Alternativní zdroje energie - Enviro-edu
Transkript
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