BELS - O elektrické energii

Technická 12, 616 00 Brno, Česká Republika
http://www.utee.feec.vutbr.cz
1
ROZVOJ ENERGETIKY
doc. Ing. Miloslav Steinbauer, Ph.D.
doc. Ing. Jiří Sedláček, CSc.
Ing. Michal Hadinec, Ph.D.
Ing. Martin Friedl,Ph.D.
Ing. Petr Marcoň, Ph.D.
Ing. Zoltán Szabó, Ph.D.
2
VÝZNAM ENERGIE PRO NÁRODNÍ HOSPODÁŘSTVÍ
•
•
Energie
spotřeba domácností
◦ osvětlování, ohřev, osobní doprava,…
•
spotřeba průmyslu
◦ výroba, doprava
◦ tvorba národního produktu
3
VÝZNAM ENERGIE PRO NÁRODNÍ HOSPODÁŘSTVÍ
1968
4
VÝZNAM ENERGIE PRO NÁRODNÍ HOSPODÁŘSTVÍ
1993
5
DEMOGRAFICKÝ VÝVOJ
Poptávka po elektřině v budoucnosti
podle scénáře CR
Výhled vývoje populace do r.2050
populace (mld.)
Spotřeba elektřiny
na obyvatele (MWh)
1988
2050
OECD
7,2
12,0
země východní Evropy
a bývalého SSSR
4,3
8,6
rozvojové země
0,4
2,3
Svět průměr
1,8
3,4
1988
2050
OECD (30 členů)
0,77
0,88
země východní Evropy
a bývalého SSSR
0,42
0,48
rozvojové země
3,92
9,16
Svět celkem
5,11
10,52
Spotřeba na obyvatele:
Budoucí poptávka po elektřině
podle scénáře CÚ
Spotřeba elektřiny
na obyvatele (MWh)
1988
2050
OECD
7,2
6,0
země východní Evropy
a bývalého SSSR
4,3
4,3
rozvojové země
0,4
1,5
Svět průměr
1,8
2,0
0,4 až 7,2 MWh ročně
6
ODHAD VÝVOJE ROČNÍ SPOTŘEBY ELEKTŘINY V ČR
zdroj: EGU Brno, ERÚ
7
DEMOGRAFICKÝ VÝVOJ
•
•
•
•
•
Jsou i jiné studie a jiné podobné scénáře. Všechny se snaží o
prognózu extrapolující současný vývoj. Otázkou je, zda je na místě
bezmezný optimismus v rozporuplném světě. Na jedné straně
vidíme spotřebitelský životní styl v tzv. vyspělých zemích
s ohromnou spotřebou energie a dalších surovin a vysokou
produkcí odpadu a na druhé straně je nesmírná chudoba
v některých zemích, kterým slušně říkáme rozvojové.
Těm, kteří nemají dostatek vody, hladoví a dosud o existenci
elektřiny a všelijakých spotřebičů usnadňujících život možná ani
neví, se to určitě trvale líbit nebude. Tento rozpor může vyvrcholit
sociálním střetem a může pak být příčinou velkých chyb v odhadu
vývoje spotřeby energie.
Podle údajů Světové banky z roku 2004 byla celosvětová
průměrná roční hodnota HDP 5180 USD/osobu a celosvětová
průměrná roční spotřeba energie 2330 kWh/osobu.
80 % světové populace žije v zemích s úrovní HDP a spotřeby energie nižší
než je světový průměr
30% světové populace dosud nemá přístup k elektřině
8
BUDOUCNOST ELEKTROTECHNIKY
• Ať už vývoj v jednotlivých státech bude jakýkoliv, lze očekávat
budoucí poptávku po elektřině v rozhodující míře v rozvojových
zemích. Počet obyvatel v nich stále poroste. Bude potřeba více a
lepších služeb, které zase budou vyžadovat více elektřiny. Bude touha
vyrovnat se ve spotřebě vyspělým zemím a z vyspělých zemí bude
určitě i nabídka nejrůznějších domácích spotřebičů usnadňujících
život. To bude vyžadovat opět více elektřiny. Vlády tamních zemí již
s ohledem na vlastní existenci budou muset podporovat ekonomický
růst, umožňující zvyšování životní úrovně obyvatelstva. To bude
znamenat rozvoj průmyslové výroby a ta opět bude potřebovat
elektřinu.
• Budou se stavět elektrárny, distribuční sítě, rozvody nízkého
napětí.
• Bude poptávka po transformátorech, vypínačích, motorech,
pohonech, instalačním materiálu, kabelech atd.
• Bude poptávka po automatizovaných výrobních celcích.
• Bude poptávka i po kvalifikované práci.
9
PŘEDNOSTI ELEKTRICKÉ ENERGIE
Elektrickou energii lze velmi jednoduše a efektivně měnit na další formy:
• mechanickou
• tepelnou
• elektrickou
• zářivou
• chemickou
• jadernou
Elektřina má další výhodné fyzikální vlastnosti, především:
• Lze ji bezproblémově transportovat bez vazby na přenos hmoty a to přesně do
místa spotřeby a prakticky bez zátěže životního prostředí.
• Přenášený výkon lze snadno regulovat bez setrvačnosti.
• Snadno lze měřit všechny její kvalitativní i kvantitativní parametry
• Lze ji užít i jako nositele signálu (informační médium).
10
PŘEMĚNA ELEKTRICKÉ ENERGIE NA JINOU FORMU
Forma
Účinnost
Příklad použití
mechanická
>90 %
elektromotory
tepelná
>90 %
chladničky, topidla, vařidla
elektrická
až 98 %
transformátory, měniče
světlo
malá, žárovky (<8 %), výbojky (<40 %)
chemická
kolem 90 %
elektrolýza, akumulátory
11
UŽITÍ ELEKTRICKÉ ENERGIE
Přeměna na mechanickou práci (cca polovina celkové
spotřeby) – veškeré elektromotory, čerpadla, kompresory,
ventilátory, transportéry, obráběcí stroje.
Přeměna na teplo – procesní teplo v průmyslu, topení a
ohřev vody v domácnostech.
Přeměna na světlo - osvětlování
Elektrická trakce – kolejová doprava, perspektivně též
elektromobily.
Roboty a robotizovaná pracoviště.
Senzory – snímají měřené veličiny a přeměňují je na
elektrický signál pro další zpracování.
Laserová a měřicí technika – měření vzdálenosti, rychlosti,
drsnosti povrchu, analýza kmitání.
Elektromagnetické zobrazovací systémy – infračervené,
ultrazvukové, rentgenografie, nukleární magnetická
rezonance, radarová technika,…
Informační a komunikační technika – počítače, sítě,
mobilní komunikace, televize a rádio, satelitní spoje, …
…. a mnoho dalších aplikací.
12
ZAJÍMAVÉ TECHNOLOGIE VYUŽÍVAJÍCÍ ELEKTŘINU
• Výkonové polovodiče.
• Tranzistor pro molekulární počítače – k jeho přepnutí stačí
jediný elektron.
• Ohřev, sušení a vytvrzování infračervenými paprsky.
• Čištění a sušení oděvů mikrovlnami.
• Ochrana před hlukem pomocí inverzní zvukové vlny.
• Výroba ozónu pro čištění vody.
• Plazmové spalování zbytkového prachu z filtrů.
• Dezinfekce a sterilizace ultrafialovými paprsky.
• …..
… právě teď byla jistě vyvinuta nějaká nová technologická aplikace.
Koukni na internet, možná ji objevíš. Nebo nějakou znáš ?
Další čeká na vás, budoucí inženýry elektrotechniky.
13
ZDROJE VYUŽÍVANÉ PRO VÝROBU ELEKTRICKÉ ENERGIE
14
STRUKTURA VÝROBY ELEKTŘINY V ČR (2010)
voda
3,9%
zemní plyn
3,8%
biomasa fotovoltaika
2,9%
0,9%
vítr
0,5%
jádro
32,0%
uhlí
56,0%
Roční výroba elektřiny v ČR 2009: 82 TWh
15
ELEKTRÁRNY V ČR
 uhelné
 jaderné
 vodní
16
ROZVOD ELEKTRICKÉ ENERGIE
17
GRAF PRŮMĚRNÉ TÝDENNÍ SPOTŘEBY ČR
18
VODNÍ PŘEČERPÁVACÍ ELEKTRÁRNA
19
NAPOJENÍ ROZVODNÉ SÍTĚ ČR NA SOUSEDNÍ STÁTY
20
JADERNÉ ELEKTRÁRNY
zdroj: ČEZ
21
HUSTOTA TOKU ENERGIE
•
•
Výroba elektrické energie není výrobou v pravém slova smyslu,
nýbrž přeměnou jiného druhu energie podle zákona
zachování energie. Můžeme si představit, že k přeměně
dochází v určitém objemu, do něhož určitým povrchem
energie vstupuje a transformovaná na elektrickou zase určitým
povrchem vystupuje.
Hustota vstupující energie je omezena fyzikálními vlastnostmi
prostředí, kterým protéká. V hmotném prostředí je hustota
toku energie P (Poyntingův-Umovův vektor) omezena
vztahem:
P  vF
•
 W/m2 


kde v je rychlost šíření vln (EMG, elastických, …) a F je hustota
energie vstupující daným povrchem. Právě toto přirozené
omezení hustoty toku energie nedovoluje užít některých
přeměn energie pro velkou energetiku, třebaže jsou velmi
účinné.
22
HUSTOTA TOKU ENERGIE
• rotační generátor (mechanická -> elektrická) řádově 100 MW/m2, takže rotor
generátoru o výkonu 100 MW má povrch okolo 1 m2
• palivový článek (přeměna chemické energie oxidace vodíku na elektrickou)
přibližně 200 W/m2 – pro velkou energetiku nepoužitelné, pro srovnatelný výkon
100 MW by elektroda musela mít plochu 0,5 km2.
• fotovoltaické články (přímá přeměna světla slunce na elektrickou energii)
teorerticky maximálně 1 kW/m2. K získání srovnatelných 100 MW při účinnosti
10% by potřebovala plochu 10 km2, navíc je nespolehlivá dodávka.
• větrné elektrárny opět malá hustota toku energie. Světový roční objem energie
větru se odhaduje na 200 TWh. Kdyby se veškerá energie větru přeměnila na
elektrickou energii, bylo by to pouze 2% celkové spotřeby. Technicky využitelný je
však pouze nepatrný zlomek této energie. Teoretická hranice účinnosti podle
aerodynamiky je 59,3 %.
1
3
výkon větru: P 
2
 Sv
 W
• U tzv. obnovitelných zdrojů je hlavním problémem nízká koncentrace nositele
energie v prostoru a v čase.
23
SROVNÁNÍ ZDROJŮ ELEKTRICKÉ ENERGIE
Pro technické zařízení elektráren je třeba určité plochy.
Srovnání plochy potřebné pro výkon 1000 MW.:
TYP
Zastavěná plocha (km2)
Produkce CO2 (g/kWh)
Větrná elektrárna
(VTE)
600
10 - 38
Fotovoltaická elektrárna 130
(FVE)
78 -217
Vodní elektrárna
(VE)
32
4 - 36
Uhelná elektrárna
(PE)
4
750 - 1250
Elektrárna na biomasu
(BM)
6600 (pro pěstování biomasy)
29 – 62
Jaderná elektrárna
(JE)
10
5 – 33
24
FOTOVOLTAICKÉ ZDROJE
•
•
•
•
•
•
•
•
Malá hustota toku energie do 1kW/m2
Vysoké výrobní náklady
Zelený bonus 2010 – 11,28 Kč/kWh!
Energetická návratnost kolem 5 let
Nespolehlivá dodávka
Antifázovost – nejmenší výkon v čase
největší spotřeby
Nepoužitelné pro velkou energetiku
Jako zdroj pro odlehlé oblasti
Výkonnost fotovoltaických článků při různém počasí:
25
FOTOVOLTAICKÉ ZDROJE – ÚČINNOST PŘEMĚNY
Současné komerčně dostupné články mají účinnost 6 -17 %
26
VĚTRNÉ ZDROJE
•
•
•
•
•
•
•
Malá hustota toku energie
Zelený bonus – 1,63 Kč/kWh
Energetická návratnost kolem 6
měs.
Hlučnost (i infrazvuk) a vliv na
vzhled krajiny
Nespolehlivá dodávka (závisí na
větru) – problémy s regulací sítě
Nepoužitelné pro velkou
energetiku
Mají smysl pouze jako zdroj pro
odlehlé oblasti
Větrná mapa ČR, pro VTE je třeba >6 m/s
27
VĚTRNÉ ZDROJE
Existují i další varianty VTE
•
Vhodné i pro nižší rychlosti větru (v ČR je roční průměr 4 m/s ve
výšce 10 m)
•
Zatím není ekonomická návratnost
Příklad: Energy Ball má při 4 m/s roční produkci 100 kWh. S využitím
zeleného bonusu je roční úspora 630 Kč a při pořizovací ceně 130 tKč je
návratnost >200 let, životnost však 25 let…
VTE „Energy Ball“
Darrierův rotor pro nižší rychlosti větru
Savoniův + Darrierův rotor
28
DOPADY VÝROBY ENERGIE NA LIDSKÉ ŽIVOTY
Energy Source Death Rate
Zdroj
Počet úmrtí na
vyrobenou TWh
elektřiny (2008)
Podíl na celosvětové produkci 2010
Energie celkově
Elektřiny
Uhlí
161
27,0 %
41,0 %
Ropa a topné oleje
36
33,2 %
5,5 %
Zemní plyn
4
21,1 %
21,3 %
Biomasa apod.
12
10,0 %
1,2 %
Solární elektrárny
0,44
< 0,1 %
cca 0,1 %
Větrné elektrárny
0,15
<1%
1,4 %
Vodní elektrárny
0,10 (1,4*)
2,2 %
15,9 %
Jaderné elektrárny
0,04
5,8 %
13,5 %
informace: http://nextbigfuture.com/2008/03/deaths-per-twh-for-all-energy-sources.html
29
KLIMATICKÉ ZMĚNY…?
Skleníkové plyny:
• 95% vodní pára
• 1% metan, …
• 3,5% CO2, z toho
◦ 3,4% produkce lidí
◦ zbytek rostliny, oceány, sopky,…
Celkem produkce vlivem civilizace jen asi 1,2‰
30
REKONSTRUKCE PRŮMĚRNÝCH TEPLOT
Tým kolem profesora Jana Espera z Univerzity Johana Gutenberga v Mainzu studoval
vzorky letokruhů stromů z finského Laponska, které sahaly až do roku 138 př. n. l.
Poprvé tak vznikla přesná rekonstrukce klimatu na určitém území. A z výsledků
vyplývá, že během posledních dvou milénií poklesla průměrná teplota o 0,3 stupně
každých tisíc let, především v souvislosti s narůstající vzdáleností Země od Slunce.
31
HOSPODAŘENÍ S ENERGIÍ
•
Cílem není absolutní snižování spotřeby
energie, v tom i elektrické.
Dokumentovali jsme, že k tvorbě
bohatství společnosti, tj. k tvorbě HDP, je
třeba vynaložit energii. Na tvorbě HDP
máme všichni svébytný zájem, protože
jen bohatý stát s prosperujícím
hospodářstvím může rozvíjet
zdravotnictví, sociální služby, kulturu,
ochraňovat životní prostředí atd.
• Jde o to, aby dynamická ekonomika a rostoucí kvalita života
spotřebovávala co nejméně energie a to nejen v konečné formě, což je
typicky elektřina, ale i při všech transformacích z primárních forem
odebíraných přírodě.
•
Nejde jen o konečnou spotřebu jednotlivých spotřebičů, nýbrž o veškerou
energii spotřebovanou na jejich zhotovení, provoz, údržbu, opravy a
likvidaci.
32
STRUKTURA SPOTŘEBY ELEKTŘINY V ČR (2009)
Roční spotřeba elektřiny v ČR 2009: 68,5 TWh
33
HOSPODAŘENÍ S ENERGIÍ
•
Skupiny malých spotřebičů, které při obrovském počtu na
celém světě sumárně mají velkou spotřebu:
• Stand-by spotřeba představuje až 11% spotřeby elektrické
energie v domácnostech (odhad v EU je 47 TWh ročně – jako
spotřeba Portugalska) a také významný podíl spotřeby
v kancelářích a průmyslu. Do této skupiny žroutů energie se
jako mohutná posila dostávají digitální set-top-boxy se stand-by
spotřebou 2 až 20 wattů
• Klasické žárovky přemění na světlo max. 3-8 % spotřebované
elektrické energie. Těžko bychom hledali příklad jiného stejně
neúsporného a přitom tak celosvětově rozšířeného spotřebiče.
Osvětlování má asi 19 % podíl na celkové světové spotřebě
elektrické energie. Úspora náhradou kompaktními zářivkami a
v horizontu pěti až deseti let LED diodami bude obrovská.
• Oběhová čerpadla ústředního vytápění – nejčastěji příkon
kolem 100W, ačkoliv z fyzikálního hlediska stačí výkon několik
wattů. Podobně odsávací ventilátory v digestořích a na
toaletách s účinností asi 4 %
34
DOPORUČENÍ MEA PRO ÚSPORY
•
•
•
•
•
•
Podporovat úspory energie
v budovách a v dopravě
Podporovat iniciativu 1 watt u
stand-by spotřeby
Podporovat mezinárodní
koordinaci energetického
štítkování spotřebičů
Usilovat o mezinárodní výměnu
zkušeností
Vyhledávat konkrétní příklady
úspor hodné následování
Přehodnocovat existující standardy
provozních parametrů automobilů
35
ÚSPORA ENERGIE
Vysocesvítivá LED
36
Děkuji Vám za
pozornost
Technická 12, 616 00 Brno, Česká Republika
http://www.utee.feec.vutbr.cz
37