OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE–ÚVOD DO PROBLEMATIKY
1.
Čas ke studiu: 4 hodiny Cíl
Po prostudování tohoto odstavce budete umět
definovat obnovitelné zdroje energie
vytvořit jejich základní popis a specifikovat jejich moţnosti vyuţití implementovat nabyté znalosti k základnímu posouzení moţností vyuţití obnovitelných zdrojů energií v nejbliţším okolí nebo regionu
Výklad 1.1.
Zdroje energie
Zdroje energie je moţno rozdělit na dvě velké skupiny: obnovitelné a neobnovitelné zdroje energie. Základním rozlišovacím hlediskem je, zdali se energetický zdroj po jeho uţití vyčerpává či nevyčerpává. Nejlépe je to vysvětlit na příkladu. Uhlí vznikalo dávno, utvářelo se milióny let. Vytěţíme-li jej nyní, nemůţeme počítat, ţe se kdokoliv z nás doţije jeho obnovení. Uhlí je tedy představitel neobnovitelných zdrojů energií. Vyuţijeme-li na druhé straně sluneční záření k tomu, aby nám ohřálo vodu, tak Slunce jako zdroj energie tady bude dnes, zítra i za milión let. Z hlediska astronomického se sice také jednou jeho energie vyčerpá, ale z hlediska doby srovnatelné s délkou lidského ţivota jej moţno povaţovat za zdroj nevyčerpatelný, tedy neustále se obnovující. Mezi neobnovitelné zdroje řadíme především fosilní paliva jako uhlí, zemní plyn, ropu a zdroje jaderné energie - uranové rudy. K obnovitelným zdrojům v tuzemských podmínkách České republiky pak řadíme energii sluneční, vodní, větrnou, tepelnou energii vnějšího prostředí, energii biomasy a geotermální energii. Další dělení zdrojů energie je na primární a sekundární. Primární zdroje jsou přírodní zdroje energie, např. uhlí, sluneční energie ap. Ze sekundárních zdrojů se čerpá energie, která jiţ prošla určitým technologickým procesem – např. elektřina ze sítě, stlačený vzduch ap.
1.2.
Přínosy využívání obnovitelných zdrojů
Spotřeba energie lidstva neustále roste. Je to dáno jednak zvyšujícím se počtem obyvatel, jednak neustále rostoucí měrnou spotřebou energie na jednoho obyvatele Země. Na obr. 1 je naznačen vývoj populace od roku 1600 a prognóza jeho vývoje zpracovaná Organizací spojených národů [L1]. V tab. 1 je pak uveden historický trend energetické spotřeby na jednoho člověka. Historický růst spotřeby energie vychází v nejstarším období pouze z pokrytí základních biologických potřeb člověka ve formě stravy a je v dalším vývoji ovlivněn pouţíváním a ovládnutím ohně, coţ lze povaţovat za počátek vyuţívání biomasy pro energetické účely. Další vývojové kroky vedou k vyuţívání práce zvířat a dalších obnovitelných zdrojů, především vodní a větrné energie. Změny na konci 18. století, které byly pojmenovány jako nástup průmyslové revoluce, přinesly první nasazení parního stroje. Další výrazný skok, na přelomu 19. a 20. století, byl iniciován vynálezem výbušných motorů a začátkem pouţívání elektřiny jako prostředku pro transport energie z místa produkce do místa spotřeby. Úroveň současné spotřeby v tabulce 1 je prezentována rokem 2006 [L2]. 1 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
10
Počet obyvatel v miliardách
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1600
1650
1700
1750
1800
1850
1900
1950
2000
2050
2100
2150
Rok
Obr. 1 Vývoj světové populace
Rok
Roční spotřeba TPES Průměrný „příkon“ Pozn. na 1 obyvatele na 1 obyvatele [TOE]
[kW]
před -100.000
0,08
0,1
-100
0,15
0,2
1800
0,38
0,5
1900
1,13
1,5
4,70
6,2
Vyspělé země
4,49
6,0
ČR
1,80
2,4
Svět
2006
Tab. 1 Vývoj energetické spotřeby člověka Pozn. TPES (Total primary energy supply) vyjadřuje celkovou spotřebu primárních energetických zdrojů, jednotka energie TOE (Tonne of oil equivalent) je používaná v mezinárodních energetických statistických přehledech, 1 TOE = 41,868 GJ. Vyjádření spotřeby v jednotkách [TOE], případně přepočtené na [GJ] nejsou příliš názorné. Pro lepší představu je moţno celoroční spotřebu přepočítat na průměrný „příkon“. Neboli – obyvatel Země spotřebuje průměrně ročně takové mnoţství energie, jako by během celého roku odebíral z primárních zdrojů stálý příkon 2,4 kW. Vyjádření spotřeby ve formě průměrného příkonu je názorné, neboť tak lze snadněji přirovnat spotřebu člověka k jiným energetickým ekvivalentům jako např. k výkonu elektrického motoru 50 W, topnému výkonu 1 kW elektrické topné spirály, topnému výkonu 20 kW plynového kotle ap. 2 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
Zatímco ještě v 60-letech 20. století se o zásobách fosilních paliv hovořilo téměř jako o nevyčerpatelných, dnes jsou v této oblasti publikovány studie více či méně pesimistické. Jejich výsledkem je, ţe se vyčerpání zásob blíţí, a to v horizontu 50-200 let. Zde je nutno zdůraznit, ţe zásoby mají flexibilní charakter velmi závislý na úrovni lidského poznání, a to nejen v oboru průzkumné geologie, ať uţ v extenzivní oblasti (míra plošného a hloubkového prozkoumání Země), tak i intenzivní oblasti (vědní poznání, nové metodiky průzkumu, technologie, atd.), ale i poznání v ostatních oborech. Například, jestliţe výzkum v oblasti energetického vyuţití řízené termojaderné fúze dovede tuto technologii do oblasti ekonomické vyuţitelnosti lepší neţ vyuţitelnost současných energetických technologií vyuţívajících fosilní paliva, přestanou být současné zásoby zásobami fosilních paliv (jako paliva ztratí svou uţitnou hodnotu) a zůstanou maximálně zásobami surovin pro chemický průmysl. Flexibilitu zásob je moţno ukázat na historickém přehledu odhadu ţivotnosti (doby do vyčerpání) prověřených zásob ropy uvedeném v tab. 2. Zatímco v roce 1950 byly zásoby ropy při tehdejší spotřebě odhadovány na 22 let [L3], v roce 2008 jsou zásoby při de facto současné spotřebě odhadovány na 54 let [L4]. Z toho důvodu je nutné brát pesimistické studie s určitou rezervou. Nicméně je nutno zdůraznit, ţe mnoţství ropy a samozřejmě i ostatních neobnovitelných zdrojů energie na Zemi je moţno povaţovat za konečné.
Rok
Ţivotnost zásob
1950
22
1960
37
1970
35
2000
41
2008
54
Tab. 2 Historický přehled odhadu životnosti prověřených zásob ropy Pouţívání fosilních zdrojů přináší ještě další problém. Jejich vyuţívání se v naprosté většině neobejde bez spalování. Produkty spalování pak mají negativní účinky na ţivotní prostředí. I kdyby se všechny škodliviny jako oxid siřičitý (SO2), oxid uhelnatý (CO), oxidy dusíku (NOx) a jiné podařilo během spalování neprodukovat příp. se je podařilo odloučit a ekologicky zpracovat, nikdy se nepodaří zamezit vzniku oxidu uhličitého (CO2). Ten se sice za škodlivinu nepovaţuje, ale dle současně převaţujícího mínění má výrazný podíl na zvětšování tzv. skleníkového efektu. Proces je moţno vysvětlit tak, ţe neustálým dodáváním vysokého mnoţství oxidu uhličitého do ovzduší přidáváme Zemi další "peřinu", coţ dlouhodobě vede k jejímu globálnímu ohřívání. Zkráceně si je to moţno tento děj představit tak, ţe rostliny v prehistorických dobách odebíraly z ovzduší oxid uhličitý, uhlík pouţily pro svou stavbu, kyslík odevzdaly zpět do ovzduší. Pak se uhlík ve formě fosilního paliva na mnoho miliónů let uloţil. Dnes tento uhlík vytěţíme a spálíme. Zatímco byl proces vytváření uhlí velice pozvolný a trval miliony let, pak v technické době během několika málo století vracíme tento uhlík ve formě oxidu uhličitého zpět do ovzduší. Oxid uhličitý, který se po mnoho miliónů let z ovzduší odváděl, je dnes v krátké době zpět do ovzduší dodán. Tento jev můţe mít nezanedbatelný vliv na narušení dlouhodobé tepelné rovnováhy na Zemi. Obnovitelné zdroje tyto negativa nemají. Z hlediska zásob jsou nevyčerpatelné. Energetickou bilanci Země neovlivní, jestli se slunečnímu paprsku postaví do cesty solární kolektor, jestli se vyuţije koloběhu vody v přírodě pro výrobu elektřiny ve vodních elektrárnách či zdali se vyuţije teplo půdy jako zdroje nízkopotenciálního tepla pro tepelné čerpadlo. Biomasa se také podobně jako fosilní paliva spaluje, ale na rozdíl od nich má tzv. vyrovnanou uhlíkovou bilanci. To znamená, ţe spálením se sice do ovzduší dostane také oxid uhličitý, ale pouze 3 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
tolik, kolik ho bylo rostlinou odebráno z ovzduší během jejího růstu, a to v současné době, nikoliv v dobách dávno minulých.
1.3.
Potenciál a možnosti využití OZE
V celosvětovém měřítku představují obnovitelné zdroje energie obrovský potenciál, kterým by bylo teoreticky moţné pokrýt současnou celosvětovou spotřebu. Mezi jejich nesporné výhody patří moţnost ekologického vyuţívání, nevyčerpatelnost, nízké relativní provozní náklady u energií, které jsou "zdarma" (vodní, větrná, sluneční energie). Vyuţívání obnovitelných zdrojů je však omezeno jejich malou "koncentrací", nestejnoměrným územním rozloţením, proměnlivou intenzitou během dne i roku a velkými relativními investiční náklady pro stavbu zařízení, které jsou schopna je vyuţívat. Pro lepší názornost si provedeme porovnání koncentrace energií podle jednotlivých zdrojů. Mnoţství chemické energie obsaţené v 1 kg černého uhlí je stejně velké jako:
potenciální energie 27 tun vody ve výšce 100 m,
kinetická energie 190 000 m3 vzduchu – větru při rychlosti 54 km/h,
mnoţství slunečního záření dopadajícího na vodorovnou plochu velikosti 2,5 m2 během průměrného dne v roce.
1 kg uhlí spálíme rychle a snadno je-li nám zima či potřebujeme-li vyrobit elektřinu. Uhlí můţeme mít v současné době vţdy dostatečnou zásobu. Obnovitelné zdroje (kromě biomasy) můţeme vyuţívat jen tehdy, jsou-li k dispozici. U malých vodních elektráren je-li dostatek vody, u větrných fouká-li dostatečně silný vítr, u slunečních kolektorů svítí-li Slunce. Podobně je nutno respektovat i regionální podmínky. Naše země nemá tak vhodné podmínky pro vyuţívání vodní energie jako např. sousední Rakousko. Nemůţeme se srovnávat s přímořskými státy, co se týče velikosti vhodných lokalit s energeticky vyuţitelnými rychlostmi větru. Je třeba také hodnotit, zda zařízení pro vyuţití obnovitelného zdroje (např. větrná elektrárna) vyrobí během své doby ţivotnosti alespoň tolik energie, kolik do něj byla vloţena při jeho výrobě, instalaci a provozování. Tyto úvahy jsou sice trochu zjednodušené, dávají nám ale představu jaké jsou vlastnosti obnovitelných zdrojů, které musíme při jejich smysluplném vyuţívání respektovat. Na moţnosti vyuţívání obnovitelných zdrojů je nutno nahlíţet reálně, neboť jejich bezmyšlenkovité prosazování můţe přinést více škody neţ uţitku. Představa, ţe bychom odstavili uhelné a jaderné teplárny a elektrárny a získávali energii z obnovitelných zdrojů je v současné době při podmínce zachování stávajícího ţivotního standardu naprosto scestná. Uplatnění obnovitelných zdrojů ve větším měřítku lze očekávat v komunální sféře. Především vyuţívání sluneční energie pro přípravu teplé uţitkové vody, vytápění pomocí biomasy a tepelných čerpadel můţe přinést sníţení spotřeby fosilních paliv.
1.4.
Sluneční energie
Moţnosti jejího vyuţívání lze rozdělit na dva základní principy – pasivní a aktivní.
Pasivní využívání slunečního záření Zde patří stavební a architektonická řešení staveb vědomě zaměřená na vyuţití solárních zisků. Toho je dosahováno především dispozicí samotné stavby a orientací průsvitných částí (oken) obvodového pláště směrem na jih, vč. pouţití zimních zahrad, skleníků, zasklených lodţií, ap. Často si tento přínos slunečního záření ani neuvědomujeme a bereme jej jako samozřejmost. Z fyzikálního hlediska je děj zaloţen na tom, ţe sluneční záření bez větších problémů projde zasklenou částí – oknem do místnosti, 4 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
po dopadu na povrch nějakého tělesa (podlaha, stěna) se záření z části pohlcuje - absorbuje, coţ vede ke zvýšení teploty tělesa. Toto těleso pak ohřívá vzduch v místnosti. Teplo z místnosti ven (tzv. tepelné ztráty) ale přes sklo přechází méně ochotně neţ sluneční záření dovnitř, a tak část Sluncem dodané energie zůstává v místnosti a pomáhá ji, je-li potřeba, vytápět. Výzkumy ukázaly, ţe v našich klimatických podmínkách je během otopného období okno orientované na jih s dvojitým sklem z hlediska vytápění přínosem. To znamená, ţe více energie vstoupí oknem ve formě slunečního záření dovnitř, neţ odejde ve formě tepelných ztrát oknem ven. Aby se však tyto zisky od slunečního záření daly zuţitkovat, tzn. ţe nesmí docházet k neţádoucímu přehřívání místnosti, je nutné upravit regulaci vytápění v místnosti. To lze nejsnadněji zabezpečit instalací samočinných termoregulačních ventilů na otopná tělesa. Tím, ţe si majitel nastaví na ventilech potřebnou teplotu v místnosti, mají tyto ventily snahu tuto teplotu samočinně udrţet. Jestliţe se díky slunečnímu záření začne teplota v místnosti zvyšovat, bude se ventil automaticky přivírat a pokud je celý otopný systém dobře vyregulován, měl by zdroj tepla sníţit svůj topný výkon, coţ okamţitě vede k úspoře vstupní energie (uhlí, plynu, elektřiny). Trend vedoucí k zvyšování tepelně izolačních vlastností zasklení oken (izolační dvojskla ap.) umoţňuje i vyšší vyuţití těchto pasivních slunečních zisků. Na podobném základě lze získat energetické přínosy pomocí zasklených lodţií, skleníků, zimních zahrad ap. Na obr. 2 je ukázka pouţití prvků solární architektury na objektu školky v Ostravě – Proskovicích. Levá část ukazuje poledne v zimním období, kdy je Slunce nízko nad obzorem a proto jeho paprsky mohou vstupovat přes okna do budovy. Pravá část obrázku ukazuje poledne v letním období. Slunce je vysoko nad obzorem a aby nedocházelo k přehřívání vnitřních prostor školky je navrţena střecha s takovým přesahem, aby byly v době kolem poledne sluneční paprsky odstíněny.
Obr. 2 Jednoduchý příklad solární architektury
Aktivní využívání slunečního záření Druhý způsob vyuţívání přímého slunečního záření je tzv. aktivní vyuţívání, kde jiţ záměrně instalujeme speciální technologické zařízení, pomocí něhoţ sluneční energii jímáme a transformujeme na jiný druh energie. Patří sem v převáţné míře solární kolektory, kde se sluneční záření mění v teplo, a fotovoltaické články, kde se sluneční záření přímo přeměňuje na elektřinu.
Termosolární kolektory
Vyuţití termosolárních kolektorů pro přípravu teplé uţitkové vody jiţ našlo řadu příznivců. Na našem trhu je uţ celá řada výrobců a dodavatelů těchto systémů. Lze koupit solární kolektory pro různé způsoby vyuţití. Nejjednodušší a nejlevnější tzv. bazénové absorbéry nemají ani krycí sklo, neboť se s jejich pouţitím počítá pouze přes letní období např. pro ohřívání vody ve venkovním bazénu, pro přípravu teplé uţitkové vody v rekreačních objektech uţívaných v letní sezóně. Po sezóně lze tyto absorbéry smotat a uloţit. V současné době nejpouţívanější typy plochých kolektorů vycházejí 5 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
z klasické konstrukce, jejímţ základem je rám, ve kterém je na zadní straně uloţena tepelná izolace. Na izolaci je poloţen absorbér se speciálním povrchem, který zabezpečuje co nejvyšší pohltivost slunečního záření. Součástí absorbéru je trubkový nebo kanálkový systémem umoţňující odvod tepla z kolektoru protékající tekutinou, která se tímto v absorbéru ohřívá. Přední část kolektoru pak tvoří sklo, velice často speciálního sloţení, které umoţňuje co nejlepší průchod záření a co nejmenší tepelné ztráty kolektoru – viz obr. 3.
Obr. 3 Konstrukce termosolárního plochého kolektoru Současný vrchol technické dokonalosti tvoří solární kolektory vakuové. Aby byly tepelné ztráty kolektoru co nejniţší, tak se z prostoru, kde je umístěn absorbér, odsaje téměř veškerý vzduch. Takovým prostředím teplo z absorbéru velice špatně přechází zpět přes sklo ven, tzn. ţe téměř veškeré teplo je moţno odvést pro naši potřebu. Toto řešení umoţňuje vakuovým kolektorům dosahovat i v zimních měsících vysoké účinnosti oproti jiným typům.
Obr. 4 Vakuový trubicový termosolární kolektor Solární kolektory lze provozovat celoročně, tzn. i v zimě, pokud se zabezpečí, aby nedocházelo k zamrzání tekutiny v kolektoru. To bývá nejčastěji zajištěno tak, ţe se v okruhu pouţije nemrznoucí 6 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
kapalina. Některé systémy to ale řeší například způsobem, ţe nejsou-li právě vhodné podmínky pro provoz kolektoru, pak se kapalina z kolektoru a míst, kde by hrozilo zamrznutí, automaticky vypustí do sběrného zásobníku uvnitř domu. Volbu zdali zvolit pro celoroční pouţívání levnější klasický či draţší vakuový typ, nelze obecně a jednoznačně rozhodnout a záleţí na konkrétních poţadavcích a podmínkách. Místo pořízení 4 kusů kolektorů draţších můţe vyjít levněji koupě 6 kusů kolektorů levnějších při zajištění stejných uţitných vlastností solárního systému jako celku. V zimních měsících se málokdy podaří zabezpečit ohřev teplé vody na poţadovanou teplotu. Aby nezůstala sluneční energie nevyuţita, pak se pomocí ní můţe voda pouze předehřívat např. z 5 oC na 20 oC. Další dohřátí vody je pak zajišťováno jiným zdrojem tepla, který bývá v tom období většinou k dispozici, neboť musí zabezpečovat vytápění. Aby bylo moţno zajistit plynulou dodávku teplé vody, překlenout dobu kdy Slunce nesvítí, v noci, jeli pod mrakem ap. bývá součástí systému akumulační zásobník. Ten by měl mít takový objem, aby byl schopen zajistit alespoň 2 aţ 3 denní zásobu teplé vody pro domácnost, nebude-li svítit Slunce. Jak jiţ bylo uvedeno výše, nejčastěji je kolektorů pouţíváno pro přípravu teplé uţitkové vody (TUV). Někdy můţe být vhodné vyuţití tepla ze solárních kolektorů současně i pro příleţitostné topení, především v přechodných obdobích - jaro, podzim. Aby topení bylo efektivní, měl by být objekt dobře zateplen a měl by pouţívat nízkoteplotní otopný systém jako např. podlahové vytápění. Zde nutno zváţit, po kolik dní v roce bude moci být tímto způsobem vytápění zajišťováno a zda se investice do napojení na otopný systém vč. systému řízení a regulace vzhledem k dosaţitelným přínosům vyplatí. Vytápění objektu a celoroční příprava teplé uţitkové vody výhradně pomocí sluneční energie je zatím problematická. Vrcholem snahy vyuţít co nejvíce sluneční energii jsou tzv. solární domy, které by měly být schopny veškerou potřebu tepla pokrýt ze slunečního záření. Většinou se ale tyto domy neobejdou bez sezónní akumulace tepla, kdy se přes léto přebytečné teplo ukládá do zásobníku, odkud se v zimě opět odebírá. Tyto solární domy jsou dnes sice technicky řešitelné, ovšem z hlediska výše nákladů nejsou v dnešní době pro běţného člověka ekonomicky dosaţitelné a i v zahraničí je většina těchto domů realizovatelná pouze pro vědecko-výzkumné a demonstrační účely s podporou státu nebo sponzorů. Při vyuţívání slunečního záření je nutno brát v úvahu jeho sezónní změny. Na to třeba pamatovat, je-li např. v technické dokumentaci určitého typu kolektoru uvedeno, ţe celoroční zisk kolektoru o ploše 1,5 m2 je např. 1100 kWh. Výrobce či dodavatel uvádí samozřejmě pravdivou hodnotu, ale spotřebitel si musí uvědomit, ţe určitou část z uváděného zisku moţná nebude v letních měsících fyzicky schopen vyuţít. Míra vyuţití bude závislá na zvoleném období, kdy bude dosaţena tak zvaná rovnováţná energetická bilance. Pro solární systém určený pro přípravu TUV to bude tehdy, kdyţ Slunce dodá v daném měsíci právě tolik energie kolik je potřeba. Prakticky bývají sluneční systémy pro přípravu TUV navrhovány tak, aby rovnováţná bilance byla dosaţena v měsících březnu nebo dubnu – od tohoto se odvíjí i návrh potřebného počtu kolektorů. Potom, uvaţujeme-li téměř stejnou měsíční potřebu tepla pro přípravu TUV, bude nám solární systém v zimě dodávat méně tepla neţ potřebujeme, v létě jej bude přebytek. Tyto přebytky jiţ ale většinou nelze účelně pro ohřev TUV pouţít – více teplé vody se nespotřebuje. Proto bývají přebytky často pouţívány pro ohřev vody ve venkovních bazénech nebo bývají mařeny v různých chladičích. Nevyţaduje-li pouţitý solární systém neustálý průtok a tedy i chlazení z důvodu zabránění přehřátí, pak se odstaví ačkoliv Slunce dále svítí. Reálný uţitečný tepelný zisk kolektoru pak nebude 1100 kWh, ale třeba pouze 800 kWh/rok. S tím je třeba počítat např. při odhadu mnoţství uspořeného paliva či elektřiny.
Fotovoltaické panely
Přímá přeměna slunečního záření na elektrický proud je jednou z perspektivních technologií čisté výroby elektřiny. Kdyby nebyla v České republice pouţívána dotační politika na výkup elektřiny ze solárních elektráren (cca 13 Kč/kWh), nikdo by fotovoltaickou elektrárnu na komerční bázi nepostavil. Pokles cen fotovoltaických technologií však naznačuje, ţe je nutné s takto získanou energií v budoucnu počítat. Cena fotovoltaických panelů klesá s rostoucím počtem aplikací a rozvojem 7 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
nových technologií. Zde je výstiţné přirovnání s počítači. Ještě v roce 1988 stál stolní počítač, který dnes jiţ neuvidíte ani v bazaru, stejně jako rodinný dům. Dnes jsou technicky mnohonásobně dokonalejší počítače finančně dostupné téměř pro kaţdého. U fotovoltaických článků sice nelze očekávat tak bouřlivý vývoj jako u počítačů, ale trend sniţování jejich výrobních nákladů a tudíţ i ceny je jasný a zřetelný. Běţně se s fotovoltaickými články můţeme dále setkat v kalkulačkách, hodinkách, parkovacích hodinách, dále pak v lokalitách, kde by bylo vybudování elektrického vedení pro odběr z centrální sítě velmi drahé. Na obr. 5 je znázorněn systém, který není napojen na elektrickou síť, tzv. ostrovní systém.
Obr. 5 Ostrovní FV systém (zdroj: SOLARTEC s.r.o.) 1-pole FV panelů, 2-regulátor dobíjení, 3-akumulátory, 4-elektrospotřebiče 12V=, 5-měnič 12 V= / 230 V~ Zatímco u solárních kolektorů je účinnost hodně závislá na ročním období, u fotovoltaických článků je v průběhu roku relativně stálá a dosahuje hodnot cca 10 aţ 15 %. Instalovaný výkon fotovoltaických panelů se udává v jednotce označované [Wp] (watt – peak). Údaj znamená výkon stejnosměrného proudu produkovaného fotovoltaickým panelem při standardních podmínkách – solárním osvitu 1000 W/m2 a teplotě panelu 25°C. Znamená to de facto maximální výkon panelu, který lze očekávat v průběhu měsíce června v době okolo poledne, svítí-li Slunce a je-li panel orientován na jih. Fotovoltaické panely produkují stejnosměrný proud, který je přímo vhodný pro nabíjení akumulátorů, nebo jej lze přes měniče převádět na proud střídavý a dodávat do veřejné sítě. Během roku dopadne v našich klimatických podmínkách přibliţně 1100 kWh slunečního záření na 1 metr čtvereční vodorovně poloţené plochy. I kdyţ nelze tuto energii vyuţít díky účinnostem solárních zařízení celou, bylo by nehospodárné a vůči ţivotnímu prostředí nešetrné, kdybychom se nepokoušeli alespoň částí sluneční energie nahradit běţně pouţívané zdroje jako je plyn, uhlí, elektřina.
1.5.
Vodní energie
Česká republika se rozkládá na evropském rozvodí tří moří. Velké řeky u nás pramení a tedy je vodní energie rozptýlená především v malých tocích. Z hlediska moţností, které vodní energie v naší republice poskytuje, lze říci, ţe na zvlášť výhodných místech byly jiţ velké vodní elektrárny vybudovány. V budoucnu jiţ asi nebude moţné stavět velké elektrárny i na hydrologicky výhodných místech. Nevýhodou výstavby velkých vodních elektráren jsou kromě vysokých investičních nákladů a dlouhé doby stavby i nemalý zásah do ekologie krajiny. 8 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
Pravděpodobnost schválení stavby vodní elektrárny podobné např. Orlíku je dnes z pohledu zachování rázu krajiny a ekologie téměř nulová. Relativně velké rezervy však skýtá tzv. malá voda, neboli malé vodní elektrárny, za které se povaţují elektrárny s instalovaným výkonem do 10 MW. Historické prameny uvádí, ţe ve 40-tých letech minulého století bylo na dnešním území České republiky registrováno přes 10.000 vodních děl. Dnes uváděný počet malých vodních elektráren se pohybuje okolo 1400, zatímco v roce 1990 jich bylo registrováno jen asi 900. Z hlediska energetického potenciálu vodní energie na malých tocích vyuţíváme dosud okolo 50 % z toho, co by se technicky reálně dalo vyuţít. Rezervy tedy jsou, na druhé straně nelze naše hydrologické podmínky srovnávat se zeměmi jako je například Rakousko, kde se téměř 2/3 z vyrobené elektrické energie získává ve vodních elektrárnách, nebo Norskem, kde je podíl téměř 100 %. V současnosti se u nás tento podíl pohybuje okolo 2,5 % a je srovnatelný s Německem. Podařilo-li by se naši rezervu v malé vodě vyuţít celou, potom by elektrická energie vyrobená v nových malých vodních elektrárnách mohla nahradit přibliţně výrobu dvou menších bloků klasických uhelných elektráren, čímţ by podíl mohl vzrůst asi na 5 %, při současné výši výroby elektrické energie. Nutno ale zdůraznit, ţe na rozdíl od uhelných elektráren, které lze provozovat kdykoli je potřeba – tedy pokud je dostatek uhlí, výkon malých vodních elektráren bude vţdy závislý na tom, co jim příroda v dané chvíli poskytne. A to platí podobně i pro solární zařízení a větrné elektrárny. I kdyţ jsou naše moţnosti v porovnání shora uvedenými zeměmi podstatně omezené, je nutné ve výstavbě nových nebo rekonstrukcích starších a nefunkčních malých vodních elektráren dále pokračovat. V České republice existují výrobci, kteří se výrobou vodních turbín dlouhodobě zabývají, existují i firmy schopné dodat MVE na klíč. Vstupní investice se však u elektráren s instalovaným výkonem okolo 100 kW pohybují jiţ v několika miliónech korun. Mezi nejčastěji pouţívané typy vodních turbín patří turbíny Kaplanovy (vhodné spíše pro malé spády a velké průtoky vody), Peltonovy (vhodné pro vysoké spády a malé průtoky), Francisovy (vyplňují oblast pouţití mezi Kaplanovými a Peltonovými turbínami). U malých vodních elektráren se navíc vyskytují různé modifikace odvozené z turbíny Kaplanovy, dále bývají často pouţívány turbíny Bánkiho.
Obr. 6 Pohled na rotor Francisovy turbíny (zdroj: Hydrohrom, s. r. o.) Kutilsky zaloţený člověk začne spíše uvaţovat stavbě tzv. mikrozdroje na potoku či malé říčce, o výkonu několika kilowatt či stovek wattů, kde se dají s úspěchem pouţít i některé typy vodních čerpadel.
1.6.
Větrná energie 9
PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
Na území České republiky jsou první historicky doloţené údaje o větrném mlýně z 13. století. V průběhu času jich bylo postaveno přes 800. Vývojem techniky však postupně zanikaly a jejich funkci nahradila zařízení poháněná parou, později spalovacími motory a elektrickou energií. Hovoří-li se dnes o moţnostech vyuţití síly větru na našem území, jedná se především o nasazení větrných elektráren. Co se týče potenciálu větrné energie je třeba si uvědomit, ţe naše republika nemá plošně tak výhodné podmínky jako například přímořské státy (Dánsko, Velká Británie). Přesto je u nás řada dobrých lokalit, kde lze výhodně instalovat větrné turbíny. Lokality vhodné pro výstavbu větrných elektráren v ČR byly mapovány pracovníky Ústavu fyziky atmosféry České akademie věd a byl zpracován tzv. Větrný atlas ČR. Získané výsledky umoţnily vymezit plochy, které jsou pro výstavbu velkých elektráren vhodné (průměrné rychlosti větru 5 aţ 6 m/s) a mimořádně vhodné (průměrné rychlosti větru přes 6 m/s). Jako plocha vhodná nebo mimořádně vhodná byla na území ČR vytipována rozloha 880 km2 tj. pouze 1,1 % našeho území, neboť převáţná část povrchu ČR vykazuje jen malou průměrnou rychlost větru (Ostrava-Mošnov 3,7 m/s, Plzeň - Dobřany 2,6 m/s). Zároveň nejsou uvaţovány území chráněných krajinných oblastí a národních parků, kde nelze s hromadnou stavbou elektráren počítat. Potenciál větrné energie v ČR je v současnosti vyuţíván cca 140 větrnými rotory (nad 100 kW) s celkovým instalovaným výkonem 188,32 MW, kterým je pokryto necelých 0,3 % výroby elektrické energie v ČR. Kdyby se teoreticky podařilo potenciál vyuţít celý, potom bychom při zachování současné výroby elektřiny pokryli větrnými elektrárnami asi 1,3 % produkce. Nutno ale pamatovat, ţe pro případ výskytu energeticky nevyuţitelných rychlostí větru, budeme muset udrţovat odpovídající výkonovou zálohu v klasických elektrárenských zdrojích.
Obr. 7 Klasický typ třílisté větrné elektrárny Chceme-li u nás účinně vyuţít sílu větru, musíme si uvědomit i odlišnosti mezi vlastnostmi větru v přímořských státech a v našem vnitrozemí. Je to nejen v jeho síle, kde v dlouhých úsecích pobřeţí jsou průměrné rychlosti převyšující 8,5 m/s, ale i směru, který je stálý, větru nestojí v cestě od moře ani od pevniny ţádná překáţka. U nás jsou vhodná místa většinou na hřebenech hor, směr větru není tak stálý, vítr je často nárazový a přichází na větrnou elektrárnu jiţ "rozrušen" různými překáţkami. To, ţe větrné elektrárny pracují spolehlivě na pobřeţí, nemusí zároveň znamenat, ţe ty samé elektrárny 10 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
budou spolehlivě fungovat na hřebenech našich hor. Opět je moţno zavést srovnání. Vozy formule 1 jsou jistě velmi kvalitní, ale zkuste s nimi po turistické značce vyjet na Lysou horu. Je tedy vysoce pravděpodobné, ţe míra úspěchu závisí nejen na výběru vhodné lokality, ale i na volbě vhodné konstrukce elektrárny, která bude na naše podmínky přizpůsobená. Při instalaci velkých větrných elektráren v horách je také nutno počítat s dopravní dostupností, se zajištěním příjezdu v zimním období pro případ údrţby. Malé větrné elektrárny nacházejí v dnešní době podobně jako fotovoltaické články uplatnění převáţně tam, kde by bylo náročné přivést rozvodnou elektrickou síť. Malé větrné elektrárny mohou dle generátoru produkovat jak stejnosměrný proud tak i proud střídavý. Větrné rotory lze napojit přímo i mechanicky na nějaký stroj, jako je např. vodní pístové čerpadlo. Při záměru postavit jakoukoliv větrnou elektrárnu je nutné zajistit si nejprve potřebné informace o větrných podmínkách ve vybrané lokalitě, a to nejlépe několikaletým měřením. Zkušenosti ukazují, ţe tento základní krok bývá velice často zanedbáván, jsou pouţívány nesprávné nebo zkreslené údaje a teprve po realizaci se ukáţe, ţe skutečná výroba je několikanásobně menší neţ původně projektovaná.
1.7.
Tepelná energie vnějšího prostředí - tepelná čerpadla
Tepelná čerpadla jsou energetická zařízení, která umějí převést teplo o niţší teplotě na teplo o teplotě vyšší. Není to samozřejmě energeticky zadarmo. Je nutno dodávat tepelnému čerpadlu k jeho funkci ještě další "pohonnou" energii. Zjednodušeně si to lze představit tak, ţe tepelné čerpadlo odebere 2 díly tepla např. venkovnímu vzduchu, k tomuto teplu "přidá" 1 díl energie ze svého pohonu a získáme 3 díly tepla o vyšší teplotě neţ je venkovní vzduch. Toto teplo pak lze pouţít třeba pro vytápění domu. Princip práce tepelného čerpadla je vlastně úplně stejný jako princip práce chladničky. Jde jen o to, za jakým účelem dané zařízení provozujeme. U chladničky povaţujeme za účel ochladit v jejím vnitřním prostoru např. potraviny, tedy odebrat jim teplo, přičemţ víme, ţe chladnička musí pro svoji práci odebírat elektřinu. To, ţe má chladnička na své zadní stěně teplé někdy aţ horké trubky nás vlastně nezajímá, neboť vytápění není jejím účelem. U tepelného čerpadla je účelem produkovat teplo o vyšší teplotě neţ je teplota okolí. To, ţe při tom odebírá teplo např. venkovnímu vzduchu, tedy jej ochlazuje, nás nezajímá. Musíme ale opět dodávat elektřinu. Tepelné čerpadlo je dobré porovnat s elektrickým přímotopem. Vezměme si tepelné čerpadlo, které má elektrický příkon 1 kW. Je-li správně navrţeno mělo by dodávat minimálně 3 kW tepelného výkonu. Zatímco elektrický přímotop příkonu 1 kW bude mít maximálně zase 1 kW topného výkonu. Tedy za hodinu to bude u tepelného čerpadla z 1 kWh elektrické energie – minimálně 3 kWh tepla, u přímotopu z 1 kWh elektrické energie – maximálně 1 kWh tepla. Efektivita práce tepelného čerpadla se hodnotí tzv. topným faktorem, coţ je podíl mnoţství získaného tepla ku mnoţství přivedené pohonné energie, kterou bývá nejčastěji elektřina. Topný faktor je teoreticky vţdy větší neţ jedna. Tepelné čerpadlo je tedy energeticky vţdy výhodnější neţ přímý ohřev (přímotop). Prakticky je však třeba přihlédnout i k ekonomickým hlediskům, kdy pořizovací cena tepelného čerpadla je přece jenom několikrát vyšší neţ cena za odpovídající přímotopy. Vypočítá-li se topný faktor u výše uvedených příkladů, dostanete jeho hodnotu rovnu třem. Tento topný faktor se povaţuje v našich podmínkách za limitní. Budeme uvaţovat, ţe elektrická energie potřebná pro pohon tepelného čerpadla se u nás vyrábí v uhelných kondenzačních elektrárnách s průměrnou elektrickou účinností cca 33,3 %. Sledujme cestu energie, která je na počátku obsaţena v uhlí. Spálíme-li 100 kilogramů uhlí v kondenzační elektrárně, vyrobíme v ní takové mnoţství elektrické energie, které odpovídá 33,3 kilogramům vstupujícího uhlí. Abychom zase zpět získali v tepelném čerpadle takové mnoţství energie, které bylo na počátku, tzn. minimálně odpovídající 100 kilogramům uhlí, musí mít tepelné čerpadlo topný faktor minimálně 3. Tedy k oněm 33,3 kilogramům uhlí představující elektrickou energii musí tepelné čerpadlo přičerpat teplo z okolí odpovídající 66,7 kilogramům uhlí. Pokud by byl topný faktor tepelného čerpadla menší neţ 3, pak by bylo energeticky výhodnější uhlí spalovat přímo v místě vytápění. Tato úvaha je opět trochu zjednodušená, protoţe 11 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
musíme brát v úvahu, ţe v uhelných elektrárnách se uhlí spálí dokonaleji a s niţšími emisemi neţ bychom byli schopni dosáhnout v běţném domácím kotli. Zdroji tepla o nízké teplotě, jeţ většinou nazýváme zdroji nízkopotenciálního tepla, mohou být hmoty vyskytující se okolo nás v přírodě. Okolní vzduch, voda ve vodních tocích, rybnících, vodních nádrţích, podzemní voda, půda v nezámrzné hloubce, horniny v hlubokých vrtech. Nelze jednoznačně říci, který přírodní zdroj nízkopotenciálního tepla je nejlepší. Záleţí na místních podmínkách, kde by mělo tepelné čerpadlo pracovat, na tom zda by mělo zabezpečit potřebu tepla po celou topnou sezónu úplně samo, nebo zdali se uţ v návrhu počítá, ţe po určitou dobu topné sezóny např. v nejchladnějších dnech bude třeba přitopit jiným zdrojem tepla atd. Hodnota topného faktoru je velmi závislá na rozdílu teplot mezi teplem pro vytápění a "načerpávaným" teplem. Čím je tento rozdíl větší tím menší je topný faktor a naopak. Tzn. budu-li odebírat teplo z půdy o teplotě 0 oC a budu-li chtít získat teplo pro vytápění pomocí běţných radiátorů o teplotě 80 oC bude tepelné čerpadlo pracovat méně efektivně, neţ potřebuji-li teplo pro podlahové vytápění, kde mi stačí teplo o teplotě 40 oC. Toto pravidlo lze aplikovat i na měnící se teplotu nízkopotenciálního zdroje. Bude-li teplota venkovního vzduchu –15 oC a bude-li tepelné čerpadlo odebírat teplo z něj, dosáhne se horšího topného faktoru neţ bude-li se odebírat teplo z půdy v nezámrzné hloubce, kde lze získat teplo s teplotou kolem 0 oC. Podle toho odkud tepelná čerpadla teplo získávají a kam jej dodávají se rozlišuje několik základních typů. Tepelná čerpadla vzduch/vzduch získávají teplo z venkovního vzduchu a vytápí vnitřní prostory domu teplým vzduchem. U těchto čerpadel je výhoda, ţe je lze v létě vyuţít jako klimatizaci. Tepelná čerpadla vzduch/voda odebírají teplo venkovnímu vzduchu a vytápí vnitřní prostory pomocí běţné otopné soustavy, nejlépe však nízkoteplotní jako je např. podlahové vytápění. Nevýhodou pro tyto čerpadla je však velice kolísavá teplota venkovního vzduchu. Tepelná čerpadla voda/voda vyuţívají nízkopotenciální teplo povrchových nebo spodních vod. U spodních vod je výhoda, ţe mají celoročně téměř stálou teplotu. Vyuţití tepla je stejné jako v případě vzduch/voda. Tepelná čerpadla země/voda vyuţívají teplo země buď blízko pod povrchem v hloubce cca 1,2 aţ 1,8 m, nebo teplo hornin z vrtů, které mohou být hluboké i 150 m.
Obr. 8 Znázornění odběru nízkopotenciálního tepla ze země pomocí povrchového kolektoru a vrtu (zdroj: Tepelná čerpadla IVT - Ostrava, s.r.o.)
12 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
Samozřejmě, ţe zdroji nízkopotenciálního tepla mohou být i odpadní tepla z technologických procesů, klimatizací ap., tyto však do obnovitelných zdrojů nelze obecně zařadit, i kdyţ je jejich vyuţití stejně jako v případě obnovitelných zdrojů přínosné.
1.8.
Biomasa
Biomasa, jako obnovitelný zdroj, je nositelem chemické energie, která vzniká prvotně během procesu fotosyntézy vytvořením rostlinné hmoty - fytomasy. Tato energie je pak v rámci potravního řetězce předávána také ţivočichům. Do energie biomasy se zařazuje i energie v organických odpadech produkovaných lidskou činností. V našich lokalitách se jedná zejména o dřevo, dřevní, obilní a další rostlinné produkty a odpady, energetické rostliny, odpady z čistíren odpadních vod, odpady komunální a zvířecí exkrementy. Předností přírodní fytomasy je skutečnost, ţe k jejímu růstu spotřebované mnoţství oxidu uhličitého je zhruba stejné jako mnoţství CO2 vyprodukované při spalování. Jedná se tudíţ o přirozený cyklus, který nezhoršuje "skleníkový efekt" na Zemi. Recyklace oxidu uhličitého trvá jeden rok u slámy a trávy, od 3 do 5 let u energetických dřevin, u lesních porostů pak po 30 i více let. Obsah těţkých kovů v biomase je v porovnání s jinými palivy velmi nízký, přibliţuje se nule a se spalinami se do ovzduší nedostává. Ve dřevě není síra, stopy síry, asi 0,1 % jsou ve slámě, která zároveň obsahuje i 0,2 % neţádoucího chlóru. Biomasa má v rámci ČR ze všech dostupných obnovitelných nejvyšší potenciál racionálního vyuţití. V ČR je orientační skladba energetického potenciálu biomasy:
zemědělský odpad ze ţivočišné výroby dřevní odpad biomasa pěstovaná na 5 % zemědělské půdy tuhý komunální odpad zemědělský odpad z rostlinné výroby odpady ze zpracování masa a drůbeţe odpadní zbytky z čistíren odpadních vod odpady ze zpracování mléka, zeleniny a ovoce odpady ze zpracování papíru, celulózy, škrobu
~ 41 % ~ 28 % ~ 18 % ~ 6% ~ 4% ~ 1% desetiny % desetiny % desetiny %
V rámci makroenergetiky se pouţívání biomasy uplatňuje ve velkých elektrárenských blocích, kde je přidávána do energetického uhlí. Pouţití biomasy je předurčeno k individuálnímu, místnímu a v nejlepším případě k oblastnímu vytápění. Nejmodernější oblastní systémy vyuţívající biomasu k sdruţené výrobě tepla a elektřiny dosahují vysoké celkové účinnosti (aţ 80 %). Těţiště vyuţívání biomasy spočívá v jejím spalování a zplyňování, nelze však pominout její podíl na výrobě alkoholu a výrobu bionafty a bioplynu. V podmínkách střední Evropy je zdrojem energie v této kategorii především dřevo, dřevní odpad a odpadní zemědělské plodiny. Na rozdíl od fosilních paliv, které po vytěţení vyţadují jen minimální úpravy před spalováním, je nutno biomasu k tomuto účelu náročně upravovat řezáním, štípáním, sekáním, lisováním, mletím a zejména sušením. Proto je vyuţívání některých paliv z kategorie biomasy cenově zatíţeno velmi sloţitou manipulací. Dřevo a dřevní odpad sice představují významný zdroj energie, ale i jeho vyuţití je však z mnoha důvodů značně obtíţné. Jedná se většinou o velké objemy s malou energetickou hustotou, vysokým a proměnlivým obsahem vody ovlivňujícím výhřevnost, takţe je mnohdy nezbytné stabilizovat spalovací proces jiným palivem. Obsah energie v 1 kg suchého dřeva je asi 5,2 kWh, s 20 % zbytkovým obsahem vody jiţ jen asi 4,0 kWh, surové dřevo s vlhkostí 40 % má výhřevnost cca 2,8 kWh – viz graf na obr. 9. 13 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
Výhřevnost [kWh/kg]
5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0
0
10
20
30 40 Obsah vody [%]
50
60
Obr. 9 Pokles výhřevnosti dřeva v závislosti na vlhkosti Výhřevnost 1 kg slámy bývá 3,9 kWh, hustota ve volně sypaném stavu jen kolem 59 kg/m3. To je sice vhodné pro plynulé přidávání paliva do topeniště, ale nevhodné pro skladování. Sláma se nejčastěji upravuje do balíků malých i obřích o hmotnosti aţ 350 kg. Peletováním a briketováním se můţe upravovat do stavu podobného jiným pevným palivům, polínkům, kusovému uhlí, koksu. Komunální odpady na rozdíl od dřevních a zemědělských odpadů obsahují řadu nebezpečných sloţek, které mohou při spalování ohrozit kvalitu ovzduší. Řešení těchto problémů je individuální, podle sloţení odpadu a místních potřeb a podmínek. Plyn vznikající zahříváním suché biomasy lze spalovat v plynových motorech nebo turbínách. Nejmodernější systémy vyuţívající kombinované výroby tepla a elektřiny zpravidla vyrábí 30 % elektřiny a 60 % tepla dosahují účinnosti aţ 90 %. Malými lokálními kogeneračními systémy lze na rozdíl od velkých tepláren zajistit dodávku tepla přímo v místě spotřeby. Na rozdíl od termochemických, suchých procesů vyuţívajících spalování a zplyňování jsou provozovány biochemické, mokré procesy zaloţené na anaerobním vyhnívání a fermentaci. Fermentací roztoku cukrů se produkuje ethylalkohol. Vhodnými rostlinami jsou cukrová řepa, obilí, kukuřice, brambory a ovoce. Při výrobě průmyslového alkoholu z dřevních odpadů je prvním technologickým krokem energeticky náročná hydrolýza, doprovázená rozkladem celulózy na jednoduché cukry. Pak následuje kvašení cukrů a destilace surového produktu. Anaerobním štěpením organických látek vzniká díky bakteriím pracujícím bez přístupu kyslíku bioplyn. Rozklad odpovídá procesům probíhajícím v přírodě s tím rozdílem, ţe v přírodě probíhají aerobně, za přítomnosti kyslíku. Konečné chemické sloţení těchto produktů se ovšem liší. Zbytky vyhnívajících procesů jsou vysoce hodnotným hnojivem nebo kompostem. Štěpení organické hmoty na metan působením bakterií probíhá v teplotním rozsahu 10 aţ 60oC. Teplota prostředí je hlavním parametrem určujícím úroveň látkové výměny a tím i mnoţení mikroorganismů. Bionafta (metylester kyselin řepkového oleje) se sice liší od ropných produktů, avšak její hlavní parametry se motorové naftě velmi přibliţují. Vznětové motory poháněné bionaftou nevyţadují ţádných konstrukčních změn, vcelku příznivě se projeví záměna paliva na přírodním prostředí, sníţením emisí CO, SO2 a kouřivosti. Zvýšení emisí NOx je nezbytné eliminovat seřízením motoru. Problematické je vyuţívání bionafty v zimním období při teplotách pod + 5oC. Metylestery mastných kyselin se vyrábějí reesterifikací řepkového oleje methanolem za přítomnosti alkalických katalyzátorů. Jde o poměrně jednoduchou reakci nevyţadující pouţití vysokých tlaků a teplot. V čistě hospodářsky pojímaném smyslu zatím nemůţe bionafta konkurovat ropným produktům, výroba je opodstatněná především z ekologických důvodů. Vyuţívání bionafty je doprovázeno 14 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
rychlým biologickým odbouráváním spalin, zhruba poloviční kouřivostí a menší hlučností motorů. Důvodem k vyuţívání jsou i nové nepotravinářské přístupy k vyuţívaní zemědělské půdy. Rovněţ nelze pominout skutečnost, ţe se jedná o náhradu fosilního paliva obnovitelnými zdroji. Energetickému vyuţití biomasy je věnována mimořádná pozornost ve všech vyspělých zemích světa. Je podporován výzkum zaměřený na zvýšení efektivnosti zpracování biomasy a rozšiřování jejího uplatňování. V mnoha zemích se v současné době pěstuje biomasa přímo pro energetické účely. Pro energetické plantáţe na půdách pro zemědělství nepotřebných je velmi důleţitá volba plodiny. Sadí se platany, topoly, akáty olše, vrby, dále len, konopí, slunečnice, proso, řepka aj.
1.9.
Geotermální energie
Jako geotermální energie je označováno přirozené teplo země. Ve skutečnosti je zdrojem této obnovitelné energie rozpad radioaktivních prvků v zemském nitru a teplo uvolněné vzájemným třením pevninských desek. Celkový tok tepelné energie k povrchu je 33 TW, sopky uvolňují 0,3 TW. Měrný tok tepelné energie na 99 % zemského povrchu dosahuje hodnoty 60 mW/m2. Existují však anomální oblasti zejména v okolí aktivních sopečných zón, kde horniny obsahují velké mnoţství radioaktivních prvků, s měrným tepelným tokem dosahujícím hodnoty aţ 150 mW/m2. Tyto lokality vytvářejí příznivé podmínky k výstavbě geotermálních elektráren. Geotermální teplo ve vnějších 10km zemské kůry je však příliš rozptýlené, neţ aby mohlo být energetickým zdrojem vyuţitelným v celosvětovém měřítku. Za zdroje, které jsou vhodné ke komerčnímu vyuţití, lze označit lokální geologická loţiska tepla, soustředěná v dosaţitelných hloubkách, v uzavřených objemech a při teplotách postačujících pro elektrické či tepelné energetické zuţitkování. Ve svrchní části zemské kůry stoupá její teplota podle geotermického stupně, tj. v průměru o 1oC kaţdých 33 m. V hloubce 3 km je to tedy asi 100oC v hloubce 10 km jiţ 300oC. To ovšem neplatí obecně. Tak například v České republice mají nejblíţe, jen 5 km, k horninám o teplotě 130oC obyvatelé Teplic, Karlových Varů a Ostravy. Naopak obyvatelé Brna by museli k dosaţení této teploty vrtat do hloubky 13 km. Podle dosahovaných teplot lze geotermální zdroje rozdělit na:
vysokoteplotní, nad 150oC, středněteplotní, 90 - 150oC, nízkoteplotní, pod 90°C.
Parní systémy (rovněţ označované jako suché parní systémy) produkují přehřátou páru (kolem 240°C) při vysokém tlaku (3,5 MPa) s malými přísadami dalších plynů a s malým, či ţádným obsahem kapaliny. Jelikoţ pára obsahuje zpravidla jen málo částic, či jiných látek, které je nutno před pouţitím extrahovat, můţe pro výrobu elektřiny přímo napájet běţnou parní turbínu. Nedosahuje-li pára této kvality je nutné stavět geotermální elektrárny s oběhem nepřímým nebo se smíšeným vyuţitím páry. Druhým typem geotermálních zdrojů jsou horké vulkanické systémy vyuţívající jednak magmatu, jednak horké nepropustné suché horniny. Získávání geotermální energie přímo z magmatu se zatím vymyká technickým moţnostem. Technologie potřebná k zuţitkování horkých suchých hornin je na počátku vývoje. Předběţné technické návrhy na odčerpávání této energie se zaměřují na cirkulaci kapaliny ve smyčce vedené horninou. Nejprve se realizuje vrt do horké formace, poté se jím vhání pod vysokým tlakem studená voda, která má v hornině vytvořit zlom. Do oblasti zlomu se vede druhý vrt. Studená povrchová voda se po průchodu horkou suchou horninou navrací druhým vrtem v podobě páry anebo horké vody. V České republice se geotermální energie projevuje svými teplými minerálními prameny, které se vyznačují léčivými účinky. V Karlových Varech dosahuje teplota termální vody 72°C. Obsah minerálů vytvářejících na teplosměnných plochách nánosy jejich vyuţívání v energetice ztěţuje. Jeden z mála projektů na vyuţití geotermální energie u nás je realizován v Děčíně. Z vrtu hlubokého 550 m je získávána voda o teplotě 30°C, s odběrem 54 l/s. Tato voda je ochlazována tepelnými čerpadly a teplo je pouţito k efektivnímu předehřívání doplňovací vody z potrubního topení z teploty 15 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
cca 55°C na 72°C. Jelikoţ tato voda téměř splňuje parametry pro pitnou vodu, je po průchodu jednoduchou úpravárenskou technologií dodávána do městské vodovodní sítě jako pitná voda.
Otázky 1. Specifikujte základní rozdělení zdrojů energií. 2. Specifikujte primární a sekundární zdroje energie. 3. Jaké jsou přínosy vyuţívání obnovitelných zdrojů energií. 4. Okomentujte charakteristiky demografického vývoje populace a spotřeby energie. 5. Okomentujte specifika potenciálních moţností vyuţití obnovitelných zdrojů energií ve vašem okolí a regionu. 6. Sluneční energie a její pasivní a aktivní vyuţití. 7. Specifikujte přeměnu slunečního záření na tepelnou energii. 8. Specifikujte přeměnu slunečního záření na elektrickou energii. 9. Specifikujte moţnosti vyuţívání energie z vody. 10. Specifikujte moţnosti vyuţívání větrné energie. 11. Specifikujte moţnosti vyuţívání geotermální energie a tepelných čerpadel. 12. Specifikujte moţnosti vyuţívání energie z biomasy.
Další zdroje [L1] [L2]
[L3] [L4]
The World at Six Billion [online]. New York : United Nations, 1999 [cit. 2009-10-10]. Available at:
. Key World Energy Statistics 2008 [online]. Paris : International Energy Agency, 2008 [cit. 2009-11-11]. Available at: . HAMPL, M. Vyčerpání zdrojů – skvěle prodejný mýtus. Praha : Centrum pro ekonomiku a politiku, 2004. 67 p. ISBN 80-86547-28-0. Oil reserves. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikimedia Foundation, 2001, last modif. 30 November 2009 [cit. 2009-11-28]. Available at: .
16 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.
