docEnergetické zdroje - ADAM - Leonardo da Vinci Projects and
download 
Stížnost Transkript
Energetické zdroje - ADAM - Leonardo da Vinci Projects and
Energetické zdroje pro 4. ročník středných odborných škol Učební texty pro studijní obor Technik energetických zařízení budov O projektu REFUGE Projekt REFUGE – Renewable Energy for Future Generations – Obnovitelná energie pro budoucí generace – byl podpořen v rámci Programu celoživotního vzdělávání, podprogramu Leonardo da Vinci – mnohostranné projekty Přenosu inovací v roce 2011 pod číslem 11310 1618. Projekt realizoval EkoFond, neinvestiční fond zřízený Slovenským plynárenským průmyslem (SPP). Partnery projektu byly školicí a konzultační firma IDEC S.A. z Řecka, Integrovaná střední škola z České republiky, SOŠ elektrotechnická Trnava, Spojená škola Kremnička Banská Bystrica, SOŠ technická Prešov a Státní institut odborného vzdělávání SR. Hlavními cíli projektu bylo identifikovat a analyzovat nová povolání v oblasti obnovitelné energie, připravit školení pro výchovné a kariérní poradce o nových povoláních a připravit učební texty zaměřené na oblast obnovitelných zdrojů pro studijní obor technik energetických zařízení budov vyvíjený EkoFondem spolu se zapojenými středními školami a Státním institutem odborného vzdělávání (ŠIOV). Více informací o projektu na www.refuge.ekofond.sk. Tento projekt je financován Evropskou komisí z Programu celoživotního vzdělávání. Za obsah tohoto učebního textu odpovídají autoři. Učební text nereprezentuje názor Evropské komise a Evropská komise neodpovídá za použití informací, které jsou jeho obsahem. O projektu Technik energetických zařízení budov EkoFond, neinvestiční fond, zřízený Slovenským plynárenským průmyslem, a. s., od roku 2009 řídí průřezový středoškolský obor s výučním listem a maturitou Technik energetických zařízení budov (TEZB). Podnět k jeho vytvoření přišel přímo z praxe – od odborníků působících v energetickém sektoru, kteří dlouhodobě avizovali nedostatek technických odborníků se zaměřením na energetiku budov. Energetický sektor jako jeden z klíčových pilířů každé ekonomiky nabízí žákům mimořádně perspektivní a vysoce kvalifikované řemeslo. EkoFond v rámci tohoto projektu realizoval vybudování moderních odborných pracovišť, kde se žáci mohou prakticky učit instalovat energeticky efektivní technologie na bázi obnovitelných zdrojů energie (OZE) a plynu. Dále podpořil odborné vzdělávání pedagogických pracovníků a mistrů odborného výcviku, a také přípravu a vydání učebních textů. Projekt byl podpořen částkou vyšší než 800 000 eur. Absolventi studijního odboru TEZB budou mít široké uplatnění nejen v oblasti plynárenství, ale i v oblasti energetického poradenství a služeb při koupi, instalaci, servisu a údržbě energetických zařízení do domácností a malých provozů. Vědomosti a zručnosti získané během studia umožní budoucím zákazníkům těchto absolventů přímo uspořit energii spotřebovávanou v jejich domácnosti nebo při provozu malých budov. František Janíček – Anton Cerman – Štefan Motyčák Energetické zdroje pro 4. ročník středných odborných škol Učební texty pro studijní obor Technik energetických zařízení budov Bratislava 2013 Autoři: prof. Ing. František Janíček, PhD., Ing. Anton Cerman, Ing. Štefan Motyčák Vydal: EkoFond, n.f., Mlynské Nivy 44/a, 825 11 Bratislava Všechna práva vyhrazena Doslovný ani částečný přepis tohoto materiálu není povolen bez předcházejícího písemného souhlasu vydavatele EkoFond, n.f. Obsah Obsah ......................................................................................................................................... 6 Seznam použitých zkratek ..................................................................................................... 10 Předmluva ............................................................................................................................... 11 Úvod ......................................................................................................................................... 12 1 Přeměny energie .............................................................................................................. 14 2 Sluneční energie .............................................................................................................. 18 Energie slunečního záření ..................................................................................................... 18 2.1. Sluneční záření na zemském povrchu ....................................................................... 18 2.2. Fotovoltaika – výroba elektrické energie .................................................................. 19 2.2.1 Systémy nepřipojené k síti ................................................................................. 20 Autonomní systémy s přímým napájením ................................................................................. 20 Autonomní systém s akumulací elektrické energie ................................................................... 20 Hybridní autonomní systém ...................................................................................................... 21 2.2.2 Systémy připojené k síti ..................................................................................... 21 2.2.3 Akumulace energie ............................................................................................. 22 2.2.4 Malé FV systémy pro domácnosti ...................................................................... 24 2.2.5 Velké FV systémy – FV elektrárny .................................................................... 24 2.3. Fototermální přeměna – výroba tepla ........................................................................ 25 2.4. Sluneční elektrárny .................................................................................................... 25 2.2.6 Sluneční elektrárny s parabolickými zrcadly ve tvaru žlabu .............................. 26 2.2.7 Sluneční elektrárny s parabolickými zrcadly ve tvaru disku .............................. 26 2.2.8 Termální solární věže ......................................................................................... 27 2.2.9 Fresnelovy sluneční elektrárny........................................................................... 28 2.2.10 Komínové sluneční elektrárny ........................................................................... 28 2.5. 2.5.1. Sluneční kolektory ..................................................................................................... 29 Stacionární kolektory ............................................................................................. 30 Plochý solární kolektor ......................................................................................................... 30 Vakuový trubicový kolektor ................................................................................................. 31 Vakuový trubicový kolektor s tepelnou trubicí .................................................................... 31 Vakuový trubicový kolektor s průtokovou trubicí ............................................................... 32 2.5.2. Koncentrační kolektor ............................................................................................ 33 Kolektory se sledováním slunce ........................................................................................... 34 Plochý kolektor s plochým reflektorem ................................................................................ 34 Parabolický žlabový kolektor ............................................................................................... 34 Kolektory s Fresnelovou optikou ......................................................................................... 35 3 2.6. Výběr solárního kolektoru ......................................................................................... 36 2.7. Systémy na solární ohřívání vody ............................................................................. 37 Větrná energie ................................................................................................................. 39 Přeměna větrné energie na elektrickou energii ..................................................................... 39 2.8. Rozdělení větrných zařízení ...................................................................................... 40 2.9. Větrná zařízení s horizontální osou otáčení ............................................................... 40 2.10. Větrná zařízení se svislou osou otáčení turbíny ..................................................... 41 Savoniův rotor ................................................................................................................... 42 Darrieův rotor.................................................................................................................... 42 4 Biomasa ............................................................................................................................ 44 2.11. Způsoby využití biomasy pro energetické účely ................................................... 44 Spalování........................................................................................................................... 45 Pyrolýza ............................................................................................................................ 45 Zplynování ........................................................................................................................ 46 Fermentace ........................................................................................................................ 46 Anaerobní vyhnívání ......................................................................................................... 46 Společné spalování uhlí a biomasy ................................................................................... 46 2.12. Biomasa jako palivo ............................................................................................... 47 Pevná biopaliva ................................................................................................................. 47 Kapalná biopaliva ............................................................................................................. 48 Plynná biopaliva ................................................................................................................ 48 2.13. Kotle na biomasu ................................................................................................... 48 Kotle s prohoříváním dřeva .................................................................................................. 48 Kotle se spodním hořením .................................................................................................... 48 Kotle se zplynováním dřeva ................................................................................................. 49 2.14. Dřevo jako biopalivo .............................................................................................. 50 Brikety............................................................................................................................... 50 Štěpky ............................................................................................................................... 50 Pelety................................................................................................................................. 51 Sláma................................................................................................................................. 52 5 Geotermální energie ........................................................................................................ 54 2.15. Technologie geotermální přeměny......................................................................... 54 5.2.1 Parní geotermální elektrárny .............................................................................. 55 5.2.2 Hydrotermální elektrárny ................................................................................... 56 Hydrotermické elektrárny bez nízkotlaké turbíny ............................................................ 56 Hydrotermická elektrárna s nízkotlakovou turbínou ........................................................ 56 Elektrárna s kombinovaným cyklem................................................................................. 56 Elektrárna Hot Dry Rock .................................................................................................. 57 6 Tepelná čerpadla ............................................................................................................. 58 2.16. Princip činnosti tepelného čerpadla ....................................................................... 58 2.17. Absorpční tepelná čerpadla .................................................................................... 60 2.18. Adsorpční tepelná čerpadla .................................................................................... 61 2.19. Typy tepelných čerpadel ........................................................................................ 62 Systém „vzduch – voda“ ................................................................................................... 62 Systém „voda – voda“ ....................................................................................................... 63 Systém „zem – voda“ ........................................................................................................ 64 Systém „vzduch – vzduch“ ............................................................................................... 64 2.20. Zapojení tepelných čerpadel .................................................................................. 65 Energetická efektivita tepelných čerpadel ............................................................................ 66 Dimenzování tepelného čerpadla .......................................................................................... 67 7 Vodní energie ................................................................................................................... 68 Koloběh vody v přírodě ......................................................................................................... 68 2.21. Hydroenergetický potenciál ................................................................................... 68 2.22. Vodní kola .............................................................................................................. 69 2.23. Vodní turbíny ......................................................................................................... 69 7.2.1 Rovnotlaké turbíny ............................................................................................. 69 7.2.2 Přetlakové turbíny .............................................................................................. 70 2.24. 8 Druhy vodních elektráren....................................................................................... 71 Tepelné elektrárny .......................................................................................................... 73 2.25. Tepelný oběh .......................................................................................................... 74 2.26. Snižování škodlivých emisí produkovaných elektrárnami .................................... 77 9 2.27. Programy na modernizaci tepelných elektráren ..................................................... 78 2.28. Teplárny ................................................................................................................. 79 2.29. Paroplynový cyklus ................................................................................................ 79 2.30. Kogenerace............................................................................................................. 81 Jaderné elektrárny .......................................................................................................... 87 2.31. Štěpná reakce v jaderných reaktorech .................................................................... 87 2.32. Jaderná elektrárna .................................................................................................. 88 Typy jaderných elektráren .................................................................................................... 88 2.33. Jaderné palivo ........................................................................................................ 90 10 Další aspekty porovnání elektráren .............................................................................. 92 11 Závěr ................................................................................................................................ 95 Literatura ................................................................................................................................ 96 Příloha A: Reálná studie zásobování areálu Letná TU Košice energií z kogenerace ... 100 Seznam použitých zkratek AC – střídavý proud DC – jednosměrný proud EE – elektrická energie ETČ – elektrické tepelné čerpadlo FV – fotovoltaika HEP – hydroenergetický potenciál JE – jaderná elektrárna KGJ – kogenerační jednotka KVET – kombinovaná výroba elektřiny a tepla MHD – magnetohydro-dynamický (měnič) MVE – malá vodní elektrárna OZE – obnovitelný zdroj energie PPC – paroplynový cyklus PTČ – plynové tepelné čerpadlo TČ – tepelné čerpadlo TE – tepelná elektrárna TV – teplá voda VE – větrná elektrárna VVE – velká vodní elektrárna 10 Předmluva Předmět Energetické zdroje podává žákům cenné informace o směřování a nových trendech ve využívání elektrické energie. Cílem tohoto předmětu je teoreticky a prakticky připravit žáky na jejich budoucí povolání Technika energetických zařízení budov. Tomu je přizpůsoben obsah předmětu, který žákům srozumitelnou formou předkládá kromě základních poznatků i odborné vědomosti a zručnosti potřebné k montáži a provozu vytápěcích soustav využitím klasických, obnovitelných, nebo kombinovaných energetických zdrojů v budovách s využitím aktuálních platných technických norem a předpisů. Předmět poskytuje informace o současných a perspektivních technologiích vhodných na efektivní a ekonomické vytápění budov, přípravu teplé vody a výrobu elektrické energie. Žák se obeznámí s technickými parametry tepelných zdrojů, jejich funkcí, činností a způsobem zapojení. Taktéž získá vědomosti o jednotlivých druzích paliv v kombinaci se zdroji tepla, které se využívají pro snížení energetické náročnosti stavebních celků. Největší důraz v procesu výuky je kladen na schopnost žáků uplatnit získané vědomosti v praxi, proto je předmět rozsáhle zaměřen na reálné ukázky zapojení zdrojů energie. Převážná většina obsahu je tvořena technologiemi obnovitelných zdrojů energie vzhledem na jejich stále větší penetraci v energetickém mixu Slovenské republiky, která je způsobena jak naplněním směrnice Evropské unie „20/20/20“ o obnovitelných zdrojích energie, tak menším zatížením životního prostředí v porovnání s výrobou energie z konvenčních zdrojů. Předmět Energetické zdroje umožňuje pochopit funkci, konstrukci a procesy probíhající při získávání energie v jednotlivých obnovitelných zdrojích energie, možnosti jejich provozu při zapojení do elektrizační soustavy, nebo při ostrovním provozu, s nímž je úzce spjata problematika akumulace elektrické a tepelné energie. Popsány jsou základní principy činnosti fotovoltaických a fototermálních systémů, větrných elektráren, kotlů na biomasu, tepelných čerpadel, vodních, tepelných a jaderných elektráren. Předmět zároveň mapuje současný stav a zastoupení obnovitelných zdrojů energie ve Slovenské republice. Obsah je strukturován do tématických celků podle technologie získávání energie na energii získávanou ze slunečního záření, energii větru, energii vody, energii získávanou spalováním fosilních paliv a energii ze štěpení jádra. 11 Úvod Základním pilířem udržitelného života je respektování pravidel trvale udržitelného rozvoje v energetice v nejširším smyslu. Požadavek dosáhnout udržitelný rozvoj se promítá do hlavního cíle energetické politiky Slovenské republiky: „Dosáhnout konkurenceschopnou nízkouhlíkovou energetiku zabezpečující bezpečnou, spolehlivou a efektivní dodávku všech forem energie za přijatelné ceny s přihlédnutím k ochraně spotřebitele, ochraně životního prostředí, k trvale udržitelnému rozvoji, bezpečnosti zásobování a technické bezpečnosti.“ Tento cíl se promítá do tří hlavních priorit energetické politiky Slovenské republiky: zvyšování energetické bezpečnosti, zvyšování energetické efektivnosti, trvale udržitelný rozvoj energetiky. Souhrnně se význam těchto priorit promítá do snahy dosáhnout optimální energetický mix (nasazení různých technologií z pohledu využití jednotlivých forem energie) se snižujícím se podílem fosilních paliv, které umožní poskytovat energii v základním i špičkovém pásmu. Současný liberalizovaný trh s energií výrazně ovlivňuje požadavky na získávání energie, a to zejména z pohledu, že v současnosti se využívají dlouhodobé kontrakty a spotové obchody na pokrytí výkyvů v odběru spotřebitelů. Tomu se musí přizpůsobit i přenosové a distribuční sítě. Problém je o to složitější, že v souvislosti s očekáváním a využíváním elektromobility a distribuované výroby v malých zdrojích (často s využíváním obnovitelných zdrojů, vysoce účinné kogenerace, ale i možnosti hledání nových technologií akumulačních systémů) je nevyhnutelný rozvoj inteligentních sítí a nových způsobů řízení přenosu a spotřeby energie. Celosvětové snahy o dekarbonizaci energetiky vytvářejí tlak na segment fosilních paliv, kde je viditelný prudký rozvoj využívání zemního plynu jako čistější náhrady za spalování uhlí. Nové technologie a technologické postupy vyvolaly dlouhodobý pokles cen plynu, ale trh se zároveň nárůstem přepravy zkapalněného zemního plynu globalizuje a na ceny v Evropě má vliv požadavek na potřebu energie pro rozvojové země světa. Předmět Energetické zdroje má poukázat na možnosti, které poskytují jednotlivé formy energie v reálném využití pro konečného spotřebitele, ale zároveň efektivně využívat energii pro svoje potřeby optimálně a z ekonomického hlediska hledat cesty jejího potenciálního zlevňování, ale především dostupnosti. Předmět Energetické zdroje svým obsahem navazuje na učivo z předmětu fyzika a odborných předmětů stavební konstrukce, technologie, vybraná konstrukční cvičení, elektrotechnické zařízení a odborný výcvik, které rozvíjí, rozšiřuje a prohlubuje. Obsah předmětu Energetické zdroje je rozčleněn do více tematických celků a je zaměřen na oblast obnovitelných zdrojů, ale i vybraných primárních zdrojů. Cílem tohoto předmětu je poukázat na možnosti využívání jednotlivých druhů energie pro potřeby obyvatelstva bez ohledu na to, zda jde o rodinný dům, nebo bytovou jednotku. 12 V zásadě jde o poznání jednotlivých funkcí a konstrukcí využití obnovitelných zdrojů a jejich nasazení pro konečného odběratele v optimalizovaném režimu a využitím vhodných zdrojů. V předmětu Energetické zdroje jsou popsány základní principy funkce a zásady dimenzování jednotlivých druhů zdrojů a jejich vzájemné souvislosti z hlediska využití. Součástí obsahu jsou i základní normy a předpisy potřebné pro využití u konečného spotřebitele. 13 1 Přeměny energie Elektrická energie je neoddělitelnou součástí moderní společnosti. Získáváme ji přeměnou z jiných forem energie. Základní řetězec přeměny energie na elektrickou energii je zobrazen na následujícím obrázku. Obr. 1.1 Diagram popisující přeměnu chemické energie na elektrickou Zdroje energie se dají rozdělit do tří základních skupin: zdroje vázané na určité místo s klesající zásobou energie (uhlí, plyn, uran) zdroje vázané na určité místo s obnovitelnou zásobou energie (vodní tok, biomasa) zdroje, které nejsou vázané na určité místo s prakticky nevyčerpatelnou zásobou (sluneční záření, energie větru) Tab. 1.1 Převodní tabulka vybraných jednotek energie J kWh 1 2,778x10-7 J 3,6x106 1 kWh 4186 1163 Kcal 3 1055x10 2,93x10-4 Btu 14 kcal 2,389x10-7 0,86 1 2,52x10-4 Btu 9,479x10-7 3,413x103 3,968x103 1 Obr. 1.2 Diagram přeměny různých forem energie na elektrickou energii Elektrická energie jako konečná forma se využívá pro své výhody, mezi které patří: jednoduchá přeměna na jiné formy energie, jednoduchý přenos na velké vzdálenosti, možnost generovat velké množství této formy energie. Jak to už v technice bývá, všechno má své výhody, ale i nevýhody. Hlavní nevýhodou elektrické energie je problematická akumulace. Podle použité formy energie, jejíž přeměnou získáváme elektrickou energii, dělíme elektrárny na: tepelné – využívají energii uvolněnou spalováním fosilních paliv např. uhlí, nafty, plynu a jiných, jaderné – využívají energii jaderných reakcí, vodní – využívají energii vody, ostatní – využívají sluneční energii a její transformace. 15 Obr. 1.3 Průměrná roční energetická bilance Země – kosmický prostor Energie primárního zdroje projde řadou transformací během svého transportu, až se na konci celého řetězce transformuje na užitečnou energii. Chemická energie primárního zdroje se mění na tepelnou, mechanickou a následně na elektrickou energii, která se po transformaci na vhodnou napěťovou úroveň přenáší do místa spotřeby, kde se opět napěťově transformuje. 16 V místě spotřeby se následně elektrická energie mění na požadovanou formu energie (mechanickou, světlo, teplo...). Obr. 1.4 Přeměna chemické energie na elektrickou až ke konečnému uživateli Porovnání obnovitelných a neobnovitelných zdrojů elektrické energie Primární zdroje používané při výrobě elektrické energie se dělí na neobnovitelné (fosilní paliva), obnovitelné (vodní energie, větrná energie, sluneční energie, tepelná čerpadla, biomasa, jaderná energie, palivové články, bioplyn). Obnovitelné zdroje Výhody: Ekologické, nevyčerpatelné, nulové náklady na primární zdroje energie. Nevýhody: Nízká výkonová pohotovost, nízká výkonová hustota, vysoké výrobní náklady v porovnání s ostatními zdroji elektrické energie, značný rozdíl mezi instalovaným výkonem a reálným výkonem elektrárny. Neobnovitelné zdroje Výhody: Vysoká výkonová hustota, vysoká výkonová pohotovost. Nevýhody: Negativní dopad na životní prostředí, omezené zásoby. 17 2 Sluneční energie Energie slunečního záření Světlo je energie. Přímé sluneční záření je bílé. Toto bílé světlo vzniká kombinací složek elektromagnetického světelného záření různých barev, t.j. různých vlnových délek, resp. různých frekvencí. Průměrné množství mimozemského slunečního záření, které dopadá na zemskou atmosféru zvenčí, před svým oslabením zemskou atmosférou se označuje jako sluneční konstanta. V současnosti je hodnota sluneční konstanty podle dostupné literatury 1 367 W.m-2. 2.1. Sluneční záření na zemském povrchu Energie slunečního záření, která dopadá na povrch Země asi 8000krát překračuje celkovou momentální hrubou spotřebu energie lidstva. Problémem však zůstává nízká hustota sluneční energie na Zemi, její časová nestabilita a značně nerovnoměrná distribuce. Hlavní faktory, které ovlivňují množství dopadajícího záření, jsou: a) Geografická lokalita zeměpisná délka, nadmořská výška, stínící reliéf, vlastnosti okolního prostředí. Výběr lokality vhodné pro stavbu velkých solárních projektů patří mezi prvořadé úkoly projektanta. Údaje o množství dopadající sluneční energie na zvolený povrch v dané lokalitě se dají získat buď pomocí přímých pyranometrických měření, nebo složitým analytickým způsobem výpočtu. Obr. 2.1 Přehledná mapa Slovenska s vyznačeným globálním slunečním zářením za rok v kWh.m-2 v případě optimálně nakloněných solárních modulů 18 b) Klimatické a povětrnostní podmínky proměnlivost počasí, výskyt mlh, sněhu a námraz, oblačnost. c) Poloha solárního panelu umístění panelu, orientace plochy panelu, sledovací systémy. Pomocí solárních systémů umíme aktivně nebo pasivně využít sluneční energii přeměnou na tepelnou energii systémem fototermální přeměny, nebo na elektrickou energii fotovoltaickým systémem. Způsoby využití solární energie: Pasivní - využití sluneční energie na základě stavebních a architektonických principů (nízkoenergetické domy), 2.2. Aktivní - přeměna slunečního záření na tepelnou nebo elektrickou energii. Fotovoltaika – výroba elektrické energie Světelné záření absorbované v materiálu ovlivňuje energetické poměry elektronů. Vhodným výběrem materiálů a z nich vytvořené vrstevné struktury dokážeme absorbovanou energii světelného záření přeměnit na elektrickou energii. Tato přeměna se děje bez mechanického pohybu a bez tvorby jakýchkoli vedlejších produktů. Hlavní omezení fotovoltaiky jsou: vysoké investiční náklady, nízká hustota dopadající energie, nerovnoměrnost dodávek elektrické energie. Fotovoltaika (FV) se zabývá přímou přeměnou energie světelného záření na elektrickou energii. K přeměně se využívají velkoplošné polovodičové struktury. Základním materiálem pro fotovoltaiku od padesátých let stále zůstává polovodičový křemík v jeho monokrystalické, polykrystalické i amorfní podobě. Teoretická hodnota účinnosti přeměny slunečního záření je nad 80 %. Nejvyšší reálné naměřené hodnoty účinnosti přeměny energie slunečního záření přímo na elektrickou energii jsou nad 40 %. Výkon jednotlivého článku činí podle velikosti plochy řádově jednotky wattů. Spojováním můžeme výkon v podstatě libovolně měnit. 19 Rozdělení fotovoltaických systémů Fotovoltaické systémy se mohou rozdělit z mnoha hledisek. Například na základě jejich aplikace, připojení nebo nepřipojení na síť, z ekonomického hlediska, z hlediska instalovaného výkonu atd. Nejčastěji se fotovoltaické systémy dělí podle svého připojení, respektive nepřipojení k veřejné síti na dvě základní skupiny: systémy nepřipojené na síť (grid-off); systémy připojené na síť (grid-connected). 2.2.1 Systémy nepřipojené k síti Systémy nepřipojené k síti, nazývané též autonomní, jsou vhodné zejména na místech bez dosahu veřejné elektrické sítě, v případě menších odebraných výkonů, nebo při aplikacích, kde není možná jiná alternativa získání elektrické energie. V tom případě jsou i nejlacinějším způsobem získání elektrické energie. Autonomní systémy s přímým napájením Jde o přímé propojení solárního modulu nebo jiného zdroje elektrické energie a spotřebiče bez možnosti akumulace elektrické energie. Takové řešení je vhodné, když spotřebič nevyžaduje spolehlivou dodávku elektrické energie, např. čerpadlo vody. Zařízení připojené k modulu je funkční jen při dostatečné intenzitě slunečního záření. Obr. 2.2 Příklad autonomního systému s přímým napájením Autonomní systém s akumulací elektrické energie Součástí systému jsou akumulátorové baterie, které se nabíjejí při přebytku energie v systému a zajišťují provoz spotřebičů v případě nedostatku záření dopadajícího na solární panely. V případě nedostatku energie dodávané panely je energie primárně dodávaná z akumulátorů. Po jejich vybití systém nezabezpečuje přísun elektrické energie ze žádného jiného zdroje. Tento systém nachází uplatnění při napájení telekomunikační, navigační a signalizační techniky, nebo v obydlí bez přístupu k elektrizační soustavě. Solární panely jsou zdrojem jednosměrného napětí, proto chceme-li napájet i spotřebiče využívající střídavé napětí, je nutné do systému zařadit DC-AC měnič. 20 solárne pole regulátor (riadiaca jednotka) DC-AC menič (invertor) AC spotrebič DC spotrebič akumulátory Obr. 2.3 Příklad autonomního systému s akumulací energie Hybridní autonomní systém Hybridní autonomní systémy kombinují fotovoltaické systémy s jinými zdroji energie, jako jsou například dieselové generátory, biomasa, větrné turbíny a jiné. Akumulátory se nabíjejí z více zdrojů. Výhodou je vyšší spolehlivost a neustálý přístup k alespoň jednomu zdroji elektrické energie, který je schopný nahradit solární moduly při nepříznivých podmínkách, nebo při zvýšeném odběru. Využívá se na odlehlých místech bez přístupu k elektrizační soustavě. Obr. 2.4 Hybridní autonomní systém s větrnou turbínou 2.2.2 Systémy připojené k síti Systémy připojené k síti lze všeobecně rozdělit následujícím způsobem: Systémy připojené k síti: Umožňují dodávat vyrobenou elektřinu do elektrické rozvodné sítě nebo v případě potřeby ji ze sítě odebírat. 21 Systémy s podporou sítě: Nadbytečná FV elektřina se využije k nabíjení záložních akumulátorů a až po jejich nabití se dodává do rozvodné elektrické sítě. V případě nedostatku elektrické energie se nejdřív spotřebuje elektřina z baterií a až potom se odebírá z rozvodné sítě. V obou případech systém spolupracuje s veřejnou distribuční sítí. Častěji používaným je právě systém připojený k síti kvůli jeho nižším počátečním nákladům. Obr. 2.5 Schéma využití systému připojeného k síti v domácnosti 2.2.3 Akumulace energie Akumulace elektrické energie je jedním z nedořešených technických problémů současné doby, kdy stále rostoucí nároky na její spotřebu jsou spojeny s velmi rychlým nárůstem její ceny. Uplatňuje se tu fyzikální princip zachování energie, který říká, že energie nevzniká ani nezaniká, ale že se mění z jedné formy na jinou. Elektrická energie je neskladovatelná, proto je lepší ji ukládat do jiných, stabilnějších forem energie. Možnosti ukládání energie jsou: Potenciální energie Gravitační energie vázaná na polohu tělesa v Zemském gravitačním poli. Energie závisí na hmotnosti a výšce umístění tělesa. Příkladem uskladnění energie ve formě potenciální energie jsou přečerpávací vodní elektrárny. Ty fungují na principu čerpání vody do nádrže, která je umístěna ve vyšší nadmořské výšce při přebytku elektrické energie v systému. Při nedostatku elektrické energie se voda pustí dolů, kde roztáčí turbíny připojené ke generátorům elektrické energie. Tlaková potenciální energie – práce, kterou může vykonat plynné médium, např. plyn stlačený v tlakové nádobě, který roztáčí turbínové kolo nebo klikový mechanismus s generátorem. Kinetická energie – energie pohybujících se částí, která závisí od hmotnosti a rychlosti. Pro uskladnění energie se využívají rychle rotující elektrodynamické 22 setrvačníky uložené na speciálních ložiskách ve vakuu, které akumulují kinetickou energii a přeměňují ji na elektrickou přes připojený motor/generátor. V současnosti nachází uplatnění převážně v hybridních pohonech vozidel spolu se spalovacím motorem. Vnitřní energie – vyjadřuje obsah energie vázané v dané látce a je závislá na teplotě Tepelná energie – nadbytečné teplo se ukládá do izolovaných tepelných zásobníků s nízkými ztrátami tepla. Teplo se v případě potřeby přeměňuje na elektrickou energii např. v termočláncích. Účinnost tohoto systému je na úrovni až 0,85. Magnetická energie – projevující se v magnetickém poli Jaderná energie – je obsažena v jádrech atomů, uvolňuje se při štěpení nebo fúzí Chemická energie – je vazebná energie molekul látky, kdy během chemických reakcí dochází k uvolnění nebo vázání energie. Ve velké míře se využívá právě tato forma energie. Chemická energie Elektrochemické akumulátory energie – zařízení, která jsou po nabití a připojení zátěže schopná spustit opačnou chemickou reakci, kterou vzniká jednosměrný proud. Dochází při tom k vratné chemické změně. Články se sdružují do akumulátorových baterií, čímž dokážeme dosáhnout vyšší napětí. Nevýhodou tohoto způsobu uskladnění je malá objemová a hmotnostní energetická hustota a dlouhá doba chemického procesu, která brání okamžitému absorbování poměrně velkého množství energie. Akumulátory mají omezený počet nabíjecích/vybíjecích cyklů pohybující se v rozmezí 500 až 3000 cyklů. Negativním procesem je též samovybíjení, kdy postupem času dochází ke snižování kapacity akumulátorů. Elektrostatická akumulace energie – využívá technologii superkapacitorů. Jsou to elektrolytické kondenzátory vyrobené speciální technologií a vyznačující se kapacitou řádově stovek faradů. Energie je v superkapacitoru uložena elektrostaticky. Po přivedení venkovního napětí dochází k přesunu kladných iontů v elektrolytu směrem k záporné elektrodě a k přesunu záporných iontů ke kladné elektrodě. Účinnost samotného superkondenzátoru je až 0,98. Výhodou v porovnání s elektrochemickými akumulátory je jejich vyšší životnost a výkonová hustota, ale naopak nižší energetická hustota. Jsou vhodné na krátkodobou akumulaci energie např. z rekuperačního brzdění, ale nedokážou akumulovat dostatek energie pro dostatečný dojezd. 23 Obr. 2.6 Princip činnosti superkapacitoru 2.2.4 Malé FV systémy pro domácnosti Jde o malé fotovoltaické systémy s výstupním výkonem několika kW elektrické energie. Výhodou je menší závislost na vývoji cen energií, avšak systém není dostačující pro plnohodnotný provoz po celý rok. Solární pole je umístěno samostatně na nosných konstrukcích, nebo jako součást střech a fasád domů s cílem co nejméně ovlivňovat jejich běžný charakter a funkci. Sluneční energie se v domácnostech v současnosti využívá mnohem víc na ohřev vody a vytápění než na výrobu elektrické energie. Obr. 2.7 Příklady FV instalací na rodinných domech 2.2.5 Velké FV systémy – FV elektrárny Spojováním jednotlivých solárních modulů do větších celků vznikají velké fotovoltaické elektrárny. Výkon elektrárny není technologicky omezen. V případě fotovoltaických elektráren jde o výkony řádově v MW. Běžné jsou zejména 1 MW systémy. V našich podmínkách je na 1 MW instalovaného výkonu potřebná plocha okolo 10 000 m2. 24 Obr. 2.8 Velká FV elektrárna 2.3. Fototermální přeměna – výroba tepla Fototermální přeměna je přeměna sluneční energie na teplo. Solární ohřev vody využívá v převážné míře ploché kolektory. Teplo získané ze solárních kolektorů můžeme využít na přípravu teplé vody (TV), nebo použít na vytápění buď v teplovzdušných systémech, případně prostřednictvím vody. Systémy na ohřev TV a vytápění jsou většinou nízkoteplotní, kdy teplota nepřesahuje 100 °C. K přeměně sluneční energie na elektrickou dochází buď nepřímo, např. s využitím vysoce ohřáté páry k pohonu generátoru, nebo přímo ve fotovoltaických systémech. 2.4. Sluneční elektrárny Princip sluneční elektrárny spočívá v soustavě zrcadel nebo čoček, na které se usměrňuje sluneční záření. Sluneční kotel zachycuje v ohnisku sběrače koncentrované záření a odevzdává absorbované teplo cirkulující látce v uzavřeném okruhu. Vygenerovaná pára mechanicky otáčí turbínu. V elektrickém generátoru se kinetická energie turbíny přeměňuje na elektrickou energii. V kondenzátoru kondenzuje pára přicházející z turbíny. Kondenzační teplo se odvádí chladící vodou, vháněnou čerpadlem do chladící věže. Výhody slunečních elektráren: akumulace energie, plynulost výroby elektrické energie, vyšší výkon na jednotku plochy, spolehlivost, ekologický provoz. 25 Běžně se teploty pohybují do hodnoty 600 °C, v některých typech mohou být i vyšší. Sluneční elektrárny na bázi koncentrované sluneční energie rozdělujeme do čtyř základních typů: sluneční elektrárny s parabolickými zrcadly ve tvaru žlabu, sluneční elektrárny s parabolickými zrcadly ve tvaru disku, termální solární věže, Fresnelovy sluneční elektrárny. 2.2.6 Sluneční elektrárny s parabolickými zrcadly ve tvaru žlabu Parabolická zrcadla ve tvaru žlabu odrážejí a koncentrují přímé sluneční záření na absorbér – skleněnou trubici ležící v ohnisku lineárně podél zrcadel. Absorbér je naplněn teplonosným médiem, které se ohřívá až na teplotu 400 °C, následně generuje páry a pohání parní turbínu silového bloku. Běžně se jako teplonosné médium používá syntetický olej, roztavené soli nebo tlaková pára. Sledovací systém natáčí parabolická zrcadla během dne za sluncem po jedné ose. Průměrná roční účinnost je okolo 15 %. Obr. 2.9 Parabolická zrcadla ve tvaru žlabu s absorbérem 2.2.7 Sluneční elektrárny s parabolickými zrcadly ve tvaru disku Systémy využívají soustavu parabolických zrcadel ve tvaru disku - talíře, která koncentrují sluneční záření do absorbéru, umístěného v ohnisku disku. Standardně se při tomto typu elektráren využívá na výrobu elektrické energie Stirlingův motor, někdy i parní motor. Výhodou elektráren s parabolickými zrcadly ve tvaru disku, kombinovaných se Stirlingovým motorem, je nejen jejich stavebnicový charakter, nízké ztráty energie, ale hlavně relativně vysoká účinnost okolo 27 %. 26 Obr. 2.10 Parabolická zrcadla ve tvaru disku 2.2.8 Termální solární věže Věžová sluneční elektrárna je typická vysokou věží, která je obklopena rozsáhlou plochou pokrytou zrcadly sledujícími pohyb slunce – heliostatů. Heliostaty koncentrují sluneční záření na absorbér, který se nachází v ohnisku a je umístěn na vrcholu věže. Dosahovaná pracovní teplota teplonosného média se pohybuje od 800 °C do 1000 °C, což umožňuje větší efektivnost provozu v porovnání s elektrárnami s parabolickými zrcadly ve tvaru žlabu. Médiem mohou být i roztavené soli, které mají dobré akumulační vlastnosti. Nevýhodou termálních slunečních věží je, že každé zrcadlo musí mít vlastní dvojosý sledovací systém, a s tím je spojena vyšší investiční náročnost. Obr. 2.11 Základní schéma věžové sluneční elektrárny 27 Obr. 2.12 Solární věžová elektrárna 2.2.9 Fresnelovy sluneční elektrárny Zrcadla s malým zakřivením uspořádané podle Fresnelova principu usměrňují sluneční záření do absorbéru. Ten má tvar trubice a nachází se nad zrcadly v jejich ohnisku. Dosahuje nejnižší účinnost 8 %. Obr. 2.13 Fresnelova sluneční elektrárna 2.2.10 Komínové sluneční elektrárny Jsou speciálním typem slunečních elektráren, jejichž princip spočívá v ohřátí vzduchu pod skleníkem. Sluncem ohřátý vzduch vytváří vzduchové proudění, které stoupá vzhůru. Toto proudění roztáčí větrné turbíny nacházející se ve spodní části elektrárny. Aby elektrárna mohla pracovat i v noci, část slunečního záření ohřívá nádrže se slanou vodou, které udržují tah vzduchu i bez dopadu slunečního záření. 28 Obr. 2.14 Princip sluneční komínové elektrárny Obr. 2.15 Komínová sluneční elektrárna 2.5. Sluneční kolektory Energetická zařízení, která jsou součástí solárního systému a dochází v nich k přeměně energie slunečného záření na teplo, se označují jako sluneční tepelné kolektory, nebo jen sluneční kolektory. Hlavním prvkem kolektoru je absorbér, ve kterém probíhá samotná přeměna sluneční energie na teplo. Teplo se prostřednictvím absorbéru přenáší na teplonosné médium, které protéká v trubicích absorbéru a následně se přepravuje do zásobníku. Výsledek procesu ohřevu je tepelná energie akumulovaná ve vodě nebo v jiném, většinou kapalném médiu. Kolektory se nejčastěji používají k těmto účelům: příprava teplé vody, podpora vytápění budov, 29 ohřev vody v bazénech, průmyslové teplo a chlazení. Kolektory podle konstrukce rozdělujeme na: stacionární – pevně uchycené pracující při standardním záření; koncentrační – umístěné na pohyblivém zařízení, záření se zaměřuje na malou plochu, používají se sledovače slunce. Teplonosným médiem může být: vzduch, voda, nemrznoucí kapalina, olej. 2.5.1. Stacionární kolektory Plochý solární kolektor Ploché kolektory se obvykle navrhují jako stacionární zařízení. Proto je důležité důkladně zvážit jejich umístění, sklon a orientaci, aby se maximalizoval energetický zisk a zabezpečila optimální funkčnost podle účelu. Ploché kolektory se obvykle využívají k ohřevu TV, k podpoře vytápění nebo k ohřevu vody v bazénu. Teplonosným médiem je kapalina. Absorbér je tvořen černým povrchem tepelně vodivě spojeným s měděnou trubicí, např. ve tvaru meandru, v níž proudí kapalina, která odvádí teplo. Je vyrobený tak, aby absorboval maximum záření. Množství absorbované energie závisí hlavně na úhlu dopadu záření. Zadní strana kolektoru je izolovaná. Zhotoven je z mědi, hliníku nebo oceli. Na krytí kolektoru se nejčastěji používá tvrzené bezpečnostní sklo. Obr. 2.16 Ukázka konstrukce plochého kolektoru – rez Nekryté ploché kolektory (bazénové absorbéry) slouží k ohřevu vody v bazénech. Ukládají se buď volně na plochy vedle bazénu, nebo na střechy s nízkým sklonem. V kolektorech proudí a ohřívá se přímo voda z bazénu. Příklad instalace na střeše v blízkosti bazénu je na obr. 2.17. 30 Obr. 2.17 Bazénový kolektor a příklad instalace Vakuový trubicový kolektor Absorbér takového kolektoru se nachází ve vakuové skleněné trubici. Vakuum izoluje a snižuje tepelné ztráty, čímž se docílí vyšší výkon i vyšší teplota pracovního média. V porovnání s plochými kolektory je účinnost vyšší v případě menších úhlů dopadu. Existují dva druhy trubicových kolektorů: s průtokovou trubicí, s tepelnou trubicí. Vakuový trubicový kolektor s tepelnou trubicí V kolektorech s tepelnou trubicí se směs ohřívá v trubici a teplo se odevzdává ve výměníku tepla, ve kterém protéká teplonosná látka. Směs v tepelné trubici se cyklicky vypařuje a kondenzuje. Po odevzdání tepla ve výměníku se směs ochladí, kondenzuje a klesá dolů. Princip činnosti trubicového kolektoru s tepelnou trubicí je na obr. 2.18. Velkou výhodou kolektorů s tepelnou trubicí je skutečnost, že se nemohou poškodit přehřátím nebo zamrznutím směsi v trubici. Obr. 2.18 Princip vakuového trubicového kolektoru s tepelnou trubicí 31 Obr. 2.19 Vakuový trubicový kolektor a příklad instalace V porovnání s plochými kolektory se přednosti vakuových trubicových kolektorů projeví ve vyšších zeměpisných šířkách. Celý systém kolektoru je vakuově uzavřen, proto odpadají mnohé nepříznivé venkovní vlivy a degradační procesy v materiálech. Vakuový trubicový kolektor s průtokovou trubicí V tomto systému trubičky vytvářejí smyčku, která prochází přes paralelně zapojené vakuové trubice. Voda, kterou ohříváme, přichází ve válci do přímého styku s absorpčním povrchem každé vakuové trubice. Jak se voda postupně ohřívá, čerpá se přes trubky kolektoru a nakonec prochází sekundární spirálou bojleru. Tato sekundární spirála ohřívá zásobník teplé vody. Výhodou technologie průtokové trubice je možnost instalace modulu v úhlu od 0° až po 90° a tím natočení povrchu absorbéru do optimální polohy vůči slunci. Obr. 2.20 Princip vakuového trubicového kolektoru s průtokovou trubicí 32 Obr. 2.21 Vakuový trubicový kolektor – ohřev TV a podpora vytápění 2.5.2. Koncentrační kolektor Cílem koncentrace slunečního záření je zefektivnit výkon solárního zařízení zvýšením teploty absorbéru nad teplotu, kterou lze dosáhnout v nekoncentrujících systémech. Koncentrační optika koncentruje záření z velké plochy na malou. Koncentrační kolektory mají dva důležité komponenty – zrcadlový povrch, tedy koncentrační část a druhý komponent – absorbující povrch. Jako izolant absorbéru se používá vakuum. Obvyklé uspořádání koncentrátorů je následující: parabolická zrcadla v lineárním (žlaby, žlábky) nebo v diskovém (miskovém) uspořádání; rovinná zrcadla – heliostaty, které reflektují sluneční záření na jeden bod; Fresnelova optika. V solární technologii se používají dva druhy koncentrační geometrie – zobrazující a nezobrazující. Nezobrazující optika odráží sluneční záření na absorbér, ale nevytváří obraz slunce, proto nevyžaduje pohyblivý mechanismus sledující slunce. Nezobrazující optika odráží záření na absorbér, přičemž toto záření může přicházet v širokém intervalu úhlů. Zobrazující optika vytváří obraz slunce a vyžaduje proto přesné sledování polohy slunce, nebo části oblohy, která svítí nejvíc. Výhodou koncentračních kolektorů je: vyšší teplota pracovního média, vyšší termodynamická účinnost, jednodušší konstrukce, menší plocha absorbéru. 33 Kolektory se sledováním slunce Kolektory se sledováním slunce pracují v převážné míře s přímým slunečním zářením. To si vyžaduje použití mechanismu, který zabezpečí v každém okamžiku optimální polohu kolektoru ke zdroji světla. Mechanismus sleduje slunce a ovládá pohyb kolektorů. Sledovač může být jednoosý (sleduje slunce jen v jednom směru), nebo dvojosý (kontroluje výšku slunce a jeho azimut). Obr. 2.22 Sledovací systém s trubicovými kolektory Příklad montáže trubicových kolektorů na stožár se sledovacím mechanismem je na obr. 2.22. Využití sledovacích zařízení je častěji v oblasti slunečních elektráren, resp. vysokoteplotních systémů. Plochý kolektor s plochým reflektorem Konstrukčně jednoduchý koncentrující kolektor je spojením plochého solárního kolektoru a zrcadlového rovinného reflektoru, který zvyšuje množství dopadajícího záření na absorbující plochu. Systém je stacionární. Pro zlepšení efektivity je povrch absorbéru zdrsněn. Využívá se hlavně ve vyšších zeměpisných šířkách a v případě větších solárních zařízení, když jsou jednotlivé kolektory v řadách. Obr. 2.23 Koncentrující plochý kolektor Parabolický žlabový kolektor Parabolický kolektor může mít tvar disku nebo žlabu. Běžný je žlabový kolektor. Jeho tvar je navržen tak, aby maximalizoval množství světelné energie na povrch absorbéru. Využívá nejen přímé, ale i difúzní záření. Absorbér se nachází v ohnisku parabolického koncentrátoru a může být lineární, plochý, nebo cylindrický, jako je na obr. 2.24. 34 Kolektor bývá překryt sklem, aby se zabránilo znečištění zobrazujících ploch. Může být stacionární nebo pohyblivý. Obr. 2.24 Parabolické koncentrátory s cylindrickým absorbérem Teplota pracovního média v parabolickém žlabovém kolektoru může dosáhnout až 400 °C. Získaná energie se využívá jako technologické teplo nebo na pohon turbíny ve sluneční elektrárně. Parabolický diskový kolektor má podobnou geometrii, ale absorbér se nachází v bodovém ohnisku (obr. 2.25). Parabolický diskový kolektor vyžaduje dvojosý sledovací mechanismus. Teplota pracovního média může dosáhnout až 1500 °C. Parabolické diskové kolektory dosahují nejvyšší účinnost ze všech kolektorů. Mohou pracovat samostatně, nebo je můžeme spojovat do velkých systémů. Obr. 2.25 Parabolický diskový kolektor Kolektory s Fresnelovou optikou Fresnelovy kolektory využívají buď Fresnelovy čočky, nebo reflektor s Fresnelovým zrcadlem. Fresnelovy čočky jsou plastové, speciálně tvarované. Uspořádání reflektorů je realizováno jako: Lineární 35 absorbér je umístěn na věži, nemusí se pohybovat, systém rovinných zrcadel je segmentovaný (obr. 2.27) Parabolické absorbér je umístěn na věži, zrcadla jsou na parabolické ploše, ale jejich povrch je rovinný (obr. 2.26) Teplonosné médium s teplotou i nad 1500 °C se nejčastěji využívá na výrobu elektrické energie. Obr. 2.26 Koncentrace světelného záření parabolickým zrcadlem Fresnelova typu Obr. 2.27 Lineární Fresnelův reflektor 2.6. Výběr solárního kolektoru Nejdůležitějšími parametry při výběru je pořizovací cena zařízení, účinnost, předpokládané použití, lokalita instalace a ekonomika provozu. V podmínkách Slovenské republiky jsou rozšířené ploché nebo trubicové kolektory, resp. jednoduché bazénové kolektory. Kolektor se vybírá s ohledem na účel použití a výběr je podstatným krokem k návrhu solárního systému. 36 Okolnosti, které je třeba zvážit: Lokalita instalace celková dostupnost světelného záření v dané lokalitě, místní klimatické podmínky, terénní a stavební okolnosti, případně i předpokládané stavební konstrukce, Umístění slunečního kolektoru nejvyšší účinnost je při kolmém dopadu světla, v našich podmínkách se používá pevné umístění kolektorů se sklonem 45°, Nízké ztráty snižování zrát konstrukčními řešeními (omezením délky rozvodů nebo tepelnou izolací), optimalizace všech částí systému (rozvody, zásobník). 2.7. Systémy na solární ohřívání vody Solární kolektor je hlavním prvkem systému pro ohřev vody. Teplo ze slunečního záření se absorbuje a přenáší přímo na TV nebo teplonosné médium. Získaná teplá voda se může akumulovat, nebo přímo použít. Solární kolektor má 4 hlavní části: kolektor, absorbér, výměník – při použití teplonosného média, čerpadlo – pro vynucený pohyb ohřátého média. Jako teplonosné médium může sloužit i vzduch. Vzduchové systémy pracují s nepřímým ohřevem a používají výměník vzduch-kapalina. Médium přenáší získanou energii do výměníku/zásobníku pitné vody, kterou tím ohřívá. V okruhu se nachází expanzní nádoba, která vyrovnává tlaky uvnitř systému. Výhodou vzduchových systémů je, že nepotřebují ochranu proti přehřátí a zamrznutí. Vzduchové rozvody jsou však náročnější na prostor. Termosifon Jde o jednoduché celosvětově rozšířené zařízení. Využívá přirozeného stoupání teplé vody, takže zásobník/výměník se nachází nad solárními panely, což zároveň určuje celkové uspořádání a nízkou estetickou úroveň (obr. 2.28). Nevyžaduje nucený oběh vody pomocí čerpadla. 37 Obr. 2.28 Princip činnosti termosifonu Kolektor integrovaný se zásobníkem Zásobník, jak říká název tohoto systému, je integrován přímo do kolektoru a tvoří kompaktní kus. Jde o pasivní systém, který nemá pohyblivé části a nevyžaduje nucený oběh vody. Tento systém se využívá typicky na předehřev vody pro existující elektrický, plynový nebo jiný ohřev. Velké ztráty vznikají v noci a v chladných dnech. Systém s přímou cirkulací Solární systémy používající čerpadlo se označují jako aktivní. Voda ze zásobníku se čerpá do kolektorů, tam se ohřívá a vrací zpět do zásobníku. Dochází ke smíchání teplé a studené vody, teplá stoupá vzhůru, kde se odebírá. Používá se pitná voda, okruh s kolektorem je tedy propojen s okruhem distribuce pitné vody. Systém s přímou cirkulací je citlivý na zamrznutí a přehřátí, stejně jako na chemické vlastnosti vody. 38 3 Větrná energie Vítr vzniká vlivem nerovnoměrného ohřátí zemského povrchu slunečním zářením, je to tedy jev způsobený povrchem Země. Suché části povrchu se ohřívají o mnoho rychleji než vlhké. Horký vzduch stoupá vzhůru, protože je lehčí než studený. Přízemní vítr nad pevninou je silně ovlivněn tvarem povrchu na rozdíl od moře a pobřežní části pevniny. Vítr těsně u povrchu pevniny se vyznačuje nestálostí: intenzity, rychlosti, směru. Rozhodujícím faktorem využívání větrné energie je průměrná rychlost větru za rok. Minimální průměrná roční rychlost větru pro efektivní provoz má být 4,8 m.s-1 a více. Ideální větrné podmínky však poskytují mořská pobřeží, kde průměrná rychlost větru běžně dosahuje 8 až 10 m.s-1. Obr. 3.1 Větrné farmy Přeměna větrné energie na elektrickou energii Působením proudu vzduchu na listy větrné turbíny vzniká aerodynamická síla, která je příčinou rotačního pohybu turbíny. Rotační pohyb turbíny se využívá k pohonu generátoru vhodného typu, který je přímým zdrojem elektrické energie. Energie získaná z větru závisí na: hustotě vzduchu ploše rotoru 39 rychlosti větru Rozdělení větrných zařízení 3.1. Větrné motory transformují kinetickou energii vzduchu na mechanickou. Obdobně jako všechny energetické stroje je rozdělujeme podle různých kritérií: Podle aerodynamického principu na odporové a vztlakové. Podle polohy osy otáčení na: - větrná zařízení s horizontální osou otáčení, - větrná zařízení s vertikální osou otáčení. Podle účelu na: - větrná zařízení sloužící k čerpání vody, - větrné elektrárny. Podle způsobu dodávky elektrické energie na: - systémy nezávislé na rozvodné síti, autonomní systémy, které slouží k lokálnímu zásobování elektrickou energií s výkonem řádově kW, - systémy dodávající energii do rozvodné sítě. Slouží výhradně pro komerční výrobu elektrické energie a pro dodávku elektrické energie větrnou elektrárnou do rozvodné sítě (větrné elektrárny velkých výkonů). Podle způsobu regulace výkonu: - pasivní regulace (stall) – odpojením proudnic vzduchu od listu rotoru - aktivní regulace (pitch) – využívá natáčení celého listu rotoru podle okamžité rychlosti větru 3.2. Větrná zařízení s horizontální osou otáčení Pomaluběžné rotory - 6 až 8 lopatek, - jednodušší konstrukce, - použitelné při nízké rychlosti větru, - nízká hmotnost. Rychloběžné rotory - třílistová vrtule, - možnost natáčení lopatek, - regulace otáček rotoru. 40 Moderní větrné elektrárny s horizontální osou otáčení jsou konstruovány zásadně jako rychloběžné větrné motory s třemi případně dvěma listy rotoru. Podle způsobu technického řešení elektrárny z pohledu dosažení optimálních otáček potřebných na generování elektrické energie v provozních podmínkách charakterizovaných nekonstantní hustotou výkonu větru se dají rozdělit do tří skupin: elektrárny se stall regulací, pevnou geometrií listů rotoru – převodovkové; elektrárny s pitch regulací, proměnlivou geometrií listů rotoru – převodovkové bezpřevodovkové elektrárny s proměnlivou geometrií listů rotoru Elektrárny s pevnou geometrií listů rotoru – převodovkové Listy vrtule jsou upevněny na náboji rotoru, který je uchycen na hlavní hřídeli přenášející kroutící moment rotoru. Regulace otáček rotoru se realizuje působením aerodynamické regulace, tedy odpojením proudnic od aerodynamického profilu, a také působením brzdícího účinku magnetického pole generátoru. Pro úplné zastavení rotoru při silném větru musí být zařízení vybaveno hydraulickou kotoučovou brzdou. Hlavní hřídel přenáší kroutící moment z rotoru do třístupňové převodovky. Na výstupu z převodovky je přes spojku připojena rychlootáčková hřídel, která přenáší kroutící moment na asynchronní generátor. Elektrárny s proměnlivou geometrií listů rotoru – převodovkové Větrná elektrárna s proměnlivou geometrií rotoru má listy uchycené v ložiscích, které umožňují jejich otáčení okolo podélné osy. Otáčecí mechanismus zabezpečuje současné nastavování všech listů vrtule do příslušné polohy podle požadovaného náběhového úhlu. Převodovka pracuje rychle a brzdění probíhá natáčením listů vrtule. Hydraulická brzda se používá jen při odstávkách elektrárny. Bezpřevodovkové elektrárny s proměnlivou geometrií listů rotoru Nezbytnou součástí bezpřevodovkové elektrárny je mnohopólový prstencový synchronní generátor s několikametrovým průměrem. Výsledkem instalace speciálního generátoru je vynechání převodovky z vybavení strojovny věterné elektrárny. Generátor pracuje v režimu proměnlivých otáček. Takto generovaný proud s proměnlivými parametry je prostřednictvím výkonové elektroniky transformován a frekvenčně přizpůsoben parametrům sítě, ke které je elektrárna připojena. Velkou výhodou tohoto systému je schopnost pracovat i při malé rychlosti větru. 3.3. Větrná zařízení se svislou osou otáčení turbíny Jde o nejstarší historicky prokázaná zařízení sloužící ke konverzi energie větru. Koncepcí je rotace křídel díky tlakovému účinku větru na plochu křídla. Větrné zařízení s vertikální osou otáčení rotoru má generátor a celou strojovnu umístěny v dolní části, což je velká konstrukční výhoda. Stejně tak se toto zařízení nemusí otáčet 41 ve směru větru. Na druhé straně, jeho pracovní část se nachází v přízemním turbulentním proudění, což se projevuje na nižší účinnosti než u zařízení s horizontální osou otáčení. Savoniův rotor Nejznámějším a nejjednodušším větrným rotorem tohoto uspořádání je tzv. Savoniův rotor. Je to pomaloběžný větrný stroj pracující na tlakovém principu, využívající přitom rozdíl tlaků působících na vypuklou a dutou plochu půlkruhové lopatky při proudění vzduchu. Účinnost se pohybuje jen okolo 20 %. Má dobré rozběhové vlastnosti i při malých rychlostech větru a velký záběrový moment, proto se hodí k pohonu objemových čerpadel. Darrieův rotor Skládá se ze dvou nebo tří křídel rotujících okolo svislé osy, které mají souměrný aerodynamický profil. Rotor pracuje obdobně jako u vrtulových elektráren, na vztlakovém principu, a patří mezi rychloběžné větrné stroje. Derrieovy rotory rozdělujeme podle tvaru křídel na: Rotor se zakřivenými křídly, - klasický Darrieův rotor se podle charakteristického tvaru taktéž nazývá Φ – rotor. Obr. 3.2 Derrieusův Φ – rotor Základním znakem rotorů typu Darrieus je to, že jejich provoz je možný jen při specifických povětrnostních podmínkách, jinak může být moment nulový nebo záporný – rotor je brzděn. Problémem řešení je i rozběh při slabším větru. Rotory s přímými listy - H rotor - s vodorovným ramenem a svislými křídly, 42 Obr. 3.3 Darrieův H rotor - Δ rotor, s křídly uchycenými horními konci i v místě osy otáčení, přičemž dolní strana křídel rozbíhajících se od osy je upevněna na radiální ramena. Větrná zařízení s Darrieovým Φ rotorem Specifickou nevýhodou této koncepce je nemožnost měnit geometrii listů, což má za následek omezené možnosti regulace a neúplné využití celé plochy rotoru. Jakékoli omezení výkonu nebo ochrana proti vichrům je možná jen brzděním stroje. Konstrukci je nutno zpevňovat pomocí výstužných lan, která jsou vedena z vrcholu svislé hřídele na zem. Tento fakt znamená vyšší náročnost na zábor půdy. Větrná zařízení s Darrieovým H a Δ rotorem Jejich název je odvozen podle dvojlistových turbín. Rameno má na konci dvě svislá, resp. nakloněná křídla. Tato konfigurace vytváří písmeno H, resp. Δ. Nejjednodušší typy mají svislá křídla uchycená pevně, bez možnosti změny geometrie. Mají všechny nevýhody spojené s koncepcí větrných turbín se svislou osou. Při zvýšených otáčkách dochází u tohoto typu k samoregulaci a výkon ani otáčky se nezvyšují. Větrné turbíny s vertikální osou se zatím většího rozšíření nedočkaly. Jejich nevýhody převažují nad výhodami. Uplatnění nacházejí jen ve specifických podmínkách. 43 4 Biomasa Biomasa je biologický materiál vhodný na energetické využití, který se tvoří ve volné přírodě, nebo je vyprodukován činností člověka. Je to zakonzervovaná sluneční energie, kterou rostliny přeměňují na organickou hmotu. Ta, jako dřevo, rostliny nebo jiné zemědělské zbytky, včetně exkrementů užitkových zvířat, dokáže vhodnou přeměnou poskytnout užitečné formy energie – elektrickou energii, teplo i kapalná paliva pro motorová vozidla. Biomasa má tedy nezastupitelnou úlohu ve snižování skleníkových plynů, z nichž nejvýznamnější je CO2. 4.1. Způsoby využití biomasy pro energetické účely Možnosti využití biomasy pro energetické účely předurčují hlavně její fyzikální a chemické vlastnosti. Velmi důležitým parametrem je vlhkost, resp. obsah sušiny v biomase. Hodnotu 50 % sušiny je možno považovat za hraniční mezi procesy mokrými (obsah sušiny je menší než 50 %) a suchými (obsah sušiny je vyšší než 50 %). Podle principu samotné konverze energie je možno definovat několik způsobů získávání energie z biomasy: termochemická přeměna biomasy (suché procesy): spalování, zplynování, pyrolýza; biochemická přeměna biomasy (mokré procesy): alkoholové kvašení, metanové kvašení; fyzikální a chemická přeměna biomasy: mechanická (štěpkování, drcení, lisování, briketování, peletování, mletí atd.), chemická (esterifikace surových rostlinných olejů); získávání odpadového tepla při zpracovávání biomasy (například při kompostování, aerobním čištění vod, anaerobní fermentaci apod.). Bezprostředním produktem těchto procesů je teplo využívané v místě výroby nebo v jeho blízkosti. Teplo lze využívat buď přímo pro přípravu teplé vody, anebo pro výrobu elektrické energie pomocí agregátu poháněného parou. 44 Obr. 4.1 Princip zpracování biomasy a její další použití Spalování Technologie přímého splování biomasy je nejběžnějším způsobem jejího energetického využití. Spalovací zařízení se dodávají v různých vyhotoveních a výkonech, přičemž jsou schopné spalovat prakticky jakékoli palivo od dřeva přes balíky slámy až po slepičí trus nebo komunální odpad. Význam má především spalování odpadového dřeva a odpadů ze zemědělské produkce. Pro účinné spalování je potřeba zabezpečit: dostatečně vysokou teplotu; dostatek vzduchu; dostatek času, aby mohlo proběhnout úplné spálení biomasy. Pyrolýza Pyrolýza je způsob úpravy biomasy na palivo vyšší kvality – tzv. dřevěné uhlí. Na jeho výrobu je kromě dřeva možno využít i jiné suroviny, například slámu. Pyrolýza spočívá v ohřívání biomasy (která je často rozdrcená a dodávaná do reaktoru) za nepřítomnosti vzduchu na teplotu 300 – 500 °C, až do doby, dokud z ní neuniknou prchavé látky. Výhody výroby dřevěného uhlí: palivo s dvojnásobnou energetickou hustotou, hoření při vyšší teplotě, menší množství emisí. 45 Rychlá pyrolýza dřeva při teplotě 800 – 900 °C vede k produkci jen 10 % dřevěného uhlí a až 60 % materiálu se mění na energeticky hodnotné palivo – plyn bohatý na vodík a oxid uhelnatý. Tato metoda není dostupná na komerční úrovni. Zplynování Zplynování je proces, při kterém se produkují hořlavé plyny, jako jsou vodík, oxid uhelnatý, metan a některé nehořlavé produkty. Celý proces probíhá při nedokonalém hoření a ohřívání biomasy teplem vznikajícím při hoření. Vzniklá směs plynů má vysokou energetickou hodnotu a může být použita jako jiné plynné palivo při výrobě tepla a elektřiny. Uvolněné teplo udržuje celý proces bez dodávání energie zvenčí. Na konci procesu je tak užitečnější a využitelnější produkt. Fermentace Fermentace roztoků cukrů je způsob výroby etanolu z biomasy. Jde o biologický proces bez přístupu vzduchu, při kterém se cukry mění působením mikroorganismů (kvasinky) na alkohol – etanol, resp. metanol. Etanol je velmi kvalitní kapalné palivo, které podobně jako metanol je možné využít jako náhradu za benzin v motorových vozidlech. Na výrobu etanolu ale i metanolu se jako vhodné suroviny dají využít různé rostliny například obilí, brambory, kukuřice, řepa cukrovka. Anaerobní vyhnívání Je proces hnití účinkem bakterií bez přítomnosti vzduchu. Hnití organických zbytků probíhá všude v teplém a vlhkém prostředí a dokonce i pod vodou, kde vede k tvorbě plynů vystupujících na hladinu. Plyn vznikající při hnití organických látek v umělém prostředí se nazývá bioplyn a skládá se hlavně z metanu a oxidu uhličitého. Získávání bioplynu z odpadů a jeho spalování plynovými turbínami je nenáročný proces a technologické prvky jsou běžně dostupné na trhu. Společné spalování uhlí a biomasy Společné spalování uhlí a biomasy je vzhledem k podobnosti uvedených paliv možné. Je to také jedna z cest snižování emisí spojených s výrobou elektřiny v uhelných elektrárnách. Elektrárny se od sebe mohou lišit zastoupením biomasy ve smíšeném palivu. Běžně jde o 5 – 20% zastoupení, zbytek tvoří uhlí. 46 Obr. 4.2 Schéma kombinované výroby elektrické energie a tepla z biomasy na základě zplynování 4.2. Biomasa jako palivo Všechna fosilní paliva využívaná v současnosti jako např. uhlí, ropa, zemní plyn jsou fosilní formou biomasy. Toto palivo vznikalo jako výsledek velmi pomalých chemických procesů. Z hlediska vlivu na životní prostředí je velký rozdíl mezi fosilními palivy a obnovitelnou biomasou. U fosilních paliv dochází k ovlivňování životního prostředí tím, že při jejich spalování se do atmosféry dostávají látky, které byly po mnoho milionů let uloženy pod zemským povrchem. Na rozdíl od nich je například spalování čerstvé biomasy z hlediska emisí skleníkových plynů neutrální. Pevná biopaliva Dřevo je nyní nejpoužívanějším druhem biopaliva. Ve světě existuje značný potenciál jeho využití pro energetické účely. Souvisí to s tím, že při těžbě a zpracování dřeva k jiným než energetickým účelům vzniká velké množství odpadu, který často zůstává nevyužitý. Dřevěné štěpky resp. piliny, z kterých se vyrábějí tzv. pelety, jsou cenným palivem. Tradiční pece používané v domácnostech mají účinnost využití energie obsažené v dřevě pod hodnotou 30 %, moderní zařízení na zplynování dosahují okolo 90 %. K pevným palivům patří i dřeviny vyznačující se rychlým růstem, které je možno jednoduše pěstovat za účelem budoucího energetického využití. Doba jejich produkce je obvykle jen 3 až 8 let, u některých druhů trav jen 6 až 12 měsíců. 47 Kapalná biopaliva Na rozdíl od pevných a plynných biopaliv se kapalná biopaliva využívají především k pohonu motorových vozidel. Výroba alkoholu (metanolu a etanolu) z biomasy na technické účely je známa už od začátku 20. století. V současnosti jsou nejdůležitějšími palivy vyráběnými z biomasy etanol, metanol a bionafta. Bionafta vyráběná z řepky olejky je jediným kapalným biopalivem, které se využívá i u nás. Plynná biopaliva Z energetického hlediska plynná biopaliva nedosahují úroveň například zemního plynu a energie obsažená v dřevoplynu je podstatně nižší než v bioplynu. Složení bioplynu a dřevoplynu však není konstantní a mění se v závislosti od podmínek jejich výroby. Výhodou plynných paliv je, že při spalování se lépe směšují se vzduchem, a proto lépe hoří než kapalná paliva. Další výhodou těchto paliv v porovnání s benzínem a naftou je, že mají oktanové číslo. Vyšší kvalita plynných paliv umožňuje použití vyššího kompresního poměru, což má za následek vyšší výkon a účinnost motoru. Aplikace bioplynu se v současnosti koncentruje převážně do stacionárních motorů – kogeneračních jednotek (výroba elektřiny a tepla). 4.3. Kotle na biomasu Jsou to zařízení určená na spalování suché dřevní hmoty při současné výrobě tepelné energie, která může být využita k vytápění. Podle principu činnosti je dělíme na kotle s prohoříváním, spodním hořením a se zplynováním dřeva. Kotle s prohoříváním dřeva Jsou nejjednoduššími kotly na dřevo a pracují na podobném principu jako klasické pece na dřevo. Vzduch vniká zespodu do kotle a přechází nahoru přes palivo. V takovém případě dřevo prohořívá velmi rychle a plyny nestihnou shořet úplně, protože teplota kotle je relativně nízká. Většina plynů uniká do komína a s nimi i užitečná energie. Plyny mají také velmi omezený prostor na odevzdání své energie jinému médii, například vodě. Takové kotle většinou nejsou vhodné ke spalování dřeva, protože jejich účinnost je nízká – přibližně 50 %. Kotle se spodním hořením Vzduch se k palivu v kotli přivádí jen ze spodní části, přičemž hoří jen spodní vrstva dřeva. Zbytek dřeva se ohřívá a vysušuje, přičemž se z něho pomalu uvolňují plyny. Přidáním dodatečného vzduchu přímo do plamene dochází ke spalování těchto plynů. V moderních kotlech tohoto typu je spalovací komora z keramiky, která je dobrým izolantem a udržuje teplo uvnitř komory. Tím se dosáhne vysoká teplota spalování a účinnější hoření. Běžná účinnost těchto kotlů je asi 65 až 75 %. 48 Kotle se zplynováním dřeva Kotle jsou konstruovány tak, aby při hoření paliva docházelo k pyrolytické destilaci, při níž se všechny spalitelné složky paliva zplynují. Spalování probíhá třístupňovým procesem v jednotlivých zónách kotle: zóna – vysoušení a zplynování dřevní hmoty, zóna – hoření dřevního plynu na trysce s přívodem předehřátého sekundárního vzduchu, zóna – dohořívání v nechlazeném spalovacím prostoru. Takto řízený systém spalování se vyznačuje možností plynulé regulace výkonu a zaručuje vysokou účinnost, často až 90 %. Obr. 4.3 Princip zplynovacího kotle 1) rošt; 2) dýza na zplyňování; 3) tah spalin; 4) odvod spalin; 5) popelník; 6) řídicí jednotka Provoz zařízení klade minimální nároky na obsluhu. Kotle jsou určeny k montáži do systému s nuceným oběhem i samotížnou cirkulací. Kotel obyčejně musí mít samostatný komín. Ve zplynovacích kotlích je možno spalovat suchou dřevní hmotu, přírodní dřevní odpadky v celé škále podob od štěpků přes polena s délkou až 80 cm a průměrem až 30 cm až po dřevěné brikety nebo pelety. 49 4.4. Dřevo jako biopalivo Dřevo patří mezi velmi cennou energetickou biomasu, 1 000 kg suché dřevní hmoty se svojí energií vyrovná: 450 kg černého uhlí, 520 kg koksu, 340 kg topného oleje, 320 kg butanu. Dřevo je vhodné před použitím nechat vysušit. Proces sušení při vhodných podmínkách během prvních dvou až tří roků zvyšuje energetický obsah dřeva. Při spalování vlhkého dřeva klesá teplota spalování, dochází k zadýmení, zanášení kouřových potrubí a ke snižování životnosti kotle. Při správném spalovaní a při správné vlhkosti dřevo hoří téměř bez kouře, lehce se zapaluje, nešpiní při manipulaci a tvoří málo popele, asi 1 % původní hmotnosti. Nejdéle se oheň udrží při aplikaci tvrdých druhů dřeva, nejlépe hoří lehká dřeva listnáčů a jehličnanů. Výborně však hoří každé dřevo, které má nízký obsah vlhkosti, t.j. 15 – 20 %. Brikety Brikety (obr. 4.4) jsou válcovitá tělesa s délkou asi 15 – 25 cm vyrobená z odpadové biomasy drcením, sušením a lisováním bez jakýchkoli chemických přísad. Lisováním se dosahuje vysoká hustota (1 200 kg.m-3), což je důležité pro minimalizaci objemu paliva. Vysoká výhřevnost (19 MJ.kg-1) je zárukou nízkých nákladů na vytápění. Nízká popelnatost, časově neomezená skladovatelnost, bezprašnost a jednoduchá manipulace jsou vlastnosti, které tomuto palivu dávají špičkové parametry. Obr. 4.4 Brikety Štěpky Štěpky jsou 2 – 4 cm dlouhé kousky dřeva, které se vyrábějí štěpkováním z dřevních odpadů například klestí z prořezávání porostů nebo větví. Štěpky (obr. 4.5) jsou odpadovým produktem dřevařského průmyslu a jejich energetické zužitkování se stalo v mnohých zemích běžné. 50 Obr. 4.5 Dřevní štěpky V Dánsku i v Rakousku existuje řada větších obecních kotelen spalujících štěpky. Výhodou štěpků je, že rychleji schnou a také umožňují automatický provoz kotlů při použití zásobníku a dopravníku paliva. Pelety Jde o granule kruhového průřezu s průměrem přibližně 6 – 8 mm a délkou 10 – 30 mm. Jsou vyrobeny výhradně z odpadového materiálu, jako jsou piliny nebo hobliny bez jakýchkoli chemických přísad. Lisováním pod vysokým tlakem se dosahuje vysoká hustota paliva. Jejich velkou výhodou je, že mají nízký obsah vlhkosti – asi 8 až 10 %. Relativně vysoká hustota materiálu (min. 650 kg/m3) garantuje i vysokou výhřevnost až 20 MJ/kg. Těmito parametry se pelety vyrovnají uhlí. Obr. 4.6 Dřevní pelety 51 Obr. 4.7 Schéma kotle pro spalování pelet Zásobníky poloautomatických kotlů na pelety (obr. 4.7) jsou konstruovány tak, aby množství paliva v nich obsažené dovolovalo bezobslužný provoz kotle po dobu 1 týdne. Po této době je potřeba vybrat popel a doplnit palivo. Delší cyklus přikládání umožňuje vybudování zásobníkového sila, z něhož se pelety přemísťují do kotle dopravníkem. Provoz kotlů spalujících pelety je automatický. Dodávka paliva se provádí před topnou sezónou. Sláma Odpady ze zemědělské produkce jsou z hlediska obsahu energie velmi významným zdrojem. Sláma má vyšší výhřevnost (hmotnostní energií) než hnědé uhlí a jako palivo na vytápění se dnes využívá v mnoha vyspělých zemích. Účinnost spalování slámy v kotlech je též relativně vysoká, v průměru 80 až 85 %. Obr. 4.8 Balíky slámy na poli 52 Kotle na slámu bývají dimenzované na 60 – 70 % maximální zátěže, což umožňuje jednodušší a ekonomičtější provoz během letních měsíců s nízkým odběrem tepla. Sláma dodávaná do spaloven musí vyhovovat jistým požadavkům. Kritickým parametrem je obsah vlhkosti, která se obvykle pohybuje na úrovni 10 až 25 %. 53 5 Geotermální energie Pod výrazem „geotermální energie“ rozumíme teplo (termální energií), která se nachází uvnitř naší planety a pomalu proniká na povrch. Uvnitř Země se shromažďuje velké množství této energie, ale na zemský povrch se jí dostane jen nepatrné množství. Blízko u povrchu teplota roste pozvolně, přibližně 30 °C na každý kilometr hloubky, tzn. že v hloubce 3 kilometrů teplota dosahuje v průměru 100 °C. Využívání geotermální energie je proto technicky složité a nákladné, ale v regionech s vydatnými geotermálními prameny se ukazuje jako efektivní. Když vzniknou trhliny v horninách zemské kůry, mezery se v těchto místech naplní vodou prosakující z povrchu. Voda se ohřívá na stejnou teplotu, jakou mají horniny, a v jejich prasklinách se vytvářejí tzv. „geotermální nádrže“ s podzemní horkou vodou. Obr. 5.1 Průběh teplot uvnitř Země Využívat geotermální energii znamená: energii z obnovitelného zdroje, malou závislost na venkovních vlivech, minimální znečištění prostředí, vysoké investiční náklady, rozsáhlé výkopové práce, velký zábor půdy. 5.1. Technologie geotermální přeměny Geotermální elektrárny dělíme podle zdrojového média na: Parní 54 Pracovním médiem je pára s vysokou teplotou, která zaručuje vysokou účinnost přeměny energie. Látka na povrch proniká z vrtu bez vynaložení energie. Hydrotermální Využívají geotermální tekutinu s nižší teplotou a dosahují nižší účinnost. Je potřebné vynaložit energii pro úpravu tekutiny a na její transport na povrch. Hydrotermální geotermální elektrárny využívají jako zdrojovou látku geotermální tekutinu v kapalné fázi, tedy horkou vodu. Horká geotermální voda má nižší teplotu než geotermální pára, a tak i účinnost těchto elektráren je o něco nižší. Geotermální tekutiny mají vlivem okolních hornin vysoký obsah minerálních prvků, které mají nepříznivé účinky na technologii elektrárny. Agresívní povaha a vysoký korozní potenciál geotermálních tekutin způsobily, že jejich využití pro výrobu elektrické energie muselo počkat na vývoj použitelných antikorozních materiálů. Aby se dalo zdrojové teplo geotermální tekutiny využít, je potřebné vynaložit vstupní energii na transport a úpravu fyzikálních vlastností primární pracovní tekutiny. Tato energie je několikrát převýšena výstupní elektrickou (mechanickou) nebo tepelnou energií, která se získá geotermální přeměnou. 5.1.1. Parní geotermální elektrárny Parní elektrárnu pohání přímo horká pára z podzemních zásobníků. Takto vzácné zásoby se nacházejí jen v několika lokalitách a musí se vyznačovat vysokou teplotou geotermální tekutiny. Získaná pára putuje soustavou potrubí do centrální budovy elektrárny, odkud jde přímo do turbíny. Během celého procesu se od páry odděluje vlhkost. Ta se jako přebytečná v kapalném skupenství vrací reinjektážním vrtem zpět do geotermálního zásobníku, čímž se prodlužuje životnost zásobníku. Obr. 5.2 Základní schéma parní geotermální elektrárny 55 5.1.2. Hydrotermální elektrárny Jsou poháněny horkou geotermální vodou tvořenou směsí kapaliny a páry. Podle principu činnosti je dělíme na hydrotermické, elektrárny s kombinovaným cyklem a hot dry rock. Hydrotermické elektrárny bez nízkotlaké turbíny Z vrtu je čerpána geotermální tekutina obsahující obě skupenství – vodu i páru. V prvním technologickém procesu se v cyklonovém separátoru tyto složky oddělí. Následná soustava potrubí je velmi podobná jako v parní elektrárně, ale využívá větší množství ventilů a uzávěrů. Reinjektážní vrt musí být uzpůsoben na větší množství přebytečné vody, která v tomto typu elektrárny vzniká. Obr. 5.3 Základní schéma hydrotermické geotermální elektrárny bez nízkotlaké turbíny Hydrotermická elektrárna s nízkotlakovou turbínou Princip činnosti je podobný jako u předcházejícího typu, avšak konstrukčně se liší použitím tlakových nádob a nízkotlaké turbíny, která je navíc schopná navíc zužitkovat i sekundární méně energeticky vydatnou nízkotlakou páru. Tím je možné zvýšit výkon elektrárny o 20 až 25 % toho samého geotermálního zdroje. Elektrárna s kombinovaným cyklem Tepelná energie geotermální tekutiny se ve výměníku tepla odevzdá sekundární tekutině. Elektrárny s kombinovaným cyklem přinášejí výhody zejména při nízkých teplotách geotermálních vod (do 150°C), u vod s vysokou koncentrací plynů, nebo u vod s vysokým korozním potenciálem. Většina kombinovaných elektráren se provozuje z vrtů, kde geotermální vody zůstávají v kapalné fázi během celého procesu zpracování. Elektrárnu je možno vyhotovit v modulárním provedení a na místě vrtu vhodně tyto moduly pospojovat pro efektivní využití zdroje. 56 Obr. 5.4 Základní schéma geotermální elektrárny s kombinovaným cyklem Elektrárna Hot Dry Rock Koncept spočívá ve vedení primární vody systémem čerpadel a potrubí hluboko pod zemský povrch, kde se ohřeje vlastním teplem hornin a získané teplo se využije k výrobě elektrické energie. Systém elektrárny se skládá ze dvou oddělených částí – zásobníku hluboko pod povrchem a vlastní elektrárny na povrchu. Jako primární voda se používá voda z přírodních zásobníků (např. jezer) a pumpuje se do hlubinného zásobníku. Ohřátá voda se následně čerpá pomocí čerpadel na povrch. Obr. 5.5 Elektrárna typu Hot Dry Rock Elektrárna, pracuje v podobném systému jako elektrárna s kombinovaným cyklem, přeměňuje získané teplo na elektrickou energii. Získaná horká voda z vrtu se vede do tepelného výměníku, kde odevzdává nabyté teplo pracovní tekutině charakteristické nízkým bodem varu. Zkondenzovaná voda se vrací zpět do hlubinného zásobníku. 57 6. Tepelná čerpadla Voda, země, vzduch – tři základní a nejrozsáhlejší složky životního prostředí, jsou mimo jiné zdroji využitelného nízkopotenciálního tepla pomocí tepelných čerpadel. Tepelná čerpadla (TČ) jsou oficiálně zařazena mezi obnovitelné zdroje energie, avšak množství vyrobené tepelné energie musí být vyšší než spotřebovaná vstupní primární elektrická energie. V současnosti jsou ve světě v provozu miliony TČ, které využívají různé kombinace zdrojových a pracovních médií. Podle principu činnosti je dělíme na: kompresorové, absorpční, adsorpční. 6.1. Princip činnosti tepelného čerpadla Tepelné čerpadlo je tepelný stroj pracující na základě prvního termodynamického zákona. Spotřebovává přivedenou mechanickou práci na přenos tepla ze zásobníku s nižší teplotou do zásobníku s vyšší teplotou. K tomuto účelu je nutno použít elektrickou energii pro chod kompresoru. Odebírá teplo z venkovního prostředí a přeměňuje ho na teploty použitelné pro vyhřívání objektů. Účinnost přeměny je 33 %, přičemž vypočítaná dosažitelná hodnota je okolo 50 %. Fyzikálním základem je Carnotův cyklus (ideální oběh pracovní látky skládající se z vratných změn, který probíhá mezi dvěma koupelemi s různou teplotou), přičemž k přenosu energie se využívá změna skupenství pracovní látky. V současnosti nejrozšířenějším typem jsou kompresorová tepelná čerpadla. 58 Obr. 6.1 Princip činnosti kompresorového (elektrického) tepelného čerpadla Hlavní konstrukční části tepelného čerpadla jsou: kompresor - nasává odpařované chladící médium a stlačuje ho, dochází ke zvýšení tlaku a teploty média kondenzátor - médium se ochlazuje a přechází zpět do kapalného skupenství, uvolňuje se energie expanzní ventil - snižuje tlak kapalného chladiva výparník - energie ze zdroje přeměňuje pracovní médium do plynného skupenství Ve výparníku chladivo při nízkém tlaku a teplotě odebírá teplo nízkopotenciálnímu zdroji a dostává se do varu. Páry chladiva se nasávají a stlačují elektricky, nebo plynem poháněným kompresorem, zahřívají se, kondenzují a v kondenzátoru odevzdávají teplo ohřívané látce. Tím se chladivo opět ochlazuje a zkapalňuje. Po průchodu sušícím filtrem zachytávajícím všechnu vlhkost putuje nazpět do výparníku přes nádrž a expanzní ventil, který snižuje tlak kapalného chladiva. Nádrž slouží k tomu, aby v kondenzátoru byl stále dostatek chladiva. Jde o proces transformace tepla, kde je vynaložená práce několikrát menší, než je hodnota získané tepelné energie. Tepelné čerpadlo tedy teplo nevyrábí spalováním paliva, ale jen ho přečerpává z místa, kde ho nepotřebujeme, na místo, kde ho následně převedeme na vyšší tepelnou hladinu. V této fázi teplo cíleně přivedeme vytápěcím tělesům za účelem vytápění, ohřevu teplé vody, či k ohřevu vody v bazénech a naopak odebereme teplo z chladicích technologií. Nevyužitým nezůstane ani teplo produkované samotným kompresorem tepelného čerpadla, které se započítává do celkově získané energie. Kompresor tepelného čerpadla může být poháněn: elektrickým motorem, plynovým motorem. 59 6.2. Absorpční tepelná čerpadla V porovnání s kompresorovými TČ jde o méně rozšířený systém, který funguje na principu spalování plynu. Plynové tepelné čerpadlo (PTČ) využívá různé zdroje tepla. Teplo získává nejen z nízko potenciálního zdroje tepla, ale i z okruhu motoru a z odpadového tepla spalin. To dělá PTČ energeticky velmi účinným systémem. Plynové tepelné čerpadlo a elektrické tepelné čerpadlo (ETČ) jsou konstrukčně téměř identické s tím rozdílem, že v PTČ je elektrický motor nahrazen plynovým motorem s vlastním ochlazovacím okruhem a výfukovým systémem, který slouží k zásobování pracovního cyklu teplem. Pracovními látkami absorpčních systémů je vždy dvojice - absorbent a chladivo: voda (chladivo) a lithium bromid (absorbent), amoniak (chladivo) a voda (absorbent). Vysoce potenciální teplo z plynového spalovacího motoru nahřívá generátor, který obsahuje směs chladiva a absorbentu. Dochází k jejich rozdělení v důsledku výrazně odlišných bodů varu. Proces komprese pracovní látky je tedy nahrazen procesem absorpce a vypuzování tepelnou cestou. Chemickou reakcí těchto látek v absorbéru potom vzniká teplo. Společně s teplem získaným z výparníku, stejně jako u kompresorových tepelných čerpadel odebíráním nízko potenciálního tepla z přírodního zdroje, dostáváme celkový výkon absorpčního čerpadla. Obr. 6.2 Schéma výroby tepla PTČ Výkonové číslo (COP) zařízení pracujícího na principu absorpce se pohybuje od 1 do 1,4. V blízké budoucnosti můžeme očekávat díky výzkumu v oblasti výrazné zvyšování účinnosti a energetické efektivnosti. Velkou výhodou PTČ jsou nízké provozní náklady s celoročními úsporami 30 % až 50 % v porovnání s ETČ a ostatními tepelnými zdroji, přičemž vstupní náklady na jednotku výkonu zdroje jsou s ETČ porovnatelné. 60 PTČ jsou konstruovány jako venkovní jednotky. Jsou vhodné na vytápění větších prostor, jako jsou např. hotely, průmyslové a administrativní budovy, kde dosahují vyšší energetickou efektivnost než kompresorové TČ. Všeobecně je plynové tepelné čerpadlo vhodné pro objekty s tepelnou ztrátou víc než 20 kW. 6.3. Adsorpční tepelná čerpadla Tepelná čerpadla, která pracují na principu tepelné komprese, nazýváme adsorpčními tepelnými čerpadly. Provoz adsorpčního tepelného čerpadla je založen na vlastnosti pevných látek (adsorbentů) adsorbovat páry při nízkých teplotách a desorbovat je při zahřívání. Základní systém se skládá ze dvou propojených kontejnerů, generátoru a přijímače. V generátoru se nachází pevný adsorbent, přijímač je kombinovaný výparník a kondenzátor, v kterém se chladivo odpařuje nebo kondenzuje. Pokud je tepelné čerpadlo v provozu, teplá a studená voda proudí v proti fázi do dvou oddílů se sorbentem (silikagel, zeolit). Vytváří se tím neustálý tok páry z výparníku do chlazeného sorbentu a z ohřívaného sorbentu do kondenzátoru (obr. 6.3). Po odevzdání tepla v kondenzátoru, kondenzát teče přes vyrovnávač tlaku zpět do výparníku. Na konci regenerace a sorpční fáze se vymění přívod chladící a horké vody do oddělení. Čas jednoho cyklu trvá 250 až 300 sekund. Obr. 6.3 Princip činnosti adsorpčního tepelného čerpadla Adsorpční tepelné čerpadlo produkuje průběžně horkou nebo studenou vodu využitím jevů adsorpce a desorpce vodní páry teplem přivedeným bez potřeby kompresoru. 61 Obr. 6.4 Fáze adsorpčního cyklu Desorbční fáze: Plynový hořák ohřívá zeolit, dokud se vázaná voda nevyloučí v podobě páry. Pára proudí do modulu s kondenzátorem a uvolňuje užitečné teplo do vytápění. Když už sorbent neobsahuje žádnou páru, hořák se vypne, a tím skončí přívod tepla do sorbentu. Systém se přepne do fáze adsorpce. Adsorpční fáze: Během ochlazování sorbentu dochází ke snižování tlaku v celém systému tepelného čerpadla. Nízkopotenciálové teplo z okolí (stejně jako v případě ostatních typů tepelných čerpadel) je přiváděno do kondenzátoru, kde jeho působením dochází k odpařování chladiva, které je adsorbováno v sorberu. Teplo vytvořené adsorpcí je též využito a odvedeno do vytápěcího systému. 6.4. Typy tepelných čerpadel Tepelná čerpadla je možno rozdělit podle typu zdroje a pracovní látky, kterou na svou činnost využívají. Existuje více kombinací zdroje a pracovní látky, mezi nejběžnější patří: systém „vzduch – voda“, systém „voda – voda“, systém „země – voda“, systém „vzduch – vzduch“. Systém „vzduch – voda“ Energie je odebírána přímo z venkovního prostředí. Toto řešení je energeticky nejméně efektivní, zároveň však technicky a finančně nejméně náročné. Účinnost systému je ovlivněna teplotou venkovního vzduchu. Poklesem venkovní teploty klesá i účinnost a množství tepla dodaného čerpadlem. 62 Obr. 6.5 Systém vzduch – voda s venkovní a vnitřní jednotkou Čerpadla se vyrábějí v jednofázovém i třífázovém provedení, v závislosti od jejich tepelného výkonu. Výparník je v tomto systému umístěn ve venkovním prostoru, kde se ohřívá okolním vzduchem. Systém „voda – voda“ Jde o nejúčinnější typ tepelných čerpadel. Zdrojem je buď voda z vrtů hlubokých 5 až 15 metrů, nebo povrchová voda. Voda se odebírá ze zdrojové studně, prochází výparníkem a ochlazená se vrací nazpět do vsakovací studny. Velkou výhodou je teplotní stálost podpovrchové vody 8 až 12 °C. Jde o nejteplejší zdroj, jehož vytápěcí faktor se pohybuje okolo hodnoty 6. Pro tento typ čerpadla je zapotřebí zabezpečit vydatný zdroj vody. Pro běžný rodinný dům jde o zhruba 0,4 až 0,8 litru za sekundu na 10 kW tepelného výkonu. Obr. 6.6 Systém tepelného čerpadla voda – voda 63 Systém „zem – voda“ Země je jako médium poměrně teplotně ustálená. V našich klimatických podmínkách v hloubce větší než 0,8 metru nezamrzá. Přenos tepla mezi zemí a tepelným čerpadlem zprostředkovává plastové potrubí uložené v zemi. Systém zem - voda existuje v dvou podobách - vodorovně nebo v kolmých vrtech. Plošný kolektor Vodorovné uložení je až o 50 procent levnější. Na vytápění rodinného domu je potřebný nezastavěný pozemek s plochou trojnásobné rozlohy vytápěného prostoru. Potrubí se ukládá v hloubce 1,5 až 2 m. Plochou přibližně 30 m2 dokážeme ze země odebrat 1 kW energie. Hloubkový vrt Na pozemcích menších rozměrů se používají hloubkové vrty. Jejich výhodou je tepelná stabilita, která dokáže poskytnout na 12 až 18 metrů hloubky 1 kW vytápěcího výkonu. Pro pokrytí spotřeby domácnosti obvykle potřebujeme 50 až 120 metrů. Celkovou délku lze rozdělit do více stejných mělčích vrtů, vzdálených mezi sebou minimálně 5 m. Odebíráním energie se zem podchlazuje, což se projevuje například tím, že později rozmrzá. Obr. 6.7 Uložení horizontálního kolektoru v systému země – vzduch Systém „vzduch – vzduch“ Systém vzduch – vzduch se běžně nazývá klimatizace. Tyto TČ čerpají teplo z okolního vzduchu a vyprodukované teplo odevzdávají cirkulací vzduchu do vnitřního prostoru. Výhodný je pro komerční a industriální objekty do velkoobjemových prostorných hal s vysokými stropy. Tepelná čerpadla vzduch – vzduch se skládají zpravidla ze dvou propojených částí: venkovní část – výparník, vnitřní část – všechny funkční části pracovního cyklu čerpadla a řídicí systém. 64 Obr. 6.8 Systém tepelného čerpadla vzduch – vzduch 6.5. Zapojení tepelných čerpadel Tepelná čerpadla lze zapojit do systému a vytvořit tak monovalentní, bivalentní nebo multivalentní systémy. Způsob zapojení závisí hlavně od účelu použití čerpadla, požadavků na dodávku energie v průběhu ročních období, vydatnosti zdroje a s ohledem na co nejekonomičtější provoz. Monovalentní tepelné čerpadlo pracuje v systému samostatně pokrývá 100 procent potřebného topného výkonu objektu energeticky nejúspornější varianta Obr. 6.9 Schéma zapojení monovalentního TČ Bivalentní tepelné čerpadlo pracuje v systému společně s dalším zdrojem tepla (plynový kotel, elektrický kotel) 65 bivalentní monoenergetické Tepelné čerpadlo vytápí samostatně až po takzvaný bod bivalence, což je venkovní teplota, při které začíná topit i bivalentní zdroj. Nejčastěji je to elektrická spirála zabudovaná do systému tepelného čerpadla. Obr. 6.10 Schéma zapojení bivalentního monoenergetického TČ bivalentní alternativní: tepelné čerpadlo topí samostatně až po určitou teplotu. Potom se zapne alternativní zdroj, jako například kotel na plyn, dřevo, elektrický kotel a podobně, který dále topí samostatně. Obr. 6.11 Schéma zapojení bivalentního alternativního TČ Multivalentní tepelné čerpadlo je zapojeno v systému s dalšími zdroji tepla (kotel, sluneční kolektor) Energetická efektivita tepelných čerpadel Energetickou efektivitu činnosti tepelného čerpadla lze určit jako poměr užitečného vyrobeného tepla k dodané elektrické energii potřebné na jeho výrobu. Tento poměr se nazývá výkonové číslo, nebo též COP – coefficient of performance (topný faktor). Slouží na porovnání jednotlivých tepelných čerpadel mezi sebou. Pro výpočet výkonového čísla tepelného čerpadla platí: 66 Q COP TČ TČ P kde (6.1) COPTČ je topný faktor tepelného čerpadla QTČ – užitečný tepelný výkon kondenzátoru P – elektrický příkon kompresoru (-) (W) (W) K porovnání energetické efektivity tepelného čerpadla s klasickým způsobem výroby energie je potřebný tzv. součinitel efektivity φ. Je to poměr tepelného výkonu tepelného čerpadla a tepelného výkonu porovnávaného klasického zařízení vyrábějícího teplo při stejné spotřebě primární energie. kde Q Č T COP .e T Č Q k k (6.2) φ Qk ηk ηe (-) (W) (-) (-) je součinitel efektivity tepelného čerpadla – tepelný výkon porovnávaného kotle spalujícího fosilní palivo – účinnost daného porovnávaného kotle – účinnost výroby elektrické energie včetně rozvodu Hodnoty součinitele φ > 1 znamenají efektivnější energetickou přeměnu, hodnota φ= 1 znamená stejnou efektivitu a tedy nulové úspory primárních energetických zdrojů. Dimenzování tepelného čerpadla Tepelná čerpadla jsou schopna získat 50 – 80 % svého výkonu přeměnou nízkopotenciálního tepla okolního prostředí. Pro efektivní vytápění tepelným čerpadlem je nejvýhodnější zvolit podlahové, nebo stěnové topení, případně nízkoteplotní radiátory, kde na topení stačí voda s teplotou 35 °C. Topný systém se většinou navrhuje jako bivalentní. Při tomto řešení se tepelné čerpadlo dimenzuje zpravidla na 60 až 90 % potřebného topného výkonu a dosahuje se tak optimální poměr mezi zabezpečovacími a provozními náklady. 67 7. Vodní energie Koloběh vody v přírodě Energie vody představuje 0,4 % z celkové energie dodané sluncem na Zemi. Voda v přírodě je nositelem mechanické, chemické a tepelné energie. Mechanická energie vod zahrnuje: mechanickou energii atmosférických srážek, mechanickou energii ledovců, mechanickou (hydraulickou) energii vodních toků, mechanickou energii moří. Efektivně dokážeme využívat jen energii vodních toků a právě v této oblasti dosáhl technický rozvoj už svého vrcholu. 7.1. Hydroenergetický potenciál Představuje množství energie vodního toku, které je určeno průtokovým množstvím vody a rozdílem výšek, na nichž tato voda protéká. Při jeho výpočtu se podélný profil rozdělí na kaskádu stupňů bez ztráty geodetické výšky. Celkový hydroenergetický potenciál (HEP) toku se potom určí jako součet: absolutních výkonů jednotlivých stupňů, absolutních výrob, které se vypočítají vynásobením absolutních výkonů počtem hodin v roce. HEP je tedy funkcí průtoku a spádu. Teoretický primární hydroenergetický potenciál, kterým se označuje množství energie, které se dá získat z toků určitého území, se počítá při účinnosti přeměny η = 1, t.j. 100 % podle vztahu: Pt = g. ρ. Q. H (kW, m3.s-1, m) (7.1) kde g je konstanta gravitačního zrychlení 9,81 [m.s-2], ρ – hustota vody 1000 [kg.m-3], Q – průtok v jednotlivém úseku [m3.s-1], H – spád toku v jednotlivém úseku [m]. Potenciální výkon úseku toku mezi dvěma zvolenými profily 1 a 2 s průtokem na začátku a na konci úseku Q1 a Q2 a spádem H1-2 se počítá podle vztahu: (7.2) 68 7.2. Vodní kola Vodní kolo je vodní stroj, který využívá polohovou nebo pohybovou energii vodního toku na přeměnu na mechanickou energii. V současnosti dosahuje účinnost η = 0,6 – 0,7. Vodní kola jsou vhodná na použití: při nízkých spádech do 1,5 metru, při nízkých průtocích i pod 0,1 m3.s-1, ve velmi znečištěných vodách. Podle konstrukce vodních kol, která slouží k přeměně mechanické energie vody na energii rotující hřídele, se vodní kola dělí na: korečková, která využívají potenciální energii vody; lopatková, využívající kinetickou energii vody. Podle místa nátoku vody jde o vodní kola s nátokem vrchním, středním a spodním. Vodní kola mají nízké obrátky a proto je k jejich využívání potřebná převodovka. Obr. 7.1 Typy vodních kol 7.3. Vodní turbíny Vodní turbína je rotační vodní motor, který je poháněn pohybovou energií vody a přeměňuje kinetickou a tlakovou část její mechanické energie na mechanickou energii rotující hřídele. Tlak proudu vody na zakřivené lopatky oběžného kola způsobuje jeho pohyb – rotaci. 7.3.1. Rovnotlaké turbíny Peltonova turbína Je rovnotlakou turbínou, v níž se voda na oběžné kolo přivádí přes jednu, nebo více dýz (obr. 7.2). Lopatek bývá 12 až 40. Průtok vody v dýze a tím i výkon turbíny se reguluje jehlovým uzávěrem v ose dýzy. Musí být plynulý, bez skokových změn, aby nedocházelo k rázům v přívodním potrubí. Peltonova turbína se používá zpravidla při vysokých spádech a menších průtocích. 69 Obr. 7.2 Peltonova turbína Bánkiho turbína Je rovnotlaká turbína (obr. 7.3). Voda přitékající přes vtokové potrubí protéká tímto kolem dvakrát: nejdřív z vtoku přes lopatky dovnitř oběžného kola a na druhé straně vytéká zevnitř kola ven do odpadového potrubí. Průtok se reguluje klapkou nebo speciálně upraveným segmentem ve vtokovém potrubí těsně před oběžným kolem. Účinnost dosahuje často až 85 %. Své uplatnění nacházejí v malých vodních elektrárnách. Obr. 7.3 Bánkiho turbína 7.3.2. Přetlakové turbíny Francisova turbína Je to přetlaková turbína (dochází ke změně tlaku pracovní kapaliny mezi vstupem a výstupem z turbíny) s pevnými lopatkami oběžného kola a řízenými lopatkami rozvodného kola (obr. 7.4). Otvíráním lopatek rozvodného kola se řídí průtok vody turbínou a zároveň i její výkon a xúplným uzavřením se přívod vody do turbíny zastaví. Voda je směrovaná rozvodnými lopatkami na rotor turbíny, kde se její rotační rychlost snižuje, a tím dochází k odevzdání energie rotoru. Francisova turbína má pro navržený spád vysokou účinnost, ale u jiných spádů účinnost klesá. Používá se na místech, kde se spád mění jen v malém rozsahu. 70 Obr. 7.4 Francisova turbína Kaplanova turbína Je nejčastěji používaným typem turbíny (obr. 7.5). Turbína se reguluje řízením otvírání lopatek rozvodného i oběžného kola současně, ale pro požadovaný výkon a daný spád musí být přesně dodržena vazba jejich vzájemného otevření. Dosahuje se tak vysoká účinnost až 96 %. Používají se pro spády od 1,5 m až do 75 m i více tam, kde se během provozu spád mění. Obr. 7.5 Kaplanova turbína ve vodní elektrárně 7.4. Druhy vodních elektráren Základní dělení VE je podle velikosti instalovaného výkonu: Podle STN, 1989 –75 0128 Vodní hospodářství – Názvosloví využití vodní energie jsou: malé vodní elektrárny s instalovaným výkonem do 10 MW, střední vodní elektrárny s instalovaným výkonem od 10 MW do 200 MW, velké vodní elektrárny s instalovaným výkonem nad 200 MW. 71 Samotné malé vodní elektrárny se podle této normy dělí na: domácí vodní elektrárny s instalovaným výkonem do 35 kW, vodní mikroelektrárny s instalovaným výkonem od 35 kW do 100 kW, vodní minielektrárny s instalovaným výkonem od 100 kW do 1 MW, průmyslové vodní elektrárny s instalovaným výkonem od 1 MW do 10 MW. Podle využívaného spádu se vodní elektrárny dělí na: nízkotlaké, využívající spád do 20 m, středotlaké, využívající spád od 20 m do 100 m, vysokotlaké, využívající spád nad 100 m. Podle získání spádu uvažujeme s následujícími typy VE: Přehradní Spád je vytvořen přehradní hrází. Mají velký zásobní objem vody, a proto se využívají jako špičkové. Tento typ VE je málo navrhovanou elektrárnou i z hlediska ekonomického, vodohospodářského a krajinného. Nádržní Spád je tvořen hatí. VE obvykle pracují jako průtokové. Tento typ je z hlediska vlivu na průtokové poměry nejvhodnější, nenarušuje kontinuitu průtoků. Přečerpávací Pracují s objemem akumulované vody přečerpávané z dolní nádrže do horní zpravidla reverzibilním hydroelektrickým agregátem. Spád je vytvořen rozdílem hladin těchto nádrží. Derivační Využívá se získání spádu v derivaci. Nevyžaduje velkou vzdouvací stavbu, postačující je nízký stupeň umožňující odběr vody do derivačního přivaděče. Přivaděč může být řešen jako beztlakový s volnou hladinou provedený jako otevřený nebo uzavřený, nebo tlakový s použitím tlakového potrubí. 72 8. Tepelné elektrárny Prvotní energie přiváděná ve formě chemické energie vázané v palivu se mění pomocí chemických reakcí v kotli na teplo, které plyny – produkty hoření, odevzdávají dále pracovní látce. Pracovní látka svou energii odevzdává v turbíně, která ji mění na mechanickou a roztáčí generátor vyrábějící elektrickou energii. Při všech přeměnách energie dochází ke ztrátám, takže výsledná energie je oproti chemické energii vázané v palivu snížená o hodnotu ztrát při jednotlivých přeměnách. Proces přeměny energie lze rozčlenit do pěti hlavních okruhů, podle nositelů energie. Obr. 8.1 Blokové schéma kondenzační elektrárny Palivový okruh Chemická energie v palivu se mění pomocí chemické reakce nazývané hoření v kotli na teplo vázané v produktech hoření, jimiž jsou horké plyny a škvára. U méně kvalitních paliv s nízkým obsahem hořlavin vzniká 40 % i víc škváry a tuhého odpadu. Palivo je do elektrárny dopravováno po železnici, loděmi, nebo v případě blízkého zdroje lanovkou nebo dopravními pásy na skládku, případně hydraulicky. Palivo se před dodáním do zásobníků kotlů a samotným spálením upravuje drcením a sušením. Ze zásobníků potom dopadá na rošt ohniště, nebo je pomocí tlaku vzduchu rozptýleno ve formě prášku v prostoru ohniště. Spálené palivo padá na dno kotle a odvádí se ve formě strusky. Škvára a popílek smíchané s vodou se dopravují hydraulicky na skládky nebo další zpracování. Vzduchový okruh Ke správnému hoření je potřeba velké množství vzduchu. Vzduch se nasává ventilátory z prostor kotelny nebo zvenčí. Pro zvýšení tepelné účinnosti cyklu se vzduch ohřívá ve vzduchovém ohřívači a potom se vhání do prostoru ohniště jako primární, sekundární nebo 73 terciární vzduch (liší se podle stupně hoření, které podporujeme). Kyslík ze vzduchu umožňuje oxidaci spalitelných látek v palivu a hoření. Horké spaliny odevzdávají svou energii přes výměníky tepla pracovnímu médii a proudí do atmosféry. Okruh voda – pára Tento okruh je uzavřený. Teplem odevzdaným spalinami v kotli se voda ohřívá v ekonomizéru, mění se na páru ve výparníkové části a v předehřívači kotle se předehřívá na požadovanou teplotu. Pára s vysokým tlakem a teplotou se přivádí na lopatky turbíny, kde vykonává mechanickou práci. Po průchodu turbínou pára kondenzuje v kondenzátoru. Kondenzát se kondenzačními čerpadly dopraví do kotle a oběh vody se opakuje. Napájecí voda se odplynuje a ohřívá odběrovou párou z turbíny. Touto regenerací se zlepšuje tepelná účinnost cyklu. Případné ztráty v tomto okruhu se doplňují chemicky upravenou a odplyněnou vodou. Oběh chladící vody Oběh chladící vody může být otevřený nebo uzavřený, podle toho, jaké chlazení používáme. V případě, že je dostatek vody a používá se průtokové chlazení, hovoříme o otevřeném oběhu. Je-li oběh chladící vody cirkulační, hovoříme o uzavřeném okruhu. Chladicí voda proudí trubkami kondenzátoru, kde se ohřívá zbytkovým teplem kondenzující páry. U otevřeného okruhu se teplo odvádí do tepelného toku. V případě uzavřeného cyklu se teplo odvádí pomocí chladicí věže do atmosféry. Úbytek chladicí vody se doplňuje z blízkého zdroje. Elektrický okruh Cílem elektrárny je získat elektrickou energii na výstupu z elektrárny. Mechanická energie se přenáší pomocí hřídele z turbíny na generátor. Na svorkách generátoru získáváme elektrickou energii, která se po úpravách dodává do elektrické sítě. Nejčastěji se používá blokové zapojení elektrárny typu blok – turbína, pro menší výkony se někdy používají dva kotle a jedna turbína. Parametry páry v současných tepelných elektrárnách se pohybují na úrovni 13 MPa při teplotě okolo 565 °C s jedním přihříváním páry. 8.1. Tepelný oběh Nejrozšířenějším tepelným oběhem v oblasti energetiky je Rankin-Clausiov tepelný oběh. Uvedený oběh je možno zobrazit v takzvaném T-S diagramu jako závislost teploty T na entropii s (obr. 8.2). 74 Obr. 8.2 Vlevo T-S diagram R-C parního oběhu. Vpravo T-S diagram s vyznačením důležitých veličin. Mezní křivky (obr. 8.2) znázorněné červenou barvou odpovídají syté kapalině (x=0) a syté páře (x=1). Protínají se v kritickém bodě K. Oblast mokré páry je shora ohraničená mezními křivkami. Oblast přehřáté páry je nad mezní křivkou syté páry (x=1). Mezi body 1 a 2 v T-S diagramu R-C parního oběhu dochází ke zvýšení tlaku přiváděné vody. Voda je téměř nestlačitelná, proto je práce turbočerpadla velmi malá vzhledem k celkovým energetickým tokům v oběhu. V parním kotli se nejdřív voda za vysokého tlaku ohřívá až na hranici sytosti kapaliny 2–3. V další části kotle dochází k varu vody do stavu syté páry 3–4. Obvykle se vzniklá pára ještě přehřívá do stavu 5. Expanze páry v parní turbíně probíhá z bodu 5 do bodu 6. Rotor turbíny je spojený s elektrickým generátorem, který pohání, a tím generuje elektrickou energii. V kondenzátoru kondenzuje pára z bodu 6 do bodu 1. Tím je oběh uzavřen, protože voda je opět v počátečním stavu 1. Tepelnou účinnost R-C parního oběhu lze odvodit z práce A získané Rankin-Clausiovým oběhem, z tepla dodaného do oběhu qD a z tepla odvedeného z oběhu qOD, což odpovídá jednotlivým plochám zobrazeným na obr. 8.2. q q OD A q q D D D t (8.1) Na obr. 8.3 je základní schéma zapojení oběhu s kondenzační turbínou bez běžně používaných modifikací zajišťujících zvýšení tepelné účinnosti. Podstatná část tohoto procesu je termálního charakteru, proto musí probíhat v souladu s prvním a druhým termodynamickým zákonem. Zákony termodynamiky tedy určují hranice a možnosti celého systému. 75 Obr. 8.3 Tepelný oběh parní elektrárny Přihřívání páry Účinnost oběhu 3 (obr. 8.2) je vyšší než při obězích 1 a 2 na tom samém obrázku. Opakování této části R-C cyklu zvyšuje tedy celkovou účinnost energetického zařízení. Odborně se tento postup nazývá přihřívání páry. Po dosažení vhodného tlaku páry se expanze v turbíně přeruší a pára se vrátí zpět do parogenerátoru, kde se zvýší její teplota obvykle na původní hodnotu. Přehřátá pára se následně přivádí do další turbíny, kde pokračuje v expanzi. Základní schéma uvedeného oběhu spolu s T-s diagramem je zobrazena na obr. 8.4. Obr. 8.4 Rankin-Clausiův oběh s přihříváním páry a T-s diagram tohoto oběhu. Regenerační ohřev napájecí vody Cílem regeneračního ohřevu napájecí vody párou odebíranou z turbíny je potlačit nepříznivý vliv prvního dílčího oběhu zobrazeného na obr. 8.2. Schéma regeneračního ohřevu je na obr. 8.5. Voda je během přepravy mezi kondenzátorem a kotlem ohřívána v soustavě tepelných výměníků. V uvedené soustavě dochází ke kondenzaci páry přiváděné z turbíny a k ohřevu vody teplem, které se uvolňuje při přeměně skupenství páry. 76 Podstata zvýšení tepelné účinnosti spočívá ve snížení množství tepla odvedeného z kondenzátoru bez užitku. Celkové množství odvedené tepelné energie se tedy sníží a tepelná účinnost celého systému stoupne. Zvýšení tepelné účinnosti tímto způsobem se pohybuje až na úrovni 10 %. Obr. 8.5 Schéma zapojení regeneračního ohřevu napájecí vody. 8.2. Snižování škodlivých emisí produkovaných elektrárnami Tepelné elektrárny produkují velké množství spalin, z nichž je potřeba odseparovat především oxidy dusíku a síru, které způsobují kyselé deště. Obsah síry v palivu závisí na druhu paliva a místě těžby. Uhlí obsahuje v průměru 1 až 3 % síry. V palivu se síra vyskytuje v různých formách. V pyritické formě (FeS2) se nachází 30 až 70 % síry. V této formě má síra větší měrnou hmotnost než uhlí, což se využívá pro fyzikální separaci síry. Semleté palivo se promývá proudem vody, která unáší lehké částečky paliva, zatímco těžší síra zůstává na dně ve formě pyritu. Tímto způsobem se dá snížit obsah pyritu o 30 až 60 %. Snížení obsahu síry ve spalinách Snížení obsahu síry ve spalinách spočívá v zachycení SO2 před vypuštěním spalin do ovzduší odsiřovací technologií umístěnou na konci spalovacího cyklu. Mezi základní odsiřovací technologie patří mokrá a suchá vápencová metoda separace síry ze spalin. Mokrá vápencová metoda Ve vysoké nádobě přecházejí spaliny vápencovou emulzí, s níž oxid siřičitý (SO2) reaguje za vzniku sádrovce, který se dále využívá ve stavebnictví. Polosuchá vápencová metoda Vápencová emulze se vstřikuje do proudu teplých spalin, kde se voda odpaří a produkt reakce je zachycen ve formě pevné látky. Denitrifikace 77 Jedná se o odstranění oxidů dusíku (NOx) ze spalin primární a sekundární metodou. Primární metoda zabraňuje vzniku oxidů dusíku (NOx) konstrukcí kotle a řízením spalování. Sekundární metoda rozkládá vzniklý oxid dusíku (NOx) na dusík a vodu selektivní katalytickou reakcí ve speciálním reaktoru. 8.3. Programy na modernizaci tepelných elektráren Modernizace tepelných elektráren si vyžaduje podstatně nižší náklady v porovnání s výstavbou nového energetického bloku. Dosáhne se tím ale jen částečné zlepšení parametrů a též kratší životnost v porovnání s novou elektrárnou. V současnosti jsou v rámci obnovy tepelných elektráren naplánované tyto kroky: postupné dožívání odsířených elektráren, modernizace vybraných elektráren, výstavba nových moderních zdrojů energie, likvidace elektráren, které nesplňují ekologické normy. Modernizace tepelných elektráren Cílem modernizace tepelných elektráren je: zvyšování tepelné účinnosti systému, snížení škodlivých emisí. Splnění těchto cílů je možné použitím moderních kogeneračních jednotek s technologií zplynování uhlí. Vyprodukovaný plyn následně expanduje v plynové turbíně pracující v kombinovaném paroplynovém cyklu. Metody zplynování paliva: Tlakové zplynování a paroplynový cyklus. Uhlí se zplynuje pod tlakem fluidní nebo hořákovou technologií. Při jeho styku s kyslíkem, nebo párou vzniká plyn s obsahem CO a H2. Plyny, které unikají pod tlakem z kotle, se odsíří a očistí od prachových nečistot. Po vyčistění je plyn přiváděn do plynové turbíny, která pohání elektrický generátor. Odpadové teplo je použito na výrobu vysokotlaké páry, která následně pohání parní turbínu. Dvojfázová metoda spalování. V první fázi je uhlí zplynováno a získaný plyn je následně použit ve vysokoteplotních plynových turbínách. V druhé fázi je koksový zbytek ze zplynovacího procesu spálen v kotli klasického parního okruhu. V případě, že se podaří vyrobit turbínu, která bude schopná pracovat při teplotě páry na úrovni 700 °C, účinnost celého cyklu by mohla dosáhnout hodnotu 50 %. 78 8.4. Teplárny Teplárny slouží k dodávce tepla a společně s tím vynuceně vyrábějí elektrickou energii jako vedlejší produkt. Teplo se obvykle distribuuje pomocí vodní páry, nebo horké vody. Zdrojem tepla v teplárně je stejně jako v případě elektrárny parní kotel nebo jaderný reaktor s parogenerátorem. Na výrobu elektrické energie v teplárnách se používají protitlakové turbíny, v nichž pára z turbíny nejde do kondenzátoru, ale můžeme ji využít pro dodávku tepla k technologickým účelům a vytápění vlastní, nebo vnějších odběratelů. Dodávka tepla je prioritní a množství vyrobené elektřiny je dané velikostí dodávky tepla z turbíny. Obr. 8.6 Blokové schéma teplárny. Použitím kondenzační turbíny s regulovaným odběrem, která představuje spojení kondenzační a protitlakové turbíny, dokážeme zajistit větší vzájemnou nezávislost dodávky tepla a elektrické energie. 8.5. Paroplynový cyklus Vhodným propojením parního oběhu s plynovou turbínou do jednoho celku je možné využít výhodné vlastnosti těchto oběhů a současně potlačit některé nežádoucí parametry. Oběh, který tímto způsobem vznikne, má vyšší účinnost v porovnání s účinností, kterou by dosáhly uvedené oběhy, kdyby pracovaly samostatně. Cyklus realizovaný v plynové turbíně je teoreticky popsán Braytonovým oběhem, který je znázorněn pomocí T-s diagramu na obr. 8.7. 79 Obr. 8.7 T-s diagram Braytonova cyklu. Pracovním médiem celého cyklu je plyn. Podobně jako Rankin-Clausiův oběh i Braytonův oběh je realizován v několika zařízeních, které obvykle tvoří kompaktní celek. Některá zařízení jsou společně propojena nejen potrubím, ale i mechanicky (turbína s turbokompresorem). Oběh začíná stlačením pracovního plynu ze stavu 1 do stavu 2 v turbokompresoru. Následně se pracovní plyn v komoře plynové turbíny izobaricky ohřívá až do bodu 3. V turbíně plyn expanduje ze stavu 3 do stavu 4. Přitom koná práci, která se projevuje ve formě točící se hřídele. Turbína často pohání turbokompresor, který spotřebuje část práce vyprodukované turbínou. Zbývající část mechanické energie se dá využít k pohonu elektrického generátoru. V chladiči se izobarický pracovní plyn ochlazuje do stavu 1 a celý oběh se může opakovat. V případě otevřeného oběhu turbokompresor nasává přímo atmosférický vzduch. Stlačený vzduch je přiváděn spolu s palivem do spalovací komory. Palivo se smísí se vzduchem a zapálí (podobně jako v případě výbušného oběhu spalovacího motoru) s tím rozdílem, že v turbíně probíhá hoření kontinuálně. Vzniklé spaliny mají mnohonásobně vyšší teplotu a tlak v porovnání se zápalnou směsí. Horké spaliny jsou tedy následně přivedeny do turbíny, kde expandují. Po expanzi se odvádějí z turbíny přes výměník tepla parního oběhu do atmosféry. Schéma principu paroplynového cyklu je na obr. 8.8. Obr. 8.8 Blokové schéma paroplynového oběhu. 80 Jedná-li se o uzavřený Braytonův oběh, teplo je dodávané plynu jen ve spalovací komoře turbíny a odváděno v chladiči. Mechanická energie se generuje v plynové turbíně. Velkou část této energie však spotřebuje turbokompresor. Výstavba a provoz moderních paroplynových elektráren se ukazuje jako jedna z alternativ v rozvoji současné energetiky díky vysoké účinnosti a poměrně malé ekologické zátěži. 8.6. Kogenerace Primární energetické zdroje jako například fosilní paliva (uhlí, ropa, zemní plyn), nebo obnovitelné zdroje energie (sluneční záření, voda, vítr, biomasa, geotermální energie apod.) je možné využít na „výrobu“ resp. správně řečeno transformaci, na požadovanou formu energie – sekundární zdroj energie. Nejčastější je požadovaná transformace na sekundární tepelnou energii (vázanou obvykle na vodu, resp. její páru) a elektrickou energii (obvykle střídavý, příp. jednosměrný elektrický proud). Jako sekundární zdroj energie je však možno použít i chlad (chladivo kompresorového nebo absorpčního systému, chladnou vodu, případně nemrznoucí směs a pod.), stlačený vzduch a podobně. Když v technologickém zařízení transformujeme primární energii záměrně na dva druhy sekundární energie, hovoříme o kogeneraci. Kogenerace je tedy široký pojem, který se však zažil pro označení současné výroby elektřiny a tepla, přičemž kogenerací bychom mohli označit například i výrobu tepla a stlačeného vzduchu, nebo tepla a chladu a podobně. Když v technologickém zařízení energetického zdroje produkujeme tři druhy energie – například elektrickou energii, teplo, a chlad, potom hovoříme o trigeneračním systému. Chlad dokážeme vyrábět například z mechanické energie kompresorovými systémy, nebo z tepla prostřednictvím absorpčních systémů. Chceme-li přesně a výstižně označit současnou výrobu tepla a chladu, která se realizuje nejčastěji v tzv. kogeneračních jednotkách (malé výkony – řádově od jednotek kW do jednotek MW) nebo například v teplárnách a paroplynových cyklech (velké jednotky – obvykle minimálně stovky kW), je lepší použít pojem kombinovaná výroba elektřiny a tepla KVET. Aby výrobce těchto komodit mohl používat toto označení své výrobny, musí prokázat, že se skutečně teplo vznikající při výrobě elektřiny (nebo elektřina vznikající při výrobě tepla) využilo a potom může žádat přidělení příslušného zvýhodněného výkupního tarifu stanoveného Úřadem pro regulaci síťových odvětví. Na rozdíl od samostatné výroby elektřiny a tepla, kdy se elektřina vyrábí v elektrárně a teplo například v centrální kotelně, se při kombinované výrobě teplo i elektřina vyrábí v jednom a tom samém zařízení a tedy na tom samém místě. Taková výroba má opodstatnění v tom, že při jakékoli produkci elektřiny, resp. transformaci primárního energetického zdroje na požadovanou elektrickou energii se vytvářejí v technologickém zařízení ztráty převážně ve formě tepla. Toto teplo je možné využít k jiným účelům – například vytápění budov, skleníků, bazénů, ohřev teplé vody a podobně. Tím, že se teplo v těchto případech nemusí vyrábět samostatně, má za následek úsporu primárního zdroje energie. Z pohledu možnosti využití tepla z procesu výroby elektřiny je vhodné umísťovat výrobny s KVET do blízkosti spotřebičů tepla, přičemž jejich instalovaný výkon je vhodné volit tak, aby pokrýval právě základní pásmo lokalizované spotřeby tepla. Když základní pásmo spotřeby tepla bude rovné minimálnímu doporučenému redukovanému výkonu jednotky, získáme možnost pokrýt 81 i střední, případně špičkové pásmo (v závislosti od charakteru spotřeby). Setkáváme se zde potom s pojmem decentralizovaná výroba elektřiny, což znamená přechod od velkých centrálních zdrojů k menším zdrojům lokalizovaným co nejblíže ke spotřebiteli. Velké zdroje mají sice potenciál lepší účinnosti a nižší ceny na jednotku instalovaného výkonu, ale decentralizované výrobě nahrávají hlavně odlehčení soustavy, nižší ztráty na vedeních a flexibilita s možností lokálního řízení podle skutečné potřeby apod. Velké centrální zdroje obvykle nemají možnost racionálního využití tepla. Rozdíl mezi oddělenou a kombinovanou výrobou tepla a elektřiny názorně přibližuje následující obrázek. Energia obsiahnutá v palive Úspora paliva cca 40% Straty Teplo Oddelená výroba tepla Komb. výroba elektriny a tepla Teplo Straty Oddelená výroba elektriny Straty Elektrina Elektrina Obr. 8.9 Rozdíl mezi oddělenou výrobou a KVET Prostřednictvím technologií KVET lze ušetřit přibližně 40 % primárních energetických zdrojů (například zemního plynu), v porovnání s oddělenou výrobou. Na to, aby to platilo, musí být zabezpečený odběr tepla. Technologie KVET pracují s dobrou spolehlivostí a ekonomikou v maximálně kontinuálním a nepřerušovaném provozu – není vhodné je vypínat a startovat podle aktuální potřeby tepla. Proto by měly pracovat do tepelně akumulačního spotřebiče – například boiler na TV, bazén a pod., případně by měly svým nominálním výkonem pokrývat základní pásmo tepelné spotřeby topného systému. Tato zařízení se z pohledu dobré návratnosti investice nedoporučuje navrhovat jako špičkový zdroj vytápění podobně, jako je to u tepelných čerpadel – pro krátkodobé vykrytí spotřeby tepla během mrazivých dní se projektují „špičkové kotle“. Kogenerační jednotky jsou zdrojové agregáty vyhotovené obvykle jako blok, který se umísťuje ve strojovně v blízkosti kotelny, kde se tepelný systém připojuje do topného systému, resp. umisťují se podle možnosti co nejblíže ke spotřebiči tepla. Vyrábějí se v interiérovém provedení s krytem nebo bez něho, případně v odhlučněném vyhotovení, ale také i pro přímou aplikaci v exteriéru. Základem obvyklé koncepce kogenerační jednotky (KGJ) je spalovací motor, jehož hřídel je pevnou spojkou spojená s rotorem generátoru. Takto se mechanický výkon motoru transformuje na elektrický výkon odebíraný ze svorek generátoru. Generátory se zpravidla 82 používají synchronní, asynchronní se používají jen omezeně – v zařízeních s malým výkonem. Výkon z elektrického generátoru KGJ je vyváděn ze svorek statorového vinutí při jednotkách s výkonem řádově do 0,5 MW na úrovni 400 V, pro větší výkony potom na úrovni 6 kV. Výkon se pak v případě vyvedení výkonu do elektrické sítě vyvádí v závislosti na velikosti výkonu jednotky, nebo souboru jednotek a lokálních parametrů sítě do distribuční soustavy na úrovni 400 V, nebo 22 kV (kdy se obvyklé generátorové napětí 400 V nebo 6 kV transformuje přímo ve výrobně na 22 kV). Tepelný výkon je v zařízeních KGJ obvykle odebírán z dvou, případně tří médií, na která je navázán. Zpravidla největší tepelný výkon je odebírán z chladící vody motoru – 1/2 až 2/3 celkového tepelného výkonu. Primární motorový tepelný obvod chladícího média je obvykle oddělen od sekundárního obvodu tepelným výměníkem, který ohřívá topnou vodu vracející se tzv. zpátečkou ze systému spotřeby tepla do KGJ prostřednictvím oběhového čerpadla. Teplota chladicí vody v motoru se reguluje obvykle na teplotu do 95 °C a vnitřní okruh vodního chlazení motoru se otvírá do okruhu výměníku až po překročení projektované teploty – obvykle víc než 70° C. Druhým základním zdrojem tepla jsou spaliny, které v závislosti na použitém motoru a palivu mají obvykle řádově 400 až 900 °C. Ty se dochlazují ve spalinovém výměníku na teplotu přibližně 100 až 150 °C. Energie odebraná spalinám se dodává topné vodě po ohřátí chladící vodou. Dalším zdrojem tepelného výkonu, který se však nevyužívá u všech KGJ, je motorový olej – ten se využívá hlavně v zařízeních s vyšším výkonem a zvýšenými nároky na účinnost. Nominální projektovaný tepelný spád se volí obvykle 90/70 °C (případně 80/60 °C). Znamená to, že při teplotě vody na zpátečce 70 °C bude při nominálním odebíraném tepelném výkonu na výstupu z KGJ teplota vody do 90° C. Regulace elektrického a tepelného výkonu se povoluje obvykle v rozsahu 50 (někdy i 40) až 100 % elektrického výkonu, což odpovídá přibližně změně tepelného výkonu v rozsahu 60 až 100 % tepelného výkonu. Schéma principu konvenční kogenerační jednotky vidíme na obr. 8.10. El. sieť G T m á t o r palivo vzduch Spalin y Spalinový výmenník Spaľovací motor Odber tepla Chladiaca kvapalina Obr. 8.10 Schéma principu konvenční kogenerační jednotky KGJ dosahují obvykle celkovou účinnost přeměny energie v palivu na elektřinu a teplo 80 až 85 %, přičemž z celkově získané energie je přibližně 30 až 35 % elektřiny a 65 až 70 % tepla. 83 Konvenční kogenerační jednotky se spalovacím motorem s vnitřním spalováním a elektrickým točivým strojem je možné nahradit i jinými technologiemi. Jednou z nich je použití palivových článků, které ze vstupního paliva, například zemního plynu, vyrábějí jednosměrný proud a ten je střídačem přeměněn na střídavý. Tento je potom možné vyvádět do elektrické sítě. I palivové články při generování elektřiny generují i teplo, které je možno využít například na ohřev topné vody. Proto se začínají vyrábět i KGJ na bázi palivových článků. Nemají sice rotující mechanické části, kvůli kterým je nutné u konvenčních KGJ řešit relativně častý servis, ale jsou citlivější na sníženou kvalitu paliva. Jejich podstatnou výhodou je nehlučný provoz. Jistým mezistupněm mezi spalovacími motory s vnitřním spalováním a palivovými články je použití tepelných strojů s „venkovním spalováním“ – například Stirlingův motor. Tyto tepelné stroje pracují na podobném principu jako tepelná elektrárna. Do primárního výměníku pomocným kompresorem nebo čerpadlem tlačíme pracovní médium, které se v něm ohřívá. Médiem může být například vodík nebo hélium, ale i stlačený vzduch. Ohřátá pracovní látka v pracovním válci expanduje, čímž koná práci přenášenou pístem, ojnicí a klikovou hřídelí na elektrický generátor. Pracovní látka z pracovního válce proudí do sekundárního výměníku, v němž se ochlazuje, resp. zahřívá například topnou vodu. Ze sekundárního výměníku je znova pomocným pístem tlačena do primárního výměníku. V primárním, obvykle trubkovém výměníku, se teplo absorbuje nejčastěji ze spalin hoření fosilních paliv, ale i biomasy, bioplynu a dokonce ve speciálních případech z koncentrovaného slunečního záření. V těchto strojích se používají sice válce a písty jako v motorech s vnitřním spalováním ale hoření je neznečišťuje, což vede ke snížení opotřebení a prodloužení servisních intervalů. Tyto motory mají tichý chod. Jejich klíčovým problémem je těsnost, protože používané pracovní látky jsou extrémně prchavé. Kombinovaná výroba elektřiny a tepla probíhá i v některých tepelných elektrárnách (TE). V TE se obvykle asi jen třetina energie obsažené ve spotřebovaném palivu odvede ve formě elektřiny do elektrizační soustavy. Zbylá energie se z malé části spotřebuje pro vlastní potřebu elektrárny a zbytek se odvede do okolí ve formě tepla. Velké tepelné elektrárny se z pohledu různých technických a bezpečnostních důvodů, znečištění a estetiky stavějí v lokalitách vzdálenějších od lidských sídel. Proto se přebytečné teplo obvykle nevyužívá, nebo se jen částečně používá k technickým účelům (například sušení, vytápění skleníků a hal blízkého průmyslu). Jen v malé míře se využívá na vytápění domácností napojených teplovody, které tento provoz prodražují. Pravdou je, že i potenciál z pohledu principu TE pro vytápění je nízký a v případě snahy o jeho zvýšení snížíme účinnost výroby elektřiny. Tepelné elektrárny nabízejí možnost připojovat odběratele tepla na různé teplotní a tlakové parametry páry, nebo vody. V případě kombinované výroby elektřiny a tepla v TE hovoříme o tzv. teplárenském provozu. Speciálním případem KVET je princip tzv. paroplynových cyklů (PPC). Jedná se o technologii TE zkombinovanou z plynové a parní turbíny. Princip je zřejmý ze schématu na obr. 8.11. 84 El. sieť Vzduch K Spaliny Kotol T1 El. sieť G Zemný plyn Napájacia voda T2 SK Spaliny NČ Núdzový chladič G Para Spotreba tepla - pary Kondenzát Odber tepla Obr. 8.11 Schéma zjednodušeného principu PPC Atmosférický vzduch se předehřeje, přefiltruje a stlačí turbokompresorem (K), který je na společné hřídeli s plynovou turbínou (T1) a elektrickým generátorem. Stlačený vzduch vstupuje do spalovací komory (SK), kde se smíchá a hoří s palivem, jímž je obvykle zemní plyn. Produktem hoření jsou spaliny s vysokým tlakem a vysokou teplotou, které vstupují do plynové turbíny. V turbíně spaliny expandují a odevzdávají energií lopatkám rotoru, čímž ho roztáčejí. Turbína takto roztáčí generátor, a ten vyrábí elektrickou energii. Spaliny s teplotou i víc než 500 °C postupují z plynové turbíny do kotle, kde odevzdají zbylou tepelnou energii vodě. Voda se v kotli nejprve předehřeje zbytkovým teplem spalin v tzv. ekonomizéru, a potom se dostane do bubnu (v případě tzv. bubnových kotlů). Z bubnu se aktivní cirkulací voda protlačuje trubkami výměníku - tzv. varnicemi – v uzavřeném okruhu zpět do bubnu. Bublinky páry vznikající ve várnicích se v bubnu gravitačně oddělí a z bubnu vychází pára do přehřívače. V Přehřívači se případný zbytek vody odpaří a tzv. admisní resp. ostrá pára postupuje do parní turbíny (T2), kde odevzdá svou energii rotoru a ten roztočí generátor. Pára v případě KVET postupuje z turbíny přes výměník (základní), kde odevzdá teplo například na vytápění, a podle potřeby se topná voda přihřeje v dalším výměníku (špičkovém) párou z odběru z turbíny. Zkondenzovaná pára – kondenzát, resp. voda se odčerpává do nádrže kondenzátu. Z nádrže kondenzátu se napájí po předehřátí nádrž napájecí vody, z níž se napájecím čerpadlem (NČ) znovu přes předehřevy napájí soustava kotlových výměníků. Předehřevy, které jsou tepelně napájené z odběrů parní turbíny, nejsou v schématu zakresleny. Teplo se může odebírat v různých hladinách teploty a tlaku. Ve formě páry se teplo obvykle odebírá z tzv. odběrů z turbíny – v místě tělesa turbíny s požadovaným tlakem a teplotou páry je projektovaný otvor, kterým se pára s požadovanými parametry odebírá. Případně může pára projít celou turbínou a všechna může být spotřebována na požadované úrovni teploty a tlaku. Jednotky PPC se budují s výkonem řádově v desítkách až stovkách MW. Proto se jejich elektrický výkon vyvádí obvykle na napěťové hladině 110 kV a více. Poměr výkonu generátoru plynové části k výkonu generátoru parní části je cca 3:1. Celková účinnost PPC v režimu KVET může být i vyšší než 85 % (v tomto případě elektrická účinnost na svorkách generátoru může být i blízko 50 %). Účinnost PPC v elektrárenském režimu může být až 60 85 %. PPC je flexibilní zdroj, který dokáže rychle měnit svůj výkon v širokém regulačním pásmu a proto je vhodný i na krytí potřeb podpůrných služeb elektrizační soustavy. Podpůrné služby se dají definovat jako smluvní rezervní výrobní kapacity, za které regulátor soustavy platí, i když je nepoužije, a když je využije, jejich cena je podstatně vyšší než cena za běžnou plánovanou produkci. 86 9. Jaderné elektrárny V posledním období jaderná energetika prožívá krizi. Jedním z hlavních důvodů této krize je odmítavý postoj veřejnosti k tomuto zdroji energie po haváriích v jaderných zařízeních. Toto tvrzení jasně vyplývá i z následujícího grafu (obr. 9.1), na kterém je zobrazen celkový výkon jaderných zařízení ve světě. Obr. 9.1 Predikovaný a skutečný instalovaný výkon jaderných zařízení Přestože nezávislé studie vlivu jaderných zařízení na ekologii zjistily jejich příznivější provoz v porovnání s ostatními zdroji energie, všeobecně zaznamenáváme pokles financování výzkumu jaderných zařízení. Tato skutečnost negativně ovlivnila vývoj nových typů reaktorů včetně termonukleárních reaktorů. Rostoucí spotřeba elektrické energie a zmenšování zásob fosilních paliv však v budoucnosti nevyhnutelně způsobí renesanci jaderné energetiky. 9.1. Štěpná reakce v jaderných reaktorech Pro využití jaderné energie v praxi je třeba udržovat řetězovou reakci tak, aby štěpení, které začne v malém počtu jader, se rozšířilo na celou soustavu, stále pokračovalo a bez venkovního zásahu nezaniklo. Na udržení samočinné řetězové reakce je třeba vytvořit takové podmínky, aby alespoň jeden z neutronů, uvolněných při štěpení jádra, způsobil rozštěpení dalšího jádra, tj. aby počet nově vzniklých neutronů nebyl menší než počet neutronů předešlých. 87 Obr. 9.2 Průběh štěpné reakce jádra atomu Soustava, ve které se pomocí neutronů udržuje kontrolovaná řetězová reakce, se nazývá jaderný reaktor. Látky umístěné v aktivní zóně reaktoru, které slouží na zpomalení rychlých neutronů a které mají velký účinný průřez pružného rozptylu a pokud možno malý účinný průřez pohlcení, se nazývají moderátory. Jaderná štěpná reakce, která je zdrojem tepelné energie, probíhá v aktivní zóně jaderného reaktoru na jádrech izotopu uranu 235. Jádro uranu 235 se po nárazu neutronu rozštěpí na dva štěpné fragmenty s různými hmotnostmi a značnou kinetickou energií. Tento proces je provázen uvolněním 2 až 3 neutronů, které mohou vyvolat další štěpnou reakci v okolních jádrech uranu 235. Při štěpení se uvolní energie, kterou ve formě tepla odebírá pracovní látka. Neutrony vznikající při štěpné reakci jsou zpomalovány moderátorem na tzv. tepelné neutrony, které mají větší pravděpodobnost vyvolat další štěpení jader uranu 235. 9.2. Jaderná elektrárna Jaderná elektrárna (JE) je energetické zařízení, v kterém se pomocí štěpení jádra získává tepelná energie, která se postupně transformuje na vyžadovanou formu – elektrickou energii. Přitom se část vyrobené tepelné energie může odvádět k primárnímu použití. V současnosti se v průmyslovém rozsahu využívá většinou jaderná energie štěpení zpomalenými neutrony v lehkovodních reaktorech. Výzkum se soustředil na vývoj rychlých reaktorů, které mají vyšší energetické využití paliva. Jadernou elektrárnu můžeme rozdělit na reaktor, strojovnu a pomocnou část, která zajišťuje provoz jaderné elektrárny. Reaktor a strojovna tvoří obvykle jeden stavební celek. Celý jaderný reaktor i s příslušenstvím je umístěn v takzvaném kontejnmentu, jehož úkolem je zajistit bezpečnost v okolí reaktoru v případě havárie primárního okruhu. Strojovna jaderných elektráren je podobná jako u tepelných elektráren, avšak musí být zabezpečena proti uniku radioaktivních prvků do okolí. Pomocnou část jaderné elektrárny tvoří především zařízení na zpracování radioaktivního odpadu. Typy jaderných elektráren Vývoj jaderných elektráren, které pracují většinou jako elektrárny s kondenzátorem, se ustálil na několika průmyslově realizovaných typech, které lze z hlediska základní technologie rozdělit na jednookruhové, dvouokruhové, neúplné dvouokruhové a tříokruhové. 88 Jednookruhová Jednookruhovou elektrárnou nazýváme takovou JE, která má společný okruh chladiva a pracovního média (obr. 9.3a). Pára vznikající v reaktoru expanduje v turbíně, kde vykonává práci. Po kondenzaci páry v kondenzátoru se dopravuje čerpadlem znovu do reaktoru. Takovým způsobem se okruh média, chladiva i moderátoru uzavírá. Reaktor může pracovat s přirozenou cirkulací chladiva, nebo s nucenou cirkulací chladiva v reaktoru. V jednookruhových typech všechna zařízení pracují v radioaktivních podmínkách, což komplikuje jejich provoz. Jejich velkou výhodou je však jednoduchost a ekonomičnost v porovnání s dvouokruhovými typy. Dvouokruhová Když je okruh chladiva oddělený od okruhu pracovního média, takovou JE nazýváme dvouokruhovou (obr. 9.3b). Okruh chladiva nazýváme primárním a okruh pracovního média sekundárním. V těchto typech se reaktor chladí chladivem, které se protlačuje reaktorem a parogenerátorem cirkulačním čerpadlem, respektive turbokompresorem. V prvním okruhu je kompenzátor objemu, neboť objem chladiva závisí na jeho teplotě, která se během provozu mění. Pára z parogenerátoru postupuje do turbíny, potom do kondenzátoru a kondenzát se čerpadlem dodává do parogenerátoru. V tomto případě druhý okruh není radioaktivní, což zjednodušuje provoz elektrárny. Tříokruhová Jde o jaderné zařízení v experimentálním stádiu určené pro takzvané „množivé reaktory“. Primární okruh je určen na chlazení jaderného reaktoru, kde chladivem je tekutý sodík (Na). Primární okruh je zároveň jako jediný radioaktivní. V sekundárním okruhu cirkuluje olej, který zabraňuje potenciální reakci mezi vodou a kovovým sodíkem. Terciární okruh je okruhem parním. (obr. 9.3c) Obr. 9.3 Technologie jaderných elektráren a) jednookruhová b) dvouokruhová c) tříokruhová 89 9.3. Jaderné palivo Podmínkou vzniku a udržení řízené jaderné reakce je kritická hmotnost štěpného jaderného paliva. Proto můžeme využívat jen tu část paliva, která ji převyšuje a podmiňuje kritickou hodnotu reaktoru. Není možné, aby štěpná reakce proběhla ve všem palivu jedné dávky reaktoru. Palivo se proto po vyhoření přepracovává a využívá k výrobě nového paliva. Vyhořením jaderného paliva označujeme snížení počtu štěpitelných jader působením neutronů. Po dosažení přípustného vyhoření je potřebné palivo vyměnit. V závislosti na druhu paliva a typu reaktoru může vyhořené palivo obsahovat až 50 % nevyužitého štěpného materiálu. V případě uzavřeného palivového cyklu, který má do budoucnosti velkou perspektivu díky rozvoji technologie rychlých množivých reaktorů, dokážeme stále efektivněji recyklovat tento jaderný odpad pro výrobu čerstvého jaderného paliva v zpracovacím závodě a snížit tak spotřebu přírodního uranu (obr. 9.4). Obr. 9.4 Palivový cyklus Jaderné reakce nepotřebují kyslík, proto nejsou zdrojem zplodin hoření. Z jaderného paliva však vznikají radioaktivní nuklidy a jejich rozpadové produkty mají krátký, ale i velmi dlouhý poločas rozpadu. Proto vyhořelé palivo má velmi vysokou radioaktivitu a i po vyjmutí z reaktoru dále probíhá přirozený rozpad a palivo je zdrojem tepla a záření. Tato zbytková radioaktivita a tvorba tepla ve vyhořelém palivu vyžaduje mimořádné nároky na manipulaci a uskladnění. Průvodním jevem při uvolňování tepla z jaderného paliva je intenzivní tok radioaktivního záření, zejména neutronů s vysokou energií. 90 Obr. 9.5 Přepracování jaderného paliva v uzavřeném palivovém cyklu 91 10.Další aspekty porovnání elektráren Porovnání typů elektráren Elektrárny jsou všeobecně rozlehlé stavby, a proto ovlivňují do značné míry životní prostředí ve svém okolí. Z tohoto důvodu jsou obyvatelé principiálně proti výstavbě velkých energetických komplexů v blízkosti jejich domovů. To je ale v rozporu s jejich požadavky na stabilní a spolehlivou dodávku elektrické energie. Hlavní vlivy elektráren jsou shrnuty v bodech: vliv na krajinnou ekologii (JE, TE, VE) emise skleníkových plynů (TE) skladován jaderného odpadu a jaderná bezpečnost (JE) Co se týká rozvoje jaderných elektráren, situaci komplikují především odpůrci jaderné energetiky po haváriích v Černobylu a Fukušimě. Na druhé straně jaderná energetika zaznamenala velký pokrok v následujících oblastech: rozvoj druhé generace jaderných elektráren, nová konstrukci jaderného paliva umožňuje delší palivový cyklus, pokrok při řešení problematiky ukládání jaderného paliva. Zajímavé porovnání elektráren z finančního a ekonomického hlediska je v tab. 10.1. Jedná se o porovnání různých investičních, provozních a externích nákladů. Externí náklady představují náklady na procesy uskutečněné před spuštěním vlastní výroby a po ukončení výroby. Tab. 10.1 Porovnání nákladů na jednotlivé typy elektráren Investiční náklady Typ elektrárny Náklady €/W Jaderná elektrárna 2 - 2.5 TE fosilní palivo 1.5 - 2 TE plynové palivo 1-2 Energetický mix na Slovensku Slovensko není ve výrobě elektrické energie soběstačnou zemí. V roce 2011 tvořil import 3 % celkové spotřeby Slovenské republiky, což představuje 727 GWh elektrické energie. Závislým na importu se Slovensko stalo po odstávce 1. a 2. bloku jaderné elektrárny Jaslovské Bohunice v roce 2006 resp. 2008. V současné době probíhá dostavba 3. a 4. bloku jaderné elektrárny Mochovce s plánovaným uvedením do provozu v roce 2014. Spotřeba elektrické energie na Slovensku dosáhla v roce 2011 celkově 28862 GWh, v tom samém období se vyrobilo 28135 GWh elektrické energie. 92 Tab. 10.2 Instalovaný výkon elektráren na Slovensku v r. 2011 podle typu Typ elektráren Instalovaný výkon (v MW) Podíl na instalovaném výkonu (v %) Tepelné Vodní Jaderné Závodní a OZE 2708 2478 1940 1026 33 30 24 13 Tab. 10.3 Množství elektrické energie vyrobené na Slovensku v 2011 podle typu Typ elektráren Množství vyrobené elektrické energie (v GWh) Podíl na výrobě elektrické energie (v %) Tepelné Vodní Jaderné Závodní a OZE 5726 4006 15411 2992 20 14 55 11 Využívání OZE na Slovensku V roce 2005 se na Slovensku nevyráběla téměř žádná elektrická energie z OZE. Změna nastala na základě závěrů Rady EÚ z r. 2007, kde byly pro členské státy Evropské unie vytyčené cíle do roku 2020. Konkrétně se státy zavázaly dosáhnout snížení emisí skleníkových plynů o 20 %, snížení spotřeby energie o 20 % a zvýšení podílu OZE na konečné spotřebě energie na 20 %. Tab. 10.4 Cíle pro využívání OZE do 2015 (výroba elektrické energie) Zdroj Malé vodní elektrárny Biomasa Věterné elektrárny Bioplyn Geotermální energie Fotovoltaické články CELKEM: 2005 (GWh/rok) 2010 (GWh/rok) 2015 (GWh/rok) Stav k 2010 (GWh) 250 4 7 6 0 0 267 350 480 200 180 30 0 1240 450 650 750 370 70 10 2300 284 636 6 32 0 11 969 Díky podpoře státu nastal zejména v letech 2010 a 2011 rychlý rozvoj využívání sluneční energie. Ke konci roku 2012 byla celková hodnota instalovaného výkonu 512 MW. Současný podíl výroby z OZE je na úrovni 12,8 %. Zdrojem s největším technickým potenciálem je biomasa. Ta se v současnosti osvědčuje zejména v systémech centrálního vytápění na výrobu tepla, a to hlavně z dřevní biomasy. Do budoucna se však předpokládá větší využití spalování slámy. 93 Tab. 10.5 Výroba elektrické energie a tepla z OZE Biomasa Vodní energie Geotermální energií Sluneční energie Větrná energie CELKEM: Technický potenciál (GWh/rok) Stav k 2010 (GWh/rok) 11237 6700 6300 9450 605 34292 8611 4731 340 11 5 13698 Obr. 10.1 Vývoj instalovaného výkonu zdrojů biomasy v systémech centrálního vytápění Slovensko se ve využití hydroenergetického potenciálu řadí mezi průměr Evropské unie. Nejvýznamnějšími povodími jsou povodí řeky Váh a řeky Dunaj, které představují 82 % celkového technického HEP Slovenska, který je 6700 GWh. Tab. 10.6 Využití hydroenergetického potenciálu ve Slovenské republice HEP VVE (nad 10 MW) celkem MVE (do 10 MW) celkem CELKEM: Počet elektráren Instalovaný výkon (MW) Výroba (GWh/rok) Podíl na celkovém HEP (%) 24 1713,2 4447,6 66,4 203 227 70,16 1783,36 284,31 4731,91 4,2 70,6 Nevyužitým zdrojem zůstávají MVE a to hlavně v povodí řeky Hron. Jejich budování se často střetává s odporem ochránců životního prostředí a byrokracií, přičemž potenciál MVE je využit jen na přibližně 25 %. 94 11.Závěr Vize energetiky do roku 2050 jsou analýzou predikce resp. scénářů budoucího vývoje spotřeby elektrické energie a primárních nosičů, z kterých se vyrábí. S výrobou elektrické energie je analyzovaný i vývoj spotřeby primárních energetických nosičů v odvětvích existenčně závislých na jejich zdrojích. Z těchto odvětví je hlouběji analyzován vývoj v dopravě, kde je růst spotřeby výrazný, a z dlouhodobého hlediska se nedaří snižovat příspěvek tohoto odvětví k tvorbě skleníkových plynů v žádné ze světových ekonomik. Pro jednotlivé technologické procesy výroby elektrické energie se zkoumá možnost získání primárních energetických nosičů, jakými jsou např. ropa, zemní plyn, uran ale i biomasa. Mimo to se u každé běžně využívané technologie přihlíží i k jejímu vývoji a aplikovatelnosti v praxi. Primární stránkou zájmu je možnost predikce využívání těchto technologií a jejich efektivity v budoucnosti se zřetelem na provoz výroben elektrické energie. Nezanedbatelným faktorem je dostupnost zdrojů, nejen na základě technických ukazovatelů, ale i na základě prognóz politického vývoje, hlavně proto, že většina fosilních paliv, na kterých je chod světových ekonomik stále závislý, se nachází v politicky nestabilních zemích blízkého východu. Nelze zapomenout na možnosti transportu požadovaných zdrojů do místa výroby elektrické energie, tepla a výroby pohonných hmot. Pro politické aspekty tato analýza brala v úvahu nejen konzervativní stránku, ale i krizové scénáře v případě vyhrocení některých dlouhotrvajících sporů do válečného konfliktu. Dalším probíraným aspektem dostupnosti primárních zdrojů je aspekt demografický, kde je nevyhnutné počítat s nárůstem počtu obyvatel do roku 2050 až na 9,2 miliardy. Paralelně s růstem počtu obyvatel bude citelný i růst ekonomik hlavně v zemích jako např. Čína, Indie, Brazílie, atd., kde se využívají převážně energeticky méně efektivní technologie. Z tohoto důvodu se očekává z dlouhodobého hlediska nárůst spotřeby energií o 80 až 130 %, což bude mít za následek, že některé země, řadící se k tradičním vývozcům ropy, budou nuceny vývoz radikálně snížit, nebo úplně zastavit, aby pokryly svou vlastní poptávku po energiích. Ekonomický růst rozvojových zemí zapříčiní nejen zvýšenou poptávku po energiích v průmyslu, ale zvýší i koupěschopnost obyvatelstva. Vyšší koupěschopnost přinese tlak na zvyšování spotřeby elektrické energie v domácnostech, nákup aut a tedy i spotřebu pohonných hmot. Je předpoklad, že do roku 2050 budou po světě jezdit 2 až 3 miliardy aut. V dopravě je věnována pozornost i alternativním typům pohonu využívajícím např. elektřinu, nebo nová paliva, která pravděpodobně přinese i příchod biopaliv druhé generace. Vyhodnocení přináší odpovědi na to, jaká je pravděpodobnost vývoje jednotlivých scénářů, co bude třeba udělat pro to, aby byl vývoj v oblasti výroby a spotřeby energií udržitelný, a zda je vůbec pravděpodobné se k tomuto cíli v současné společnosti přiblížit. 95 Literatura Dostupné na internetu: [1] Altherma prospekt. [online]. [cit. 2012-10-08]. www.coltburg.sk/uploads/altherma_prospekt.pdf [2] Bernát, A., Bobuľa, P.: Aktuálny stav a vývoj rozvoja OZE. [online]. [cit. 2012-2-12]. Dostupné na internetu: http://www.d-pro.sk/sfpa/files/energetika2012/Peter-Bobula.pdf [3] Bydlet.cz. [online]. [cit. 2012-11-08]. Dostupné http://www.bydlet.cz/118877-tepelne-cerpadlo-nejsou-zadna-kouzla [4] Cenek, M. a kol.: Obnovitelné zdroje energie, Praha: FCC PUBLIC, 2001 [5] Cifra, S.: Renewable energy sources in the Slovak republic. [online]. [cit. 2012-2-12]. Dostupné na internetu: http://www.d-pro.sk/sfpa/files/energetika2012/SlavomirCifra.pdf [6] Daruľa, I., Horník, V., Marko, Š.: Elektrárne II elektrická časť, Bratislava: STU, 1991 [7] Di Pippo, R.: Small geothermal power plantsdesign, performance and economics, GeoHeat Center Bulletin, 20 (2) 1999, pp. 1–8 [8] Doležal, J., Šťastny, J., Špetlík, J., Bouček, S., Brettschneider, Z.: Jaderné a klasické elektrárny, Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2011, ISBN 978-80-0104936-5 [9] Dušička, P., Hodák, T., Šulek, P.: Využívanie hydroenergetického potenciálu v SR. Učebné texty pre postgraduálny kurz „Progresívne metódy riešenia problémov vodného hospodárstva“, Bratislava, HTE SvF STU, 2003 na internetu: [10] ESM-YZAMER. Uplatnenie plynových čerpadiel poháňaných plynovým motorom. [online]. [cit. 2013-15-01]. Dostupné na internetu: http://www.siea.sk/oldweb/zitenergiou/prezentacie_seminare_zit_energiou/05_machovi c_galanta.pdf [11] Fecko, Š., Janíček, F., Šimunek, P.: The Concept of Sustainability in the Development of Electroenergetics, 17th Congres of the World Energy Council, Houston, Texas USA, pp. 87-102 [12] Gaduš, J., Šágrová, S. 2005. Possibilities of biomass co-fermentation. In: EKOTREND 2005, Zborník z medzinárodného vedeckého stretnutia, ZF Jihočeská univerzita České Budějovice, 2005. s.70. ISBN 80-7040-783-2. [13] Hromada, Š., Darmo, A., Hromada ml., Š.: Vodné elektrárne v Slovenskej republike. Využitie hydroenergetického potenciálu vodných tokov, Slovenské elektrárne, 2001 [14] http://www.nrel.gov/ http://www.spp.sk/download/poradime-vam-vz-a-obce/Plynove-tepelne-cerpadla.pdf 96 [15] Hutňan, M. et al.: Produkcia bioplynu z biomasy. In: Produkcia bioplynu, pyrolýza a splynovanie - efektívny spôsob zhodnotenia biomasy ako obnoviteľného zdroja energie, 21. január 2010, FCHPT STU, s. 4 – 35, ISBN 978-80-89088-88-1. [16] Iliaš, I.: Technicko-ekonomická štúdia zásobovania areálu Letná TU Košice energiou z kogenerácie, ENAS, 2012 [17] Janíček, F., a kol.: Obnoviteľné zdroje energie 2, Bratislava: Vydavateľstvo Renesans, s.r.o., 2011, ISBN 978-80-89402-13-7 [18] Janíček, F., Daruľa, I., Gaduš, J., Regula, E., Smitková, M.: Obnoviteľné zdroje 1. Technológie pre udržateľnú budúcnosť. Bratislava : FEI STU, 2007. ISBN 978-80969777-0-3. [19] Janíček, F., Gaduš, J., Smitková, M.: Renewable sources. Technologies for sustainable future, Bratislava, FEI STU, 2007, ISBN 978-80-969777-0-3 [20] JAVYS. Palivový cyklus. [online]. [cit. 2012-19-08]. Dostupné na internete: http://www.javys.sk/sk/informacny-servis/dolezite-pojmy/palivovy-cyklus [21] Kalogirou, S. A.: Solar thermal collectors and applications. Progress in Energy Combustion Science 30, 2004, p. 231. [22] Kaminský, J., Vrtek, M. Obnovitelné zdroje energie. VŠB – TU Ostrava, 1998. 99 s. [23] Kitler, R., Mikler, J.: Základy využívania slnečného žiarenia, Vydavateľstvo Slovenskej akadémie vied, Bratislava, 1986, SÚKK 1729/I-85. [24] Kubala, M.: Meranie a porovnávanie výkonov slnečných kolektorov – 2. časť, Techcon magazín 3/2006, www.techcon.sk, str. 8, 2006. [25] Libra, M., Poulek, V.: Solární, energie, fotovoltaika – perspektivní trend současnosti i blízké budoucnosti, Česká zemědělská univerzita, Praha, 2005. [26] Marko, Š., Daruľa, I., Horník, V.: Elektrárne I, Bratislava: SVŠT, 1984 [27] Marko, Š., Daruľa, I., Smola, A., Šimunek, P.: Energetické zdroje a premeny, Bratislava: Alfa, 1989 [28] Markvart, T., Castaner, L., ED.: Practical handbook of photovoltaics: Funadamentals and applications. Elsevier Advanced Technology, Oxford, UK, 2003. [29] Meyer, J., P., Tetzlaff, S.: Thermosyphonic systems. Sun and Wind Energy, 6/2010, p. 42. [30] Mitsubishi plastics. Zeolitic water vapor adsorbent AQSOA. [online]. [cit. 2013-15-01]. Dostupné na internete: http://www.aaasaveenergy.com/products/001/pdf/AQSOA_AHP_E_100901.pdf 97 [31] Murtinger, K., Beranovský, J., Tomeš, M.: Fotovoltaika, vydavateľstvo ERA Česká republika, Brno, 2007. [32] Nedorast, J. a kol.: Využívanie hydroenergetického potenciálu, Bratislava: VUPEX, Výskumná správa, 2003 [33] Nechleba, M.: Vodní turbíny, jejich konstrukce a příslušenství. 2. vydání. Praha, SNTL 1962 [34] Pastorek, Z., Kára, J., Jevič, P. 2004. Biomasa – obnovitelný zdroj energie. FCC PUBLIC s.r.o., Praha 2004, s. 288, ISBN 80-86534-06-5 [35] PZP. Tepelná čerpadla. [online]. Dostupné na internetu: www.tepelna-cerpadla-pzp.cz [36] Rapšík, M., Smola, A., Boháč, M., Mucha, M.: Základy energetiky 1., Bratislava: STU v Bratislave FEI, 2004. - 201 s. - ISBN 80-227-2074-7 [37] Rybár, R.,Kudelas, D., Fischer, G. Alternatívne zdroje energie III. – Veterná energia. Dočasná vysokoškolská učebnica. Košice: Edičné stredisko/AMS, 2004. 98 s. ISBN 808073-144-6. [38] Smitková, M., Janíček, F.: Globálna energetika - súčasnosť a trendy. Energie 21 Roč. 4, č. 1. s. 6--8. ISSN 1803-0394. [39] SPP. Progresívne systémy pre vykurovanie a chladenie – Plynové tepelné čerpadlá. [online]. [cit. 2012-11-08]. Dostupné na internete: [40] Šoltés, J., Randa, M. 2005. Výroba elektriny z biomasy. Slovenská energetická agentura, Bratislava 2005 [41] Štoll, Č., Kratochvil, S., Holata, M.: Využití vodní energie, SNTL Praha, 1977 [42] www.buderus.sk [43] www.caretransenergy.com [44] www.cerpadla-ivt.cz [45] www.cez.cz [46] www.climatetechwiki.org [47] www.elektrarne.unas.cz [48] www.energyrant.com [49] www.freepatentsonline.com [50] www.heliotrack.com [51] www.hpower.sk [52] www.infraclima.cz [53] www.kcet.org [54] www.kompresory-servis.sk/teoria/ 98 [55] www.lan-energy.com [56] www.parario.com [57] www.priateliazeme.sk [58] www.rakan.sk [59] www.sciencedirect.com [60] www.siea.sk [61] www.skrea.sk [62] www.slovensko.eco-energy.info [63] www.solarbook.ie [64] www.solarne-panely.sk [65] www.solarpowerguidebook.com [66] www.tecnet.pte.enel.it [67] www.thermosolar.sk 99 Příloha A: Reálná studie zásobování areálu Letná TU Košice energií z kogenerace Studie se zaměřuje na technicko-ekonomické zhodnocení možnosti nasazení kombinované výroby elektřiny a tepla v areálu Technické univerzity v Košicích na Letnej a Komenského ulici. Podle studie po prozkoumání reálných možností co nejvyššího ročního využití, instalaci kogenerace je nejefektivnější realizovat celoročně pro odevzdávací stanice tepla OST 1610 s částečným využitím (jen pro letní provoz) a pro OST 1609, které jsou zdrojem tepla pro vytápění a ohřev TUV pro komplex areálu budov TUKE. Odevzdávací stanice tepla OST 1609 Odevzdávací stanice s instalovaným výkonem 4,46 MW je situovaná v suterénu objektu Ústavu výpočetní techniky. A.1 znázorňuje dispoziční řešení dodávky tepla pro vytápění. A.1 Tepelný okruh OST 1609 Odevzdávací stanice tepla OST 1609 Odevzdávací stanice s instalovaným výkonem 5,58 MW je situovaná v suterénu objektu Stavební fakulty. P.2názorňuje dispoziční řešení dodávky tepla pro vytápění. A1 A.2 Tepelný okruh OST 1610 Požadavek na co nejvyšší roční dobu provozu kogenerace nejlépe splňují odběrná zařízení v okruhu OST 1610 resp. OST 1609, kde převažují studentská ubytovací zařízení. Ta mimo vysoké koncentrace výkonu vyžadují neporovnatelně delší dobu využití maximálního výkonu oproti školským a laboratorním zařízením jiných okruhů odevzdávacích stanic. Tepelné bilance vybraných OST Tab. A.1 Přehled naměřeného tepla na vstupu do OST 1609 a OST 1610 v průměru let 2007-2010 (GJ) Rozdělení dodaného tepla na vstupech do jednotlivých OST na spotřebu pro topení a přípravu TUV je následující: A2 Tab. A.2 Rozdělení dodaného tepla na vstupech do OST pro ústřední topení teplou užitkovou vodu v průběhu let 2007-2010 Roční využití instalovaného výkonu OST 1609 je 1088,8 hod./rok a OST 1610 je 907,2 hod./rok Navrhovaná řešení Funkce strojovny Ve strojovně kogenerace bude teplo produkované kogeneračními jednotkami (KGJ) do akumulačních zásobníků topné vody. Zásobníky jsou dimenzovány tak, aby v nich bylo možno akumulovat teplo vyprodukované kogenerační jednotkou za minimálně 2 hodiny provozu. Teplo z akumulačních zásobníků bude potrubními rozvody (DN-100) dopravováno ve formě topné vody do odevzdávacích stanic tepla OST 1609 a OST 1610. V odevzdávacích stanicích tepla bude pomocí stávajících spirálových výměníků tepla ohřívána vodou ze strojovny kogenerace TÚV. Akumulační zásobníky TÚV budou přestavěny na dobíjecí zásobníky doplněním dobíjecích čerpadel, čímž se získá větší akumulační prostor pro tepelnou energii produkovanou kogeneračními jednotkami, sníží se tím počet startů jednotek a zvýší se míra využití KGJ. Topná voda do soustavy okruhu KGJ bude doplňovaná v OST 1609 z primárního rozvodu soustavy pomocí propojení opatřeného uzávěry, zpětnou klapkou, solenoidovým ventilem a měřičem doplňkové vody. Na vstupu přípojky topné vody do obou odevzdávacích stanic tepla bude realizováno měření dodávky tepla ze soustavy KGJ. Navrhuje se instalace 2 kusů kogeneračních jednotek na zemní plyn. Elektrický výkon jedné jednotky je 70 kWe a tepelný výkon 115 kWt. Jednotky zahrnují vzduchem chlazený synchronní generátor na výrobu třífázového elektrického proudu 400 V, 50 Hz a teplé vody s úrovní teplot na přívodu a zpátečce 90/70°C při plném zatížení. Každá jednotka může být provozována tepelně i elektricky nezávisle v rozsahu elektrického zatížení 50 -100 %. Tab. A.3 Očekávaná energetická bilance kogenerace. Tab. A.4 Bilance provozu KGJ A3 Stanovení instalovaného výkonu Obě KGJ budou provozovány nepřetržitě se 100 % výkonem sedum měsíců v roce (topná sezona). Tři měsíce budou provozovány se sníženým výkonem jedné jednotky v rozsahu 69 až 93 % instalovaného tepelného výkonu a dva měsíce bude v provozu jen jedna KGJ s výkonem průměrně 95 % maximálního tepelného výkonu. Za tuto dobu se uskuteční plánovaná údržba zařízení. Technologie strojovny Strojovna kogenerace je projektovaná pro automatický provoz, který zabezpečí řídicí systém, sestavený z regulačních a řídicích sestav kogeneračních jednotek a nadřízeného řídicího systému. Kogenerační jednotky budou opatřeny zařízením, které zajistí vysokou účinnost spalování při dodržení nízkých hodnot emisí NOX, CO a dostatečnou spolehlivost provozu. Zdroj tepla Pro pokrytí požadovaného tepelného výkonu budou ve strojovně instalovány dvě KGJ s výkonem elektřina/teplo 70/115 kW s kaskádovým odvodem spalin. Zdroj je instalovaný s kompletně zhotoveným spalovacím motorem se spalováním plynu. Teplo z chladicího oleje a vody se systémem deskových výměníků v KGJ odvádí do topné vody. Tab. A.5 Základní technické údaje KGJ A. 3 Základní technologické schéma KGJ Měření a regulace Měření a regulaci zajistí řídicí systém sestavený z regulačních a řídicích sestav kogeneračních jednotek a nadřízeného řídicího systému podle podmínek technologie a bezpečnosti a ochrany zdraví při práci. Základní funkce regulace jsou: automatické odstavení KGJ, resp. jejich uvedení do provozu Start KGJ nastane při poklesu teploty v akumulačním zásobníku pod nastavenou hodnotu 75 °C, k vypnutí KGJ dojde při dosažení nastavené teploty 90 °C ve spodní části zásobníku. Tento základní princip musí být ještě korigován inteligentním řídicím systémem na zohlednění časového průběhu energetických špiček ve spotřebě elektřiny, aby nedošlo k odstavování KGJ v čase odběrové špičky a naopak k nabíjení zásobníků při minimální spotřebě elektrické energie v areálu TU, kaskádové řízení KGJ, regulace vytápění na konstantní výstupní teplotu z KGJ 90 °C, ovládání oběhových čerpadel, změny požadovaných parametrů, havarijní zabezpečení, regulace nabíjení zásobníků ÚK, min., resp. max. přetlak v topné soustavě, max. teplota prostoru kotelny 45 °C, signalizace úniku CO. Odvod spalin Spalinové potrubí každé KGJ je navrženo s potrubím do společného horizontálního kaskádového odvodu spalin. Spalinová kaskáda vyústí do svislého odvodu spalin, který bude veden v původním komínovém tělese s vyústěním 12 metrů nad terénem. Z KGJ bude odváděn potrubním systémem i chladicí výduch kaskádovým připojením do svislého odvodu.
