miliardy let Zem
vzkvétá a my, její obyvatelé, se kvli vlastnímu pohodlí a neúct k naší planet sami ítíme ke
zkáze.
Principy nejen ve srovnání s fosilními palivy ekologicky šetrných, ale i pokud mono co
nejlépe proveditelných a snadno dostupných zpsob získání energie naší i píštích generací
se Vám pokusím strun pedstavit v této práci.
Jaroslav Stránský
2. SOUASNÝ STAV
V této ásti bych rád shrnul, jak si na tom stojí lidstvo v souasnosti a kterým smrem
se bude dále vyvíjet. Nezadritelný populaní nárst, hrozba skleníkového jevu a snaha o
zlepšení situace, to jsou hlavní body této kapitoly.
2.1 Problém vzrstající populace a energetických nárok
Jak jsem se ji zmínil v úvodu, populace lidstva bude stále stoupat. Podle amerického
statistického serveru [1] se meme dozvdt, kolik nás na planet bude za nkolik let.
Informace samozejm není naprosto pesná, hodnoty jsou získány souasnou tendencí rstu
potu obyvatel.
Z uvedeného grafu lze zjistit, e napíklad od roku 2005 do roku 2010 populace vzrostla
o 396 milion osob, co je oproti poátenímu roku nárst o piblin 6 %. Pokud s tímto
nárstem budeme poítat a do roku 2050, pedpokládaný poet obyvatel na Zemi se bude
pohybovat okolo 9 150 milion. Od roku 2010 tedy vzroste populace zhruba o 32 %, co
ukazuje i pravdpodobný 32% vzestup energetických poteb lidstva. [1]
Následující graf (viz Obr. 1) dokazuje, e mezi hlavní souasné energetické zdroje patí
stále fosilní paliva – ropa, uhlí a zemní plyn. Jsou to nerostné suroviny, které vznikly
anaerobní pemnou (bez pístupu vzduchu) z fosilií, tedy odumelých tl ivoich a rostlin
ped mnoha tisíci lety.
Obr. 2.1.1 Graf prbhu rstu populace na naší planet [1]
2 500
3 500
4 500
5 500
6 500
7 500
8 500
9 500
1 9
5 0
1 9
5 5
1 9
6 0
1 9
6 5
1 9
7 0
1 9
7 5
1 9
8 0
1 9
8 5
1 9
9 0
1 9
9 5
2 0
0 0
2 0
0 5
2 0
1 0
2 0
1 5
2 0
2 0
2 0
2 5
2 0
3 0
2 0
3 5
2 0
4 0
2 0
4 5
2 0
5 0
P o
e t
o b
yv at
- 17 -
K získání energie jak elektrické, tak tepelné, se fosilní paliva (peván uhlí) spalují
v tepelných elektrárnách. Spalováním (oxidací) obecn se do ovzduší uvolují látky (viz Rov.
1, Rov. 2, Rov. 3 a Rov. 4), z nich nkteré z nich zapíiují vznik skleníkového efektu, a
tím i globálního oteplování. Za spaliny povaujeme vodní páru, CO2, CO, oxidy dusíku NOx,
SO2 a další. [2] Pi porovnání zmínných spalin s tabulkou skleníkových plyn (viz Tab. 1)
dojdeme k závru, e spalování se na skleníkovém jevu podílí nemalou mrou (vodní pára,
CO2, N2O).
Ropa a její frakce je energeticky vyuívána peván v doprav jako palivo, kdy se do
ovzduší dostávají výfukové plyny, jejich hodnoty jsou ovšem v porovnání s emisemi
tepelných elektráren nízké. Z fosilních paliv nejistším zdrojem energie je spalování zemního
plynu, kdy jsou emise minimální.
Obr. 2.1.2 Graf svtové spoteby energie [G1]
ropa 34%
uhlí 26%
3,3%
Rov. 1 Rovnice dokonalého spalování C [2] Rov. 2 Rovnice nedokonalého spalování C [2]
Rov. 3 Rovnice spalování H [2] Rov. 4 Rovnice spalování S [2]
Jaroslav Stránský
Jednoduchým vysvtlením tohoto pojmu je, e skleníkové plyny nepropouštjí odraené
slunení tepelné paprsky od Zem zpt do vesmíru, ím se ono teplo udruje na zemském
povrchu. Na jednu stranu je to samozejm nezbytné pro veškerý ivot, ale pi velkém
mnoství skleníkových plyn v atmosfée se naše planeta me zaít globáln oteplovat, co
ji pi pouhopouhém nárstu teploty o desetinu stupn zpsobí tání ledovc, zvyšování
hladiny oceán a razantnjší zmny poasí. Bohuel ji od poátku prmyslové revoluce k
tvorb skleníkových plyn napomáháme. Jediným moným východiskem k záchran této
situace je zastavení kácení les a pouití alternativních zdroj energie namísto získávání
energie spalováním fosilních paliv. [3]
Skleníkové plyny Vznik
organických látek, lesní poáry, vulkanická innost
N2O lesy, louky, oceány, zpracování pdy, zemdlská hnojiva,
spalování fosilních paliv a biomasy
CH4 mokady, moály, spalování biomasy a skládkových odpad,
zpracování ropy a zemního plynu, chov dobytka, pstování rýe
CFC (freony) chladící zaízení, aerosoly, plastické pny,
rozpouštdla, farmaceutický prmysl
a umle jako souást fotochemického smogu
Tab. 1 Tabulka s pehledem skleníkových plyn [4]
Jaroslav Stránský
S mizejícími zásobami fosilních paliv jakoto neobnovitelných zdroj energie se
svtové energetické spolenosti a instituce snaí nalézt jejich náhradu v podob obnovitelné a
ivotní prostedí neniící form.
Alternativním zdrojem energie (AZE) lze nazvat zdroj, který se snaí být alternativou
k souasné energetické produkci (spalování fosilních paliv) a jejích následk na istot
našeho ivotního prostedí. Mezi AZE patí zdroje obnovitelné (regenerativní,
nevyerpatelné), které se bu samovoln anebo za pomoci lovka mohou pi spotebování
okamit obnovovat. Dle rozdlení (viz Obr. 3) zde zahrnujeme energii solární, vodní,
vtrnou, geotermální a energii biomasy. Dále bych mezi obnovitelné zdroje zapoítal také
práci tepelných erpadel, která vyuívají teplotu okolí. Dalším AZE je jaderná energie, které
podle rozdlení (viz Obr. 3) patí mezi zdroje neobnovitelné, ovšem se souasn malým
procentem vyuití paliva a s velkou energetickou efektivností nám jádro bude slouit mnoho
dalších staletí. Ve vývoji jsou také zdroje jako jaderná fúze, palivové lánky a vyuití vodíku.
Výhodou AZE je, e tyto zásobárny energie jsou pomrn ekologické a jejich energii
meme pijímat globáln po celé planet. Tato práce Vám piblíí principy pedevším
obnovitelného pvodu. [5] [6]
Jaroslav Stránský
Jaroslav Stránský
3. DRUHY ALTERNATIVNÍCH ZDROJ ENERGIE
V této kapitole se pokusím strun nastínit historii, principy, výhody a nevýhody a
vlastní potenciál zmínných alternativních zdroj energie.
3.1 Energie sluneního záení
Díky jaderným pemnám v nitru Slunce se vzniklá energie vyzauje do širokého
vesmíru. Tém všechna energie, která se dostane na zemský povrch, je práv z této hvzdy.
Uhasnutí Slunce vdci odhadují za nkolik miliard let, co pro nás v asovém mítku
znamená skoro nekoneno.
3.1.1 Historie
Mnoho lidí si me myslet, e uití solární energie je novodobou záleitostí, toto
tvrzení je ovšem pomrn daleko od pravdy. Od starovku je známo, e se dá Slunce
povaovat za zdroj energie. Ji roku 400 p. n. l. starovcí ekové a domorodí Ameriané
stavli své domy ve slunených svazích, aby vyuili teplo ze Slunce bhem dne. ímané jako
první ve svých obydlích pouívali sklenná okna, aby ve svých domech udreli teplo. Byli
také natolik vychytralí, e zkonstruovali první skleníky, ve kterých vytvoili píhodné
podmínky pro rst rostlin. [7]
3.1.2 Zpsoby získání energie ze slunce
Energii sluneního záení (solární energii) meme rozdlit na dv ásti, a to na
primární a sekundární. Primární energií slunce je na mysli vyuití sluneních paprsk, bu
Obr. 3.1.1 Prmrný roní úhrn globálního záení v R [MJ.m -2
] [G3]
- 22 -
k pemn na elektrickou energii (pímá pemna), nebo ohev vody i budov (nepímá
pemna). [8] Sekundární energií se myslí nap. vítr (viz podkapitola 3.3) zpsobený
tepelnými rozdíly, díky nmu vznikají vodní vlny (vlnové elektrárny viz podkapitola
3.2.2.1). Slunce celkov zapíiuje kolobh vody na Zemi (viz podkapitola 3.2). Slunení
záení ovlivuje i energii biomasy (viz podkapitola 3.6.1), kde svoji energii díky fotosyntéze
pemní na energii chemických vazeb v organických sloueninách. Elektinu lze získat i
chemickou cestou rozkladem vody na vodík a kyslík za psobení sluneního záení. [9]
3.1.3 Princip pímé pemny
Pomocí pímé pemny získáváme ze sluneního záení pímo elektrickou energii.
3.1.3.1 Fotovoltaická solární elektrárna
jevu pemnno pímo na elektrickou energii
pomocí polovodiové destiky. V nkterých
polovodiových prvcích (nap. Si, Ge, Se, PbS) se
mohou pi dopadu foton svtla uvolovat
elektrony. Fotovoltaický lánek je obvykle tvoen
malou destikou, na její jednu stranu jsou
pidány atomy trojmocného prvku (nap. B, Al,
Ga, In) a na druhou atomy prvku ptimocného
(nap. N, P, As, Sb). Po dopadu svtla na destiku
se záporné elektrony uvolní a na jejich míst
zstane kladná díra, eho vyuijeme tak, e po
propojení obou stran destiky se kladné díry zanou zaplovat elektrony z druhé strany
fotovoltaického lánku a dochází k pohybu elektron (vzniku elektrického proudu). Podle
zapojení sluneních lánk meme zvtšit hodnotu procházejícího proudu (paralelní
zapojení) nebo naptí (sériové zapojení). [10]
3.1.4 Princip nepímé pemny
Výstupem nepímé pemny solární energie je teplo, které me být následn
transformováno na elektinu.
Jedná se o cílen soustedné (koncentrované) smování paprsk Slunce do jediného
místa. K tomu se pouívají zrcadla speciáln navrených tvar a rozmr (tzv. heliostaty).
V míst dopadu cirkuluje tekutina (voda nebo olej), která je díky slunení energii uvedena do
varu, a vzniklá pára pohání turbínu, na kterou je napojen generátor elektrické energie. [11]
Obr. 3.1.2 Fotovoltaická elektrárna [G4]
3.1.5 Výhody a nevýhody
Slunce je v našem mítku nevyerpatelným zdrojem energie, a jeliko je jeho záení
zdarma, zajišuje nám to i nízké provozní náklady a nenáronou obsluhu. Zaízení mají
pomrn dlouhou ivotnost a velikost transformované energie me dosahovat 20 – 50 %
poteby tepelné energie pro vytápní a 50 – 70 % tepelné energie potebné k ohevu vody v
domácnosti.
Poizovací náklady jsou pomrn vysoké a kvli nestálosti sluneního záení je
poteba poídit ješt doplkový zdroj. Také je po instalaci zaízení nutné upravit topnou
soustavu a zateplit. [12]
3.1.6 Porovnání monosti vyuití slunení energie ve svt a v R
eská republika leí v mírném pásu naší planety, kam dopadá o dost menší mnoství
sluneních paprsk ne na pás tropický. V porovnání se zemmi, které se nachází okolo
rovníku, u nás svítí Slunce mnohem kratší dobu a s o dost menší intenzitou. Proto u nás
nejsou pro vyuití solární energie zrovna ideální podmínky. I kdy se u nás poslední dobou
poet solárních elektráren pomrn rozšíil, výroba elektiny pomocí fotovoltaických lánk
má stále zanedbatelný pínos.
Druhou vcí je umístní solárních elektráren, které ve vtšin procent potebují velkou
plochu pro rozmístní solárních kolektor. Dobrou moností je pokrytí oblastí s nestabilním
podloím pro stavbu budov anebo s nemoností zemdlského vyuití (nap. na skládkách).
Opakem je zástavba zemdlských ploch, kdy redukujeme poet vyuitelných míst s úrodnou
pdou.
Nejideálnjším místem pro výstavbu sluneních elektráren jsou rozlehlé poušt, které
nejsou vhodné pro obydlení. Jsou tam obrovské plochy, slunení svit zde má nejvtší sílu a
paprsky sem dopadají tém neustále. Tato místa jsou ovšem vzdálená od civilizací a je zde
problém s distribucí. V R je nejvhodnjší lokalitou jiní Morava. [13]
Obr. 3.1.3 Koncentraní elektrárna [G5]
Jaroslav Stránský
3.2 Energie vody
Energie vody je jednou z prvních pírodních energií, kterou lovk dokázal pemnit
na mechanickou práci. Díky svému neustálému kolobhu, který má na svdomí Slunce, se
vyuívá její potenciální i kinetická energie. Voda tekoucí z hor po své dlouhé cest uvoluje
svoji energii. Pijetím tepelné slunení energie se odpauje a v podob dešt nebo snení se
vrací zpt do hor, kde kolobh zaíná nanovo. Ji 600 let p. n. l. se pouívalo erpací kolo na
dopravu vody do závlahových kanál. [14] A za nkolik stovek let se voda zaala pouívat
pro transformaci energie peván pro pohon prmyslových stroj a zaízení – mlýn, pil a
hamr.
Zmna energie vodního toku na energii elektrickou probíhá díky vodním elektrárnám.
Tch je nkolik typ, zásadní princip je ovšem u všech stejný.
3.2.1.1 Historie
V roce 1882 byla ve stát Wisconsin sestrojena první vodní elektrárna, která od té
doby vzrstala na sláv a prošla mnoha konstrukními zmnami. Dnes se vodní energie
pouívá pedevším pro výrobu elektrické energie. [15]
3.2.1.2 Rozdlení
a) Podle zpsobu provozu
akumulaní – vyuívají ízený odbr vody z akumulaní nádre
Obr. 3.2.1 Moderní konstrukce
Jaroslav Stránský
pehradní a jezové – sousteují energii pomocí vzdouvacího zaízení
derivaní – voda do turbíny je odvádna pivadem (kanál, trubka, potrubí)
peerpávací (akumulaní) – v dob pebytku elektrické energie erpají vodu zpt
do horní nádre
rovnotlaké – turbína s volným odpadem vody
petlakové – se sníeným tlakem
d) Podle velikosti spádu
stedotlaké – spád v rozmezí 15 a 30 m
vysokotlaké – spád vtší ne 30 m
e) Podle velikosti výkonu
Obr. 3.2.3 Základní charakteristika turbín podle prtoku a spádu
[G8]
3.2.1.3 Princip
Pivádná voda dopadá na lopatkové kolo, pedá mu ást své energie, roztoí ho a pes
hídel se krouticí moment penese k turbín, která pomocí generátoru produkuje elektrickou
energii do sít.
vyuívají obnovitelnou energii vody, ím jsou šetrné k ivotnímu prostedí. Dále nezatují
krajinu tbou a dopravou paliv a surovin, jsou bezodpadové a relativn bezpené. V pípad
záplav mohou pomoci zmírnit hrozivé následky. V dnešní dob jsou pln automatizované, je
Obr. 3.2.4 Derivaní vodní elektrárna [G9]
Obr. 3.2.5 Nízkotlaká vodní elektrárna [G9]
Obr. 3.2.6 Vysokotlaká vodní elektrárna [G9]
Jaroslav Stránský
- 27 -
moné je ovládat na dálku a uvedení do stavu chodu i odstavení je velmi rychlé (ádov
sekundy), co je dobré pro okamité vyrovnání rozdílu mezi aktuální spotebou a výrobou
elektrické energie v síti. Jsou ovšem závislé na stabilním prtoku vody, brání bnému
ínímu provozu a náklady na výstavbu jsou vysoké. Okolí pehrady se dá velmi dobe vyuít
k rekreaním úelm a všem innostem s tím souvisejících. [16] [18]
3.2.2 Energie moí a oceán
Nejen sílu vodních tok lze energeticky vyuít. Obrovské mnoství energie se skrývá
ve vodních plochách. O zpsobech jejich vyuití se dozvíte v následujících odstavcích.
3.2.2.1 Vyuití moských vln
Díky vtru, slapovému (gravitanímu) psobení Msíce a Slunce, tokm ek a posunu
podmoských litosférických desek vznikají na hladin zemského vodstva vlny, jejich energie
dosahuje obrovské velikosti. Podle materiál firmy Wavegen by vyuití 0,1 % energetického
potenciálu oceán pokrylo více ne ptinásobek souasné poptávky energie. Princip vyuití je
jednoduchý. Kmitavý vodní sloupec pemuje energii moských vln na energii tlakovou, kdy
stlauje vzduchovou kapsu. Tlak vzduchu roztáí turbínu, která tlakovou energii transformuje
na energii mechanickou, ze které ji za pomoci generátoru není problém získat energii
elektrickou. [19] [20]
3. 2.2.2 Vyuití moského píboje
Píboj vzniká nárazem moských vln na beh a jeho síla je závislá na svislém i
vodorovném tvaru pobeí. Pi boui me píboj na skalnatém behu dosahovat i výšky 30-
50 metr. Nárazy vody zpsobují silné otesy a psobí jako píst, který nasává a vytlauje
Obr. 3.2.7 Princip funkce produkce elektrické energie pomocí vln [G10]
Elektrická energie
- 28 -
vzduch, který pohání turbínu. Princip je obdobný jako u elektráren, jen pro výrobu elektrické
energie vyuívají moských vln. [20]
3.2.2.3 Vyuití moského proudu
kinetické energie a nachází se ve všech svtových oceánech a
moích. Prozatím však není zrealizovaný ádný návrh tuto
energii vyuít. Pro píklad je vypracován projekt, díky nmu
by se v oblasti mezi mysem Heterras a Floridou v USA 30 a
130 m pod hladinou upevnily dv velké turbíny o prmru asi
170 m. Turbíny by mly dv lopatky obného kola a díky
silnému Golfskému proudu by se otáely o jednu otáku za
minutu. Tento návrh však vznáší otázku, zda by turbíny
nezpomalily rychlost Golfského proudu, co by mohlo mít
katastrofické následky pro klimatické podmínky Zem.
Pro zajímavost – Golfský proud má v tchto místech
šíku tém 100 km a kadou sekundu tudy protee
70 milión m 3 vody. Podle propot by se dalo z 1 m
3 vody
získat 0,8 kW elektrického výkonu, co se pro celkový prtok
odhaduje na 25 tisíc MW. [20]
3.2.2.4 Pílivové elektrárny
hladin mezi odlivem a pílivem, který je zpsoben
pitalivostí Slunce a Msíce a rotací Zem kolem
vlastní osy. Nejvyšší známý vodní píliv je u
Nového Skotska v USA a to o celých 20 m. [20]
Historie
pílivu a odlivu s celkovým výkonem 635 kW byla
sestrojena v roce 1913 v anglickém hrabství
Cheshire a byla pojmenovaná Dee Hydro Station.
O nkolik desítek let pozdji v roce 1966 byla
v ústí eky La Rance ve francouzské Bretani zkonstruována moderní verze, jen má se svými
24 reverzními (pracujícími v obou smrech proudní) turbínami, které pracují pi pílivu i
odlivu, instalovaný výkon 240 MW. [17]
Princip
S moem nebo oceánem je skrze trubky s reverzními turbínami spojena nádr, která se
s pílivem a odlivem vyprazduje nebo napouští (viz Obr. 3.2.10).
Další variantou pílivových elektráren je typ, který je zaloen na principu plovoucích
nebo ukotvených turbín. Turbíny jsou pohánny silou proudící vody smrem ke behu pi
pílivu a od behu bhem odlivu.
Obr. 3.2.9 Princip funkce pílivové
elektrárny druhého typu [G12]
Obr. 3.2.8 Ukázka lopatkového
Novinkou mezi transformací energie vody na energii elektrickou je vyuití principu
osmózy. Je to chemický dj, kdy se ze zednjšího roztoku kapaliny dostávají molekuly
rozpouštdla do kapaliny koncentrovanjší. Celý tento proces se dje pes polopropustnou
membránu. Pro naše úely bohat staí slaná moská a íní voda. Vzniklý tlak vytlauje
koncentrovanjší kapalinu vzhru, tedy roste její vodní sloupec. Tento sloupec me
dosáhnout a výšky 270ti metr. Vystouplá kapalina je potrubím vedena na turbínu, která je
tím roztáena. [21]
Souasný stav a plány vyuití osmózy v budoucnu
V souasné dob je tento zpsob výroby elektrické energie finann velice nároný a
výkony turbín se prozatím nedají srovnávat s výkony turbín z výroby pomocí ostatních
obnovitelných zdroj, ale v nedaleké budoucnosti to tak ji nebude a vyrobená energie
z tchto elektráren by mla nahradit 50% souasné spoteby celé Evropy.
Problémem je hlavn úinnost membrány, která by se v dob vyuití mla z aktuální
hodnoty zvýšit na ptinásobek. Za posledních dvacet let se nám úinnost podailo zvýšit
stonásobn, tudí stavba osmotických elektráren není hudbou daleké budoucnosti. Pro
bezproblémový chod 25 MW elektrárny bude poteba 5 milion m 2 polopropustné membrány
a elektrárna bude zabírat plochu jednoho fotbalového hišt. [22]
Obr. 3.2.10 Princip funkce pílivové elektrárny za pílivu a odlivu [G13]
Generátor
Turbína
- 30 -
3.2.3 Porovnání monosti vyuití vodní energie ve svt a v R
A 8 % vyrobené elektrické energie v naší zemi je získáno pomocí vodních elektráren.
Ty jsou u nás v provozu ji nkolik desítek let a nemáme monost k vybudování nových
velkých pehrad, jeliko nám to velikost našich ek neumouje. U nás mají velký význam
pro regulaci aktuální spoteby elektiny, protoe jejich výroba lze jednoduše a tém okamit
spustit i zastavit. Peerpávací elektrárny ve dne, kdy je po elektin poptávka, pracují,
v noci pi sníeném odbru ze sít vodu zptn peerpávají do horních nádrí, ani by
omezovaly distribuní sí.
Mezi nejvtší akumulaní výrobce energie u nás patí elektrárny na vltavských
pehradách Lipno, Orlík a Slapy. Do budoucna se mohou dostavt pouze malé vodní
elektrárny na menších tocích anebo díky rekonstrukcím stávajících turbín docílit navýšení
jejich výkonu.
Elektrárny vyuívající vodní energii jsou v provozu na celém svt. Nejvhodnjším
umístním jsou velké toky. Souasná nejvtší hydroelektrárna se nachází na pehrad Ti
soutsky v ín, její výkon je 22 500 MW, co je 30krát více ne výkon tí nejvtších
vltavských elektráren dohromady. [13] [23]
Obr. 3.2.1.1 Princip osmotické elektrárny [G14]
Elektina
Elektina
Turbína
Membrána
3.3 Energie vtru
Vítr je vlastn volný pohyb vzduchu, který je zpsoben rozdílnými tlaky v atmosfée.
Další píinou vzniku vtru je rotace Zem a teplotní rozdíly rzných oblastí atmosféry.
Vtrnou energii meme vyuít na celé naší planet, protoe vítr se vyskytuje všude a na
rozdíl od energie slunení se dá vyuít i v noci. Vtrné elektrárny by se mly stavt na
otevených místech, aby výkon proudní nesniovaly vtrné víry, které mohou být zpsobeny
budovami nebo stromy.
3.3.1 Vtrné elektrárny
pemují sílu proudní vtru na mechanickou a následn
elektrickou energii.
3.3.1.1 Historie
U tisíc let p. n. l. byla primitivními národy energie
vtru vyuívána pro pohon plachetnic a pro roztoení
rotor vtrných mlýn, jimi se mlely obiloviny. Postupem
asu lidé vtrné mlýny zdokonalovali a zaali je pouívat i
pro erpání vody.
pochází ze 13. století. Vtrník se údajn nacházel na
zahrad Strahovského kláštera. Na pelomu let 1887 a 1888
sestrojil první automatickou vtrnou turbínu Amerian
Charles F. Brush. Postavena byla v Clevelandu a její
regulace byla doešena a po tém sto letech.
V souasnosti jsou vhodné tvary lopatek testovány v laboratoích, aby mly co nejlepší
aerodynamický tvar. [24]
na podzim v 70 m nad zemí [m/s] [G15]
Obr. 3.3.2 Vtrné kolo
pro erpání vody [G16]
o vertikální
o horizontální
o stední VE – od 60 do 750 kW
o velké VE – 750 kW výše
3.3.1.3 Princip
Princip pemny energií je tém totoný s principem pemny u vodních elektráren,
tady ovšem k roztoení rotoru, a tím i generátoru, není voda, nýbr vítr. Podle vzorce pro
výpoet výkonu vtrné elektrárny (viz Vz. 1) je zejmé, e pi vyšší rychlosti vtru nebo vtší
délce list lze dosáhnout vyšších otáek, ím se nám zvýší i vyrobená energie dodávaná do
rozvodných sítí.
3.3.1.4 Výhody a nevýhody
Nespornou výhodou vtrné energie je fakt, e bhem svého provozu elektrárny do
ovzduší neuvolují ádné skleníkové plyny, tudí vbec nepispívá ke globální zmn
klimatu. Oproti fosilním palivm, která se spalují v tepelných elektrárnách, je tato energie
zdarma a meme z ní erpat neomezen. V pípad havárie nehrozí zamoení okolí jako
v pípad havárie jaderné elektrárny. Pomocí moderního meteorologického vybavení
dokáeme pro blízkou budoucnost dobe pedpovdt lokalitu a sílu vtru. Nejnovjší typy
strojoven mohou pracovat bez mechanické pevodovky, která by zpsobovala hluk.
Obr. 3.3.3 a 3.3.4 Typy rotor s vertikální osou rotace [G17] [G18] Obr. 3.3.5 PowerBall [G17]
Vz. 1 Vzorec pro výpoet výkonu vtrné elektrárny
P – výkon [W], cp – souinitel výkonnosti [-], ρ – hustota vzduchu [kg/m 3 ],
v – rychlost vtru [m/s], D – prmr rotoru [m]
Jaroslav Stránský
- 33 -
Všechna pro mají svá proti a nevyhnul se jim ani tento obnovitelný zdroj. Jedním
z nejvtších záporných vliv je negativní dopad na krajinný ráz, tedy na krásné pírodní
scenérie, na které ji nebude tak píjemný pohled, kdy nad stromy budou vystupující stoáry.
Hluk, který me být produkován, nemusí být ani pouhým uchem slyšitelný, protoe je na
hranici infrazvuku. Tato skutenost me zapíinit pi dlouhodobjším vystavení vzrst
hodnoty krevního tlaku, poškození srdce, sníení imunity organismu, chronickou únavu a
nespavost. V zimním období je okolí ohroováno odpadávajícími kusy ledu z list rotoru.
V nkterých pípadech mohou vtrné elektrárny rušit signál radar a televizních stanic. Pro
ptactvo jedna a dv elektrárny nepedstavují nijak vysoké riziko, to se však mnohonásobn
zvýší v oblastech, kde budou vybudovány tzv. vtrné farmy. [25] [26] [27]
Obr. 3.3.6 ásti vtrné elektrárny
1 – lopatka, 2 – smrové kormidlo, 3 – idla rychlosti a smru vtru, 4 – stator generátoru,
5 – rotor generátoru, 6 – nosná v, 7 – natáení lopatek, 8 – hlavní loiska [G19]
Obr. 3.3.7 Vtrná farma [G20]
Jaroslav Stránský
- 34 -
3.3.2 Porovnání monosti vyuití vtrné energie ve svt a v R
Provoz vtrných elektráren je závislý na povtrnostních podmínkách – stálosti
proudní a síle vtru. Proto se vysoké stoáry s rotory umisují do oblastí s vyšší nadmoskou
výškou, kde je vtrnji. V naší zemi se jako ideální místo pro výstavbu jeví eskomoravská
vrchovina, Krušné hory, Krkonoše a Jeseníky. Pedevším do rozvodné sít se odvádí elektina
vyrobená vtrnými elektrárnami.
V posledních letech v R poet elektráren vzrostl kvli státní podpoe – dotováním
výkupní ceny. Je mnoho projekt na výstavbu, ale je nejisté, zda budou zrealizovány.
Dvodem není výbr vhodné lokality, ale odsouhlasení stavby práv v tchto místech, kdy
výstavbu neodsouhlasí místní obyvatelé.
V Krušných horách se nachází nejvtší vtrná elektrárna u nás u obce Kryštofovy
Hamry. Celkový instalovaný výkon je 42 MW. Svtové prvenství má texaská vtrná farma
Roscoe, která má výkon 781,5 MW.
3.4 Geotermální energie
podporována rozkladem nkterých
vzniku planety, dá se o ní hovoit jako o
nejstarší energii Zem. Podstatou vyuití
geotermální energie je pemna tepelné
energie zemského jádra, která se projevuje na
hranicích litosférických desek v podob
sopené innosti, horkých pramen a gejzír,
na energii elektrickou nebo k vytápní.
V tomto pípad nelze zcela zaadit
geotermální energii mezi zdroje obnovitelné,
na nkterých místech mají vrty zásoby energie ádov pouze na desítky let. Místy je rozdíl
teplot na jeden kilometr hloubky a 55 °C. [28]
3.4.1 Historie
Ji ve starém ím byla pírodní vídla vyuívána k vyhívání mstských lázní. Tato
vymoenost se pozdji dostala do celého svta od Japonska pes Francii a do Anglie. První
prmyslové vyuití probhlo v Itálii v roce 1827, kdy byla pedehátá pára pouita k výrob
kyseliny borité. Na Islandu se teplá voda vyuívá k vytápní skleník od roku 1888, v roce
1928 zaalo být celé hlavní msto zásobeno teplem z geotermálního zdroje. Roku 1912 byl
sestrojen první generátor, který vyuíval energii Zem. [29] I kdy je stavba geotermální
elektrárny ptkrát nákladnjší ne stavba elektrárny jaderné, energetici s nimi mají ješt velké
plány. S geotermální energií blízce souvisí moderní pouití tepelných erpadel (viz
podkapitola 3.5).
Jaroslav Stránský
Aktuáln se geotermální energie získává temi zpsoby [30]:
a) systém suché páry – Je to nejjednodušší
zpsob pemny, kdy na uritých místech ze Zem
unikající velá pára je odvádna pímo na lopatky
turbíny, která roztáí generátor, a vyrábí tak
elektrickou energii. Zkondenzovaná pára se odvádí
zpt do blízkosti magmatického pole.
b) systém mokré páry – Tento v moderních
geotermálních elektrárnách nejastji pouívaný typ
pemny vyuívá velou vodu, která má v hlubinách
Zem za vysokého tlaku teplotu od 180 do 350 °C.
Voda je potrubím pivádna na povrch a po prbném
sniování tlaku se voda mní v páru, jen roztáí
turbínu. Nepouitá voda se odvádí do nádrí, které
opt zásobují zptnovazebn vrt.
kde je tlak a teplota podzemní vody menší, se pouívá
práv tento zpsob. Teplá voda z nitra Zem pouze
ohívá jiné médium, které má zpravidla niší bod varu.
Toto médium se po zahátí mní v páru a roztáí
turbínu. Jako vhodný typ média je povaován nap. propan i isobutan, tyto látky jsou ovšem
výbušné, a proto musí být na prvním míst zabezpeení. Do budoucna se poítá nejvíce
s geotermálními elektrárnami na práv tento typ pemny.
d) systém horké suché skály – Tento zpsob je prozatím pouze teoretický. Spoívá
v tom, e jsme schopni vyuít teplo Zem, i kdy se v podzemí nenachází ádná voda. Zaprvé
se provede vrt, v urité hloubce se bu tlakem vody, nebo odstelem vytvoí dutina, do které
je z povrchu erpána voda, jen se zde oheje a s vyšší teplotou je odvádna zpt na povrch,
kde se me pouít k vytápní, nebo k vytvoení páry podle pedchozího typu pemny.
e) pouití tepelného erpadla – viz podkapitola 3.5
Obr. 3.4.2 Princip funkce
- 36 -
3.4.3 Porovnání monosti vyuití geotermální energie ve svt a v R
Nejen na okrajích pevninských desek se dá vyuít geotermální energii. Teplo ze
zemského stedu je na kadém míst naší planety. Co se liší, je akorát hloubka a intenzita
dostupného zdroje. I v naší zemi jsou teplé prameny, které meme zpracovat. Podle mapy
tepelného toku pod povrchem eské republiky patí mezi nejvhodnjší kandidáty umístní
zaízení pro vyuití geotermální energie severozápadní pás okolo pohranií. Napíklad v Ústí
nad Labem je teplem z geotermálního vrtu zásobena místní zoologická zahrada. [31]
Nejvhodnjší místa pro vybudování elektrárny jsou mnohdy na velmi nestabilních
místech se silnou seismickou aktivitou. Ve svt se mezi místa s nejvtším potenciálem pro
Obr. 3.4.3 Princip binárního systému [G23]
Turbína Generátor Spotebi
Jaroslav Stránský
- 37 -
vyuití geotermální energie povauje oblast „Ohnivého kruhu“ („Ring of Fire“ viz Obr.
3.4.5). Island jakoto vulkanický ostrov má podíl na výrob elektiny z geotermálního zdroje
pes 25 %. Do budoucna meme zcela jist poítat s nárstem geotermálních elektráren
v místech, která jsou k tomuto píznivá.
3.5 Tepelná erpadla
V posledních letech se na našem trhu ím dál více
zaalo hovoit o tepelných erpadlech, monostech jejich
vyuití a o moné úspoe energie pi jejich provozu. Jsou
to zaízení, která vyuívají energii zem, vody a
vzduchu. Meme je vyuít pro vytápní nebo ohev
vody. V souasnosti je tepelným erpadlem vybavena
zhruba kadá desátá novostavba.
termodynamickou vtou základní myšlenku principu
tepelného erpadla Lord Kelvin. Americký vynálezce
Robert C. Webber sestrojil první tepelné erpadlo na konci tyicátých let 20. století, kdy se
pi pokusech s hlubokým zamrazováním dotkl výstupního potrubí mrazícího zaízení a popálil
se. [32]
3.5.2 Rozdlení
U názvu tepelného erpadla se udává i jeho typ, ped lomítkem je napsané, odkud se
bere teplo, a za lomítkem do jakého teplosmnného média je teplo pedáváno.
Obr. 3.4.5 Nejvýhodnjší oblasti pro vyuití geotermální energie na svt
– oblast Ohnivého kruhu [G25]
Jaroslav Stránský
- 38 -
Rozlišujeme je na základní tyi typy podle zdroje a cíle pedání tepla [33]:
a) zem/voda – Odebírat teplo ze zem lze v tomto pípad temi zpsoby, a to:
o plochou (viz Obr. 3.5.2) – Pod plochou zahrady jsou uloeny hadice s chladidlem, které
penáší teplo mezi zemí a tepelným erpadlem, tento zpsob je pomrn levný a má nízké
provozní náklady, je ovšem poteba dostaten velká plocha, uvádí se 200 – 400 m 2 .
o vrtem (viz Obr. 3.5.3) – Teplo je odebíráno z hloubky pod povrchem zahrady, vrty bývají
hluboké obvykle 80 – 150 m, pro vtší efektivnost se vrt dlá více. Draší poizovací
náklady a nutnost stavebního povolení vynahradí nízké náklady provozní a monost
chlazení objektu v teplých msících.
o vodní plochou (viz Obr. 3.5.4) – Plastové hadice naplnné nemrznoucí kapalinou jsou
uloeny na dn rybníka nebo jiné vodní plochy. Nízké poizovací i provozní náklady,
nutnost mít objekt blízko vody a mít povolení od správce povodí.
Obr. 3.5.3 Zem/voda vrtem [G27] Obr. 3.5.2 Zem/voda plochou [G27]
Obr. 3.5.4 Plastové hadice na dn rybníka [G28]
Jaroslav Stránský
- 39 -
b) voda/voda – Zdrojem tepla je podzemní nebo geotermální voda, která je obvykle
erpána ze studny do výmníku a následn vrácena zpt. Nízké vstupní i provozní náklady,
pouze v místech s dostatkem podzemní vody, vyaduje pravidelnou údrbu.
c) vzduch/voda – Okolní vzduch je nasáván pímo do tepelného erpadla, získané teplo
je vyuívané pro ohev vody v topení nebo bojleru. Vhodné pro vytápní bazénu, krátká
ivotnost a niší úinnost v chladných msících.
d) vzduch/vzduch – Obdobný princip jako u typu vzduch/voda, akorát je získané teplo
vyuito pímo pro ohev vzduchu uvnit budovy. Jednoduchá a rychlá instalace, jednotka lze
doplnit klimatizací i ištním vzduchu.
3.5.3 Princip
Tepelná erpadla pracují na obdobném principu jako chladící zaízení (obrácený
Carnotv cyklus, nap. lednice), kdy od okolního prostedí (voda, zem, vzduch) odebírají a
do chladícího média, které koluje celým okruhem, uchovávají teplo. Pomocí kompresoru je
chladící médium stlaeno a dle fyzikálního principu komprese vzroste i jeho teplota, která je
ve výmníku odevzdána a samotné chladivo zkondenzované putuje zpt pro další ohátí. [34]
3.5.4 Porovnání monosti vyuití tepelných erpadel ve svt a v R
Rokem 2000 u nás odstartoval boom s instalacemi tepelných erpadel. Vyuitím
tepelné energie Zem a levným provozem jsou dobrými zdroji energie, ovšem poizovací cena
Obr. 3.5.5 Princip funkce tepelného erpadla [G29]
Tepelný výmník
- 40 -
je stále natolik vysoká, e mnoho lidí od koup odradí. V pípad lepšího dotování státem
vím, e se u nás tepelná erpadla nikoliv závratn, ale rozšíí.
3.6 Energie spalování
Spalování neboli oxidace je chemický dj, pi kterém se mní vnitní energie paliva na
energii tepelnou. V této podkapitole se budu snait piblíit dva ím dál astji vyuívané
zpsoby spalování.
Prvním zpsobem je spalování biomasy, tedy organické hmoty ivoišného i
rostlinného pvodu (devo a devní odpad, sláma a ostatní zemdlské zbytky vetn kejdy a
tuhých výkal, energeticky vyuitelný tídný odpad komunální odpad, cílen pstované
rostliny a deviny).
3.6.1.1 Rozdlení biomasy [35]
a) podle obsahu vody
o suchá – lze ji spalovat pímo nebo po mírném vysušení, patí sem devo, sláma a jejich
odpady
o mokrá – nelze spalovat pímo, pouívá se pedevším pro výrobu bioplynu, do této
skupiny spadá kejda, hnj, movka
o speciální – vyuití pro získání bionafty nebo bioetanolu, jsou zde zahrnuté cukernaté a
škrobové plodiny a olejniny
Obr. 3.6.1 Monosti vyuití deva a devního odpadu pro spalování [G30]
Jaroslav Stránský
o odpadní
rostlinné odpady – sláma, seno, odpady ze sad, vinic a údrby zelen a travnatých
ploch
lesní odpady – paezy, koeny, vtv, špiky strom, šišky a kra
prmyslové odpady – z devaských provozoven, cukrovar, jatek, mlékáren,
lihovar a konzerváren
komunální odpady – kaly, organický tuhý komunální odpad
o cílen pstovaná – energetické plodiny
lignocelulózové – deviny (vrby, topoly, olše, akáty), obiloviny (celé rostliny), travní
porosty (sloní tráva, chrastice, trvalé travní porosty), ostatní rostliny (konopí seté,
irok, kídlatka, šovík krmný, sléz topolovka)
olejnaté – epka olejná, slunenice, len, semeno dýn
škrobo-cukernaté – brambory, cukrová epa, obilí (zrno), topinambur, cukrová ttina,
kukuice
Obr. 4.6.2 Popis zaízení pro nepímý zpsob získání energie
1 - odvod bioplynu, 2 - pepad kalu, 3 - zásobník odplynné kejdy, 4 - nová sbrná nádr,
5 - kalové erpadlo, 6 - plynojem, 7 - vodní uzávr, 8 - pipojení ke stávajícímu dálkovému
vytápní, 9 - teplo z kogeneraní jednotky, 10 - kogeneraní jednotka, 11 - dmychadlo,
12 - elektina z kogeneraní jednotky [G31]
Jaroslav Stránský
Energii z biomasy meme získat dvma zpsoby [36]:
a) pímo - Prosté spalování, kdy v kotli nebo njakém jiném spalovacím zaízení hoí
pímo biomasa (pouívá se pro suchou), vzniklé teplo je pomocí ohívaného teplonosného
média v sekundárním obhu vyuito bu pro výrobu elektrické energie, nebo pro vytápní,
odpad z hoení se dá pouít jako kvalitní hnojivo.
b) nepímo – Výroba paliv a zpracování na plynné nebo kapalné produkty (biopaliva).
Biomasa uskladnná ve vzduchotsných nádrích je zahívána na uritou teplotu (podle druhu
pítomných bakterií – psychrofilní 15-20 °C, mezofilní 37-43 °C, termofilní 55 °C), kdy se
dosahuje nejvtší výkonnosti daných bakterií. Psobením tepla se z biomasy uvolují nebo
získávají rzné látky (suchá biomasa – devoplyn, mokrá biomasa – bioplyn, speciální
biomasa – bionafta, líh), které mají další vyuití. Vzniklé plyny se mohou bu spalovat za
dostateného písunu kyslíku, a tím tak svoji energii uvolnit a pedat dále, nebo se mohou
uchovat v plynojemech jako zásoba pro budoucí pouití.
3.6.1.3 Výhody a nevýhody
Jako nejvtší plus pro ochranu ivotního prostedí je skutenost, e spalování biomasy
nepispívá ke zhoršování skleníkového efektu. Dalšími výhodami je vyuití odpadu, kdy se
nemusí ešit jeho skladování a likvidace, a ekonomicky úsporné vytápní rodinných dom.
Zaízení ke spalování má vysoké nároky na obsluhu, kvli skladování vtšího
mnoství do zásoby zabereme velký prostor a vhodné umístní zaízení se musí stanovit na
základ kompromisu výskytu biomasy (znané náklady na dopravu) a oblasti, kde jsou
potenciální spotebitelé tepla.
Palivo MJ/kg (m2)
erné uhlí 25
hndé uhlí 13
zemní plyn 35
uskladnné biomasy.
Tab. 2 Porovnání energetické vyuitelnosti fosilních paliv a paliv z biomasy
Jaroslav Stránský
3.6.2.1 Rozdlení biopaliv
Podle skupenství [37]:
a) pevné – mechanickou pemnou deva, slámy a sena vzniknou - polena, štpka,
brikety, pelety, piliny
mechanicko-chemickými (lisování, esterifikace) dji meme získat – bioetanol,
biometanol, butanol, rostlinné oleje, bionaftu
c) plynné – za psobení pyrolýzy, zplyování a anaerobního (bez pístupu kyslíku)
vyhnívání dostáváme – bioplyn a devoplyn
3.6.2.2 Pouití jednotlivých biopaliv
Pevná biopaliva jsou spalována v kotlích, kde uvolnné teplo z hoení pedává svoji
energii a mní se bu v energii elektrickou, nebo se dá vyuít k vytápní budov. Bioetanol,
butanol a bionaftu lze vyuít pro pohon motorových vozidel. Biooleje je moné pouít
v motorech naftových. [38]
3.6.3 Spalování komunálního odpadu
Se zvyšujícím se nárstem obyvatel naší planety samozejm vzrstá i mnoství námi
vyprodukovaného komunálního odpadu (u nás 300 kg na osobu za rok – nejmén z celé
evropské unie), jeho uskladování na místech k tomu urených – skládkách, je do budoucna
nemyslitelné. Proto vznikla myšlenka pokusit se tento odpad njak vyuít.
Obr. 3.6.3 Monosti vyuití biomasy [G31]
Jaroslav Stránský
výborn a navíc mají z energetického
hlediska velký význam. Meme si
vybrat ze dvou variant – bu komunální
odpad skladovat, dále tit fosilní paliva
a zneišovat si ivotní prostedí, anebo
komunální odpad tepeln zpracovat,
pomrn významn odlehit
„drancování“ naší planety.
Výhevnost komunálního odpadu je na srovnatelné úrovni s výhevností hndého uhlí,
take jej meme pouít jako ástenou uhelnou náhradu. Nejen, e spalováním získáme
teplo, elektrickou energii a další pouitelné materiály, ale objem skladovaného odpadu klesne
a na 10%, co prodlouí ivotnost skládek na desetinásobek.
Kdy se ekne spalování, mnoho lidí na to reaguje negativn kvli údajnému niení
ovzduší. Je to ovšem nedostatenou informovaností o problematice, protoe emisní limity pro
spalovny jsou velmi písné, neustále kontrolované a pi jejich nedodrování musí být chod
spalovny okamit ukonen. Asi nejvíce se hlídá produkce karcinogenních dioxin, které se
uvolují pi kadém hoení. Paradoxem je, e jeden vtší novoroní ohostroj do atmosféry
vypustí dioxin více, ne spalovna komunálního odpadu za jeden rok. To ovšem nikdo neví,
take budou spalovny nadále mezi širokou adou obyvatel brány jako nco, co ivotnímu
prostedí škodí. [39]
Z jednoho kontejneru lze získat energii, která by postaila na 100 hodin sledování TV
anebo která by zajistila 30 osprchování teplou vodou.
3.6.3.1 Výrobní proces a princip získání energie
Prvotní fáze celého procesu je svoz odpadu do shromaovacího bunkru, odkud se
pomocí speciálního jeábu odpad transportuje do ohništ kotle. Smsný odpad hoí sám, ale
hoení me podporovat tryskami pivádný kyslík nebo zemní plyn. Vyhoelý materiál spadá
z roštu ohništ do vodní lázn, kde se ochladí. Dále pokrauje v podob škváry na oddlovací
linku, kde z ní vyseparujeme neelezné kovy a elezo, které se odváí do hutí k dalšímu
zpracování. Další ást se me po úprav pouít napíklad jako stavební materiál a zbytek
míí na skládku. Vtší a komplikovanjší je to s ištním spalin a popelu. Oba tyto produkty
hoení procházejí pes nkolik filtr a vodní láze, aby se emise plyn dostaly pod rozumnou
hodnotu stanovených limit.
Jako druhotný produkt lze ze spalin a popílku získat urité mnoství tkých kov,
které se po recyklaci dají optovn vyuít. Za kotlem je samozejm umístn okruh
s teplonosným médiem, které po pemn na páru pohání parní turbínu a ohívá další okruh,
kde se ohívá voda a uívá se pro vytápní.
Obr. 3.6.4 Skládka komunálního odpadu [G32]
Jaroslav Stránský
tuhé látky 10 10 0,004
organický dusík 10 10 0,01
SO2 50 50 3
NO2 200 200 137
CO 100 100 6
HCl 10 10 0,7
HF 2 2 0,52
PCDD/PCDF 0,1 0,1 0,036
Hg 0,05 0,05 0,01
Cd 0,05 0,05 0,012
ostatní tké kovy 0,5 0,5 0,053
3.6.3.2 Spalovny komunálního odpadu v R
V naší zemi se spalovny nachází prozatím na tech místech – v Praze, Brn a Liberci.
Nejvtší kapacitu 310 000 tun komunálního odpadu za rok má praská spalovna ZEVO
v Malešicích zaloená roku 1998, následuje brnnská SAKO (Spalovna a komunální odpady)
s kapacitou 240 000 tun provozovaná ji od roku 1904 a liberecká Termizo s kapacitou
96 000 tun komunálního odpadu ron, která byla uvedena do provozu v roce 1999. [40] [41]
[42]
3.6.3.3 Úspora neobnovitelných fosilních paliv
ZEVO Malešice – 210 000 tun zpracovaného odpadu ron = 130 000 tun hndého
uhlí nebo 80 000 tun erného uhlí [40]
SAKO Brno – 89 000 tun odpadu = 21 000 tun topného oleje nebo 24 500 000 m 3
zemního plynu nebo 31 000 tun erného koksovatelného uhlí [41]
Termizo Liberec – 93 500 tun odpadu = 22 200 000 m 3 zemního plynu nebo 28 000
tun erného uhlí nebo 19 000 tun mazutu [42]
Podle výše uvedených hodnot je patrné, e se vyuitím komunálního odpadu výrazn
ušetí na tb neobnovitelných zdroj.
Tab. 3 Emisní limity spaloven v R, EU a skutené hodnoty namené v liberecké
spalovn komunálního odpadu Termizo [G33]
Jaroslav Stránský
- 46 -
3.6.4 Porovnání monosti vyuití energie hoení ve svt a v R
eští vdci se domnívají, e práv energie z biomasy je pro naši zemi nejlepším
moným alternativním zdrojem energie, protoe nemáme velké vodní toky, vyuití vtru se dá
jen v nkolika málo lokalitách a naše zem se nenachází ani nad ádným kvalitním zdrojem
geotermální energie. Monost bezproblémové stability dodávek tuto skutenost pouze
potvrzuje.
Svtová produkce biomasy je 3,5krát vyšší, ne dokáeme pro výrobu elektiny
spotebovat. Proto je na míst oekávat navýšení potu zaízení spalujících tento druh paliva.
V R máme prozatím ti spalovny komunálního odpadu, kde celková roní úspora
spoteby fosilních paliv dosahuje 139 000 tun erného uhlí. Hodnota je to pomrn vysoká a
je zejmé, e tento zpsob vyuití odpadu je pro lidstvo mnohostrann výhodný.
V pokroilém stádiu pípravy jsou u nás ti nové spalovny – v Karviné, Plzni a Komoanech.
Další spalovna by mla být v budoucnu vybudována na Vysoin. [23]
Celosvtov se tímto zpsobem odpad recykluje peván v Evrop (nejvíce
v Lucembursku a Švýcarsku – 80 % odpadu), Japonsku (75 % odpadu) a USA (15 % odpadu).
Celkov se spaluje mén ne 5 % odpadu. V Evrop naplánována výstavba dalších 60 - 80
spaloven. [43]
Získání energie díky pemn atomových jader moná nelze povaovat za obnovitelný
zdroj energie, s jejím obrovským potenciálem však meme s touto energií poítat na dlouhé
desítky i stovky let. U nás je výroba jaderné energie v porovnání s ostatními elektrárnami na
druhém míst a lze pedpokládat, e její tendence bude stoupat. Celosvtov je na toto téma
brán velký zetel, ne pouze z hlediska energetického, ale i z moného zneuití této energie ve
vojenských technologiích ve spojitosti se zbranmi hromadného niení. Dokonalým
Obr. 3.6.6 Schéma provozu spalovny [G34]
Jaroslav Stránský
- 47 -
píkladem je svrení atomových pum na msta Nagasaki a Hirošima v roce 1945, kdy pi
soutu mrtvých, kteí zemeli okamit, a tch, kteí zemeli postupn na následky ozáení,
docházíme ke smutným statisícovým íslm.
3.7.1 Historie
V roce 1938 probhl první pokus o rozštpení uranového jádra. Podailo se to
berlínskému radiochemikovi Ottovi Hahnovi a jeho dvma kolegm. Byl to impulz k zaátku
vývoje jaderné pumy, která se v USA v projektu Manhattan zaala konstruovat roku 1942.
Tého roku byl na chicagské univerzit do provozu uveden i první jaderný reaktor s ízenou
rychlostí štpení. V roce 1945 byly atomové pumy svreny na ji zmínná msta Hirošimu a
Nagasaki.
První jaderná elektrárna, která vyrábla elektrickou energii a následn ji distribuovala
do veejné sít, byla spuštna v tehdejším Sovtském svazu ve mst Obninsk nedaleko
Moskvy v roce 1954. Roku 1986 v ukrajinské elektrárn ernobyl vybuchuje 4. blok reaktoru
a tato havárie po sob zanechává následky a do dnešních dn. V eské republice máme
jaderné elektrárny dv – JE Dukovany (spuštno 1985) a JE Temelín (2002). Souasná
nejvtší elektrárna vyuívající rozpadu atomových jader se nachází v japonském mst
Kašiwazaki, má 7 reaktor a instalovaný výkon je nco málo pes 8000 MW. [44] [45]
Obr. 3.7.1 Graf porovnání vývoje produkce elektrické
energie v rzných druzích elektráren v eské republice podle SÚ [G35]
Jaroslav Stránský
energií uvolnnou pi chemických reakcích. Existují dva zpsoby (dv reakce), jak lze získat
jadernou energii – proces štpení jader nebo proces na základ syntézy jader. Reaktory
v provozu vyuívají první zpsob, druhý zpsob se pouívá spíše pouze pro experimenty.
Jaderné štpení – Nejvhodnjším prvkem je izotop uranu ( ).
Jádro atomu je ostelováno neutrony, rozkmitá se a stane se nestabilním. Neutron dodá tolik
energie, e se jádro rozdlí na dva další prvky, nkolik dalších rychlých neutron a tepelnou
energii. Rychlé neutrony musí být zpomaleny moderátorem, šíí se dál a štpí další jádra. Jako
moderátor se pouívá obyejná voda, tká voda anebo grafit.
Syntéza (fúze) jader – Nejjednodušší je spojení dvou jader vodíku.
Spojením dvou jader lehkých prvk dostaneme jádro prvku tšího. V našich podmínkách na
Zemi lze pedpokládat vyuití syntézy u reakce spojení jader deuteria a tritia (izotopy
vodíku).
K pekonání velkých odpudivých elektrostatických sil mezi jádry musíme jádrm
dodat uritou kinetickou energii, kterou jim dodáme jejich zahátím na teplotu 10 6 a 10
8 K.
Tato reakce v ízené form je prozatím ve stádiu výzkumu.
Obr. 3.7.2 Princip štpné jaderné reakce [G36]
Neutron
nestabilním Jádro se
Jaroslav Stránský
reaktoru. Úspšnost štpení jádra uranu se zvtšuje se
sniující rychlostí ostelujících neutron. O to se stará,
jak ji bylo zmínno, moderátor, který obklopuje
palivové tye. Dále se v reaktoru nachází regulaní
tye, které pohlcují rychlé neutrony, a díky nim lze
ovládat jeho výkon. Pro pípad selhání obsluhy
regulaních tyí jsou v reaktoru umístny i tye
bezpenostní. Ty se pi zjištní jakéhokoliv problému
samy spustí do aktivní zóny reaktoru (místo, kde
probíhá proces štpení) a na podobném principu,
kterým pracuje moderátor, peruší štpnou reakci
pohlcením neutron. Celý jaderný reaktor je v nkolik
metr silném elezobetonovém obale. V aktivní zón
proudí voda, která se teplem ohívá. Ta bu ohívá
vodu v sekundárním okruhu, nebo sama v podob páry
pohání parní turbínu. [46]
3.7.4 Jaderné palivo
Po nkolika letech se pouité palivo vymní za nové a uloí se do meziskladu na
nkolik dalších desítek let. Jen 3% z onoho odpadu tvoí skutený odpad, zbytek me být po
úprav znovu pouit jako palivo, tato úprava je však velmi nároná jak finann, tak
technologicky. Po nkolikaleté pauze se palivo ukládá do hlubinných sklad.
3.7.5 Jaderná energie v R
V kvtnu roku 1985 byl spuštn v Dukovanech první blok, o 17 let pozdji byl do
provozu uveden Temelín. V souasné dob v Dukovanech pracují 4 reaktory o celkovém
výkonu 1880 MW, co pokrývá 20% spoteby elektiny R. V Temelín jsou instalovány
pouze dva bloky, ovšem mnohem výkonnjší – celkový výkon je 2000 MW. [47]
Obr. 3.7.4 Princip ízení výkonu reaktoru
a - mimo provoz, b - poloviní výkon, c - plný výkon, d - bezpenostní zastavení [G38]
Obr. 3.7.3 Schéma
reaktoru zjednodušené [G37]
Obr. 3.7.5 Schéma reaktoru podrobnjší
1 – regulaní tye, 2 – víko reaktoru, 3 – pláš reaktoru, 4 – vstupní a výstupní trysky,
5 – nádr reaktoru, 6 – aktivní zóna reaktoru, 7 – palivové tye [G38]
Jaroslav Stránský
které se mní chemická energie na energii
elektrickou. Obsahuje dv elektrody a elektrolyt.
Na anodu je pivádno palivo a na katodu
okysliovadlo. Jako palivo se pouívá vodík nebo
jeho chemické sloueniny (uhlovodíky, alkoholy).
Mezi nejbnjší okysliovadlo patí kyslík (istý,
anebo ve form smsi – vzduch) nebo jiná
okysliovadla (chlór, oxid chloriitý). Anoda
z paliva odpoutá volné elektrony, které pi pohybu
smrem ke katod dají vzniku elektrického naptí.
Katoda z pivádjícího okysliovadla odebírá
atomy kyslíku, které se spojí s atomy vodíku, které
pes elektrolyt vyslala anoda. Spojí se v molekulu
vody, která je výstupním prvkem celého
chemického procesu. Kdy se na celou reakci
podíváte (vstupní je vodík a kyslík, výstupní voda
a elektina), lze íci, e je to vlastn opaný proces
elektrolýzy (vstupuje voda a energie, vystupuje vodík a kyslík). Úinnost je v porovnání
s ostatními zdroji energie velmi vysoká, protoe ji nesniují ádné kinematické leny,
pohybuje se okolo 60 %. Kdy se vyuije i vzniklá tepelná energie, úinnost roste k 80 %. Pro
srovnání – spalovací motor má úinnost mezi 30-40 %. [48]
3.8.1 Historie
V roce 1838 pišel na princip palivového lánku Friedrich Schönbeinem. Po více ne
sto letech (1959) svtlo svta spatil první pouitelný prototyp o výkonu 5 kW, zkonstruoval
ho Francis Thomas Bacon. Ve dvacátém století je pouit ve vesmírné lodi Apollo. Ped pár
lety Ameriané ve spolupráci s ínou pedstavili na trhu penosný palivový lánek o výkonu
a 50 W, vybavený zásuvkou 110 V a nkolika USB porty s naptím 5 V. Nabízí se k uití
jako rezervní zdroj. Do budoucna se s palivovými lánky poítá jako s hlavním pohonem
dopravních prostedk. [49]
3.8.2 Typy
lánky se rozdlují dle typu elektrolytu a provozní teploty. Uvedu zde jen nkolik málo
nejperspektivnjších: [50] [51]
AFC – alkalický palivový lánek – nízkoteplotní, elektrolyt KOH nebo NaOH, byly uity v
Apollu
dostupný
MCFC – lánek s roztavenými uhliitany – vysokoteplotní, elektrolyt sms lithia, draslíku a
sodíku, pi startu potebuje dodat tepelnou energii, co sniuje jeho úinnost (monost vyuití
v kogeneraních jednotkách a elektrárnách), ji komern dostupný
Obr. 3.8.1 Princip palivového lánku [G39]
Jaroslav Stránský
3.8.3 Výhody a nevýhody
Vysoká úinnost, velmi nízké emise, tém nehluný provoz a rznorodost paliv mají
navrch nad vysokými poizovacími náklady a prozatím nedlouhou ivotností. [49]
3.9 Vodík
Vodík patí mezi prvky, které se vyskytují v celém známém vesmíru, u nás na Zemi je
tetím nejrozšíenjším prvkem. Je to bezbarvý plyn bez chuti a zápachu a známe ho
pedevším ve sloueninách. Pouíváme ho jako redukní inidlo v chemických reakcích,
k plnní balon, spolu s kyslíkem se pouívá ke svaování. Po jeho spálení se neuvolují
ádné pro pírodu nezdravé plyny, ale pouze obyejná voda, proto jej má lidstvo v plánu
vyuít práv pro tyto úely – spalování, a to bu v pohonných jednotkách automobil, tak i v
elektrárnách. Druhou variantou je provoz palivového lánku, o kterém jsem se ji zmínil.
3.9.1 Zpsoby výroby
Lze ho získat mnoha rznými zpsoby, nejastjší vidíte na následujícím grafu. Je
vidt, e peváná vtšina se získává z fosilních paliv, které, jak jist známo, ubývají
vraedným tempem. Proto se zaíná ve vtší míe s elektrolýzou vody. Toto ešení je naprosto
ekologické, akorát je poteba celému procesu dodat pomrn dost energie.
zemní plyn – metoda zvaná parní reforming (steamreforming), vysoká efektivity, nízké
náklady, zemní plyn reaguje s vodní parou za vzniku CO, CO2 a H2:
222224 3 HCOOHCOHCOOHCH
parciální oxidace – vodík získáván z tkých uhlovodíkových frakcí (nap. tký olej)
zemní plyn 48%
Rov. 7 Reakce zemního plynu s vodní parou
Jaroslav Stránský
zplyování uhlí – redukcí vody uhlíkem (uhl&i