Alternativní zdroje energie - Enviro-edu

Alternativní zdroje energie - Enviro-edu

Alternativní zdroje
energie
Mezi alternativní zdroje energie patří:
Energie vody
Energie slunečního záření
Větrná energie
Energie příboje a přílivu oceánů
Geotermální energie
Spalování biomasy
Využívání tepelných čerpadel
Vodní elektrárny
Moderní vodní turbíny nacházejí své uplatnění takřka výhradně při
výrobě elektřiny. Hydroenergetika je perspektivní především v
oblastech prudkých toků s velkými spády.
Typy vodních elektráren:
Přílivové
Přehradní
Jezové
Derivační
Přečerpávací
Itaipu
Přednosti vodních elektráren
- Neznečišťují ovzduší, nedevastují krajinu
- Jsou bezodpadové, nezávislé na dovozu surovin
- Zvyšují efektivnost elektrizační soustavy
- Vyrovnávají změny na vodních tocích
- Revitalizují prostředí (prokysličování vodního toku)
- Jsou vysoce bezpečné a vysoce automatizované
Princip vodní elektrárny
Ve vodní elektrárně voda roztáčí turbínu; ta je na společné
hřídeli s elektrickým generátorem (dohromady tvoří tzv.
turbogenerátor). Mechanická energie proudící vody se tak mění
na energii elektrickou, která se transformuje a odvádí do míst
spotřeby.
Francisova turbína
Peltonova turbína
Schéma vodní elektrárny
Přečerpávací vodní elektrárny
Přečerpávací vodní elektrárna je v principu soustava dvou výškově
rozdílně položených vodních nádrží spojených tlakovým potrubím,
na němž je v jeho dolní části umístěna turbína s elektrickým
generátorem. Ta vyrábí elektřinu pro elektrizační soustavu v době
energetické potřeby; v době útlumu se voda z dolní nádrže
přečerpává "levnou elektřinou" do horní nádrže
Velkou předností přečerpávacích vodních elektráren je schopnost
přifázování do elektrifikační sítě s plným výkonem v několika
minutách.
Na území Slovenska se nachází elektrárna Čierný Váh, na území
ČR je to vodní dílo Dalešice a Dlouhé stráně .
Termonukleární fúze
Historie:
 Slučování
jader vodíku se nejdříve využívalo
ve zbrojním průmyslu (tzv.vodíková bomba),
až později se začala vyvíjet zařízení na využití
fúze pro energetické účely:
SSSR → TOKAMAK
Západ → Stelarátor
 Pro
využití fúze jako zdroje elektrické energie
se více osvědčil TOKAMAK
TOKAMAK
Plazma
 ,,čtvrté
skupenství“
 Protony a elektrony se pohybují nezávisle na
svém náboji
 Nejnižší teplotou pro vznik plazmatu je teplota,
za níž spolu reaguje deuterium a tritium (cca
20 000 000 K)
Výhody termojaderné
fúze jako zdroje energie
 Velké
množství energie uvolněné při reakci
 Obrovská výhřevnost paliva
 Relativně snadná dostupnost i výroba deuteria
a tritia
 Helium, vzniklé při fúzi, nezpůsobuje pro
lidstvo nežádoucí atmosférické jevy (kyselé
deště, skleníkový efekt), a protože chemicky
nereaguje, nabízí se pestrá škála jeho využití
Nevýhody termojaderné
fúze jako zdroje energie
 Vysoká
teplota nutná pro spuštění reakce
 Nutnost ,,držet“ plazmu v odstupu od okolí
(např. v magnetickém poli)
 Z výše uvedených nevýhod vyplývá, že
potencionální elektrárna má pro svůj vlastní
provoz velkou spotřebu energie
Princip TOKAMAKU
TOKAMAK je
dutá prstencová
komora obklopená
magnety
vytvářejícími
pole, které
zabraňuje
kontaktu plazmy
se stěnami
TOKAMAKU
Princip TOKAMAKU
Částice deuteria a tritia
jsou v TOKAMAKU
ostřelovány svazky
urychlených částic a v
plazmatu je indukován
elektrický proud. Tím se
vodík zahřeje na teplotu
potřebnou pro zahájení
fúze.
Problémy, které je nutno dořešit
 Doplňování
deuteria
a tritia za chodu
 Odvod
vyprodukovaného
helia z tokamaku
 Redukce nestabilit
plazmatu, které
vedou k jeho
turbulenci
→
Problémy, které je nutno dořešit
 Udržet
plazmu v komoře TOKAMAKU na delší
dobu (zatím bylo dosaženo nejvýše času 1
hodiny)
 Dodávat do sítě neměnný elektrický výkon,
který však díky pohasínání vysokoteplotního
výboje kolísá
 Tokamaky prozatím dokážou vyrobit pouze
65% jimi spotřebované energie
Hybridní reaktor
Stavba hybridního reaktoru
 Uvnitř
reaktoru je komora, do které je
pumpováno deuterium a tritium
 Kolem vnitřní komory je vrstva tvořená
oxidem uranu obohaceného o 26%, která je
efektivně chlazena sodíkem
 Kolem druhé vrstvy se nachází vrstva těžké
vody, ve které jsou jehlice hliníku s přírodním
uranem
Princip hybridního reaktoru
 Deuterium
a tritium uvnitř reaktoru je
zažehnuto laserovým paprskem
 Výsledné teplo zahřívá vrstvu uranu, kde
dochází k chvilkové štěpné reakci
 Jakmile fúze uvnitř skončí, napumpuje se
dovnitř nové palivo a laser zažehne novou
reakci
 Předpokládá se účinnost 42%
Schéma hybridního reaktoru
Veterné elektrárne
Záujem o využitie veternej energie – začiatok 70. r. minulého
storočia.- embargo zemí OPEC na vývoz ropy do priemyslovo
vyspelých krajín - jeseň 1973.
Princíp veternej elektrárne
Pôsobením aerodynamických síl na listy
rotoru prevádza veterná turbína na stožiari
energiu vetra na rotačnú energiu
mechanickú. - potom generátor - zdroj
elektrickej energie - princíp
turbogenerátora – podobne klasická, vodná
či jadrová elektráreň). Listy - špeciálne
tvarovaný profil, - podobný profilu krídel
lietadla. Obsluha veternej elektrárne
automatická. Životnosť - 20 rokov
Vplyv veternej elektrárne na životné
prostredie je minimálny
Veterná energetika neprodukuje tuhé či plynné emisie a odpadné teplo,
nezaťažuje okolie odpadmi, k svojej prevádzke nepotrebuje vodu. Malý záber
poľnohospod. pôdy, minimálne nároky na plochu staveniska. väčší výkon veterné farmy o obrovských rozmeroch (1000 MW veterná farma - 35 000
km2, uholná,jadrová elektráreň – s rovnakým výkonom - niekoľko km2).
Negatívny vplyv akustických emisií. Hluk, zdrojom je strojovňa elektrárne,
- interakcie rotujúceho vzduchu s povrchom listov rotora - vzduchové víry
za hranou listov. Hluk - znižovaný modernejšou konštrukciou listov vrtule.
Zníženie hlukovej emisie - zníženie výkonu generátora Hladina hluku - 500
m od stroja - 35–40 dB - obývacia izba. Les vo vzdialenosti 200 metrov - pri
rýchlostiach vetra 6–7 m/s - rovnaký hluk ako veterná elektráreň
v rovnakej vzdialenosti. Povolené hladiny hluku v mieste najbližšej budovy
- 50 dB (deň) a 40 dB (noc). Limity - bez problémov.
Najďalej vo využívaní energie vetra - americkí odborníci,
Koncom minulého storočia - v USA - šesť miliónov malých
veterných elektrární, čerpadiel a ďalších zariadení - Kalifornia,
Európa - najväčší potenciál veterných elektrární – Nemecko - k
30. júnu 2006 inštalovaných 18 054 veterných elektrární.
Vplyv na správanie vtákov a
divokých zvierat v blízkosti
veterných elektrární
nepriaznivý vplyv pohyblivých
tieňov v obývaných lokalitách riešenie - jednoduchý
počítačový program, - v určitej
dennej dobe - na nevyhnutnú
dobu elektráreň vypne.
Veterné turbíny
Moderná veterná turbína vyrába elektrickú enegiu. Dnešným turbíny rôzne tvary a výkony od niekoľko wattov (na nabíjanie batérií) až po
prototyp s výkonom 5 MW (pre použitie v príbrežnej šelfovej zóne, tzv.
"offshore"). Najbežnejšie - trojlistové typy s vertikálnou osou - schopná
meniť orientáciu listovej časti v závislosti od smeru vetra. Veľké veterné
turbíny (s výkonom 100 kW a viac). Životnosť turbín je 20 až 25 rokov.
Desať
najväčších
výrobcov
veterných
turbín vo
svete v roku
2006
Výroba elektrickej energie
bohatý potenciál v globálnom meradle - centralizovanej ako aj
decentralizovanej výroby. EU najväčší potenciál - Atlantického
pobrežia, na Slovensku v horských oblastiach ,Podunajskej
nížine (potenciál v nových štátoch EÚ nie je dostatočne
zmapovaný). Nové prototypy turbín - na hranicu 5 MW (rotor s
priemerom 124 m, uložený na veži vysokej viac ako 100 metrov).
budovanie veterných elektrární na morskom šelfe.
Európske spoločnosti vyrábajú viac ako 80% celosvetovej
produkcie veterných turbín. - (približne 85% všetkých inštalácií
sa nachádza v Európe). Z energie vetra sa každoročne vyrobí
2% európskej elektriny. Nemecku - 5% Dánsku - 20%.
Náklady a cena energie
samotná veterná turbína - 65-82% celkových nákladov
.Ekonomicky úspornejšie - budovanie veterných fariem spoločné elektrické vedenie.
Cena vyrobenej energie - mnohé parametre :
rýchlosť vetra
druh použitej turbíny (vyprodukovaný príkon)
Solárná energia
Princíp slnečnej elektrárne
Priama premena - fotovoltaický jav, - v určitej látke pôsobením svetla
(fotónov) - elektróny - v niektorých polovodičoch (napr. v Si, Ge, CdS
a i.). Fotovoltaický článok - tenká doštička z monokryštálu Si alebo aj
polykryštalický materiál. Doštička - jedna strana atómy trojmocného
prvku (napr. bóru), z druhej strany atómy päťmocného prvku (napr.
As). Ak na doštičku dopadnú fotóny- elektróny - uvoľnenie + kladne
nabité "diery". ak obe strany doštičky (elektródy) - do el. obvodu elektrický prúd.
Nepriama premena – získanie tepla pomocou slnečných zberačov. V
ohnisku zberačov – termočlánky - teplo na elektrinu. Termoelektrická
premena - Seebeckov jav (v obvode z dvoch rôznych drôtov elektrický prúd ak ich spoje rôzna teplota). termoelektrický článok zariadenie z dvoch rôznych drôtov spojených na konci - účinnosť
závislá od vlastností oboch kovov, na rozdielu teplôt medzi teplým a
studeným spojom. termoelektrický generátor - Väčšie množstvo
termoelektrických článkov vhodne spojených.
1) Odražené
sluneční paprsky
2) Věž, se
slunečním kotlem
3) Kotel ohřívají
odražené
sluneční paprsky
4) Turbína
5) Generátor
napojený na osu
turbíny
6) Chladící věž
Palivový článok
Elektrinu zo slnečného žiarenia – z energie chemickej pomocou slnečného žiarenia - rozklad vody na vodík a kyslík uskladnenie energie žiarenia – chemická en. oboch plynov. Pri
zlučovaní oboch plynov - voda. Nahromadená energia
transform. Do spalného tepla alebo v palivovom článku elektrický prúd. Palivový článok - menič, energia chemická na
energiu elektrickú.
Palivové články - dôležitý zdroj el. energie v budúcnosti uskladnenie slnečnej energie a jej získavanie v neobmedzenom
množstve. Účinnosť palivových článkov - vysoká (až 90 %),
generátory elektrární na fosílne paliva iba 35%
Slnečné tepelné elektrárne
slnečné zariadenie transform. El. energie vo veľkom množstve.
tepelná elektráreň - teplo priamo zo slnečného žiarenia. Absorbér
slnečnej elektrárne na veži v ohnisku veľkého fokusačného
(ohniskového) zberača. Slnečné žiarenie - v nej sústredené
pomocou otáčavých rovinných zrkadiel - heliostatov.ohrievanie
napr. oleja, vo výmenníku vznik horúcej pary – poháňa turbínu,
turbína generátor - výroba el. prúdu.
Slnečné elektrárne a budúcnosť
Na Zemi asi 22 miliónov km2 púští - k premene slnečnej energie na
elektrinu / k rozkladu vody na H2 a O2. Pre Európu – Sahara s rozlohu 7
miliónov km2. z jednej desatiny Sahary dnešnou technikou slnečných
elektrární - zisk asi 50 terawattov E, = 5krát viac E, než ľudstvo
potrebuje.
Elektrická energia zo solárnych článkov zo Sahary - do Európy cez
Gibraltár./ využívanie slnečnej energie k rozkladu vody a vodík do
Európy - potrubím alebo tankermi podobne ako zemný plyn.
Náklady a
cena
Tepelná energia zo Slnka konkuruje hlavne konvenčnému vykurovaniu
na báze fosílnych palív a elektriny. Na rozdiel od nich má vysoké
investičné náklady (90 - 95% celkových nákladov) a veľmi malé
prevádzkové náklady (energia je zadarmo). Celkové náklady na
typický domáci systém ohrevu vody pre jeden dom sú okolo 700 5000 €. Najlacnejšie sú termosifónové systémy. Systémy používané v
severnejších oblastiach Európy sú zase efektívnejšie. Náklady na
inštaláciu sa dajú znížiť pri ich zakomponovaní do novostavby
namiesto dodatočnej inštalácie.
Moderné kvalitné systémy majú životnosť 20 - 25 rokov s
minimálnymi nákladmi na údržbu (menej ako1% investície ročne) a
samozrejme nulovými nákladmi na palivo. Cena vyrobenej tepelnej
energie za takýchto podmienok je 0.03 - 0.09 €/kWh.
Geotermálna energia
Čo to je?
 Je
to spôsob prejavu zemského tepla, ktoré
pochádza zo zemského jadra a na povrch sa
dostáva cez pukliny v horninách
 Jej povrchovými prejavmi, nazývanými
geotermálne procesy, sú výbuchy sopiek,
gejzíry, horúce pramene,...
 Na
prenos tepla zo zemského
vnútra na povrch sa využívajú
hlavne termálne vody ale aj horúce pary
 Môžu byť využité buď priamo vo forme tepelnej
energie – kúrenie, alebo ako zdroj elektrickej
energie v elektrárňach
 Geotermálne vody na Slovensku nemajú tak
vysokú teplotu a preto sa využívajú prevažne len
na vykurovanie (obytné priestory, skleníky,
bazény)
 Zásoby
geotermálnych vôd môžu byť obnovované
alebo neobnovované
 Elektrárne čerpajúce z neobnovovaných zásob
majú tzv. reinjektážny vrt, cez ktorý sa ochladená
voda vracia späť do podzemia
Nevýhody



Termálna voda obsahuje množstvo solí a látok
škodlivých pre životné prostredie (znečisteniu sa
však dá zabrániť opätovným vrátením použitej
vody do podzemných zdrojov)
Nie všetky zdroje sú obnoviteľné ( niektoré sa môžu
vyčerpať za pár desiatok rokov)
Využiteľnosť závisí na lokálnych podmienkach - nie všade je teplota termálnej vody dosť vysoká
(dá sa však využiť zvýšený teplotný gradient – do
umelých vrtov je vháňaná povrchová voda, ktorá sa
ohrieva a odčerpáva)
BIOMASA
Čo je to?
 Je
to vlastne slnečná energia
zakonzervovaná v telách organizmov
 Využíva sa od nepamäti ako zdroj
potravy, stavebný materiál, palivo, atď.
 Slnečná energia sa v telách organizmov
mení na energiu chemickej väzby
 Spaľovaním biomasy sa energia opäť
uvoľňuje
Využitie
 Ako
zdroj energie sa využíva drevo, slama a
rôzne poľnohospodárske produkty
 Využívame buď zbytkovú/odpadovú
biomasu, alebo cielene pestovanú biomasu
 Ako zbytková biomasa sa môže využívať
drevný odpad, trus hospodárskych zvierat,
seno, slama
 Ako pestovaná biomasa sa využívajú
energetické byliny a rýchlorastúce dreviny
 Biopalivo: tuhé, kvapalné(fermentáciou
biomasy), plynné(rozkladom v uzavretých
nádržiach)
Nevýhody
 Pri
nedokonalom spaľovaní biomasy
vznikajú škodlivé plyny, pri správnom
spaľovaní je však ich množstvo
minimálne
 Pri pestovaní energetických plodín sa
často využívajú škodlivé hnojivá a zaberá
sa poľnohospodárska pôda