Studijní opora k výukovému modulu v oblasti technických věd „K4/MTV3 Není život bez energie“ byla vytvořena v rámci projektu „Poznej tajemství vědy“. Projekt s reg. č. CZ.1.07/2.3.00/45.0019 je financován z operačního programu vzdělávání pro konkurenceschopnost a státního rozpočtu České republiky. Výukový modul představuje nástroj pro vzdělávání cílové skupiny (zájemci o vědu) ve specifickém tématu v rámci přírodních a technických věd. Tento modul popularizační formou seznámí potenciální zájemce o vědecko-výzkumnou práci s vědeckým přístupem (schopností odhalovat skryté příčiny dějů, rozpoznávat falešnou analogii). Dále motivační formou ukáže práci domácích i zahraničních výzkumníků v terénu i v laboratořích. Výukový modul je tvořený unikátním textem, obsahujícím:
1. Učební texty pro popularizátory vědy 2. Pracovní aktivity pro studenty a žáky, min. 5 aktivit pro SŠ, 3 aktivity pro ZŠ 2. st., 1 aktivita pro ZŠ 1. st.: a) výklad vědeckých (badatelských) aktivit v laboratoři či v terénu b) pracovní listy c) návody pro pokusy a měření včetně vyhodnocování d) dvě strany odborného anglického textu 3. Metodická příručka
Materiál vytvořil expertní tým společnosti: Vysoká škola podnikání, a. s. Michálkovická 1810/181, 710 00, Ostrava – Slezská Ostrava IČ: 25861271, Tel.: +420 595 228 111, Web: www.vsp.cz, E-mail:
[email protected]. Vysoká škola podnikání, a.s. poskytuje vysokoškolské vzdělávání v akreditovaných studijních oborech programu Ekonomika a management pro bakalářské a magisterské studium už od roku 2000. Primární strategií při naplňování tohoto poslání je poskytovat vzdělávání, služby a výzkum k podpoře a rozvoji podnikavosti a podnikání prostřednictvím definovaných podnikatelských rolí, hodnotové orientace a klíčových kompetencí. Posláním školy je připravovat odborníky, kteří rozumí podnikání jako celku. Cílem VŠP je vychovávat podnikatele a manažery, kteří mohou být uplatnitelní a úspěšní v různých profesích a oborech. Studium je proto velmi přizpůsobeno praxi a požadavkům zaměstnavatelů.
Garant: doc. Ing. Peter Ponický, Ph.D. Autoři: prof. Ing. Miroslav Kaloč, CSc.
© Vysoká škola podnikání, a.s., 2015
2
OBSAH ČÁST A Seznámení popularizátora vědy s tématem ............................................................................. 9 1. Práce a energie ................................................................................................................................... 9 1.1. Práce .......................................................................................................................................... 10 1.2. Energie ...................................................................................................................................... 10 1.3. Slunce ........................................................................................................................................ 10 1.4. Biologická energie..................................................................................................................... 10 1.5. Člověk ....................................................................................................................................... 11 1.6. Využití dalších historických zdrojů energie .............................................................................. 11 1.7. Průmyslová revoluce ................................................................................................................. 12 2. Potřeba energie................................................................................................................................. 15 2.1. Energie jako fyzikální veličina .................................................................................................. 17 2.1.1. Jednotky energie ................................................................................................................. 17 2.1.2. Výkon ................................................................................................................................. 17 2.1.3. Termodynamika .................................................................................................................. 17 2.2. Spotřeba energie ........................................................................................................................ 18 3. Obnovitelné zdroje ........................................................................................................................... 21 3.1. Tepelné záření Slunce ............................................................................................................... 22 3.2. Fotosyntéza................................................................................................................................ 22 3.3. Fotoelektrický jev ...................................................................................................................... 23 3.4. Přímé energetické využití sluneční tepelné energie .................................................................. 24 3.5. Skleníkový efekt a globální oteplení ......................................................................................... 25 3.6. Větrné elektrárny ....................................................................................................................... 25 3.7. Vodní energie ............................................................................................................................ 27 3.8. Energie moře ............................................................................................................................. 28 3.9. Geotermální energie .................................................................................................................. 29 4. Paliva................................................................................................................................................ 32 4.1. Obnovitelná paliva .................................................................................................................... 33 4.1.1. Vznik recentních paliv ........................................................................................................ 33 4.1.2. Použití recentních paliv ...................................................................................................... 35 4.2. Fosilní paliva ............................................................................................................................. 37 4.2.1. Uhlí ..................................................................................................................................... 37 4.2.2. Ropa .................................................................................................................................... 40 4.2.3. Zemní plyn .......................................................................................................................... 43 4.3. Jaderná energie .......................................................................................................................... 46 4.3.1. Radioaktivní reakce ............................................................................................................ 46 3
4.3.2. Výroba jaderných paliv ...................................................................................................... 47 4.3.3. Radioaktivní záření ............................................................................................................. 47 4.3.4. Jaderná elektrárna ............................................................................................................... 47 4.3.5. Environmentální dopady jaderné energetiky ...................................................................... 48 4.3.6. Jaderná fúze ........................................................................................................................ 49 5. Úprava a zušlechťování paliv .......................................................................................................... 51 5.1. Ušlechtilá paliva ........................................................................................................................ 52 5.2. Karbonizace dřeva, dřevěné uhlí, .............................................................................................. 52 5.3. Karbonizace biomasy a organických odpadů ............................................................................ 53 5.4. Karbonizace uhlí ....................................................................................................................... 53 5.5. Dehet ......................................................................................................................................... 54 5.6. Zplyňování uhlí, generátorový a vodní plyn ............................................................................. 54 5.7. Vodík ......................................................................................................................................... 55 5.8. Výroba motorových paliv z nefosilních zdrojů ......................................................................... 55 6. Získávání tepla z paliv ..................................................................................................................... 58 6.1. Hoření plynných paliv ............................................................................................................... 59 6.2. Explozivní hoření a výbuch....................................................................................................... 60 6.3. Využití hoření plynů.................................................................................................................. 60 6.4. Odvod spalin ze spalovacího prostoru ...................................................................................... 61 6.5. Hoření kapalných paliv ............................................................................................................. 62 6.6. Hoření pevných paliv ................................................................................................................ 62 6.7. Odvod tepla ze spalovacího prostoru ........................................................................................ 63 7. Přeměny energie............................................................................................................................... 65 7.1. Přeměna tepla na mechanickou energii ..................................................................................... 66 7.2. Přeměna mechanické energie na elektrickou ............................................................................ 68 7.3. Přeměna tepla na chemickou energii ......................................................................................... 69 7.4. Přeměna energie chemické na elektrickou ................................................................................ 69 8. Skladování a přeprava energie ......................................................................................................... 72 8.1. Skladování a doprava paliv ....................................................................................................... 73 8.2. Skladování a přeprava tepla ...................................................................................................... 75 8.3. Skladování mechanické energie ................................................................................................ 76 8.4. Skladování a rozvod elektřiny ................................................................................................... 76 9. Zušlechťování potravinových produktů ........................................................................................... 79 10. náměty pro budoucnost .................................................................................................................. 82 Seznam zdrojů a použitá literatura ....................................................................................................... 83 ČÁST B Pracovní aktivity pro studenty a žáky ................................................................................... 84
4
Pracovní listy pro 1. stupeň základní školy ......................................................................................... 84 Pracovní list č. 1A ............................................................................................................................ 84 Pracovní listy pro 2. stupeň základní školy ......................................................................................... 86 Pracovní list č. 1B: Práce a energie? ................................................................................................ 86 Pracovní list č. 2B: Paliva a energie ................................................................................................. 87 Pracovní list č. 3B: Topné plyny ...................................................................................................... 90 Pracovní list č. 4B: Transformace energie ....................................................................................... 91 Pracovní list č. 5B: Výroba plynu .................................................................................................... 92 Pracovní listy pro střední školy............................................................................................................ 93 Pracovní list č. 1C: Energie budoucnosti: obnovitelné zdroje nebo jaderná energie? ..................... 93 Pracovní list č. 2C: Fosilní paliva .................................................................................................... 94 Pracovní list č. 3C: Výroba plynu – laboratorní demonstrace ......................................................... 97 Pracovní list č. 4C: Provozní cvičení - koksovna ............................................................................ 98 Pracovní list č. 5C: Provozní cvičení na úpravně napájecí vody – Teplárna Třebovice .................. 99 11. Pracovní listy s odborným textem v anglickém a českém jazyce ................................................ 100 11.1. Energy ................................................................................................................................... 100 11.2. Energie .................................................................................................................................. 102 ČÁST C Metodická přírůčka ............................................................................................................. 103 Základní metodické přístupy .......................................................................................................... 103
5
CÍL VÝUKOVÉHO MODULU Po úspěšném a aktivním absolvování získáte základní znalosti a přehled o jednom z nejvýznamnějších oborů, podmiňujících existenci lidstva - o zajištění společnosti potřebnými druhy energií. Poznáte vývoj od samého prehistorického počátku, kdy se člověk naučil využívat ohně až k dnešním soudobým postupům, jimiž je lidstvo schopno krýt potřeby energie všeho druhu tak, aby byly uspokojeny veškeré jeho potřeby, tedy nejen základní, spočívající např. v zajištění tepelné pohody, ale i ostatní, které mu umožňují plné rozvinutí jeho zájmů - obecně Znalosti všeho, co patří k žití v moderní době. Uvědomíte si také rozdíly v jednotlivých druzích energie, dozvíte se o jejich zdrojích, o moderních postupech a také způsobech jejich užívání v současné etapě, označované etapou udržitelného rozvoje včetně zachování jakosti životního prostředí i pro budoucí generace.
Získané poznatky významně poslouží k tomu, abychom dokázali s jednotlivými druhy energie hospodařit, aby byly jednotlivé energetické zdroje racionálně a efektivně využívány, abychom dokázali objektivizovat pohled na původní energetické zdroje a věnovali potřebnou pozornost také Dovednosti obnovitelným zdrojům, které jsou významnou součástí palivoenergetické základny země. Patřičná orientace v této oblasti bude neodlučitelně spolupůsobit při vytváření tepelné pohody jednotlivce.
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 20 hodin.
6
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK MW
megawatt – jednotka výkonu, milion wattů
GWh
Gigawatt hodina
CO2
Oxid uhličitý
ČR
Česká republika
USA
Spojené státy americké
$
Dolar měna
LPG
Liquified Petroleum Gas - motorové palivo
LNG
Liqufied Natural Gas - zemní plyn
MPa
Megapascal - jednotka tlaku
PVC
Polyvinylchlorid - umělá hmota
MEŘO
Methylester řepkového oleje
7
Seznam symbolů a zkratek
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU
KLÍČOVÁ SLOVA
RYCHLÝ NÁHLED V MODULU
CÍL
ÚKOLY K PROCVIČENÍ KONTROLNÍ OTÁZKA
ŘEŠENÍ
SHRNUTÍ KAPITOLY
8
ČÁST A Seznámení popularizátora vědy s tématem 1. PRÁCE A ENERGIE Existuje mnoho různých zdrojů energie. Jejich přeměna na práci většinou probíhá v několika stupních. Důležitým stupněm je získávání ušlechtilejší energie, od které očekáváme například:
skladovatelnost, dopravovatelnost, pohotovost k přeměně na práci, jednoduchost zařízení pro přeměnu na práci, omezení nežádoucích environmentálních účinků.
CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování kapitoly Při studiu této kapitoly se dozvíte o významu některých pojmů z probíraného tématu. Tyto pojmy jsou významné z hlediska dalšího studia, je vysvětlován pojem práce, energie, biologická energie, historické zdroje energie a také Znalosti základní přelomové mezníky, podepřené průmyslovou revolucí.
Právě po zvládnutí výše zmiňovaných pojmů dovedete lépe chápat odborná sdělení nejen v této knížce, ale i v jiných informačních zdrojích, dostupných v listinné i v elektronické formě. Budete také schopni objektivně hodnotit Dovednosti jevy, které vás obklopují v každodenním životě.
KLÍČOVÁ SLOVA Práce, energie, sluneční energie, druhy energie, jaderná energie, fotosyntéza
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 1,5 hodiny.
9
1.1. Práce V nejjednodušším případě jsme za práci schopni označit činnost lidských svalů, kterou je něco záměrně přemísťováno nebo přetvářeno. Je samozřejmé, že užitečnou práci může vykonávat i ochočené zvíře nebo správně ovládnuté přírodní síly (voda, vítr). Moderní člověk pak činnost svalů nahrazuje prací strojů poháněných různými motory.
1.2. Energie Schopnost konat práci nazýváme energie. Energie může vyvozovat i práci neužitečnou, zbytečnou nebo dokonce škodlivou. Energii je do jisté míry možno přeměňovat, přemísťovat a doplňovat. Před dvěma stoletími, když se naučili vědci vážit i plyny, zjistili, že energie není spojená s nějakou vážitelnou součástí hmoty (které do té doby říkali flogiston), ale že je jen jaksi ve hmotě uložena. Tuto představu opravil před sto lety Einstein, který došel k závěru, že energie je přímo formou hmoty a uvolněním energie E ze hmoty se ztratí hmota hmotnost m, přičemž platí E=m c2. Zde je c rychlost světla, což je asi 300 000 km/s. Tento vztah je významný pro porozumění procesům jaderné fyziky nebo astrofyziky, avšak za běžných okolností jde o změny hmotnosti zcela nepatrné: Při spálení 1 t uhlí tak „zmizí“ asi 0,3 miligramů hmotnosti, což odpovídá asi jednomu zrnku máku.
1.3. Slunce Základním zdrojem energie na Zemi je Slunce, na kterém probíhají bouřlivé termojaderné reakce, vysílající do prostoru tepelné a světelné záření a různá další záření neviditelná. Část dávné sluneční energie je také ukryta v horkém zemském jádru (z dob před 6 miliardami let, kdy se Země utvářela); avšak tato energie se dnes projevuje jen místy občasnými sopečnými výbuchy a teplými prameny. Nejvýznamnějším projevem slunečního záření jsou fotochemické reakce, kterými se z látek dostupných na Zemi stávají látky s vyšší chemickou energií. Díky nim se vytvořil jednak kolem Země vzdušný obal, obsahující kyslík, jednak se na povrchu vytvořily složitější látky. Ty jsou schopné oxidace, což je zde zpětné spojování s kyslíkem, přičemž se uvolňuje energie v jiných podobách.
1.4. Biologická energie Nejdůležitější fotochemickou reakcí již přes 4 miliardy let je fotosyntéza, kterou umějí provádět zelené rostliny, včetně nejjednodušších mikroskopických jednobuněčných řas. Přitom s pomocí světla z vody a oxidu uhličitého vytvářejí stavební a zásobní látky svých těl a uvolňují kyslík. Zpětný proces probíhá při hoření rostlinného materiálu, kdy s kyslíkem vzniká oheň a dlouho ukládaná energie se rychle uvolňuje jako energie tepelná. Stavebními látkami rostlin je zejména buničina (celulóza), kterou jsou tvořeny stvoly, listy a dřevo. Zásobními látkami jsou například cukry, škrob a tuky. Oxidací zásobních látek získávají rostliny energii, když zrovna není k dispozici dost energie ze světla. Samozřejmě, živá hmota s pomocí této energie je schopna sestavit i velmi složité látky, které řídí její růst, výměnu látek a rozmnožování.
10
Živočichové schopnost využívat světlo nemají, a prostě získávají energii jako predátoři, jejichž potravou jsou těla rostlin nebo jiných živočichů. Ke svému životu potřebují zvolna, avšak nepřetržitě uvolňovat malé dávky energie, takže jsou závislí na soustavném přísunu kyslíku a současného odstraňování oxidu uhličitého dýcháním. Kyslík se roznáší po organizmu krevním oběhem. Kyslík pak oxiduje zejména jednoduché cukry, které si dovede živočich připravit i ze škrobovin. Zažívací soustava dovoluje tyto látky z potravy oddělovat a ukládat. K dlouhodobějšímu ukládání energie ale slouží spíše tuky. Na rozdíl od rostlin dovedou živočichové využívat ještě zajímavější zásobní látky – adenosinfosfáty – které jsou schopny energii akumulovat a podle potřeby ji velmi rychle vydávat i bez okamžitého přísunu kyslíku. Pomocí jejich přeměn jsou poháněny svalové pohyby. Kromě schopnosti vykonávat mechanickou práci se při daných přeměnách látek uvolňuje teplo, což umožňuje teplokrevným organizmům zrychlit životní procesy i při nižší teplotě okolí. Tak se v několika stupních dostává energie slunce až ke svalové práci.
1.5. Člověk Jak je patrno, v živočišné říši je klíčovým problémem získávání potravy. I primitivnější organizmy se někdy naučily přitom spolupracovat (například mezidruhově mravenci a mšice), u vyšších organizmů známe lov ve smečkách (vlci). Některá zvířata se přizpůsobila podnebí a potravu přijímají jen ve vhodné sezóně (například medvěd v zimě minimalizuje potřebu potravy zpomalením životních procesů do tzv. zimního spánku).
Člověk, od doby kdy je takto nazýván (tedy asi 2 miliony let), využíval jako zdroje energie rostlinnou i živočišnou stravu. K zajištění tepla bez závislosti na stravě ovládl oheň - spalování biomasy, především dřeva; ohřevem potravy se mu ale také podařilo upravovat ji k lepší poživatelnosti a stravitelnosti. Při lovu si osvojil dovednosti pracovat kolektivně v tlupách a využívat nástroje (zbraně). Významným pokrokem bylo vytváření zásob potravin pro horší sezóny, z čehož později vznikl i chov zvířat (pastevectví) a dále pěstování užitečných rostlin (zemědělství). Tyto činnosti nebyly závislé jen na organizaci a dělbě práce, ale samy o sobě spotřebovávaly dosti lidské energie, a to i v poměrně nedávné době. Dnes je obtížné si představit, že ještě okolo roku 1800 ve střední Evropě pracovalo v zemědělství 90% obyvatelstva, v roce 1900 stále více než 50% obyvatelstva, na tisíc lidí připadalo asi 80 pracovních koní a k tahu se využívaly i krávy; přitom i v úrodných oblastech byla stále ještě běžnou podvýživa.
1.6. Využití dalších historických zdrojů energie Při chovu zvířat se ukázalo, že nejsou pouze jakousi zásobárnou potravy, a že je možno využít i síly svalů ochočených zvířat. Tah zvířat (skot, buvol, osel, kůň, yak, slon) se využíval při odlesňování a při orbě, později i při přepravě nákladů a ve válečnictví. Zvířata v tahu nahradila práci více otroků, přičemž energii si doplňovala většinou sama pastvou bez přispění velkého lidského úsilí. Při přepravě nákladů se dařilo v blízkosti vodních toků, jezer a moře použít vorů a později důmyslnějších lodí, přičemž se objevila možnost využít za vhodných podmínek i energie větru namístě lidské práce u vesel. Vítr vlastně je rovněž akumulovaná sluneční energie, způsobená 11
nepravidelným ohříváním pevniny a moře. Při styku různě vlhkých a teplých vrstev vzduchu vlhkost vypadává ve formě deště či sněhu. Vodě, dopadající na zvýšenou pevninu, zůstává energie polohová (potenciální); tato energie při toku vody je také schopna konat práci. Ovládnutí energie vody vyžadovalo konstrukci důmyslnějších zařízení; nejtypičtějším prvkem těchto zařízení bylo vodní kolo, kterým se energie vody přeměňovala na točivý pohyb. V praxi se využívala energie vody hlavně při rozmělňování potravin (mletí zrna) a při čerpání vody, později přistoupilo i technické využití při těžbě a úpravě hornin a při zpracování kovů. V suchých oblastech a v rovinatých oblastech, kde voda postrádá dostatek využitelné energie, se dal točivý pohyb vyvodit ve větrných mlýnech odebráním pohybové (kinetické) energie silnějšímu větru.
1.7. Průmyslová revoluce Počátek průmyslové revoluce můžeme datovat začátkem využívání parního stroje, který přinesl zcela nový prvek do využívání energie. (Praktická využitelnost – James Watt 1785.) Tím se získávala mechanická energie na účet tepelné energie paliva, přenášeného přes tlakovou energii páry. Parní stroj sloužil nejen pro pohon průmyslových zařízení, ale také pro pohon vlaků. (Parní lokomotiva – George Stephenson 1814.) Parní stroj potřeboval ke svému nastartování poměrně pomalý ohřev vody a přípravu tlakové páry. Daleko pohotovějším byl motor s vnitřním spalováním plynné nebo kapalné hořlaviny. (Motor na svítiplyn Étienne Lenoir 1859, pohon motoru kapalným palivem – Karl Benz 1879, Rudolf Diesel 1897.)
Dalším klíčovým krokem k využití energie byl objev energie elektrické. Zpočátku byla elektřina získávána z chemické energie při rozpouštění kovů v kyselinách. (Alessandro Volta – elektrický článek 1799.) Praktické využití elektřiny čekalo téměř sto let na nápad vyrábět soustavně elektřinu pomocí mechanické energie točivého stroje (dynamo: Thomas Alva Edison 1881.) a následně ji rozvádět i k vzdálenějším spotřebičům. Tam se dala elektřina přeměnit na mechanickou práci, na světelné záření (žárovka 1879), na teplo, nebo na chemickou energii (elektrolytický rozklad chemických látek).
Chemickou energii využíváme bezděčně mnoha způsoby; ať jde o biochemické procesy v živé přírodě, nebo třeba o získávání tepla spalováním paliv. Lidmi řízená chemická energie dovoluje získávat například kovy z hornin, vytvářet a přetvářet různé materiály a získávat různé užitečné čisté látky. Tradičními chemickými procesy bylo i soustřeďování chemické energie do ušlechtilých paliv nebo do výbušnin. V současné době je velice atraktivní i příprava materiálů pro elektrotechniku, umožňujících například přeměnu jiných zdrojů na elektřinu a její skladování.
Hlavním zdrojem energie pro průmysl se stala v 19. století paliva, používaná k ohřevu, k výrobě páry a následně k pohonu strojů. Tradiční dřevo již nemohlo stačit, takže v Evropě rostla těžba uhlí, Amerika začala používat i ropu. Druhá polovina dvacátého století zaznamenala další ohromný nárůst těžby paliv, zdokonalila také dopravu ropy potrubím (ropovody), a začala také s těžbou a potrubní přepravou zemního plynu. Současně se stávalo zřejmějším vyčerpávání snadno dostupných ložisek a nenacházela se v potřebné míře ložiska nová. 12
Všude, kde byly vodní toky s dostatečným spádem, využívala se síla vody. Zlepšení jejího využití umožnily vodní turbíny. Ve vhodných lokalitách, především při mořském pobřeží, se využívala i síla větru. S rostoucími cenami paliv se lidstvo v posledních desetiletích dvacátého století začalo k těmto obnovitelným zdrojům energie vracet, a hledá nové způsoby využití sluneční světelné a tepelné energie na technicky využitelnou energii elektrickou.
Novým zdrojem energie se stala energie jaderná, kterou se nejprve podařilo uvolnit pouze ve velkém množství v jaderných bombách (1945). Avšak s asi desetiletým zpožděním se našla cesta, jak uvolňování energie jaderného štěpení těžkých prvků uranového typu zbrzdit natolik, aby se dala využít k vytápění parních elektráren. Pro zajímavější jadernou fúzi (spojování vodíkových jader), která poskytuje také energii Slunci, a kterou se podařilo uskutečnit ve výbuchu vodíkové bomby (1952), se intenzivně hledá možnost reakci zpomalit natolik, aby se vyvíjená energie dala užitečně zpracovat.
13
SHRNUTÍ KAPITOLY
V textu této kapitoly se nám dostává vysvětlení základních pojmů v této oblasti, které naleznou využití zejména v dalším textu případně při čtení a studiu odborné literatury. Tyto pojmy jsou nastíněny v následujícím odstavci. Mají současně sloužit k ověření dosud nabytých vědomostí.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. pojem práce 2. pojem energie 3. sluneční energie 4. fotosyntéza 5. energie zvířat 6. energie člověka 7. druhy energie 8. jaderná energie
ŘEŠENÍ
Odpovědi na jednotlivé otázky nalezneme v předchozích odstavcích, zásadní je uvědomit si rozdíly mezi jednotlivými pojmy.
ÚKOLY K PROCVIČENÍ
Vyjmenujte a na mapě České republiky určete místa, kde jsou jaderné elektrárny. Obdobně určete místa výskytu černého a hnědého uhlí. Pojednejte o objemu těžby v těchto lokalitách. Vyznačte také vodní elektrárny, vybudované na území naší vlasti.
14
2. POTŘEBA ENERGIE CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování kapitoly Po prostudování kapitoly dokážete uvést příklady užití různých druhů energií k zabezpečení existence lidské společnosti. Dovedete též rozlišit užití jednotlivých druhů a jejich účinek na životní prostředí. To se stane základem pro samostatné rozhodování, který druh je z tohoto pohledu pro daný proces nejlepší (optimální). Uvědomíte si, že platí zákon o zachování energie, Znalosti jakým způsobem se vyjadřuje množství energie a co se rozumí pod pojmem výkon. Také se dozvíte, jak je spotřeba energie regulovatelná.
Výše uvedené vědomosti dokážete vzájemně propojit, abyste získali větší základnu argumentů pro svá rozhodnutí nebo jednodušeji – pro vyslovení Dovednosti názoru - úsudku. Dovedete také odhadnout, který proces bude energeticky náročnější a prostředky, jimiž je možno energetickou náročnost snižovat.
KLÍČOVÁ SLOVA Potřeba energie, primární energie, zušlechtění energie, vztah spotřeby energie a životního prostředí, termodynamika, potřeba energie, technické prostředky
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 1,5 hodiny.
15
Člověk bezprostředně potřebuje energii k několika jednoduchým cílům:
k zajištění stravy, k zajištění pitné vody, k ochraně před vnějšími vlivy (tepelná a světelná pohoda, bezpečnost v přírodě a ve společnosti).
Pomocí této energie jsou mu umožněny nezbytné funkce:
růst, pohyb, rozmnožování.
K zajištění základních potřeb si člověk buduje pomocné zázemí (infrastrukturu), kam patří:
bydlení a údržba krajiny, úprava potravin, zdraví, hygiena, kultura.
Navíc má člověk schopnost dosahovat pokroku. K tomu dále potřebuje
školství, přenos informací, vědu, výzkum, vývoj.
Z přírody si bere primární energii, tu různým způsobem zušlechťuje, a uvádí pomocí ní do pohybu další složité činnosti:
těžbu surovin, zemědělství, průmyslovou výrobu, dopravu, a organizaci společnosti.
Samozřejmě, zajištění chodu tohoto složitého mechanizmu spotřebovává další lidskou práci i schopnost dosahovat pokroku. Shrnutí Existuje mnoho různých zdrojů energie. Jejich přeměna na práci většinou probíhá v několika stupních. Důležitým stupněm je získávání ušlechtilejší energie, od které očekáváme například:
skladovatelnost, dopravovatelnost, pohotovost k přeměně na práci, jednoduchost zařízení pro přeměnu na práci, omezení nežádoucích environmentálních účinků.
16
2.1. Energie jako fyzikální veličina 2.1.1. Jednotky energie Pro energii platí zákon o zachování energie. Známé množství vnitřní energie může být ukryto i ve hmotě a lze ji odtud uvolnit, avšak nelze ji získat více; neexistuje žádné zařízení, které by konalo práci bez soustavného dodávání energie („perpetuum mobile“, což latinsky značí „věčný pohyb“). Energii je možno měřit a množství energie různé povahy se dají sečítat. Dnes používaná jednotka energie 1 J se nazývá joule (čti džaul). Je nazvaná podle anglického badatele (James Joule 1818 1889), který objasnil, že energie mechanická, elektrická a tepelná se dají jedna na druhou přeměňovat. Dříve se používaly jiné jednotky pro mechanickou energii – 1 kilopondmetr byla energie stačící k vyzvednutí jednoho kilogramu do výšky jednoho metru, což je asi 9,81 J. Starou jednotkou tepla, používanou i pro energii chemickou, byla kilokalorie, což je množství tepla potřebné k ohřátí jednoho kilogramu vody o 1 K; tedy 1 kcal = 4180 J. Pro elektrickou energii se stále používá jednotka wattsekunda, která je identická s jednotkou joule; 1 Ws = 1 J, používanější je kilowatthodina: 1 kWh = 3 600 000 J. Cena 1 kWh elektrické energie pro maloodběratele (2014) je okolo 5 Kč, přičemž významnou část platíme nejen za samotnou výrobu, ale za její rozvod. Cena tepla, získaného spalováním zemního plynu je asi třetinová, spalováním uhlí nebo dřeva získáme tepelnou energii ještě levněji, nezapočítáme-li do ceny větší pracnost obsluhy topeniště.
2.1.2. Výkon Rychlosti přesunu nebo přeměny energie na jinou formu nebo na práci nazýváme výkon a měříme jej v jednotkách watt; je zřejmé, že 1 W = 1 J/s. Je to jednotka poměrně malá a potkáváme se běžně s jejími násobky, např. 1 kW = 1 000 W, 1 MW = 1 000 000 W. Starší jednotkou výkonu byla „koňská síla“ (HP – horse power), což je výkon vyvinutý při zvednutí 75 kg o jeden metr za jednu sekundu (1 HP = 736 W). Pro srovnání uveďme, že výkon domácích elektrických motorů (pračka, vysavač, sekačka trávy) je někde okolo 100-500 W, výkon topení sporáku nebo pračky je okolo 2 kW, výkon topení rodinného domku v zimě je okolo 20 kW, maximální výkon automobilu vyšší střední třídy je 100 kW, jeden blok velké elektrárny poskytuje až 1000 MW. 2.1.3. Termodynamika Joulův objev, že tepelná, mechanická a elektrická energie mají stejnou podstatu, neznamená, že je lze jednu na druhou neomezeně přeměňovat. V souvislosti s vývojem parního stroje vznikl nový vědecký obor termodynamika, který se tímto problémem zabýval. Ukázalo se, že existuje energie méně ušlechtilá – tepelná, a energie ušlechtilejší – např. mechanická. Teplo na mechanickou energii se dá převést jen částečně. Popisem takových procesů se zabývá věda, nazývaná termodynamika. K přeměnám tepla dochází jen tehdy, když přenášíme teplo z teplejšího tělesa na studenější, takže vždy nějaké množství tepla zůstane nevyužité. V tepelné elektrárně se tepelná energie paliva přenáší
17
do mechanické energie páry a tou se roztáčí turbína; turbína pak pohání generátor elektřiny. Na elektrickou energii se přemění jen část tepelné energie paliva; zhruba polovina energie se ztratí kouřovými plyny a odpadním teplem chladící vody. Studenější těleso neumí předat samo od sebe mechanickou energii nebo teplo tělesu teplejšímu. Tomu by se dalo říci „perpetuum mobile druhého druhu“. Aby se zdařilo odebrat studenějšímu tělesu teplo a předat je tělesu teplejšímu, musí se mu dodat ušlechtilá energie. Zařízení, které to umožňuje, se označuje jako tepelné čerpadlo. (Tepelné čerpadlo se používá v ledničkách, ale také v některých soustavách úsporného vytápění). Mechanická nebo elektrická energie se dá využít téměř úplně na užitečnou práci; vždycky ale dochází v určité míře k vzniku práce neužitečné, která se projeví nejspíše vývinem odpadního tepla. Chemická energie mívá složku tepelnou i složku ušlechtilejší; někde se dá s vysokou účinností přeměnit na elektřinu (akumulátory), někde poskytuje značné množství energie mechanické (exploze, včetně řízené exploze ve spalovacích motorech), někdy se prakticky úplně přeměňuje jen na teplo. Těmito problémy se zabývá chemická termodynamika.
2.2. Spotřeba energie Blahobyt obyvatelstva je do značné míry závislý na užitečně konané práci, a tedy na dostatku energie. Od množství potřebné energie se odvíjí i její skladba. Zajímavé jsou statistické údaje o využití energie. Na příkladu USA je vidět ohromný nárůst spotřeby ve 20. století a vliv úspornějšího hospodaření posledních desetiletí. Pro srovnání jsou uvedena statistická data pro ČR.
Graf 1: Energetická spotřeba v USA a ČR v letech 1850 - 2050
Zdroj: Statistická data pro ČR
18
Zajímavá je i skladba zdrojů energie: Graf 2: Historie skladby energie USA
Zdroj: Statistická data pro ČR
Uvedené grafy ukazují spotřebu zdrojů energie. Z toho je jenom část spotřebována užitečně, protože přeměna na ušlechtilé zdroje, především na elektřinu, je spojena se značnými ztrátami.
19
SHRNUTÍ KAPITOLY
V této kapitole se pojednává o energii jakožto fyzikální veličině, je vysvětlen zákon o zachování energie. Jako veličinu lze energii měřit, je uvedena jednotka spotřeby energie. Je pojednáno o výkonu, i zde je uvedena jeho měrná jednotka. Je vysvětlen pojem termodynamika a uvedeny i příklady. Hovoří se zde o spotřebě energie a změnách v zastoupení jednotlivých druhů v oblasti její spotřeby, účinnosti jejího využití a také o možnostech snižování energetické spotřeby.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. Jednotky měření energie? 2. Charakteristika pojmu výkon? 3. Energetická náročnost? 4. Účinnost využití energie? 5. Možnosti snižování spotřeby energie?
ŘEŠENÍ
Odpovědi na jednotlivé otázky jsou nastíněny v textu této kapitoly.
ÚKOLY K PROCVIČENÍ
1.
Charakterizujte výkon automobilu v platných a ve starších měrných jednotkách.
2.
Jaký je rozdíl ve štítkových údajích elektrického vařiče - výkon a spotřeba (případně jiného elektrospotřebiče).
3.
Vysvětlete význam označení elektrického spotřebiče ve formě A+, A++, A+++ a další způsoby.
20
3. OBNOVITELNÉ ZDROJE CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování kapitoly Po prostudování této kapitoly získáte přehled o druhotných – obnovitelných zdrojích energie a také o efektivních možnostech jejich využívání. Hlavní Znalosti pozornost je věnována záření Slunce a využití vodních zdrojů.
Na základě získaných znalostí jste schopni posoudit možnosti, které skýtá zeměpisná poloha České republiky. Podle zeměpisné mapy můžete také posoudit možnosti využití energie vodních toků a případně i geotermální energie. Podle mapy slunečního záření jste schopni najít v podmínkách naší Dovednosti země, ve kterých oblastech by se dalo počítat s využíváním záření Slunce. Také můžete dojít k závěru, které obnovitelné zdroje mají v podmínkách naší republiky naději na jejich efektivní využívání.
KLÍČOVÁ SLOVA Slunce, tepelné záření, fotosyntéza, fotoelektrický jev, využití energie slunečního záření, skleníkový efekt, vodní energie, geotermální energie
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Pro důkladné seznámení se s touto perspektivní oblastí energetiky je nezbytné studium v délce přibližně 2 hodiny.
21
3.1. Tepelné záření Slunce Na Slunci probíhají termojaderné reakce, díky nimž se teplota jeho povrchu pohybuje okolo 6000°C a vysílá se odtud záření. Sluneční záření má řadu složek; kromě viditelného světelného záření dopadají na Zemi odtud i různé neviditelné paprsky (např. ultrafialové, infračervené). Řada z těchto paprsků se utlumí průchodem atmosférou. Jedním z energeticky nejzajímavějších záření je záření tepelné, kterého směřuje ve vzdálenosti Země (150 milionů km) na plochu nasměrovanou ke Slunci 1,36 kW/m2. Nedopadne to však na zemský povrch ani v poledne u rovníku, protože část se zachytí a odrazí v horních vrstvách atmosféry. Když uvážíme polohu střední Evropy, kam paprsky dopadají i za poledne se značným sklonem, zvláště v zimě, vyjde, že na území ČR ročně dopadá celkem okolo 1 MWh/m2, což je v průměru jen asi 0,11 kW/m2. Obrázek 1: Roční suma energie Slunce, dopadající na vodorovnou plochu v ČR
Zdroj: www.ballbrno.cz
3.2. Fotosyntéza Rostliny jsou schopny zachytit světelnou energii a s pomocí zeleného barviva chlorofylu ji využít k tvorbě složitějších, energeticky bohatších stavebních a zásobních látek z vody a oxidu uhličitého. Ve střední Evropě rostliny jsou schopny zachytit ve formě energeticky využitelných látek ročně až 5 kWh/m2, což však je pouhých 0,5 % energie slunečního záření. To prakticky využívá zemědělství při získávání potravin pro lidi a krmiva pro užitková zvířata. Část zemědělské produkce jde mimo potravinářské využití pro energetické a chemické účely (výroba cukru, lihu, a olejů). Kromě toho se pěstují i průmyslové plodiny, např. textilní (len, bavlna, konopí). Na jednom hektaru půdy (zhruba rozměr fotbalového stadionu) ročně vypěstovat 4 t obilního zrna spolu s 4 t slámy. Jinak
22
nevyužitelné zbytky rostlin (odpadní biomasa) se historicky vracely na pole jako hnůj, dnes se uvažuje i o jejich energetickém využití. Cílem lesního hospodářství je zpravidla získávání dřeva jako konstrukčního materiálu a jako suroviny pro výrobu buničiny a papíru; v současné době je teprve druhotným ziskem biomasa jako palivo. Pěstováním rychle rostoucích dřevin, které dávají nekvalitní dřevo (např. vrba, topol) se dá získat ročně až 18 t suché biomasy dřeva z hektaru. Tato biomasa, je-li přeměněna na tepelnou energii, skýtá ročně maximálně 60 MWh/ha, což je 6 kWh/m2. Není to mnoho, ale přesto je biomasa důležitým vedlejším zdrojem energie, protože zemědělské a lesní hospodaření je běžnou tradiční záležitostí a je žádoucí je pro udržování krajiny provozovat, i kdyby energetický zisk byl nulový. Uvědomme si, že bez hospodářského zisku udržujeme i parky a přírodní rezervace. Rovněž je třeba si uvědomit, že část biomasy je vhodné nechat bez energetického výtěžku kompostovat; jinak by bylo nutné dodávat půdě živiny nákladnějšími průmyslovými hnojivy. Fotosyntézu provádějí také s vysokou účinností vodní řasy, a je z nich možno připravit i organické látky použitelné jako motorová paliva. Průmyslová realizace by vyžadovala zařídit velkoplošné rybníky s mírně teplou vodou, k čemuž by se našly dobré podmínky jen na málo místech zeměkoule. Atraktivním námětem výzkumu by bylo uskutečnit umělou fotosyntézu, při které by bez přičinění živé hmoty s využitím světelného záření v oblastech, kde nelze pěstovat zemědělství (pouště, stepi) vznikala katalytickou reakcí nějaká energeticky bohatá látka, například vodík. Zatím se nedaří nalézt vhodné katalyzátory, které by pracovaly podstatně účinněji než rostliny.
3.3. Fotoelektrický jev Světelné a podobné záření je schopné při dopadu na povrch pevných látek ovlivňovat pohyb elektronů, v některých případech je dokonce vyrážet, čímž zde vzniká elektrické napětí. To je fotoelektrický jev, za jehož vysvětlení získal v roce 1921 Albert Einstein Nobelovu cenu. Široké použití polovodičových materiálů, s jejichž pomocí lze získanou elektrickou energii odvést k nějakému spotřebiči, je datováno do posledních desetiletí. Dnes už není výsadou drahých zařízení kosmických objektů, a stalo se běžnou technickou praxí. Fotovoltaické panely, které známe z našich solárních elektráren, jsou schopny za slunného počasí vyrábět až 50 Wh/m2, avšak v celoročním průměru to dává jen okolo 5 Wh/m2, což je srovnatelné s energií biomasy pěstované na stejné ploše. V zemích s příznivějšími klimatickými podmínkami (blíže k rovníku a s menší oblačností), např. v Portugalsku je to dvojnásobek. Kdybychom chtěli pokrýt veškerou spotřebu elektřiny v ČR tímto způsobem, potřebovali bychom na každého obyvatele plochu 120 m2, což je asi desetina orné půdy, užívané k pěstování obilnin. Přitom by zůstávalo nevýhodou to, že tyto zdroje dodávají energii velmi nepravidelně podle toho, jak na ně dopadá světlo.
23
3.4. Přímé energetické využití sluneční tepelné energie Je vidět, že většina záření, které dopadá na zemský povrch, je nevyužitá. Avšak tepelný ohřev pomocí slunečního svitu je jen omezený. Známe, že se dá například několika centimetrová vrstva vody ohřát za slunného dne v tmavé trubce o několik desítek stupňů. Praktické využití je možné v létě pro přihřívání užitkové vody, např. pro bazény. Soustředíme-li však sluneční paprsky pomocí lupy nebo dutého zrcadla, můžeme v ohnisku dosáhnout teploty podstatně vyšší. To prakticky používali chemici k ohřevu malého množství látek již před stoletími. Elektrárny, založené na tomto principu, se zkoušejí v teplejších slunných krajinách, kde se např. osadí jižní svah nějakého kopce stovkami zrcadel, otáčejících se nepřetržitě ke Slunci tak, aby trvale soustřeďovaly paprsky na parní kotel. Obrázek 2: Elektrárna 110 MW se solárním ohřevem páry zabírá plochu 650 ha. (Kalifornie)
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/22/PS20andPS10.jpg
Další testovanou možností je využití rozsáhlého skleníku, pod nímž se ohřívá vzduch, který pak stoupá vysokým komínem, čímž vzniká takový umělý vítr, kterým se dají roztáčet vrtule větrníku. Ani tato možnost se nedá uplatnit v širokém měřítku. Obrázek 3: Elektrárna 110 MW s umělým větrem. Plocha skleníků 46 ha, komín 200 m vysoký. (Španělsko)
Zdroj: http://www.institutodeengenharia.org.br/site/userfiles/solar_3.jpg
24
3.5. Skleníkový efekt a globální oteplení Na první pohled by se zdálo, že se musí povrch planety slunečním zářením neustále ohřívat. Avšak současně také povrch vyzařuje trvale paprsky zpět do vesmíru a to za dne i za noci, v létě i v zimě. Proto se průměrná roční teplota v daném místě příliš nemění, ale cyklicky kolísá jednak rychleji při střídání dne a noci, jednak v našem mírném pásmu pomaleji mezi létem a zimou, kdy se mění délka dní a úhel, pod kterým Slunce září. Navíc, aktivita vyzařování Slunce se v nepředvídatelných cyklech také poněkud mění, což je patrné na vzniku slunečních skvrn a erupcí. Důležité je, že některé složky ovzduší propouštějí ochotněji intenzivnější teplo od Slunce, než méně energické tepelné vyzařování zemského povrchu. Tomu říkáme skleníkový efekt. Samozřejmě se na skleníkovém efektu významně podílejí částice, rozptýlené v ovzduší; nejběžněji pak jemné kapičky vody (mraky, mlhy), díky nimž pak se ve dne Země pomaleji ohřívá, avšak podobně se rovněž pomaleji v noci ochlazuje. Nejběžnějšími plyny atmosféry, kyslíkem, dusíkem a argonem, tepelné záření volně prochází, avšak jiné plyny s většími molekulami (skleníkové plyny) záření brzdí. Mezi těmito skleníkovými plyny jsou nejběžnějšími oxid uhličitý a vodní pára. Důležitý je i atmosférický ozón, který omezuje průchod ultrafialového záření, které je ve větších dávkách zdravotním rizikem. Nedá se obecně říci, jaké množství skleníkových plynů je možno pokládat za optimální. Lze dokázat, že jejich koncentrace i v průběhu posledních statisíců let samovolně kolísala, např. v souvislosti s dobami ledovými, nebo při významnější sopečné činnosti. V posledních letech je tato problematika intenzivně sledována, protože spalováním fosilních paliv se do ovzduší uvolňuje ve větším množství nový oxid uhličitý a jinou lidskou chemickou činností se dostává do ovzduší řada dalších látek (např. zemní plyn nebo oxidy dusíku), majících rovněž schopnost zachycovat tepelné i jiné záření. Nedá se sice dosud zcela jasně odpovědět na otázku, zda lidská činnost nějak významně narušuje globální přírodní děje, avšak předběžně se snažíme zdroje takových možných negativních vlivů omezovat.
3.6. Větrné elektrárny Kolísáním ohřevu slunečním zářením a vyzařování tepla do vesmíru, dochází v různých vzdálenostech od rovníku k nerovnoměrnému ohřevu a chlazení pevnin, vodních ploch a samozřejmě i přilehlých vrstev ovzduší. To je odpovědné za dlouhodobé podmínky v jednotlivých místech Země – podnebí, ale také za krátkodobé změny teploty a vlhkosti – počasí. Protože studený suchý vzduch má větší hustotu, snaží se rozmístit u povrchu, zatímco teplý vlhký vzduch je vytlačován („stoupá“) vzhůru. Tím dochází k přemísťování vzdušných mas, což v daném místě pociťujeme jako vítr.
25
Obrázek 4: Montáž rotoru větrné elektrárny u Drahan
Zdroj: idnes.cz
Kinetickou energii větru můžeme zčásti předat vrtulím větrníků. Získaný výkon závisí na rychlosti větru a na průměru rotoru. Je úměrný druhé mocnině průměru rotoru, což značí, že např. při zvětšení průměru 2× vzroste výkon 2×2=4×. Středověké větrné mlýny měly průměry křídel okolo 10 m, dnešní větrné elektrárny volí průměry vrtulí okolo 100 m. Taková větrná elektrárna je schopna při rychlosti větru 15 m/s produkovat okolo 2 MW elektrické energie. Výkon úměrný třetí mocnině rychlosti větru, což značí, že např. při zvětšení rychlosti 2× vzroste výkon 2×2×2=8×. Bohužel v našich podmínkách je vítr většinu doby slabší (Např. jedny z nejlepších podmínek mají vrcholky Krušných Hor, kde je to v průměru 10 m/s. Obecně nejběžnější je mírný vítr o rychlosti okolo 5 m/s, takže výkon představuje jen asi 20-30% jmenovitého výkonu při 15 m/s, na který je elektrárna navržena.). Pokud má vítr rychlost pod 3 m/s, vrtule se vůbec neroztočí. Když zase přesáhne vichřice rychlost 25 m/s, musí se z bezpečnostních důvodů listy rotoru sklopit a rotor zabrzdit. Větrné elektrárny v ČR (2013) měly jmenovitý výkon 265 MW a roční produkci 478 GWh. Výstavba větrných elektráren u nás se však již nedá ve velkém rozvíjet; ve vyšších polohách hor s lepšími větrnými podmínkami jsou většinou chráněná přírodní území, v blízkosti sídlišť pak vadí zvláštní typ hlučnosti, vyvozovaný vrtulemi. Přímořské státy mohou snadno instalovat větrné farmy na mořských mělčinách (Německo) nebo na málo obývaných pobřežních kopcích (Portugalsko), kde vane silnější vítr dosti pravidelně. Obrázek 5: Větrná elektrárna na mořských mělčinách
26
3.7. Vodní energie Když se teplejší vlhký vzduch setká se vzduchem studeným, což se v oblasti mírného podnebného Obrázek 7: Kolo na spodní vodu (Praha, Čertovka) pásma stává často, přemění se vodní pára na kapky deště nebo vločky sněhu. Tím, že zde ubývá plynné vodní páry, zmenšuje se sloupec ovzduší a vznikne tlaková níže. Ta vtahuje další vzduch, dokud se nevyplní a tlaková níže se pak objeví na jiném místě. Voda, která jako déšť Obrázek 6: Korečkové kolo nebo sníh dopadne na na horní vodu pevninu, se částečně vsákne na nějakou dobu Zdroj: ilustrační www do půdy, částečně se opět odpařuje, ale významná část tvoří potoky a řeky, kterými stéká do nižších poloh. Energie vody se po dlouhá staletí využívala k pohonu točivých strojů, zejména mlýnů. Tam, kde teklo hodně vody i s nepříliš velkým spádem, používala se kola na spodní vodu s přenosem síly na ponořené lopatky oběžného kola. Pokud bylo k dispozici málo vody, zachycovala se do rybníků, a v případě potřeby se nechala natékat svrchu do žlabů (koreček) kola na horní vodu, které svou vahou voda roztáčela. Zdroj: ilustrační www
Moderní využití energie vody v hydroelektrárnách používá účinnější oběžná kola turbín, jaká nemohli stavět ze dřeva středověcí tesaři. Kola turbín jsou vybavována důmyslnější sestavou promyšleně tvarovaných lopatek a jsou umístěna do uzavřených skříní, kterými proudí voda. Opět se volí různé typy turbín podle toho, zda máme k dispozici větší tlak s nižším průtokem nebo větší průtok při nižším tlaku. Z tohoto hlediska má zajímavou konstrukci Kaplanova turbína, která je tvořena vrtulí s listy, naklápěnými podle potřeby. Obrázek 9: Turbína a Viktor Kaplan 1873-1934
Obrázek 8: Horní nádrž přečerpávací elektrárny Dlouhé stráně na vrchu Mravenečník.
Pozn.: Zásoba vody 3,4 miliony m3 vody stačí na 7 hodin provozu, výkon turbín: 2×325 MW
Zdroj: ilustrační www
Zdroj: ilustrační www
27
Voda, zachycovaná v rybnících a přehradních nádržích, má význam jednak pro vyrovnávání nepravidelností v toku řek (sucha, povodně), jednak tvoří zásobu vody pro obyvatelstvo a průmysl. Z hlediska energetiky je to však i zásobník pohotově využitelné energie. Spuštění nebo odstávka hydroelektrárny se mohou odehrát během několika málo minut. Dokonce se toho dá využít pro uložení přebytečné elektrické energie při nízkém odběru z některých pomalejších zdrojů (tepelné, jaderné, solární, větrné elektrárny). K tomu se zřizují na vhodných místech přečerpávací elektrárny se dvěma nádržemi v různých výškách. Největší v ČR je v Jeseníkách. Zde se při přebytku energie čerpá voda Francisovými turbínami, zapojenými jako čerpadlo vzhůru, při nedostatku se obráceně tyto turbíny vodou roztáčejí a pohánějí generátor elektrického proudu.
3.8. Energie moře Vlivem periodického kolísání teplot, vypařování, zamrzání a rozmrzání se mění také teplota vody a obsahu soli v ní. To znamená, že se mění v oceánech hustota a dochází i k přemísťování vodních mas – ke vzniku mořských proudů. Přímořské oblasti by toho pravděpodobně mohly někde energeticky využít. (Například Golfský proud
Obrázek 10: Oběžné kolo Francisovy turbíny
Zdroj: ilustrační www
Obrázek 11: Projekt do moře zavěšené turbíny „Gulf Stream“
při pobřeží Floridy má nepřetržitě po celý rok rychlost 2,5
Mořským proudem se dá roztáčet turbína montovaná na stožáru pod hladinou nebo zavěšená mezi kotvou a plovákem. Při masivním nasazení energetických zařízení v moři by mohlo, kromě problémů s mořskou faunou, dojít i k narušení globálního klimatu. m/s.)
Obrázek 12: Hráz přílivové elektrárny 240 MW u ústí řeky Rance (Francie)
Zdroj: ilustrační www
Zdroj: ilustrační www
Za další pohyby mořských mas odpovídá rotace Země spolu s přitažlivostí Měsíce. Vzniká tím cyklus přílivu a odlivu opakující se periodicky vždy po 12 hodinách. Ten v klidnějších vodách způsobuje kolísání hladiny do 1 m, v některých zátokách na západě Francie však voda vystupuje až o 13 m a u Kanady až o 20 m. Příliv vody je možno zachytit vhodnými hrázemi, přičemž se dají pohánět turbíny jak při nátoku vody za přílivu, tak i při jejím vypouštění za odlivu. Zajímavým, ale poměrně malým zařízením, se dá získat něco energie i z plováku, houpajícího se ve vlnách.
28
3.9. Geotermální energie Země má také velké množství energie uložené ve svém jádře, kde je roztavená slitina železa a niklu o teplotě podobné teplotě povrchu Slunce, tedy okolo 6000°C. Ve Střední Evropě je teplota v hloubce pod 10 m prakticky nezávisle na ročním období okolo 12°C; to bereme jako příjemnou teplotu studniční vody. S větší hloubkou roste teplota o 3 stupně na každých 100 m. Ve hloubce 1 km, kde se např. ještě těží uhlí, tedy můžeme očekávat teplotu 40°C. V hlubších dolech je teplota pro člověka již velmi nepříjemná. (U nás např. ve starých rudných, uranových dolech na Příbramsku, nebo třeba v ještě hlubších diamantových dolech v Jižní Africe.) Avšak energeticky se toto teplo nedá příliš využít. Podstatně vyšší teplotu však můžeme najít tam, kde v dávné geologické minulosti probíhala sopečná činnost, tedy např. v Českém středohoří. Horké prameny najdeme od Karlových Varů až po Ústí nad Labem. Obrázek 13: Karlovarské vřídlo
Zdroj: wikimedia.org
Zajímavější je to v okolí činných sopek; například na úbočí sopky Krafla na Islandu, kde mají vrt hluboký 2100 m, v němž teplota dosahuje 900-1000°C, Tam se čerpá voda a vznikající pára pohání turbíny elektrárny o výkonu 60MW.
29
Obrázek 14: Geotermální elektrárna Krafla na Islandu
Zdroj: wikimedia.org
I podstatně mělčí vrty do hloubky 100-200 m se u nás využívají pro zisk vlažné vody, kterou je dále možné přihřívat tepelným čerpadlem a získat tak otopnou vodu pro vyhřívání budov. Vedením tepla v hornině se tato teplota podzemí udržuje a je to energie prakticky nevyčerpatelná. Avšak cena vrtu se pohybuje okolo 1000 Kč za metr, takže počáteční náklady jsou značné.
30
SHRNUTÍ KAPITOLY
Text kapitoly pojednává o obnovitelných zdrojích energie, takových, které nám poskytuje prostředí, v němž se pohybujeme. Za zásadní lze považovat termální záření Slunce, které je využitelné ve více formách. Významné jsou i vodní zdroje, případně některé další pro Českou republiku omezeně použitelné vzhledem k její zeměpisné poloze.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. Co znamená slovo obnovitelné zdroje 2. Které hlavní druhy obnovitelných druhů energie znáte 3. Které činitele omezují využití obnovitelných zdrojů energie
ŘEŠENÍ
Musíme dát do vzájemného vztahu zeměpisnou polohu naší země a přírodní jevy, které v podstatě představují ony obnovitelné zdroje energie. Z toho též vyplyne omezenost jejich využívání.
ÚKOLY K PROCVIČENÍ
1. 2. 3.
Podle mapy slunečního záření a délky slunečního svitu podle ročního období vyberte oblasti, kde je efektivní využití energie Slunce v podmínkách naší vlasti. Podle mapy ČR označte vodní zdroje, které slouží jako obnovitelné energetické zdroje a vedle nich ukažte vodní zdrže, které slouží jako zásobárny pitné vody. Pokuste se vyslovit svůj názor na zřízení a provozování fotovoltaických energetických jednotek.
31
4. PALIVA CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování kapitoly Po pročtení a osvojení textu této kapitoly se dozvíte o jednotlivých druzích paliv, o jejich vzniku, vlastnostech a využití. Pochopíte pojem fosilní paliva, jaderná energie, jak s jednotlivými druhy nakládat, jaké jsou jejich přednosti Znalosti a nedostatky, jak působí na životní prostředí.
Tím, že se porozumí jednotlivým pojmům z oblasti paliv, je možno také porozumět sestavě jednotlivých druhů paliv a jejich podílu na celkové energetické zajištěnosti naší země. Ze získaných vědomostí můžeme také Dovednosti odvodit potřebu hospodaření jednotlivými druhy, v případě ropy, zemního plynu a v posledních letech i tzv. energetického uhlí je závislá na dovozu.
KLÍČOVÁ SLOVA Recentní paliva, uhlí, ropa, zemní plyn, jaderná energie, jaderná paliva, jaderná fúze, skladování plynů, vlastnosti paliv, ochrana životního prostředí
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Vzhledem k potřebě do podrobností pojmout základní technická fakta se předpokládá potřeba asi 3 hodiny.
32
Paliva jsou založena na uhlíkatých materiálech, které se vyskytují v přírodě. Paliva se mohou přímo spalovat, avšak často je výhodné je před tím přepracovávat na paliva ušlechtilá. Uhlíkatá paliva, vznikající v současné době fotosyntézou a případně dalšími přeměnami biomasy, označujeme za paliva recentní (nedávná) a řadíme je k obnovitelným zdrojům energie. V dávné geologické minulosti došlo několikrát k nahromadění velkého množství biomasy a k jejímu převrstvení zeminou. Pravděpodobnou příčinou takovýchto procesů byl dopad většího meteoritu, který vyvolal mimořádné tsunami. Následnými pomalými procesy se z této biomasy za nepřítomnosti kyslíku pozvolna reakcemi s horninou, případně působením mikroorganizmů, odstraňoval kyslík a vodík a pod zemí zůstával buďto pevný materiál s přebytkem uhlíku – uhlí, nebo tekutá směs uhlovodíků kapalných – ropa, a plynných – zemní plyn. Jednu takovou katastrofu můžeme datovat zhruba před 260 milionů let do doby pojmenované karbonská, kdy vznikly hlavní zásoby černého uhlí, další černé uhlí má původ před 200 miliony let; touto katastrofou, při které zanikla většina ze zkamenělin známých rostlin a živočichů, jsou oddělena geologická období prvohor a druhohor. Poslední ohromná katastrofa před 70 miliony let vytvořila zásoby hnědého uhlí, kromě toho, že opět vyhubila mnoho rostlinných a živočišných druhů, včetně dinosaurů. Geologové od této události datují období třetihorní. Takto vzniklé uhlíkaté materiály označujeme za fosilní paliva, která z hlediska historie člověka můžeme označovat za prakticky neobnovitelná.
4.1. Obnovitelná paliva 4.1.1. Vznik recentních paliv Klíčovou reakcí uhlíkové chemie, bez které by nebyl možný současný život na Zemi je fotosyntéza, což je komplikovaná soustava reakcí, vycházející z vody H2O a oxidu uhličitého CO2, zprostředkovaná (katalyzovaná) mimo jiné zeleným barvivem chlorofyl. Sumárním výsledkem fotosyntézy jsou glycidy například sacharóza: H2 C
12 CO2 +11 H2O → C12H22O11 + 12 O2
OH
HC HO
Obecně jsou mezi glycidy (sacharidy) významnou třídou hexózy obecného vzorce HO-[ - C6H10O5-]n-H
O
CH
HC
HC
CH
HO
O
OH
H
n
Obecný strukturní vzorec polysacharidu na bázi hexóz
Jednoduché hexózy jako glukóza nebo fruktóza jsou monosacharidy (n=1), sacharóza (řepný cukr s n=2) je disacharid; větší počet jednotek mají škroby a vláknitý polymerní materiál s velmi vysokým n je celulóza (buničina), nejvýznamnější stavební složka rostlin. V řetězcích se zde také uplatňují pentózové elementy (hemicelulóza). Dřevo ale i stébla travin sestávají z lignocelulózy, což jsou celulózová vlákna, opletená sítí ligninu (dřevoviny), která zpevňuje konstrukci materiálu a současně brání chemickému napadení a rozkladu celulózy – tedy také snižuje stravitelnost polysacharidové struktury pro živočichy i mikroorganizmy.
Strukturní vzorec stavebních prvků celulózy (Nověji používaný typ vzorců s vynecháním značení uhlíku a na něm vázaného vodíku)
Můžeme si všimnout, že fotosyntéza vytváří vedle organické hmoty i vysoce reaktivní kyslík, čímž vznikl zajímavý vzdušný obal zeměkoule, bez kterého by život složitějších organizmů nebyl možný. Obráceným rozkladem sacharidů (dýcháním) si opatřují buňky aerobních organizmů (používajících vzdušný kyslík) energii pro další syntézy. Často zpětná oxidace není 33
úplná, zejména za nedostatku kyslíku. Např. vzniku kyseliny mléčné při prudké svalové námaze se přičítá následná bolestivost a křeče. Aerobní mikroorganizmy přeměňují živné látky na CO2 ale i na jiné, jen částečně oxidované organické produkty. Průmyslově se pečlivě pěstují specializované mikroorganizmy, které fermentací v kyslíkem syceném roztoku poskytují například kyselinu octovou, citrónovou, ale také komplikovanější sloučeniny jako jsou antibiotika. Biotechnologicky se vyrábějí desítky dalších komodit (prodejných produktů). Samozřejmě, že přitom vzniká nová živá buněčná hmota a nové zásobní látky. Obrázek 15: Výroba penicilinu
Zdroj: ilustrační
Nejrozsáhlejší průmyslově provozovaný aerobní proces je aktivace v čistírnách odpadních vod, kde je obráceně zájmem aby všechny organické látky, přítomné původně ve vodě, skončily buďto jako oxid uhličitý nebo jako hygienicky neškodná živá hmota aktivovaného kalu, která se posléze nechává vyhnít. Anaerobní mikroorganizmy si všechen kyslík berou ze zásobních látek a získávají energii například reakcí C12H22O11 + H2O → 6 CO2 + 6 CH4 kterou vzniká směs označovaná jako bioplyn. Tato reakce doprovází rozklad organických látek (hnití) za nepřístupu vzduchu v močálech nebo ve střevech živočichů. Jiné anaerobní organizmy (kvasinky) při získávání energie produkují rovněž méně zoxidované produkty, typicky ethanol lihového kvašení: C12H22O11 + H2O → 4 CO2 + 4 C2H5OH Tato biochemická reakce se provozuje také ve velkém měřítku průmyslově. V přítomnosti kyslíku, (což může být záměrné nebo nežádoucí) může kvašení přejít na aerobní proces a výsledkem je pak tvorba aldehydů a octa. Všudypřítomné nespecializované mikroorganizmy provádějí jednoduché reakce např. mléčné kvašení: kysané zelí, okurky, siláž).
34
Vyšší organizmy, rostliny a živočichové, produkují kromě glycidů ve větším množství další typy zásobních látek jako lipidy (oleje, tuky, vosky), proteiny (bílkoviny). Dále se z nich separují složitější přírodní látky, např. léčiva, tonizující látky, drogy, barviva, vonné silice; mnohé z toho však už je Obrázek 16: Aktivace mikroorganizmů provzdušňováním odpadní vody výhodnější syntetizovat. (Např. kyselinu acetylsalicylovou – acylpyrin už nevyrábíme loužením vrbové kůry.) Přírodní látky je možno také další chemickou úpravou modifikovat a tím zvýšit a pozměnit jejich účinky.
Zdroj: ilustrační www
Poněkud zvláštní kategorii uhlíkatých materiálů najdeme v komunálním odpadu, produkovaném člověkem. V současné době je jej u nás 480 kg na osobu a rok. Výhřevnost městského odpadu je asi poloviční ve srovnání s uhlím. Je to materiál, se kterým se obtížně manipuluje a jeho spalování v nevhodných malých topeništích produkuje nebezpečné složky kouřových plynů a popele.
Obrázek 17: Spalovna odpadů Brno
Zdroj: http://consistera.rsweb.cz/rs/1246/image/site/spalovna.jpg
Spalování odpadu ve speciálních zařízeních je však nezávadné a prospěšné. Dnes se již přes 10% komunálního odpadu využívá energeticky pro získávání tepla, případně i elektřiny, byť v celkové energetické bilanci toto množství nečiní ani 1 %.
4.1.2. Použití recentních paliv Dřevo U dřeva jako paliva není jediným technologickým problémem těžba a mechanické dělení na kusy, vhodné pro dávkování do topeniště. Dřevo je vhodné také po jistou dobu skladovat. Stárnutím dřevo 35
„vydýchává“ kromě vlhkosti i pryskyřičné silice, což je například důvodem proč se dřevěné štěpky před zpracováním na základní složku papíru, celulózu (buničinu) dlouho skladují na haldách. Proschlé dřevo hoří pokojněji a neuvolňuje tolik dýmu dehtových látek. Naproti tomu louče – tenké třísky smolného dřeva se používaly jako jeden ze zdrojů světla. Pro větší zdroje světla – pochodně – se dokonce dřevo pryskyřicí ještě obalovalo. Kvasný líh Nejběžnějším lihem je chemicky ethanol, C2H5OH, který vzniká velmi jednoduše lihovým kvašením cukru. Může být získán i ze složitějších glycidů. Nepříliš příhodně je někdy označován jako „bioethanol“; chemicky je totiž identický s ethanolem, získaným např. petrochemicky. Běžnou výchozí surovinou pro výrobu potravinářského ethanolu je kromě ovocných šťáv a cukru také obilní, kukuřičný nebo bramborový škrob. Aby byl škrob snáze přístupný kvašení, podrobuje se enzymatickému rozkladu na disacharidy nebo monosacharidy, čímž vzniká slad. Principiálně je možno přeměnit na stravitelné nižší cukry i lignocelulózový materiál (dřevo, stébla rostlin), což umějí například přežvýkavci postupným zpracováním ve čtyřech žaludcích. Průmyslově se dá lignocelulózový materiál (například piliny, sláma, a různý odpad zemědělského, potravinářského nebo textilního zpracování rostlinného materiálu) rozložit poměrně rychle hydrolýzou kyselinami nebo zásadami, trochu pomaleji vysokotlakou parou, nebo velmi pomalu biotechnologicky s použitím enzymového štěpení. Připomeňme si, že pomalejší procesy potřebují pro danou produkci podstatně větší objemy aparátů. Lihové kvašení samo o sobě trvá několik týdnů a končí, když koncentrace ethanolu dosáhne asi 12 % a alkohol začne být i pro kvasinky jedem. Pro použití jako paliva se musí destilací ethanol oddělit od vody a zbytku substrátu. Aby se odlišil od potravinářského ethanolu, což je (s výhradou islámských zemí) povolená a vysoce zdaněná droga, tak se pro denaturaci k lihu na pálení přimíchává např. odporně páchnoucí a obtížně oddělitelný pyridin, k lihu jako rozpouštědla pro laboratorní chemické práce a jako desinfekčního činidla pro zdravotnické použití se přimíchávají nepoživatelné alifatické uhlovodíky. V době, kdy byl ethanol hlavní surovinou pro výrobu butadienu (a z něj následně kaučuku), nestačila na to zemědělská produkce a ethanol se syntetizoval z ethylenu. Olejniny Řada rostlin ukládá energii ve svých semenech do lipidů. Jsou to estery glycerinu a vyšších mastných kyselin, obecně označované jako rostlinné tuky či oleje. Příkladem je nasycený palmitový a nenasycený erukový olej. Světová produkce olejnin je asi 350 mil. t ročně. Skoro 60 % z tohoto objemu tvoří sójové boby, naše nejběžnější řepkové semeno 11 % a slunečnicové semeno 7 %. Lisováním olejnin se uvolňuje „panenský olej“. Zbytek oleje se získá loužením např. do hexanu; suchý zbytek se nazývá šrot. Přímým hořením oleje za pomocí knotu vznikal svítivý plamen olejových lampiček. Luxusním svítidlem byly voskové svíce, odlévané původně ze včelího vosku. Dnešní svíčky se dělají z vyšších parafínů, např. ze stearínu. Živočišné tuky (sádlo, lůj) se ke svícení u nás ani v historii příliš nevyužívaly, je to však základ energie pro otop a svícení v krajinách bez vegetace (Eskymáci užívají např. tulení nebo velrybí tuk).
36
Bioplyn Bioplyn je, vzhledem k vysokému obsahu CO2 (přibližně stejný objem jako CH4), nízkovýhřevné palivo, které se dá obvykle použít jen k méně náročným ohřevům (ohřev užitkové a topné vody) v blízkosti vzniku bioplynu. Obsahuje i malé množství vodíku (do 1%) a asi stejné množství nepříjemně zapáchajících rozkladných produktů složité organické hmoty, tedy amoniaku NH3 a sulfanu H2S. Odstraněním CO2 např. vymražením se dá výhřevnost podstatně zlepšit. Odstranění amoniaku a sulfanu před spalováním bioplynu je důležité hlavně pro snížení koroze. Výroba bioplynu je závislá na pomalém metabolizmu anaerobních organizmů, takže vyžaduje uzavřené nádrže o velkém objemu. CH4, unikající v bioplynu z nekontrolovaných zdrojů jako např. z močálů, kompostů, ale i jako střevní plyny z velkochovů dobytka, je významnou položkou v globální bilanci skleníkových plynů a jeho zachycení a užitečné spálení na mnohem méně rizikový CO2 působí příznivě. Záměrná výroba bioplynu je závislá na pomalém metabolizmu anaerobních organizmů, takže vyžaduje uzavřené vyhřívané nádrže o velkém objemu. Největší výrobní kapacity zpracovávají na bioplyn dobře definované zemědělské materiály. Lze zpracovávat i nejrůznější organické odpady (biologický komunální odpad, kaly z čistíren odpadní vody, odpady z živočišné výroby a potravinářských závodů, kafilerní odpad), avšak jsou s tím zpravidla spojena přísná legislativní omezení, týkající se hygieny, zápachu, a využití digestátu (vyhnilého zbytku) jako paliva nebo kompostu - pokud není nařízeno jeho skládkování jako nebezpečného odpadu. Rovněž vody z fermentace musí být čištěny před vypuštěním do vodotečí.
4.2. Fosilní paliva 4.2.1. Uhlí Uhlí se začíná zvolna těžit před rokem 1700, významně jeho využití urychlil vynález černouhelného koksu (1708 Abraham Darby) jako nové suroviny pro výrobu železa. Technická revoluce je startována využitím paliv a zvláště uhlí k získávání mechanické energie vynálezem parního stroje (1765 James Watt). Avšak dřevo do celkové bilance paliv ještě okolo roku 1900 přinášelo asi 50 % a jeho doprava se prováděla hlavně splavováním po řekách (vorařství). Od té doby celková spotřeba energie na jednoho obyvatele vzrostla v průmyslových oblastech světa 20-50krát, přínos energie nefosilních paliv spíše klesal. Současná snaha je opět podpořit získávání energie z biomasy. V roce 2006 byla spotřeba fosilních paliv v ČR přes 3 t za rok na obyvatele.
37
Obrázek 18: Zásoba paliv v ČR
Zdroj: http://www.energyweb.cz/web/EE/images/02/24_naleziste.jpg
4.2.1.1 Výskyt a těžba uhlí Uhlí se nachází ve vrstvách (slojích) v tzv. uhelných pánvích, které se utvářely z biomasy pod vrstvami naplavenin. V ČR je významné naleziště černého uhlí v Hornoslezské pánvi (Ostrava, Karviná), pokračující dále do Polska. Hnědé uhlí se vyskytuje ve značném množství v Severočeské uhelné pánvi (Chebská, Sokolovská, Mostecká) v Podkrušnohoří. V menších ložiskách (pánve Žacléřsko-Svatoňovická, Kladensko-Rakovnická, Rosicko-Oslavanská) se již těžba dlouho nevyplácí a byla zastavena. Místního významu je těžba mladšího hnědého uhlí (lignitu) v okolí Hodonína. Těžba uhlí se provozuje v zásadě dvěma způsoby; těžba hlubinná a těžba povrchová. Při hlubinné těžbě je vyvrtána šachta, nad kterou je postavena těžní Obrázek 19: Typická ocelová těžní věž s mechanizací, umožňují spouštět do šachty („fárat“) klece pro věž dopravu mechanizmů a horníků a pro vyzvedávání vytěženého uhlí, případně vylámané neuhelné horniny (hlušiny). Ze šachty jsou ve vhodně umístěných patrech vedeny chodby s kolejnicemi pro důlní dráhu směrem k uhelným slojím, kde probíhá samotné dobývání. Černé uhlí se těží až do hloubky 1000 m; ve větších hloubkách se zpravidla již ani nevyskytuje. Čím jsou uhelné sloje nižší, tím více vyžadují nebezpečnější ruční práce. V mezním případě musí horník pracovat vleže. Teprve při několikametrových vrstvách se dá využít těžší mechanizace. Důlní dílo musí být vybaveno soustavou pro odčerpávání spodních vod a pro větrání, dodávající horníkům Zdroj: ilustrační www dýchatelnější chladnější vzduch; přísun kyslíku však na druhé straně hrozí větším nebezpečím vzniku požárů nebo výbuchu důlních plynů, obsahujících mnohdy výbušný karbonský plyn – methan, případně i jako produkt hoření jedovatý oxid uhelnatý. Vytěžená hlušina byla většinou vrstvena do vysokých kuželů (haldy). Protože obsahuje občas i tenké vrstvičky uhlí (proplástky), dochází občas na haldách k doutnání. 38
Povrchová těžba se hodí pro vysoké vrstvy uhlí kryté jen menší vrstvou naplaveniny. V Jižní Africe Obrázek 20: Doutnající 315 m vysoká halda Ema v Ostravě a v Austrálii se tak vyskytuje i kvalitní černé uhlí a jeho těžba je tak levná, že cena tohoto uhlí včetně nákladů na dopravu, konkuruje i ve vzdálených zemích světa. V ČR se povrchově těží hnědé uhlí. Postup těžby spočívá ze skrývky zemin – odtěžení horní vrstvy naplavenin. Další práce je pak podobná práci v lomech, přičemž uhlí je méně soudržné, takže se nemusí vrtat a odstřelovat jako tvrdý stavební kámen nebo kovová ruda, ale dá se přímo odhrabávat rypadly. Vzhledem k rozměrům nalezišť Zdroj: ilustrační www se používá kolesové rypadlo typu velkostroj, které se zvolna posunuje po kolejnicích, a vytěžené uhlí dopravuje soustavou běhutých pásů přímo do vagónů. Hloubka povrchových dolů dosahuje i stovek metrů. Po odtěžení je nutná rekultivace, např. opětným částečným zahrnutím zeminou ze skrývky. Problematickými jsou vysoce kyselé důlní vody, které vznikají okysličením obnažených sirných minerálů (markazit, pyrit), doprovázejících ve významném podílu (až 5%) uhlí. Při značném zředění však se ve vytěžených povrchových dolech dají zřídit i vhodné rekreační vodní plochy.
Obrázek 21: Kolesové rypadlo „velkostroj“
Pozoruhodné je např. Kamencové jezero u Chomutova, v němž rozpuštěné sírany brání vzniku řas.
Zdroj: ilustrační www
4.2.1.2 Použití uhlí Uhlí bylo nalezeno V Ostravě v roce 1773 a bylo používáno zprvu jen místními kováři jako náhražka uhlí dřevěného. Soustavná těžba v poměrně mělkém dole Anselm začala v roce 1773 a postupně se těžilo z hlubších slojí. Těžily se i poměrně tenké sloje (pod 1 m) přímo pod Ostravou. Tato těžba byla zastavená, protože se již nevyplácí a v Hornoslezské pánvi v chodu zůstávají jen doly s vyššími vrstvami, avšak i jejich rentabilita je při současných světových cenách paliv sporná. Uhlí bylo do vybudování sítě ropovodů a plynovodů hlavním palivem v Evropě. Jako palivo bylo uhlí zušlechťováno, především na bezdýmný vysoce výhřevný koks a na plynný svítiplyn. Dokonce se z něj získávaly uhlovodíky, hlavně jako základ syntetického benzínu. Obecně v Evropě bylo dlouho hlavní výchozí surovinou průmyslu organické chemie.
39
4.2.2. Ropa Ropa (ve starší české literatuře „nafta“, anglicky „petroleum“, americky „crude oil“) nebyla dlouho středem pozornosti, protože se významně nevyskytovala na území průmyslových evropských států. Obrázek 22: Světové zásoby ropy 2006
Pozn.: 1 billion barrels = 159 miliard litrů Zdroj: http://terrafirma.umwblogs.org/files/2013/02/World_Oil_Production12.jpg
Zpracovávala se obvykle v místě výskytu destilací a na delší vzdálenosti se dovážel hlavně petrolej pro svícení a vaření, zatímco benzín byl odpadem až do období rozvoje automobilizmu (benzinový motor: Nicolaus Otto 1876, sériová výroba „Ford T“ 1911). Stavbou obřích tankerů a ropovodů se stala technicky dostupnou pro celý průmyslový svět, pokud tomu nebránily jiné příčiny (Například po několik desetiletí platila celosvětová dohoda o zákazu dodávat ropu jihoafrickému rasistickému režimu.). Spotřeba ropy roste tak, že jednoduše dostupná ložiska se rychle vyčerpávají. Pesimistické odhady mluví o tom, že to co je v současnosti počítáno za těžitelnou ropu, bude spotřebováno asi během dalších 20 let. Těžební postupy se však soustavně zdokonalují. Cena ropy v US $ (přepočítaných podle inflace na kupní sílu dolaru roku 2006) byla mezi lety 1945 a 2000 okolo 20$ za barel (159 litrů) s určitými výkyvy souvisejícími s politickou situací; při první velké ropné krizi 1974-1985 vyskočila na 40$ a krátkodobě až na 60$ za barel. Od roku 2002 nastal nový prudký nárůst s maximem 150$ za barel v roce 2008 a po zpětném poklesu se cena ustálila v roce 2014 okolo 110, tedy asi 14 Kč za litr. Výskyt a těžba ropy Ropa je tekutina, pravděpodobně vzniklá (podobně jako uhlí) z biomasy překryté vrstvou zeminy. V dalším geologickém období však přišla působením okolí převážně o kyslík, takže hlavní složkou ropy jsou uhlovodíky. Ropa je v zemi uložena, spolu se stlačeným podzemním plynem v hloubkách do 1000 m pod vrstvami nepropustných hornin. Při navrtání ropného ložiska často ropa začne samovolně tryskat ven působením tlaku plynu. Do první poloviny 20. Století se získávala ropa především z takovýchto vrtů.
40
Obrázek 23: Pumpa pro těžbu ropy
Jakmile už tlak podzemního plynu nestačí, používají se ve vrtech hloubková čerpadla charakteristického vzhledu s vahadlem, na němž je zavěšeno na jedné straně táhlo pumpy, umístěné v hloubce, na druhé straně je těžké protizávaží a hnací jednotka. Další možností dotěžování ropy využívá vtlačování neutrálního plynu (s výhodou oxidu uhličitého) do ložiska a vytlačování ropy vrtem na povrch.
Obrázek 24: Plošina pro těžbu ropy pode dnem moře
Zdroj: ilustrační www
Významná nová ložiska ropy byla nalezena pod mořským dnem a je už vybudována technika, jak tato ložiska navrtat a vyčerpat ropu nad hladinu. K tomu účelu se zřizují v mořích vrtné plošiny. V Evropě má takto dostupnou ropu a doprovodný zemní plyn hlavně Norsko. Jakékoliv technické opomenutí a porucha zde může vést k ohromným škodám na životním prostředí v moři i na pobřeží. Zdroj: ilustrační www
Těžké ropy, bitumeny a kerogenní horniny Na pomezí zdrojů kapalných paliv jsou ložiska obtížně tekoucích vysoce viskózních uhlovodíkových látek. Označujeme je jako zvláště (extra) těžké ropy, pokud jejich viskozita dosahuje hodnot až 10 Pas (tekutost je 10 000krát horší než tekutost vody). Jsou složeny z vyšších uhlovodíků. Bitumen s viskozitou nad 10 Pas již připomíná asfalt a za normálních podmínek se už nedá snadno zpracovávat jako kapalina. Při těžbě se zpravidla snižuje viskozita (tedy zvyšuje tekutost) ohříváním ložiska vháněním páry nebo horké vody. Při zpracování a při případné přepravě v potrubích se viskozita snižuje přidáním benzínové frakce jako rozpouštědla. Bitumeny se někdy těží i povrchovou těžbou, zejména jako tzv. ropné písky. Při separaci horniny se opět musí dostatečně zvýšit tekutost některým zmíněným postupem. Další přírodní výskyt uhlovodíků je ve formě kerogenních hornin, jejichž nejběžnějším představitelem jsou „hořlavé břidlice“. Jsou to sedimentární horniny prosáklé vyššími uhlovodíky, zaujímajícími asi 20±5% hmotnosti. Zahřátím nad 450°C se uvolňují se lehčí prchavá hořlaviny, takže je možné kerogenní horniny použít přímo jako palivo v topeništích, ze kterých však je nutno odvádět velké množství minerálního zbytku jako popela. Jinou možností je použít uvolněné uhlovodíky jako syntetickou ropu. Kerogenní horniny se využívají a zpracovávají vždy přímo v místě těžby, protože jejich přeprava se nevyplatí.
41
Použití ropy Ropa se prakticky nikdy nepoužívá přímo jako palivo. Vždy prochází zpracováním v rafineriích ropy, kde základním postupem je destilace. Zahřátím ropy z ní unikají nejprve těkavější páry (páry složek s vyšší teplotou varu) a postupně další méně těkavé podíly. Pokud obsahuje ropa významné množství plynných uhlovodíků (do 4 uhlíků), oddělí se předtím tyto lehké složky při poměrně nízké teplotě ve stabilizační koloně. Zkapalněná směs propanu s butanem se dá skladovat při poměrně nízkém tlaku a používá se i jako motorové palivo LPG (Liquified Petroleum Gas) a jako palivo pro malé přenosné vařiče. Obrázek 25: Atmosférická frakční destilace ropy ropa
atmosférická frakční kolona
chladící voda
LPG
reflux LPG
reflux benzínu
reflux nafty
odpařená ropa
benzín
nafta
lehký olej reflux oleje mazut
trubková pec
(destilační zbytek)
topná pára
Zdroj: ilustrační www
Moderní rafinerie ještě před destilačním dělením provádějí dvě důležité operace. Jednak je to odsolení (protože ropa v zemi bývá ve styku s vodou a se solemi v ní rozpuštěnými). Jednak je to odsíření, protože malé množství sirných látek, obsažených v původní živé hmotě, zpravidla setrvává v ropě, podobně jako je tomu v uhlí. Odsiřovací procesy jsou dnes již velmi dokonalé, takže ve spalinách ropných produktů nenacházíme dnes již oxidy síry, jednak jimi dostáváme přímo síru, která je dnes hlavní surovinou pro výrobu kyseliny sírové a dalších důležitých produktů. Zařízení, označované jako frakční destilační kolona umožňuje současně získávat řadu různých podílů tak, že jen nejtěkavější složky se dostanou až nahoru. Část z nich se ochladí a vrací se do kolony tak, aby do horní části nedostoupily méně těkavé podíly. Ropa se tak dá v jednom zařízení rozdělit na podíly o různé těkavosti. V atmosférické koloně (pracující při normálním tlaku) se oddělí z ropy nejčastěji 3 těkavé frakce, každé je asi 10-20%: benzin (bod varu do 150°C), nafta neboli petrolej (bod varu 100-200°C), lehké oleje (bod varu 200-350°C). 42
Destilační zbytek se někdy distribuuje pod názvem mazut jako tekuté palivo, jinak se z něho v rafinerii získávají další použitelné frakce. Provádí se to ve vakuové koloně, kde se využívá toho, že snížením tlaku dojde i ke snížení teploty varu. Hlavním důvodem snížení teploty varu není ani tak ekonomické hledisko jako skutečnost, že na 300°C dochází ke štěpení uhlovodíků za vzniku lehčích složek avšak za současného vzniku petrolejového koksu a vyšších uhlovodíků, které by kolonu zanesly. Ve vakuové koloně se oddělují - těžké oleje, rozdělené do několika frakcí, jejichž normální body varu (za normálního tlaku) jsou 350-550°C. Destilačním zbytkem z vakuové destilace je asfalt, používaný jako hydroizolační materiál a jako pojivo pro živičné vozovky.
Obrázek 26: Kolony pro destilaci ropy v Kralupské rafinerii
Pozn.: Rafinerie a petrochemické závody udržují z požárních důvodů značný rozestup mezi jednotlivými provozy. Zdroj: ilustrační www
4.2.3. Zemní plyn Hlavní složkou zemního plynu je methan, CH4 nejčastěji je jej tam více než 90%. Bývají tam ale i další nižší uhlovodíky, zejména z ložisek doprovázejících zásoby ropy. Tam jsou obsahy ethanu až 20% a někdy i další těkavé uhlovodíky. Dusík v zemním plynu je zpravidla ve formě amoniaku NH3. Síra je ve formě sulfanu H2S, kterého může být zlomek procenta (ruský plyn), v norském plynu je síry o něco více a v sirnatých zemních plynech bývá až 15% sulfanu. Některá ložiska zemního plynu obsahují až
1,5% helia. Výskyt a těžba Těžba a využití zemního plynu se začaly rozmáhat až po 2. světové válce. Velká naleziště byla zprvu nalezena jen v oblastech těžby ropy (Blízký Východ, Severní Afrika, Rusko). Břidličný plyn je zemní plyn, uzavřený v mikropórézních horninách, jakými jsou břidlice. Těžba zemního plynu z břidlicových hornin (oznařovaného jako nekonvenční plyn) v USA už pokrývá asi
43
10% spotřeby plynných paliv. Velké zásoby objevilo např. Polsko. Na rozdíl od USA, kde hloubka vrstev břidlice je asi 1 km, v Polsku nebo u nás v podkrkonoší a pod Beskydami je to okolo 3 km. Těžba plynu z břidlic má řadu úskalí, která zejména v hustě zalidněné oblasti, jakou je střední Evropa, je spojena s environmentálními riziky. Především je nutno ve hloubce rozdrtit nebo chemicky narušit horninu. Dosah jednotlivých vrtů není velký, takže jejich Obrázek 27: Step s vrty na břidličný plyn vzdílenost není v USA větší než asi 1,5 km. Každý (USA) vrt zabírá na povrchu pracoviště o výměře asi 0,25 ha, kde dochází k rozsáhlé manipulaci s materiálem. Vrt za svou životnost spotřebuje až 20 000 m3 tekutiny. To převážně není samotná voda, určená k vytlačení plynu, nýbrž je to směs, sloužící k rozrušení horniny. Obsahuje až 4 kg aditiv na 1 m3. Příměsemi jsou v některých stadiích těžby i kyseliny chlorovodíková nebo octová, Pak je to písek, udržující skuliny v rozdrcené břidlici. Pro lepší čerpatelnost Zdroj: ilustrační www suspenze se přidávají polymerní aditiva (např. karboxymethylceluloza), gelující anorganické přísady a povrchově aktivní látky. Kolem vrtu je tedy neustále velký pohyb materiálu. Velká spotřeba vody je zjevná. I při maximální obezřetnosti zde existuje riziko narušení a znečištění zásob podzemních vod. Takže k zahajování těžby v hustě zalidněné kulturní krajině jsou pochopitelně značné výhrady. Methan také jako karbonský plyn doprovází ložiska uhlí, kde jako důlní plyn po staletí působil potíže svou výbušností a byl bez užitku odvětráván do atmosféry. Možnosti jeho těžby silně závisejí na lokálních geologických podmínkách a dodnes se nevyužívají systematicky. V hloubce chladných moří se vytváří v blízkosti bodu tuhnutí za vysokého hydrostatického tlaku téměř krystalická síť molekul vody, která do sebe je schopna uzavřít cizí molekuly aniž by docházelo k jejich chemickému spojení. Této struktuře říkáme klatráty a v mnoha případech jsou v nich uzavřeny právě molekuly methanu, pocházející pravděpodobně z odumřelé biomasy. Svým vzhledem připomínají sníh. Z 1 m3 methanového klatrátu se snížením tlaku uvolní až 160 m3 plynného methanu. Nalezené zásoby methanu v této formě jsou významné, avšak nacházejí se až v propustných vrstvách usazenin pode dnem oceánů a prozatím nebyla vypracována technicky a ekonomicky schůdná metoda jejich těžby. Doprava zemního plynu Postupně se buduje síť dálkových plynovodů. Plynovody je zemní plyn dopravován na značné vzdálenosti. Typický průměr plynovodu je nejčastěji okolo 500 mm, vnitřní tlak do 10 MPa, přečerpávací stanice jsou každých asi 100 km. Tranzitní plynovod, procházející přes ČR z Ruska do Evropy má průměr 1400 mm a používá tlak až 7MPa. Některé plynovody jsou taženy i po dně moří (Afrika-Gibraltar, Norsko- Dánsko, RuskoNěmecko). Česká republika odebírá plyn z Ruska a od Norska. Vlastní zdroje, např. pod Beskydami, kryjí jen nepatrný zlomek potřeby.
44
Obrázek 28: Tanker pro 60 000 t LNG, neboli 100 milionů m3
Zdroj: ilustrační
Doprava zkapalněného zemního plynu (LNG, Liqufied Natural Gas) v hluboce strojně chlazených (pod teplotu varu methanu -160°C) nádržích tankerů (nosnosti až 100 tis. t) pokrývá již asi 10% světové spotřeby. Využívá to hlavně Japonsko, ale v současnosti o tom uvažuje I Evropa v souvislosti s nespolehlivostí dodávek z Ruska. Skladování zemního plynu Zemní plyn se skladuje ponejvíce jako stlačený v podzemních zásobnících. Obecně to bývají buďto dříve vytěžená ložiska zemního plynu nebo ropy, k nimž často již vedou potrubí. V některých zemích se využívají prostory, získané vyplavením soli z podzemních ložisek. Obrázek 29: Skladování plynu v porézních vodonosných vrstvách
Zdroj: ilustrační www
V ČR to jsou prostory ve vyprázdněných ropných ložiscích (Tvrdonice, Dolní Dunajovice na jižní Moravě), ve vodonosných porézních vrstvách, z nichž je vytlačena voda (Třanovice, Lobodice, Štramberk), a největší úložiště je ve vytěžených a pečlivě zatěsněných opuštěných rudných dolech (Háje u Příbramě po těžbě uranu). Celkem je v nich přes 2,4 miliardy m3 zemního plynu. Pro srovnání: celoroční spotřeba zemního plynu v ČR byla 8,6 miliard m3 (2013).
45
Uhelné doly se zatěsnit většinou nedají, protože uhlí se nachází v porézních vrstvách usazenin, zatímco rudy ve vyvřelých a metamorfovaných horninách. Poměrně dost plynu je také zadrženo jen v samotném plynovodu. V tranzitním plynovodu v ČR je to okolo 100 tis. m3/km. Větší množství plynu se dá skladovat ve zkapalněné formě LNG při teplotě pod -160°C. Obrázek 30: Zásobníky na zkapalněný zemní plyn
Zdroj: ilustrační
4.3. Jaderná energie 4.3.1. Radioaktivní reakce V roce 1896 si Henri Becquerel všimnul, že solí uranu vyzařují do té doby nepozorovaný druh energie. Od toho se odvinul vznik nového vědního oboru jaderná fyzika. Důležitým zjištěním bylo, že některé atomy jsou výrazně radioaktivní – vyzařují více. Postupně se objevilo, že toto záření je způsobeno rozpadem atomů na prvky s menším počtem částic j jádře. V přírodních materiálech je to nejvýznačnější u uranu. Prvek uran má v jádře řadu částic, z nichž 92 jsou protony, rozhodující o jeho chemické povaze a dalšími jsou neutrony. Počet neutronů může být různý, podle celkového počtu částic rozlišujeme izotopy. Tak např. uran 238U (s 238 částicemi jádra) je velmi stálý, zatímco 235 U, kterého je v přírodním uranu asi 0,72%, se rozpadá pozorovatelně a tím vyvolává hlavní záření uranu. Radioaktivní záření je tvořena různě těžkými a různě pronikavými částicemi. Většina záření se utlumí po dopadu na sousední atomy. Vystřelované neutrony se nejčastěji zachytí na méně citlivých atomech. Avšak dopadnou-li na jiný radioaktivní atom, vyvolají jeho rozpad, uvolnění jistého množství tepelné energie a vystřelení dalších neutronů, což postupuje jako řetězová reakce. V roce 1942 Enrico Fermi zkonstruoval zařízení, označované jako jaderný reaktor, ve kterém bylo nahromaděno tolik 235U, že rozpad atomů probíhal již značnou, avšak řiditelnou rychlostí. Odvodilo se, že při větším nahromadění radioaktivního uranu se může štěpení rozběhnout, takže se pak rozpadnou v nepatrném okamžiku prakticky všechny jeho atomy. Na tomto předpokladu bylo navrženo zkonstruovat atomovou bombu. Spojené státy americké stáhly k vyřešení tohoto úkolu špičkové fyziky, matematiky a inženýry z Ameriky i Evropy, kteří dosáhli výsledku během 3 let. Překročení kritického množství 235U, což je asi 50 kg, vede k jadernému výbuchu. Při štěpení se uvolňuje energie jako radioaktivní záření, tepelné záření, a doprovodné mechanické účinky. U výbušnin se přepočítává uvolněná energie na množství výbušniny TNT (trinitrotoluenu) se stejným účinkem. Pro bombu, svrženou na Hirošimu (1945) se to odhadovalo na 15 000 t TNT, což je 60·109 J. 46
4.3.2. Výroba jaderných paliv Snad nejsložitějším problémem bylo získat z přírodního uranu v dostatečném množství a koncentraci jeho radioaktivní izotop 235U, kterého je tam pouze 0,72%. Protože izotopy mají stejné chemické vlastnosti, je nutno připravit z uranu nějakou plynnou látku a využít nepatrně rozdílných fyzikálních vlastnosti izotopů. Plyn s menším izotopem snadněji proniká porézní vrstvou (difúzní proces). V USA na tomto principu postavili v roce 1944 originální továrny, kde se podařilo postupně v mnoha tisících krocích obohatit uran až na obsah 85 % 235U. Dnes se k dělení izotopů užívají také výkonné odstředivky. Další jaderná paliva se dají získat z umělých izotopů, vznikajících v jaderném reaktoru; jsou také součástmi vyhořelého jaderného paliva.
4.3.3. Radioaktivní záření Radioaktivní záření má několik složek, které se šíří do Obrázek 31: Tovární hala s značné vzdálenosti a mohou pronikat i do značné odstředivkami pro obohacování uranu hloubky hmoty, než dojde k jejich zachycení. Podobné záření však v malém množství dopadá také přirozeně na Zemi ve formě kosmického záření a některých složek záření slunečního. Při dopadu může energie záření mít i účinky mírnější než vyvolání řetězové reakce, avšak také nepříjemné235U. Může například přeměnit běžné látky na radioaktivní izotopy, které se pak po nějakou dobu rozpadají a vyvozují další záření. Dobu rozpadu charakterizujeme poločasem rozpadu, což je doba, za Zdroj: ilustrační www kterou se vyzáří polovina dostupné energie. Záření může katalyzovat chemické reakce a vytvářet produkty, které se v přírodě zpravidla nevyskytují. To je zvlášť nebezpečné při ozáření živé hmoty, která obsahuje v buňkách složité sloučeniny, řídící chování a vývoj organizmů. Typickými projevy je nemoc z ozáření, při které je např. narušena tvorba krve a projeví se i další poruchy. Řízeným ozařováním se dají zničit zhoubné nádory, avšak zpravidla se přitom musí zasáhnout i část okolní zdravé tkáně. Při práci s radioaktivními látkami a s předměty, které se dostaly do styku s nimi, je tedy nutno zachovávat mimořádnou opatrnost a přísně dodržovat předepsané bezpečnostní předpisy.
4.3.4. Jaderná elektrárna Ohromné množství tepla, produkované štěpnou reakcí, iniciovalo i energetické využití jaderné energie. Po roce 1950 postupně vznikaly elektrárny, v nichž jaderný materiál je obklopen moderátorem – materiálem, zpomalujícím neutrony (např. voda, těžká voda, nebo grafit), a regulačními tyčemi (kadmium, bor), které se do systému dají zasunout, aby pohltily proud neutronů v případě, že je zapotřebí reakci zpomalit nebo prakticky zastavit. Z reaktoru se zpravidla odvádí teplo primárním chladícím okruhem, ve kterém cirkuluje kapalina, která je poněkud radioaktivní. Bývá to tlaková voda a někdy i roztavený kov. Teprve od ní se odebírá teplo na výrobu energetické páry, která pohání turbíny generátoru elektřiny. Protože radioaktivní záření reaktoru vyvolává umělou radioaktivitu všech okolních materiálů, což je zdravotně závadné, musí být reaktorová část
47
konstruována vysoce spolehlivě a ovladatelná co možno výhradně dálkově. I zdánlivě malá chyba obsluhy může způsobit havárii celého systému s velmi nepříjemnými následky. Příkladem totálního zničení zařízení a rozsáhlého poškození prostředí po nerozumném experimentování obsluhy se stabilitou soustavy v elektrárně Černobyl (1986) a havárie ve Fukušimě (2011) díky nepříliš pohotové reakci na mimořádné tsunami po zemětřesení.
4.3.5. Environmentální dopady jaderné energetiky V roce 2009 bylo v provozu 436 jaderných reaktorů ve 31 zemích světa. Za tento rok vyrobily 2558 TWh elektrické energie, což bylo 13-14% světové poptávky. Přesto řada zemí od jaderné energetiky ustupuje, pokud má dostupné jiné zdroje energie. Základem jaderné energetiky je v současnosti uran. Svého času bylo Československo světovou velmocí v těžbě uranu (Jáchymov, Příbram, Rožná), avšak později se našla bohatá ložiska i jinde ve světě a v současnosti je česká těžba uranové rudy v útlumu, protože jiné zdroje jsou levnější. Uranová ruda se nacházela jako tenké žíly smolince v tvrdých horninách, takže se hornina musela mlít a ruda rozpouštět v kyselině sírové. S tím byla spojena ohromná výroba kyseliny a odpadní sírany ((kamence) tvořily nepříjemnou zátěž prostředí. Zcela bezpříkladné přírodní škody způsobily pokusy s podzemní těžbou uranu čerpáním kyseliny sírové do hloubky (Stráž pod Ralskem). Vytěžený uran odebíralo sovětské Rusko, kde byl obohacován na 235U, a používán pro konstrukci jaderných zbraní; v menším množství i jako palivo jaderných elektráren, které odebíralo také Československo. Jedním z klíčových problémů jaderné energetiky je vyhaslé jaderné palivo, které již nevydává dostatečné množství tepla, ale stále září. Není jej mnoho. (10 g uranu uvolní tolik energie kolik tuna uhlí, přičemž z tuny uhlí zůstane asi 150 kg popela a strusky.) Vyhořelé jaderné palivo se skladuje v podzemních úložištích zcela bezpečně tak, aby se na povrchu neprojevovalo nebezpečné zvýšení záření. Existuje možnost vyvinutí nového typu jaderných elektráren, které by toto vyhořelé později zužitkovaly, ale není to dosud dotaženo do praktické realizace.
Obrázek 32: Radioaktivní odpad
Zdroj: ilustrační www
Jiným problémem bude otázka způsobu likvidace jaderných elektráren po skončení doby jejich životnosti, protože jejich stavební a konstrukční materiály mohou být také zářením kontaminovány. Malá množství zářičů se před uložením chrání proti rozptýlení do okolí zapracováním do betonu, asfaltu nebo skla. Obecně je ale jaderná energetika jedním z nejlépe sledovaných a nejbezpečnějších zdrojů energie. Hlasy proti ní jsou často vedeny ze strany přírodovědně a technicky nevzdělaných skupin, skrytě podporovaných lobby producentů fosilních paliv.
48
4.3.6. Jaderná fúze Při jaderném výzkumu a ostřelování různých prvků částicemi se objevilo, že velké množství energie se dá uvolnit také spojováním - fúzí velmi malých atomů. Tento proces probíhá zjevně na Slunci i na dalších hvězdných tělesech. Z hlediska praktické využitelnosti je však problémem, že uskutečnění fúze vyžaduje napřed dodání velkého množství energie, jakou má jádro Slunce s miliony stupňů teploty a ohromným tlakem tíže okolní hmoty. Podařilo se to však při zapálení fúzní reakce izotopu těžkého vodíku v jádře výbuchu atomové bomby. Byla tak zkonstruována vodíková bomba (1952) s ještě mocnějšími účinky než klasická atomová bomba. Největší pokusný výbuch „Car bomba“ v ruské polární oblasti měl účinek 57 000 t TNT, tedy dvou tisíckrát ničivější než bomba nad Hirošimou. Tato energie se uvolnila v krátkém okamžiku 39 nanosekund a byla schopna zničit vše do vzdálenosti 100 km. Po této akci se velmoci dohodly, že s dalšími jadernými výbuchy se přestane experimentovat. Energetické využití jaderné fúze však zůstává lákavé. Vodíku jako základní suroviny je k dispozici neomezené množství a samotná jaderná fúze neprodukuje mnoho nebezpečných zplodin. Proto spojené výzkumné týmy z celého světa pracují na tom, jak jadernou fúzi uskutečnit pomalu. Jedno společné pracoviště je budováno v Cadarache na jihu Francie, kde se má vodík o vysoké teplotě ostřelovat v jádru mamutího elektromagnetu. Jinak se občas objeví v tisku zpráva, že se podařilo uskutečnit „studenou fúzi“ v jednodušších laboratorních podmínkách, avšak dosud to byly jen omyly nebo podvody. Možnost uvolňování energie řízenou jadernou fúzí však je reálná a dá se věřit, že již 21. století v tomto směru přinese úspěch.
49
SHRNUTÍ KAPITOLY
Tato kapitola přináší poznatky z oblasti paliv, pojednává o jejich vzniku, vlastnostech a také o jejich využití. Hovoří se zde o uhlí a jeho druzích, je uveden soubor poznatků o ropě, píše se zde také o zemním plynu. Zvláštní pozornost je věnována jaderné energii v širších souvislostech, jsou zde informace o jaderné elektrárně, radioaktivním záření, o působení jaderné energetiky na životní prostředí a jsou zde i výhledy využití jaderných reakcí.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. Charakterizujte fosilní paliva z hlediska jejich vlastností a použití? 2. Na jakém principu pracují jaderné elektrárny? 3. Užití jednotlivých druhů paliv a jejich působení na životní prostředí?
ŘEŠENÍ
Je nutno si uvědomit, že fosilní paliva jsou co do využitelného množství omezena zásobami, uloženými v zemské kůře. Současné využívání je vymezeno vlastnostmi a dostupností jednotlivých druhů fosilních paliv, v podstatě dnes závislých na dovozu. Proto je nezbytné rozvíjet jadernou energetiku, nadále zdokonalovat jaderné elektrárny z hlediska jaderné bezpečnosti, to vše ve vztahu k tvorbě a ochraně životního prostředí.
ÚKOLY K PROCVIČENÍ
1. Posuďte záporné stránky jednotlivých druhů fosilních paliv při jejich použití 2. Nalezněte vývojové tendence spotřeby jednotlivých druhů paliv – zastoupení v palivoenergetické základně naší země.
50
5. ÚPRAVA A ZUŠLECHŤOVÁNÍ PALIV CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování kapitoly Budete vědět, že fosilní paliva zpravidla nejsou přímo použitelná po jejich vytěžení, mají některé vlastnosti, pro něž je nelze přímo uplatnit (vlhkost, obsah popela, zrnitost aj…) nebo vysoký obsah síry, nebo tvoří směs různých uhlovodíků (ropa) aj. Proto prakticky ve všech případech dochází k úpravě těchto vlastností, čímž dojde i k efektivnějšímu jejich využití. Znalosti V některých případech jde o přípravu takových paliv, která jsou pro navazující použití daleko výhodnější:např. motorový benzin, koks, vodní plyn, vodík aj. Právě jsou zde vysvětleny principy těchto výrob.
Pochopením výše zmíněných skutečností se budete snáze orientovat v požadavcích na jakost paliv pro dané konkrétní podmínky, aby celý proces byl po stránce energetické, jakož i technologické a environmentální v optimální poloze. Jde o užití paliv, která obsahují jen málo balastních látek (např. dusík v topném plynu, popel ve vysokopecním koksu, obsah síry aj.). Dovednosti Poté snáze naleznete pro sebe vysvětlení, kdy je které palivo výhodné a kdy méně, případně budete schopni učinit si názor, který druh je pro daný účel nejvhodnější.
KLÍČOVÁ SLOVA Ušlechtilá paliva, karbonizace, dřevěné uhlí, koks, dehet, zplyňování, generátor, vodní plyn, vodík, motorová paliva
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Předpokládaná potřeba času k důkladnému osvojení látky činí 3 hodiny.
51
5.1. Ušlechtilá paliva Paliva, tak jak se bezprostředně dobývají, se dají různými postupy přeměnit tak, aby měly vyšší výhřevnost, aby se pohodlněji a bezpečněji dopravovaly a spalovaly. Obecně je např. nejpohodlnější práce s palivy plynnými, které se však nejobtížněji skladují. Při úpravě paliv je často možné odloučit ze suroviny nežádoucí složky a omezit tím nežádoucí environmentální dopady zplodin hoření.
5.2. Karbonizace dřeva, dřevěné uhlí, Důležité bylo zjištění, že nedopálené uhlíky hoří jinak než dřevo; poskytují nesvítivý, nečadivý plamen a podstatně vyšší teplotu. Přebírání nedopalků z popela byla tedy praktická činnost (Nebyla to samoúčelná šikana, jak si na základě pohádky o Popelce představujeme.) Řemeslem, zabývajícím se záměrnou výrobou dřevěného uhlí (karbonizací) bylo uhlířství. Podstatou výroby dřevěného uhlí je karbonizace, nazývaná v tomto případě také „suchá destilace dřeva“. Vlivem ohřevu za nepřístupu vzduchu z biomasy unikají plynné a těkavé kapalné produkty až zbude jen dalšímu rozkladu nepodléhající uhlík ve Obrázek 33: Klasický milíř formě dřevěného uhlí. Historická výroba se prováděla v milířích, což bylo dřevo naskládané do hranice několik metrů vysoké, obložené zpravidla vrstvou drnu. Teplo se získávalo hořením této hranice, ale po rozehřátí se průduchy pro vzduch utěsnily, aby se oheň uhasil a pak se nechala působit dosažená vyšší teplota. Proces probíhal po několik dní, dokud nepřestaly unikat žluté dýmy. Potom se milíř rozebral a uhlí se expedovalo. Plynné produkty tvořily páchnoucí, karcinogenní emise. Méně těkavé produkty – dřevný dehet - se daly Zdroj: ilustrační www zachycovat v chladnějších jamách pod milířem a používaly se například k těsnění sudů, impregnaci kůží, těsnění lodí, po promísení dehtu s lojem vznikla kolomaz, používaná k mazání ložisek dřevěných kol. Současná výroba se provádí nepřímým ohřevem kostek dřeva, nasypaných v kovových trubicích – retortách. Hlavní použití dřevěného uhlí je pro domácí grilování. Speciálními podmínkami karbonizace lze získat z různých biologických surovin téměř čistý mikro- až nanoporézní uhlík aktivní uhlí, použitelné jako adsorpční nebo katalytický materiál. Těkajícími složkami, unikajícími z výroby, jsou plyn obsahující oxid uhelnatý, dále methanol (dřevný líh) a kyselina octová (dřevný ocet) a pestrá paleta dehtovitých látek s poměrně vysokým obsahem kyslíku, např. fenoly. Většinu těchto látek je účelné zneškodnit spálením, a což se také menší výrobny snaží. Jenom velké průmyslové výroby něco z toho chemicky využívají. Vysokoteplotním procesem nad 800°C. zplyňováním, je možno potlačit uvolňování složitějších organických látek. Dojde totiž navíc ke karbonizaci dehtu a produktem vedle pevného zbytku dřevěného uhlí zůstanou jen plyny – převážně oxid uhelnatý a vodík, které mohou být použity jako ušlechtilé palivo nebo chemická surovina. Za 2. světové války, kdy v okupované Evropě nebyl k dostání benzin pro civilní účely, byla auta vybavována kotlíky na zplyňování bukových špalíků na tzv. dřevoplyn, kterým se daly po malých úpravách pohánět tehdejší jednoduché benzinové motory. 52
5.3. Karbonizace biomasy a organických odpadů V posledních letech se dostává do středu zájmu výzkum karbonizace méně vhodné biomasy: lesní odpad, kůra, rákos, sláma, kukuřičné zbytky, bagáza (odpad z cukrové třtiny), odpady ze zpracování průmyslových plodin (len, konopí, olejniny) apod., jako zdroje kvalitnějších paliv. Jejich přímé spalování ve stamilionech nedokonalých domácích topenišť (Afrika, Asie, Latinská Amerika) totiž uvolňuje nebezpečné emise v množství srovnatelném s průmyslovou činností vyspělých států. Získávání energie racionálním spalováním biomasy nebo produktů její úpravy (energie z obnovitelných zdrojů) je v posledních letech podporováno daňovými úlevami neboť se pěstováním a spotřebou získává obnovitelná energie bez trvalého uvolňování oxidu uhličitého do ovzduší. Jedním z cílů karbonizace uhlíkatých látek je odstranění kyslíku z materiálu. Netýká se to jen biomasy, ale i dalších surovin, obsahujících kyslík. Karbonizace je také jednou z možností převedení odpadů, tvořených převážně sloučeninami uhlíku, vodíku a kyslíku, na syntézní plyn nebo na ušlechtilá paliva. Týká se to také např. odpadních plastů, pryže, textilií apod. Pevným produktem je koksík, který je chemicky tvořen převážně uhlíkem, a dá se použít v některých případech i jako sorbent. Pokud možno se přitom vyhýbáme materiálům, obsahujícími halogeny (např. PVC, bromovaná zhášedla, teflon), síru (pryže), těžké kovy (ze stabilizátorů, barviv, pigmentů a retardantů hoření) potíže jsou i s materiály, obsahujícími více dusíku (bílkoviny: vlna, kůže, polyamidy, polyuretany). Pro vytříděné materiály uvedených typů se vyvíjejí postupy s náročnějším zneškodňováním příslušných složek emisí.
5.4. Karbonizace uhlí Karbonizace uhlí – koksování - se provádí ohřevem za nepřístupu vzduchu. Hutní koks o velké mechanické pevnosti, vhodný pro vysoké pece, se získává vysokoteplotním koksováním kvalitního „koksovatelného“ černého uhlí při 900-1200°C. Méně kvalitní černé nebo hnědé uhlí se karbonizuje spíše při nižších teplotách 500-750°C a pevným produktem je bezdýmné palivo - polokoks. Chemicky je to prakticky čistý uhlík, takže při skladování nepodléhá vlivu vzduchu a vlhkosti, na rozdíl od uhlí a biomasy, kde dochází k větrání a v kritickém případě i k samovznícení. V současné době koksovny zajišťují výrobu koksu již téměř výhradně pro metalurgii a jako redukovadlo pro některé vybrané chemické výroby. Koksování se provádí vsádkově v koksovacích komorách, kam se dříve uhlí nasypalo, dnes se tam spíše vsune blok slisovaného uhelného prachu, Potom se několik desítek hodin vyhřívá. Přitom uhelná hmota se spojí do porézního koksu a unikne prchavá hořlavina. Po ukončení procesu se horký koks z komor vytlačuje a následně sprchuje chladící vodou. Tím, že se pracuje s práškovou a pevnou, spékající se hmotou, nedaří se přes četné snahy vyvinout uspokojivě spolehlivý kontinuální proces, ve kterém by se dalo lépe hospodařit s teplem a dokonale ošetřit emise, zejména těkavých látek a prachu. Prchavá hořlavina obsahuje uvolňované těkavé látky: přítomný kyslík se váže především s uhlíkem na oxid uhelnatý, vodík se uvolňuje jednak jako plyn jednak tvoří součást uhlovodíků. Po kondenzaci těžších organických látek (dehtu) ochlazením, a po vyprání těkavějších aromatických látek (surového benzolu) do pracího oleje, zůstává koksárenský plyn. Kdysi to byla důležitá surovina pro získávání vodíku. V současné době, kdy chemický průmysl dostává suroviny pohodlněji z ropy a zemního plynu, věnuje se separaci prchavé hořlaviny menší péče. Podle okolností se většina 53
koksárenského plynu spotřebovává jako palivo přímo při ohřevu koksovacích komor nebo jako palivo či redukovadlo v metalurgickém komplexu, jehož součástí koksovna zpravidla bývá. Do roku 1996 běželo v ČR ještě několik velkých plynáren, ve kterých se zpracovávalo hnědé uhlí s cílem získávat jako hlavní produkt svítiplyn (podobného složení jako má koksárenský plyn) distribuovaný malospotřebitelům. Plynárny byly vybaveny velkými plynojemy, které byly schopny vyrovnávat denní kolísání spotřeby v síti plynovodů.
5.5. Dehet Z par, unikajících při karbonizaci, kondenzuje jako tmavá viskózní kapalina dehet. Černouhelný dehet z koksoven býval dlouho podstatnou surovinou organických výrob. Dehet se dělí frakční atmosférickou destilací a následně vakuovou destilací na několik skupin olejů, z nichž se případně dalšími destilacemi separují čisté aromatické uhlovodíky. Z koncové vakuové destilace zůstává jako zbytek smola, používaná např. jako pojivo pro výrobu uhlíkových elektrod. Hnědouhelný dehet má vyšší obsah kyslíkatých sloučenin a jako chemická surovina je méně použitelný. (Výroba benzinu hydrogenací dehtu byla opuštěna, jakmile se stala ropa dostupnou.) Výtěžek dehtu závisí značně na podmínkách karbonizace. Při vysoké teplotě vzniká již převážně jen koks a plyn. Dehet je na seznamu nebezpečných karcinogenních (rakovinu vyvolávajících) látek. Dá se bezpečně přepracovat částečnou oxidací za vzniku amorfního uhlíku – sazí. Hlavní spotřeba sazí je při vulkanizaci pryže ve výrobě pneumatik. Saze jsou také žádaným černým pigmentem pro nátěrové hmoty, plnění plastů a pro výrobu tiskařské černi
5.6. Zplyňování uhlí, generátorový a vodní plyn Dokud neexistovala rozsáhlá distribuční síť svítiplynu, vyráběly si i menší továrny plynné palivo z koksu v takzvaných generátorech. Jednoduché generátory vypadaly jako konvenční kamna s vrstvou žhavého koksu, kterou se protahuje vzduch. Při prvním kontaktu dochází k hoření uhlíku s vývojem tepla (C + O2 → CO2), ale při vyšší teplotě uhlík s kyslíkem dále nereaguje a obráceně se oxid uhličitý s uhlíkem žhavého koksu zpětně mění na oxid uhelnatý (CO2 + C → 2CO). Vzniklá směs CO a zbylého N2 ze vzduchu je nízko výhřevné ušlechtilé palivo nazývané generátorový plyn. O něco komplikovanější postup zavedl do generátoru druhou etapu: po rozžhavení vrstvy se začne přivádět vodní pára a dochází k reakci C + H2O → H2 + CO, kterou vzniká výhřevný vodní plyn. Touto reakcí se ale vrstva postupně ochlazuje, takže je po nějaké době nutno celý cyklus opakovat. Směs vodíku a oxidu uhelnatého už dnes nemá hlavní funkci jako plynné palivo (svítiplyn), ale je jeden z možných zdrojů vodíku. Jako syntézní plyn to je významná surovina pro syntézy jednoduchých organických látek (lehké uhlovodíky, methanol a další alkoholy, ketony). Při nedostatku ropy se touto syntézou řešila ve válečném Německu výroba syntetického benzinu z uhlí. Produkovalo se tak tehdy 2500 tun benzinu denně.
54
Jedna významná továrna Göring Werke byla také vybudována v Záluží u Mostu; po vybombardování byla v roce 1946 rekonstruována jako Stalinovy závody a zajišťovala výrobu motorových paliv pro Československo až do 60. let. V současné době se syntézou zpracovává v některých zemích (USA, Malajsie) syntézní plyn, získaný ze zemního plynu, na motorovou naftu, která na rozdíl od nafty z ropy neobsahuje žádné sloučeniny síry.
5.7. Vodík Vodík sám o sobě je nejdokonalejším palivem, protože má vysokou výhřevnost. Oxidace vodíku v palivových článcích je vynikajícím zdrojem elektrické energie. Jeho klíčovou nevýhodou je, že se dá jen velmi obtížně skladovat a dopravovat, protože to potřebuje velký objem a tlak. Energie 1 m3 vodíku za normálního tlaku je srovnatelná s energií 10 kapek benzínu. (U osobních aut se počítá se spotřebou 13 m3 vodíku na100 km.) Zdrojem vodíku je obvykle voda a produktem jeho hoření je pouze vodní pára, takže to na první pohled vypadá velmi „ekologicky“, dokud neuvážíme, že k výrobě spotřebujeme tolik energie, že uhlíková stopa vodíku je větší než při spalování zemního plynu.
5.8. Výroba motorových paliv z nefosilních zdrojů Podíl nepotravinářsky využívaných olejnin soustavně roste a v posledním desetiletí se začíná rostlinných olejů využívat i pro přípravu paliva pro vznětové (Dieslovy) motory. Jde o chemicky jednoduchou a technicky poměrně nenáročnou reesterifikaci – náhradu glycerinu za methylalkohol. Reakce methanolu s olejem probíhá v alkalickém prostředí za mírně zvýšené teploty. Vzniklý methylester řepkového oleje (MEŘO), tak zvaná bionafta, se podrobuje jednoduchému destilačnímu čištění a lze jej přimíchávat k motorové naftě, aniž je třeba upravovat motory. Přesto se jej do distribuovaných dieslových paliv přidává jen 5-10%. Přestože to laik stěží rozezná, existují odlišné druhy řepky, lišící se zásadně obsahem esteru kyseliny erukové. Bezeruková řepka je vhodná pro potravinářské použití. Velmi produktivní odrůda řepky má v oleji až 55 % kyseliny erukové, avšak pro výrobu bionafty se hodí. Problémem zemědělců je udržet obě odrůdy pečlivě oddělené. Za situace když existují obráceně zemědělské přebytky je možno do jisté míry nahrazovat benzín kvasným ethanolem. Produkce kvasného lihu u nás je asi 10-15 kg na osobu a rok. Brazílie, coby země s velkým zemědělským potenciálem bez vlastní ropy, systematicky přimíchává ethanol k motorovému benzínu a všechna auta jsou tam na toto palivo seřízena. USA v současné době uvolňuje 17 miliard $ na podporu pěstování průmyslových plodin a výstavby 300 lihovarů, které by měly do roku 2022 zajistit výrobu kvasného lihu přes 100 l na osobu a rok; spotřeba benzinu tam ale dnes činí 20krát více. Motorové palivo Etanol E85, dodávané do naší distribuční sítě, obsahuje 85% ethanolu a 15% klasických uhlovodíků benzínu. Více ethanolu by se obtížněji zažehovalo v zimním období.
55
Samotná výroba ethanolu však určitou energii spotřebuje, takže souhrnný zisk energie je i při dobře vedené technologii nepatrný. Populární heslo na podporu bioethanolu je založeno na skutečnosti, že spálením ethanolu se vytvoří jen tolik CO2, kolik bylo rostlinami do suroviny zachyceno; zapomíná se však na množství skleníkových plynů (zejména NOx), vyprodukovaných při výrobě a použití nezbytných minerálních hnojiv. Ostražitost ekologů by zde měla být zaměřena i na rizika výsadby monokultur a na vysokou spotřebu vody.
56
SHRNUTÍ KAPITOLY
V této kapitole se pojednává o důvodech zušlechťování paliv, jsou rozebrány principy vybraných postupů a změny v jakosti takto zušlechtěných produktů. Postupně je hovořeno o karbonizaci, jejích jednotlivých produktech, o zplyňování uhlí, o úloze vodíku v palivoenergetické základně a také o netradičních zdrojích motorových paliv.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1) co je úkolem zušlechťování paliv 2) co se rozumí pod pojmem karbonizace
3) co je zplyňování 4) úloha vodíku v souboru paliv 5) motorová paliva z nefosilních zdrojů
ŘEŠENÍ V detailu jsou jednotlivé pojmy uvedeny ve vlastním textu kapitoly, je třeba soustředit se na principiální podmínky tohoto zušlechťovacího procesu – výchozí surovina, teplota, tlak, jiné procesní podmínky, vzniklé produkty a jejich vlastnosti
ÚKOLY K PROCVIČENÍ
1) porovnejte visuálně uhelnou a koksovou hmotu a charakterizujte hlavní rozdíly 2) sestavte schematicky produkty destilace ropy na hlavní produkty 3) charakterizujte výhody a nevýhody jednotlivých skupenství paliv 4) vysvětlete, co znamená pojem balastní látka, a uveďte některé příklady
57
6. ZÍSKÁVÁNÍ TEPLA Z PALIV Při hoření palivo reaguje s kyslíkem, čímž vzniká viditelný, teplo a světlo vyzařující plamen a horké spalné plyny. Procesy přenosu při hoření a tudíž i konstrukce zařízení pro spalování se liší zejména podle skupenství paliva. Nejjednodušší je to u paliv plynných, nejkomplikovanější u paliv pevných.
CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování kapitoly Podmínky, za kterých lze palivo vůbec spalovat, jak dochází k efektu přeměny chemického potenciálu paliva (výhřevnosti) na teplo, dále využívané k různým účelům. Jsou zde rozebrány okolnosti, za kterých se spaluje plynné palivo, uvedeny odlišnosti spalování pevných a kapalných Znalosti paliv. Je vysvětlen pojem spaliny a uvedeny také možnosti jejich odvodu ze spalovacího prostoru do okolí.
Na základě získaných znalostí dovedeme posoudit podmínky užití určitého druhu paliva ve vztahu k potřebě spalovacího vzduchu, k možnostem ovlivnění rychlosti hoření daného paliva. Jsme schopni podle druhu spalování a spalovaného paliva posoudit zátěž životního prostředí ve vztahu Dovednosti k uvolňování škodlivin, zejména prachu, oxidu uhličitého, oxidů dusíku a síry případně dalších látek
KLÍČOVÁ SLOVA Hoření, exploze, výbuch, spaliny, kapalná paliva, pevná paliva, plynná paliva, odvod spalin
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Protože navazuje na již získané znalosti, zkracuje se zde potřebná doba ke studiu na 2,5 hodiny.
58
6.1. Hoření plynných paliv Plynné palivo hoří za podmínek, kdy je smícháno v určitém poměru se vzduchem nebo s čistým kyslíkem. Velmi obvyklé je připravit nejprve směs paliva s primárním vzduchem v koncentraci s mírným nedostatkem kyslíku. Tato směs se pak vede do prostoru se sekundárním vzduchem, kde teprve dochází k vlastnímu hoření. Typickým jednoduchým hořákem je Bunsenův kahan. Do něj vstupuje regulovaný proud plynu tryskou. Rychlý proud plynu si přisává primární vzduch z okolí otvorem, jehož průřez se dá regulovat otočným prstýnkem. Směs pak hoří až při směšování se sekundárním vzduchem nad ústím trubice hořáku. V oblasti plamene pak můžeme rozpoznat několik zón s typickou barvou plamene. Krátké jádro, v němž rychlost přítoku směsi je srovnatelná s rychlostí hoření a dále oblast vysoké teploty, ve které vzniká CO a oblast namodralého plamene hoření CO na CO2. Obrázek 34: Svítivý a nesvítivý plamen Bunsenova kahanu při zavřeném a pootevřeném otvoru primárního vzduchu
Zdroj: ilustrační
Při uzavření otvoru primárního vzduchu je směšování plynu se sekundárním plynem pomalé, což vytváří plápolavý svítivý plamen. Za svítivost vděčí pomalému dohořívání jemných částic uhlíku, které vznikají nedokonalým spálením uhlovodíků. Nestabilní oscilující tvar plamene vzniká tím, že z prostoru zaplněného již spalinami se oblast hoření přesunuje do oblasti s vyšší přítomností kyslíku a po odvětrání spalin se vrací zpět. Trysky pro přivádění hořlavého plynu musí být přizpůsobeny druhu paliva. Pro klasický svítiplyn, jehož hlavními složkami je vodík a oxid uhelnatý stačilo čtyřikrát méně kyslíku než pro zemní plyn, ale zato byly spaliny teplejší. Většina plynových hořáků užívá podobného principu jako Bunsenův kahan a odchylnosti jsou hlavně v tvarování směšovací komory a způsobu přivírání a otvírání přívodu primárního vzduchu. U běžného kuchyňského sporákového hořáku je ovládací kohout výrobcem seřizován tak, aby ani při nejmenším průtoku nevznikala ve směšovacím prostoru pod hořákem výbušná směs. Z trysky proudí plyn do volně nasazené kuželovité trubice,
59
Obrázek 35: Princip hořáku plynového sporáku
Zdroj: ilustrační www
kam si stejným směrem přibírá primární vzduch a tato trubice je napojena na vlastní hořák, který má soustavu drážek, ve kterých se směs opět zrychlí, podobně jako v mřížce kahanu, takže vlastní věneček plaménků se vytváří opět až na styku s okolním sekundárním vzduchem. Barvu plamene může silně ovlivnit i stopová přítomnost některých chemických látek což se užívá v signální a zábavné pyrotechnice. Dokud se používal plyn ke svícení, vedl se plamen v blízkosti materiálů, které po zahřátí vyvozovaly jasné světlo. Klíčovým byl vynález Auerovy punčošky, impregnované oxidem thoričitým. Ta zvyšuje svítivost plamene mnohonásobně. Potřebujeme-li vyšší teploty, používáme jako oxidovadlo kyslík. To je např. nezbytné u sklářského kahanu, užívajícího zemní plyn, kde tlakový vzduch nepostačuje. Protože kyslík se skladuje zpravidla stlačený, může se také zavádět doprostřed plamene tryskou, čímž se dá v případě potřeby vytvořit úzký, špičatý, ostrý plamen. Při autogenním sváření se používá výhřevné plynné palivo acetylen (ethyn) a jako oxidovadlo kyslík. Množstvím a poměrem těchto plynů se dá nastavovat teplota a tvar plamene pro svařování různých kovů a slitin. Jestliže kolem plamene udržujeme inertní atmosféru (svařování pod argonem), můžeme dokonce svařovat i hliník a jeho slitiny, které jinak při vyšší teplotě hoří. Obráceně, pracujeme-li s přebytkem kyslíku, můžeme za vysoké teplotě oxidovat „pálit“ i jiné kovy; to je běžný postup při dělení ocelových plátů či profilů nebo při destrukci ocelových konstrukcí.
6.2. Explozivní hoření a výbuch Při hoření vzniká poměrně značné množství horkých spalin, které je nutno z prostoru hoření odvést. Při běžném hoření se spaliny rozptylují do volného prostoru a celý proces probíhá prakticky při stálém tlaku. Vzniká-li více spalin, může dojít k tomu, že rychlost odvodu spalin roste, a protože plyn neumí proudit rychlostí větší, než je rychlost zvuku, může v prostoru hoření vzniknout zóna s vyšším tlakem, z níž uniká plyn rychlostí zvuku. Na okraji této zóny klesá tlak skokově, což se projevuje jako postupující rázová vlna, se zvukovým i silovým efektem. Tento jev provází rychlé hoření, které charakterizujeme jako výbuch (explozi).
6.3. Využití hoření plynů Hoření má nejčastěji za cíl získávání tepelné energie. Teplo odvádíme ze spalin proudících od horní oblasti plamene, kde už oxidační reakce doběhla do konce a je zde tudíž nejvyšší teplota. Teplo odvádíme ze spalných plynů do okolních povrchů (např. ohřev uzenky nad ohněm, ohřev hrnce nad plamenem, výroba páry v trubkovnici parního kotle elektrárny). Další možností je spalování za účelem zneškodnění hořlavých odpadů. Typické jsou havarijní pochodně nazývané také fléry či fakule. Jsou nezbytnou bezpečnostní podmínkou, splňující požadavky nejlepší dostupné technologie v petrochemickém a rafinérském průmyslu, ale i v koksovnách. Tímto způsobem se zneškodňují mimořádné úniky hořlavých plynů. Historicky se takto trvale likvidoval zemní plyn z ropných ložisek, pro který nebylo v daném místě použití a stále se to děje na nalezištích v některých rozvojových zemích.
60
Obrázek 36: Fakule (anglicky flare) nad rafinerií
Zdroj: ilustrační
Do menších, stále planoucích fakulí se také zavádí jako oxidovadlo vzduch, odtahovaný z různých provozů, obsahující menší znečištění těkavými organickými látkami, které se zde dokonale spálí. Fakule mimořádně rozčilují občany jako plýtvání energií. Avšak jejich ochranný účinek je podstatně významnější než ztráta energie. Modernějším, méně viditelným postupem je katalytické spalování, obdobné procesům na katalyzátoru automobilního výfuku, avšak nepřináší to zásadní energetické úspory. Na tomto místě je třeba také připomenout i spalovací procesy v chemickém průmyslu, u nichž je hlavním produkt oxidace. Spalováním síry vzduchem se získává oxid siřičitý pro výrobu kyseliny sírové, spalováním amoniaku se získávají oxidy dusíku při výrobě kyseliny dusičné, spalování fosforu je výchozí proces výroby čisté kyseliny fosforečné, existuje i řada neúplných oxidací uhlovodíků, jimiž se získávají např. alkoholy, aldehydy apod. Většina těchto procesů se provádí na heterogenních katalyzátorech, ale někdy se dá použít i hořák podobný jako při topení plynem.
6.4. Odvod spalin ze spalovacího prostoru Požadovaný přítok vzduchu a odvod spalin se dá urychlit vytvořením tlakového spádu v topeništi pomocí komínového tahu. Komínový tah je způsoben tím, že sloupec horkých spalin s nižší hustotou je vytlačován vzhůru chladnějším, hustším vzduchem, natékajícím do topeniště z okolí. Komínový tah je tím vydatnější, čím je komín vyšší. Aby komínový tah účinně odváděl spaliny, musí mít komín patřičný průřez a je nutno odtud periodicky odstraňovat saze. Na úzký komín není možno připojit topeniště s vysokým výkonem; komín musí odpovídat určitým normám a kominíci jeho správnou funkci ověřují měřením tahu za provozu tlakoměrem. Existují také zásadní pravidla, zda a jak je možno zapojit více topenišť na jediný komín. Komínový tah chladného komínu nefunguje, takže při roztápění, zejména komínu v chladném zdivu za teplého počasí, bývá obvyklým problémem únik kouře z topeniště jinými cestami. Spaliny z ušlechtilých uhlovodíkových paliv obsahují vysoký podíl vody. Při zatápění by hrozilo nebezpečí kondenzace na vlhkých stěnách komína. Proto se komíny plynového topení musejí opatřit kovovou vložkou, která se také za provozu rozehřeje rychleji než zdivo. Je nezbytný i odvod kondenzátu z nejnižšího místa komína.
61
U velkých topenišť se často nevystačí s komínovým tahem a musíme doplnit dmychadla, zajišťující potřebné proudění vzduchu a spalin. Je to tehdy, kdy působí další odpory proudění. To je hlavně nutné pokud se snažíme ještě spaliny ošetřit mechanicky (např. zachycováním popílku ve vírovém odlučovači – cyklonu) nebo chemicky (např. absorpcí oxidu siřičitého do vody). Samozřejmě i tehdy, když proudění plynu má další úkol - třeba uvést zrnitý materiál paliva a pomocných látek (např. vápence) do vznosu ve fluidním topeništi.
6.5. Hoření kapalných paliv Předností kapalných paliv před plynnými je nepochybně jejich pohodlnější a bezpečnější skladování. Na rozhraní mezi kapalnými a plynnými palivy jsou snadno zkapalnitelné plyny (např. LPG), které je účelné skladovat při mírně zvýšeném tlaku v uzavřených nádobách. S kapalnými palivy pracujeme podobně jako s palivy plynnými. Před samotným hořením je totiž zpravidla buďto převedeme nejprve ohřevem na páru (v malém také u benzinových turistických vařičů nebo u vařičů petrolejových, lihových) nebo rozptýlíme kapalinu v jemných kapičkách do proudu vzduchu. Není tomu jinak ani u velkých průmyslových topenišť na kapalná paliva.
6.6. Hoření pevných paliv Větší rozmanitost mají topeniště na pevná paliva. Práškové topení spaluje pevné palivo podobně, jako hoří mlha paliva kapalného. Je tedy nutno rozptýlit částice do potřebného objemu vzduchu, přičemž topeniště musí být tak veliké, aby celé hoření proběhlo dříve než částice a její popelový zbytek dopadl na dno. Rychlému pádu větších částic na dno se dá zabránit vzestupným proudem vzduchu, čímž se částice typických rozměrů až 10-20 mm dostanou do vznosu a dojde k fluidnímu spalování. Fluidní topeniště vyžaduje výkonné ventilátory pro dmýchání vzduchu, každá částice paliva, je však trvale oplachována vzduchem a při srážkách z ní opadává nehořlavý zbytek, který ulétá jako polétavý popílek a je zachycován mechanicky anebo elektrostaticky v dalších prostorách před komínem. Těžší ložový popel se vypouští spodem topeniště. Fluidní topeniště umožňuje přidávat do prostoru i další přísady, nejčastěji vápenec pro odsiřování, neboť ten váže SO2 z plynných emisí méně kvalitních paliv. Topeniště musí být navrženo tak, aby k jeho provozu stačil vzduch, dodávaný pro spalování. Klasické spalování, obvyklé v domácnostech a menších kotelnách a spalovnách, je v roštovém topeništi, kde se spaluje palivo co možno stejné velikosti na roštu, kterým přichází zespodu vzduch. Většinou k přisávání vzduchu není nutný ventilátor a postačuje komínový tah, vyvolaný nižším tlakem pod sloupcem horkých spalin (plyn o nižší hustotě než okolní vzduch). Při vyšších teplotách dochází i k tavení ložového popele a vzniká škvára. Je-li teplota v topeništi ještě vyšší, pak se dá dokonce odvádět tekutá struska. Kontinuální podávání paliva do topeniště je možné, zejména pokud jde o materiál definovaných rozměrů (např. dřevné pelety).
62
Obrázek 37: Řez šnekovým podavačem
Zdroj:ilustrační www
Při hoření zrnitého paliva se teplo šíří jednak se spalinami pryč, jednak postupně prohřívá vnitřek zrna. Uvnitř okolo 100°C dojde nejprve k sušení; odchází vlhkost. Při dalším ohřevu se uvolňuje větší množství těkavých organických látek jako prchavá hořlavina. Ta postupuje palivem a případně vrstvou popela na povrchu ohořelé částice ven. Je-li teplota nízká, například při roztápění, může zůstat část prchavých složek nespálena a kondensací současně s vodní parou vytváří aerosol „kouř“, který je typickým projevem špatně provozovaného topeniště. Viditelná stopa nad komínem dobře provozovaného topeniště je tvořena jen samotnou vodní parou kondensující při nižší teplotě okolí. Při správném teplotním režimu je prchavá hořlavina dokonale spálena nad povrchem paliva. S rostoucím časem se však z jádra hořící částice dostává k povrchu stále menší množství prchavé hořlaviny a proces dostává charakter hoření karbonizovaného uhlíkového zbytku pod inertní vrstvou popela. Karbonizované palivo je sice výhřevnější a bezdýmné, avšak ke svému hoření potřebuje udržet vyšší teplotu. Je tedy běžné, že v některých částicích nebo shlucích částic paliva dojde k vyhasnutí reakce hoření, a zůstane tzv. nedopal. Je to jev běžnější při roštovém spalování paliva větší zrnitosti, u kterého není dobře zajištěn přístup kyslíku k povrchu paliva, případně se průduchy mezi dohořívajícími částicemi ještě ucpávají propadávajícím popelem. Pro spalování v průmyslových topeništích se dodává jen o něco více vzduchu, než odpovídá spotřebě na spálení paliva. Přebytek vzduchu se průběžně zjišťuje podle obsahu kyslíku ve spalinách. Pro pevná paliva odpovídá dobrému režimu asi 10% přebytek vzduchu, u kapalných a plynných paliv je to ještě méně. Větší přebytek vzduchu, obvykle držený v malých kamnech, má za následek nižší teplotu hoření a větší ztráty tepla do spalin.
6.7. Odvod tepla ze spalovacího prostoru Spalnými plyny můžeme zajistit přímý ohřev materiálu. Používáme to v některých sušárnách a pecích. Při vypalování cihel a jiných keramických výrobků se často posunují na vozících výrobky zvolna proti proudu spalin v tunelových pecích. Při výrobě vápna a cementu se spaliny vedou do válcové, mírně skloněné rotační pece, kde se práškovitý materiál přesýpá v proudu spalin. Ve vysoké peci spaliny ohřívají sesuvné lože suroviny, z něhož zvolna vytéká železo a struska. Spalinami z kvalitního dřeva je možno udit potraviny. Pokud není vhodné uvádět ohřívaný materiál do přímého styku se spalinami, nebo pokud potřebujeme pomalejší, rovnoměrnější ohřev, zprostředkováváme jej přes teplonosné medium; při vaření je to nejčastěji voda, ohřívaná přes stěnu nádoby, při smažení je to olej, který zůstává kapalný při podstatně vyšší teplotě. Pro větší výkon přenosu je důležité zvětšit plochu, kterou je teplo přenášeno. V domácích kotlech ústředního topení a ohřevu vody je voda zpravidla mezi dvojitými stěnami kolem topeniště, případně v trubicích, obtékaných spalinami. Průmyslově nejrozsáhlejší využití tepla spalin je v procesech odpařování, které se odehrává např. v parních kotlech. Parní kotle nemají již dávno tvar válcové nádoby, pod kterou by bylo topeniště. U moderních kotlů dochází k varu ve skupinách trubek, umístěných okolo stěn a v šikmých svazcích trubek, procházejících horním prostorem topeniště. V elektrárenských kotlech se v těchto trubkách vytváří parokapalinová směs, ze které se vrací zpět voda, zatímco pára postupuje do další skupiny trubic, kde se dále přehřívá. Podobně se také vyrábí třeba pára z ropy v trubkových pecích rafinerií.
63
SHRNUTÍ KAPITOLY
V předmětné kapitole se pojednává o hoření paliv, podmínkách spalování, je vysvětlen pojem dokonalé a nedokonalé hoření, jsou rozebírány produkty hoření a jejich odvod z pracovního prostoru, jsou vysvětleny rozdíly v hoření a spalování pevných, kapalných a plynných paliv.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. 2. 3. 4. 5.
podmínky spalování a hoření paliv hoření a výbuch – charakteristika pojem spaliny spalování a životní prostředí pojem přebytek vzduchu
ŘEŠENÍ
Detailní vysvětlení jednotlivých otázek je vysvětleno v textu této kapitoly
ÚKOLY K PROCVIČENÍ
1. 2. 3.
posuďte a zdůvodněte rozdíly v potřebě spalovacího vzduchu pro jednotlivé druhy paliv z oblasti pevných, kapalných a plynných charakterizujte ekologickou zátěž ve vztahu ke spalování různých druhů paliv vysvětlete, co znamená spodní a horní mez výbušnosti
64
7. PŘEMĚNY ENERGIE CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování kapitoly Tato kapitola navazuje na předchozí již získané a procvičené vědomosti. Jedním z úkolů získávané energie např. spalováním paliva je pohon některých mechanismů, významná je však přeměna mechanické energie na energii elektrickou, obdobně pak přeměně na energii chemickou a také chemické na elektrickou. Tyto významné děje sice dnes bereme jako Znalosti samozřejmost, aniž si uvědomujeme naléhavost těchto procesů a jejich prakticky nepřetržité využívání. Všechny okolnosti těchto dějů jsou předmětem právě této kapitoly.
Pro nás je významné správné pojetí výše zmíněných pojmů, zejména zvládnutí podmínek, za kterých dochází k těmto procesům, protože takto jsme schopni posuzovat jevy kolem sebe a zaujímat k nim objektivní stanovisko. Takto také lépe zvládáme úsudky, spojené s posuzováním jednotlivých etap přeměn vedoucích ke zlepšení životního prostředí. To je Dovednosti významné zejména proto, že nesprávné či neúplné vysvětlování posléze vede k falešným představám a přeceňování pozitiv i negativ takovýchto transformací.
KLÍČOVÁ SLOVA Mechanická energie, elektrická energie, chemická energie, přeměny energií
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Předpokládaný čas ke zvládnutí tohoto učiva činí 2 hodiny.
65
7.1. Přeměna tepla na mechanickou energii Klasickým zařízením, produkujícím mechanický pohyb na základě dodávané tepelné energie byl parní stroj, který zásadním způsobem vylepšil James Watt (1785). Tlaková pára se zde hnala střídavě na jednu a druhou stranu válce, čímž se uváděl píst oddělující obě strany do oscilačního pohybu. Ojnicí se pohyb z pístu přenášel na klikové kolo, obvykle s velkým setrvačníkem, čímž se získal točivý pohyb. Protože parní stroj byl nákladným zařízením, vyžadujícím kvalifikovanou obsluhu, měly továrny zpravidla jen jediný, od kterého se točivý pohyb (podobně jako od vodního kola) přenášel transmisí – hřídelem, zavěšeným pod stropem továrny k jednotlivým výrobním strojům. Parní stroj měl mimořádně nízkou účinnost, protože vypouštěl do prostředí ještě velmi teplou páru. Parní lokomotiva si pro výrobu páry vezla kromě uhlí proto i velkou zásobu vody (spotřebovala až 10 m3 za hodinu). Pro výrobu elektřiny se hodilo stavět větší parní elektrárny a výhodou byla vyšší frekvence otáčení. Zde se přešlo na parní turbíny, kde se tlak páry přenáší na šikmé lopatky oběžného kola. Na rozdíl od rotorů větrného mlýna se zde používají velké počty malých lopatek a staví se řada rotorů za sebe, přičemž mezi rotory jsou umístěny statory s nepohyblivými lopatkami. Obrázek 38: Oběžná kola parní turbíny
Aby se využilo energie páry, je dobré ji za turbínou chlazením kondenzovat na vodu, která je velmi čistá, takže ji opět vracíme čerpadlem do parního kotle. K chlazení používáme chladící vodu, které nemáme zpravidla dost v blízkých vodotečích. Teplota chladící vody bývá pod 80°C, a dala by se využít pro otápění v zimním období, kdyby bylo v blízkosti větší sídliště. Většinou je to teplo odpadní, takže vodu ochlazujeme foukáním vzduchu v chladících věžích, které jsou typickým krajinným prvkem v blízkosti elektráren.
66
Obrázek 39: Chladící věže - elektrárna Dětmarovice
Kogenerace Pokud se v elektrárnách používá jako palivo plyn, vzniká velký objem čistých spalin. Vhodným zařízením je možné tlaku spalin využít při kogeneraci v paroplynovém cyklu, v němž se plynné palivo spaluje tak, že spaliny nejprve roztáčejí plynové turbíny a teprve následně se využijí k otopu parního kotle elektrárny nebo k jinému ohřevu. Podobným případem je použití v turbíně tryskových letadel, kterou se většinou pohání kompresor spalovacího vzduchu (turbovrtulové motory). Dnes je tendence zařazovat kogeneraci v elektrárnách, kde se spalují bezpopelná plynná či kapalná paliva Dá se tak energetická účinnost elektrárny zvýšit asi o 10 %, což je mimořádně cenný zisk. Bohužel, plynové turbíny jsou poměrně nákladná zařízení, konstruovaná z ušlechtilých materiálů a kladoucí vysoké nároky na kvalitní obsluhu a údržbu. Pístové spalovací motory Mechanické energie rozpínajících se spalin lze využít i pro pohon pístu v uzavřeném válci. Píst je spojen ojnicí s klikovým hřídelem, který periodický pohon pístu uvádí do točivého pohybu. Automobilní motory obvykle mají několik spolupracujících válců. Střídavým otevíráním sacího a výtlačného ventilu válce se nasává vzduch a vypouštějí se spaliny. U zážehového motoru je palivo (benzín nebo LPG) nasáván se vzduchem a po uzavření sacího ventilu a stlačení se zapaluje jiskrou, přeskakující mezi elektrodami svíčky. U vznětového motoru (nafta) je stlačením vzduch zahřát natolik, že se nafta vznítí samovolně po vstříknutí do válce. Pohyblivé součásti jsou značně mechanicky a tepelně namáhány, jsou konstruovány z kvalitních materiálů a vyžadují promyšlené mazání. Výkon motoru závisí i na způsobu hoření, který má být plynulý, bez rázů. Kvalitní paliva s vyšším obsahem cyklických a rozvětvených uhlovodíků hoří klidněji a nezpůsobují nežádoucí rázy explozivního hoření. Z tohoto hlediska je palivo možno charakterizovat oktanovým číslem (benzín pro zážehové motory) a cetanovým číslem (nafta pro vznětové motory). Protože zde jde o rychlé spalování s vysokou teplotou, obsahují spaliny tři typy nežádoucích složek, které se dodatečně katalyticky odbourávají; jsou to oxid uhelnatý, oxidy dusíku a nespálené uhlovodíky. Spalovací motor převede na mechanickou energii jen asi 30 % energie paliva; tedy generuje mnoho odpadního tepla a vyžaduje účinné chlazení. Raketová paliva Raketová paliva jsou poněkud zvláštní kategorií, vymykající se chemicky ze souboru fosilních a nefosilních paliv. Podstatným znakem je zpravidla, že jsou určeny i do stratosférického prostoru 67
s nepatrným množstvím vzduchu nebo do prakticky vzduchoprázdného kosmického prostoru. Spalování tedy vyžaduje zásobovat motor vedle samotného paliva i oxidovadlem. Klasická paliva raket pro zábavní nebo vojenské přízemní použití využívají vícesložkových směsí pevných paliv a pevných okysličovadel. Jsou dobře skladovatelné a při zachování elementární opatrnosti i dosti bezpečné. Příkladem jsou okysličovadla na bázi dusičnanů, chlorečnanů, případně chloristanů. Pro krátkodobé akce, např. odpalování kosmických raket, se dají třeba použít také obtížně skladovatelné kapalný kyslík (teplota pod -180°C) s kapalným vodíkem (teplota pod 250°C) jako palivem. Tepelná čerpadla Z každé mechanické energie se při přeměnách něco ztrácí (typicky vlivem tření) jako teplo. Je však také možno účelným postupem pomocí mechanické energie přenést teplo z chladnějšího zdroje na teplejší. Zařízení pro takovouto činnost označujeme obecně jako tepelné čerpadlo. Tepelné čerpadlo sestává z kompresoru, který stlačuje nebo dokonce zkapalňuje vhodný plyn nebo páru. Stlačením se náplň silně zahřeje; necháme-li teplo odvést do okolí a potom tlak uvolníme, dojde k rozepínání plynu a k přeměně par na kapalinu, čímž teplota poklesne hluboko pod původní hodnotu. Každému je známa např. lednička, která odebírá teplo z chladného prostoru a vypouští je do okolí. Větší zařízení najdeme v mrazírnách, na umělých kluzištích, při zkapalňování vzduchu a k hlubokému chlazení v mnoha chemických technologiích. Stejně je zajišťováno i chlazení vzduchu a snižování jeho vlhkosti při klimatizaci. Tepelného čerpadla můžeme užít i obráceně ke zvyšování teploty, čehož se užívá k vytápění budov. Pak teplo odebíráme třeba z okolního vzduchu, z proudící vody nebo z hlubšího vrtu do země. Energie, potřebná k pohonu čerpadla je jen zlomkem energie, kterou bychom potřebovali např. k elektrickému topení, takže jde o vytápění velmi úsporné. Pořizovací cena za zařízení je však poměrně vysoká a ani jeho údržba není nejlevnější.
7.2. Přeměna mechanické energie na elektrickou Velice častým zjevem je vznik statické elektřiny třením. I když může jít o poměrně velká množství elektřiny (elektrické bouře, blesky), tato elektřina se na užitečnou práci příliš nedá využít. Sériová výroba žárovek, kterou zahájil Edison, vedla k názoru, že není nutné mít ke každé žárovce vlastní zdroj elektřiny, ale že je výhodné mít nějaký výhodnější společný zdroj. Proto byla uvedena do chodu první elektrárna, ve které se točivá energie (parního stroje nebo vodního kola) přenášela na generátor elektrického proudu. Bylo jím dynamo, ve kterém se otáčely cívky elektrického drátu mezi magnety. Elektrickou indukcí v nich vznikalo napětí, a přenosem přes sběrač (kolektor) byly z cívek odváděny nahromaděné elektrony jako stejnosměrný proud do obvodu, ke spotřebičům a zpět na druhou stranu cívek. Ve stejnou dobu Nikola Tesla začal dávat přednost alternátoru, kterým vyráběl napětí střídavé. Střídavý proud elektronů se pohyboval obvodem tam a zpět, ale takto mohl rovněž třeba rozžhavit vlákno žárovky. Výhodou střídavého proudu je to, že se transformátorem dá snadno měnit jeho napětí a k jeho přenosu na větší vzdálenost pak stačí tenčí vodiče. Elektrické motory, převádějící elektrickou energii na točivý pohyb, vypadají velmi podobně jako generátory a některé mohou pracovat jak na stejnosměrný, tak na střídavý proud.
68
Elektrárny v současnosti mají výkonné generátory, naháněné parními, plynovými, nebo vodními turbínami, nebo větrnými vrtulemi. Menší pohotovostní zdroje používají k pohonu generátoru spalovací motory na naftu, benzín nebo plyn.
7.3. Přeměna tepla na chemickou energii Základním zařízením alchymistické dílny byly odjakživa kahan nebo pec. Ohřevem je možno z méně ušlechtilých látek vytvořit ušlechtilejší – uložit do nich tepelnou energii přeměněnou na chemickou. Počíná to klasickými metalurgickými výrobami kovů z rud a můžeme pokračovat přes probrané způsoby tepelného zušlechťování paliv, až k přípravám nejrůznějších chemických činidel, produktů a materiálů. Na druhé straně můžeme zase uvolňovat i z jiných chemických látek, než jsou jen paliva, energii jako teplo, mechanickou nebo dokonce elektrickou energii.
7.4. Přeměna energie chemické na elektrickou Elektrické články a akumulátory V roce 1800 Alessandro Volta zjistil, že na různých rozpouštěných kovech vzniká různé elektrické napětí. Použil zinková a měděná plíšky - elektrody, ponořené do kyseliny, čímž vznikl elektrický článek. Sestavením elektrických článků do řady získal baterii, na které se napětí jednotlivých článků sečetla. Pomocí takovýchto jednoduchých baterií probíhala v 19. století většina pokusů a prací s elektřinou. Později byly nalezeny i články druhého druhu, u kterých se dal obráceně působením elektrického proudu rozpuštěný kov přeměňovat na materiál elektrody, takže bylo možno takovýto článek znovu nabít. Tím byl vytvořen akumulátor, umožňující elektrickou energii skladovat k pozdějšímu použití. Nepřekonatelnou nevýhodou praktického využívání elektrických článků je jejich velikost, protože podle elektrochemických zákonů nelze a nikdy se nemůže podařit najít materiál, do kterého by se dalo elektřiny akumulovat velké množství. Dnes nejpopulárnější olověné akumulátory, používané většinou v automobilech, potřebují na uložení 1 kilowatthodiny asi 30 kg. Nejmenší myslitelné akumulátory s lithiem jsou podstatně dražší, ale nedá se u nich očekávat kapacita větší než 1 kWh/kg. Další bolestí akumulátorů je jejich trvanlivost, která se opakováním cyklů nabití – vybití zvolna zhoršuje. V současnosti již delší dobu probíhá výzkum možností používat pro dopravu elektromobilů, hnaných akumulátory. Jedním problémem je hmotnost, protože běžný automobil při plném výkonu spotřebuje 1 kWh za minutu. Z hlediska trvanlivosti se zdá být výhodnější používat jen v menší míře nabíjení přímo ve vozidle, a zařídit výměnnou službu celých akumulátorových baterií, které by se podle potřeby kompletně recyklovaly a obnovovaly v chemické továrně. Druhým problémem je, že elektromobily neprodukují tolik odpadního tepla, aby se s nimi dalo příjemně jezdit v zimě. Ohromné soustavy akumulátorů by vyžadovalo vyrovnávání nepravidelnosti produkce elektřiny z nepředvídatelných obnovitelných zdrojů (vítr, slunce).
69
Elektrolýza Podobně jako při nabíjení akumulátoru, můžeme využít elektrického proudu k tvorbě různých ušlechtilých chemických látek elektrolýzou, která spočívá v propouštění stejnosměrného proudu nějakou těkavou tekutinou, zpravidla roztokem nebo taveninou nějakých solí. Přitom na kladné a záporné elektrodě vznikají různé nové látky. Elektrolýza je poměrně nákladný proces, avšak řadu důležitých látek (např. chlor, hydroxid sodný, sodík nebo hliník) jinak většinou snáze nezískáme. Tyto látky ale využíváme hlavně k jiným účelům než ke zpětnému získávání elektřiny. Palivový článek Palivové články jsou zvláštním elektrochemickým zařízením, využívajícím zvláštního typu polymerních nebo keramických iontovýměnných membrán propouštějících jenom některé látky, například ionty vodíku H+ , které vzniknou tak, že plynný vodík zanechá na elektrodě elektron. Na druhé straně pak proběhne oxidační reakce se vzduchem, při níž kyslík odebere elektron druhé elektrodě. Vcelku z kyslíku a vodíku vznikne voda a mezi elektrodami vznikne elektrické napětí, využitelné k odběru elektrické energie. Použitelných reakcí a systémů článků je známa řada; kromě vodíku se vyvíjejí i články např. na methanol nebo oxid uhelnatý. Vývoj v tomto oboru je v současné době velmi rychlý. Řeší se otázky teploty procesu a tepelných ztrát, ale problémem je zejména trvanlivost membrán a případných katalyzátorů. Články pracují s poměrně vysokou účinností až 50%, což je skoro dvojnásobkem toho, co bychom dostali spálením vodíku v tepelné elektrárně. Obrázek 40: Tankování vodíku do tlakových nádrží autobusu na palivové články (Neratovice)
Autobus v Neratovicích, kde je stálý zdroj vodíku v závodě Spolana, je poháněný elektromotorem na palivové články. Protože i stlačený vodík potřebuje velké objemy nádrží, je odkázán na časté tankování.
70
SHRNUTÍ KAPITOLY
Tato kapitola pojednává o významných možnostech transformace jednoho druhu energie ve druhý, účelnější a lépe technicky využitelný. Podle charakteru situace je pro nás výhodnější energie mechanická (jízda automobilem), jindy elektrická (pohon elektrických spotřebičů…), v některých případech zejména výrobního rázu je pro nás významná energie chemická či tepelná (např. metalurgie, zušlechťování paliv apod. Klasickým velmi progresivním procesem je příprava a použití palivových článků.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. 2.
Příklady využití různých druhů energie Principy transformace energií – příklady a uplatnění
ŘEŠENÍ
Uplatnění energie v každodenním životě předpokládá nalézt její optimální formu, která bude znamenat její efektivní využití s potřebnou účinností procesu. Tyto otázky je nutno posuzovat zásadně celkově s přihlédnutím ke všem možným vlivů, které mohou zvýšit účinnost využití či naopak celkový efekt snížit. Tyto otázky jsou vysvětlovány v daném textu.
ÚKOLY K PROCVIČENÍ
1. 2. 3.
porovnejte účinnost parního kotle a jaderného reaktoru uveďte příklad využití chemické energie souvislost tepelné energie a metalurgie
71
8. SKLADOVÁNÍ A PŘEPRAVA ENERGIE Nabídka a poptávka po energii není trvale vyrovnaná. Jsou tu denní i sezónní výkyvy na obou stranách. Zejména krátkodobě nepředvídatelné jsou zdroje obnovitelné energie: sluneční záření, vítr, sezónní rozdíly jsou i u energie vodní, a občas dochází i k výpadkům v dodávkách paliv. Na straně spotřebitele je to v domácnostech, ve výrobě, v dopravě i ve službách; periodicky se zde mění potřeba světla, tepla i pohonu různých strojních zařízení. Proto je zapotřebí mít k dispozici zařízení ke skladování a k přepravě energie.
CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování kapitoly Vysvětlit způsoby skladování a dopravy paliv, stejně tak tepla a jiných druhů energie. To vše u vědomí skutečnosti, že v této době jsou zmiňované operace Znalosti na různém stupni poznání a technického zpracování
Díky pochopení jednotlivých procesů se orientujeme v možnostech, dovedeme posoudit efektivnost jednotlivých operací a můžeme lépe rozumět Dovednosti jevům, se kterými se v této oblasti setkávám e v denní praxi.
KLÍČOVÁ SLOVA Cisterny, plynojemy, akumulátory, podzemní zásobníky
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Text je prostoupen příklady z denního života, je snadno pochopitelný a zapamatovatelný, proto zde postačí 1,5 hodiny.
72
8.1. Skladování a doprava paliv Pevná paliva Nejsnáze se skladují paliva pevná, která se zpravidla předem upravují. Uhlí se drtí a třídí, dřevo se řeže a štípe. Drobné částice paliva (uhelný prach, dřevěné piliny, neskladná biomasa) se obráceně lisováním spojují do snáze zpracovatelných pelet nebo briket. Pevná paliva se dají skladovat v hromadách, je však nutno zabránit větším povětrnostním vlivům. Zejména méně kvalitní uhlí se vlivem vody a vzduchu rozpadá, přičemž se obnažují reaktivnější složky, například sloučeniny síry, které samovolně oxidují a zahřívají se. Tím může dojít v mezním případě až k samovznícení. Proto se v hromadách uhlí měří teplota a ke ztápění se bere přednostně palivo z čerstvých hromad – na rozdíl od jiných technologií, kde se při skladování drží pravidlo brát ke spotřebě přednostně nejstarší zásoby. K samovznícení může dojít i u biomasy, kde po zvlhnutí začnou probíhat teplo vyvíjející mikrobiologické procesy. Proto se biologické materiály skladují v krytých prostorách. Kapalná paliva Pro skladování kapalných paliv jsou vhodné ocelové nádrže (tanky). Nádrže se opatřují světlým reflexním nátěrem, aby nedocházelo k nežádoucímu ohřevu slunečním zářením, Menší nádrže se raději ukládají do betonových kobek nebo přímo pod zem. Velké zásobníky se stavějí na betonových plochách, opatřených hrázemi vysokými tak, aby se zde v případě náhodného úniku stačil zachytit veškerý objem kapaliny. Nad hladinou paliva se drží páry, které jsou hořlavé a ve směsi se vzduchem výbušné. Obrázek 41: A) Nádrže na ropu, umístěné v betonových bazénech. B) Nádrž na ropu o kapacitě 100 000 t. Zde konkrétně má nádrž plovoucí víko
V nádržích na kapalná paliva se často udržuje atmosféra mírného přetlaku dusíku. Jiným způsobem je vyloučení existence volného prostoru v nádobách s proměnnou hladinou použitím plovoucího víka (střechy). Při plnění nádob těkavými kapalinami vystupují páry paliva z nádoby. Řešením je odsávání par z plněného prostoru a jejich vracení do nádrže, ze které se čerpá. Ze stejných důvodů jsou dnes běžné benzínové čerpací stojany vybaveny hadicemi se souběžným potrubím, kterým se páry paliva při plnění automobilní nádrže přepouštějí do současně uvolňovaného prostoru v podzemním zásobníku. Páry jsou samozřejmě přítomny i v malých nádobách (kanystry, sudy). Zvláště nebezpečné jsou, dojde-li k nadměrnému přehřátí takovéto nádoby například při požáru; pak může dojít k výbuchu a vytvoření nebezpečné, divoce hořící koule. Cisterny pro přepravu kapalných paliv (automobilní, železniční i lodní tankery) se vybavují soustavou přepážek nebo dokonce komor, aby při změně rychlosti nebo směru pohybu nedošlo k nadměrnému rozvlnění obsahu. Velké lodní tankery dopravují až 200 tisíc tun ropy nebo kapalných produktů jejího zpracování. 73
Pro dálkovou přepravu ropy a kapalných paliv se používají ropovody, což jsou potrubí o průměrech většinou 0,3 až 1,3 m. Přečerpávací stanice, kterými se ropa pohání, jsou vzdáleny obvykle 50 až 100 km, při překonávání horských hřbetů však mnohem blíže. Plynná paliva Zemní plyn se skladuje ponejvíce jako stlačený v podzemních zásobnících. Obecně to bývají buďto dříve vytěžená ložiska zemního plynu nebo ropy, k nimž často již vedou potrubí. V některých zemích se využívají prostory, získané vyplavením soli z podzemních ložisek. V ČR to jsou prostory ve vyprázdněných ropných ložiscích, ve vodonosných porézních vrstvách, z nichž je vytlačena voda, a ve vytěžených a pečlivě zatěsněných opuštěných rudných dolech. Celkem je v nich přes 2 miliardy m3 zemního plynu, což odpovídá spotřebě asi za čtvrt roku. Poměrně dost plynu je také zadrženo jen v samotném plynovodu. V tranzitním plynovodu v ČR je to okolo 100 tis. m3/km. Nadzemní tlakové zásobníky slouží jen pro uskladnění menších zásob, protože musí snést větší tlaky, jaké v podzemí udrží okolní hornina. Největší světové pohotové zásoby vytěženého zemního plynu jsou ve zkapalněné formě LNG (Liquified Natural Gas), což znamená, že v nádržích je nutno udržovat pod kritickou teplotu (pod -163°C). Proto jsou lokalizovány spíše na chladnější území (Norsko, Aljaška). LNG se také dopravuje po moři v tankerech v kulovitých tlakových nádobách, vybavených potřebným chlazením. Existují však obavy, že teroristický útok proti těmto zařízením by měl velmi vážné následky. Skladování plynného vodíku stlačeného na menší objem je spojeno s potřebou použít dostatečně pevné a tedy těžké nádoby. V malém měřítku jsou to tlakové lahve (lidově: „bomby“). Skladování vodíku je tak obtížné, že se vodík obvykle vyrábí jen v chemických závodech v místě okamžité spotřeby. Pro uskladnění beztlakého plynu – tradičně svítiplynu nebo koksárenského plynu se užívá velkých nadzemních plynojemů. Je to buďto mokrý plynojem, což je zvon ponořený do vody, nadzvedající se při napouštění plynu nebo suchý plynojem, což je vysoká válcová nádoba s pohyblivým, dobře těsněným víkem Obrázek 42: Mokrý a suchý plynojem
74
Ke zkapalnění ropného plynu LPG stačí za normální teploty jen mírný tlak, takže se dá uchovávat a převážet v poměrně tenkostěnných tlakových lahvích. LPG je těžší než vzduch, takže se nesmí zásobníky umísťovat do podzemních prostor, kde by se mohly případně uniklé páry shromáždit u země v nebezpečné koncentraci. Týká se to i parkování automobilů s LPG pohonem v nedostatečně větraných garážích. Plynovody je zemní plyn dopravován na značné vzdálenosti. Typický průměr plynovodu je nejčastěji okolo 500 mm, vnitřní tlak do 10 MPa, přečerpávací stanice jsou každých asi 100 km. Tranzitní plynovod, procházející přes ČR z Ruska do Evropy má průměr 1400 mm a používá tlak až 7 MPa. Některé plynovody jsou taženy i po dně moří (Afrika – Gibraltar, Norsko – Dánsko, Rusko – Německo). Česká republika odebírá plyn z Ruska a od Norska. Další plyny se většinou potrubími dopravují jen na kratší vzdálenosti mezi jednotlivými továrnami. V ČR je to např. ethylenovod, v Německu existuje i vodíkové potrubí délky okolo 100 km.
8.2. Skladování a přeprava tepla Obecně v letním období máme přebytek tepla, které obráceně potřebujeme v chladnějších měsících. K vytápění obytných a pracovních prostor ústředním topením nebo k vyhřívání skleníků nám stačí teplonosné médium o poměrně nízké teplotě do 70°C. Takového tepla máme k dispozici značné množství ve formě odpadního tepla z jaderných a tepelných elektráren, z koksoven, hutí, oceláren a z mnoha chemických výrob. Bohužel, dlouhodobější skladování tepla se dá využít jen výjímečně. (Například když k otopu používáme zemního tepla z hloubkových vrtů, které tím v zimě ochlazujeme; pak se tam dá teplo v létě zpět vracet.) Ani přeprava tepla není jednoduchá. Využíváme ji jen v případě, že vzdálenost od zdroje ke spotřebiteli je menší. Teplo přenášíme pomocí teplonosného média, což je buďto voda nebo pára. V blízkosti sídlišť obvykle průmyslové zdroje odpadního tepla nejsou. (Například zásobování severních sídlišť Prahy z elektrárny Mělník nebylo rentabilní.) Proto se zřizují teplárny, spalující zpravidla palivo horší kvality a generující páru nebo horkou vodu. Ta se potom rozvádá potrubím k výměníkovým stanicím v jednotlivých budovách, kde se vyhřívá podle potřeby teplá užitková voda a oběžná voda pro ústřední topení. Ochlazená voda nebo kondenzát z páry se vrací zpět do teplárny. Pro menší skupiny budov nebo pro jednotlivé domky či byty se užívají kotle spalující ušlechtilá paliva (nejčastěji zemní plyn), protože spalování plynu nevyžaduje velkou obsluhu a dá se snadno automatizovat. Z hlediska ekonomiky není spalování plynu za účelem získání nízkoteplotního tepla ideální; plyn by mohl napřed pohánět generátor elektrického proudu a k vyhřívání by se použilo teprve tepla odpadního. Příslušná technika k využití tohoto principu však dosud není obvyklá. Potrubí pro přenos tepla musí být dobře tepelně izolovaná, aby se zabránilo ztrátám tepla a k haváriím při případném zamrznutí. Připomeňme, že k přenosu tepla od motoru k chladiči v automobilech se používá nemrznoucí směs, která navíc ani při zmrznutí nezvětšuje objem, jako je tomu u vody. Nemrznoucí směs se také používá pro přepravu chladu při klimatizaci.
75
8.3. Skladování mechanické energie Mechanickou energii můžeme skladovat v různých formách. Malé množství kinetické energie můžeme uložit do roztočeného těžkého kola setrvačníku, který používáme hlavně pro vyrovnávání pulzů zdroje energie; Bylo to důležité u pístového parního stroje, ale uplatní se to i u malých benzínových motorů ručního nářadí (sekačky, pily apod.) Potenciální energii využíváme u vodních toků, a můžeme ji skladovat ve vodě, zadržené v rybnících a přehradách. Zvláštní možností je uložení elektrické energie do mechanické vyčerpáním vody do vysoko umístěné nádrže, odkud ji zase v případě potřeby můžeme spouštět na turbínu elektrárny. Takové sestavě říkáme přečerpávací elektrárna a hodí se pro vyrovnávání nerovnoměrné produkce a spotřeby elektřiny. Bohužel, stavba je nákladná a míst, kde by přírodní poměry umožnily přečerpávací elektrárny budovat, není mnoho. Obrázek 43: Horní nádrž přečerpávací elektrárny Dlouhé Stráně (Jeseníky). Objem 3,4 miliony m3, rozdíl výšek 510 m, výkon 650 MW.
Další možností je uložit energii do tlakové energie stlačeného plynu. Tak například přenášíme energii od kompresoru k pneumatickým kladivům (sbíječkám). Uvažuje se o tom v souvislosti s vyrovnáváním příkonu větrných nebo solárních elektráren. Protože však stavba objemných tlakových nádob je velmi drahá, vyžaduje to mít k dispozici těsné podzemní prostory. V ČR však jsou takovéto prostory používány především pro skladování zemního plynu.
8.4. Skladování a rozvod elektřiny O skladování elektřiny v akumulátorech jsme se již zmínili. Dá se tak uskladnit jen poměrně malé množství elektřiny v zařízení o značné hmotnosti a ceně a o omezené trvanlivosti. Nabíjení je dosti zdlouhavé. Místo zřizování nabíjecích stanic se pro použití v automobilech zdá být východiskem výměnná služba celých bloků akumulátorů, které by se podle potřeby periodicky obnovovaly ve výrobním závodě. Elektřina se dá ukládat i do jiných elektrolytických procesů. Nevýhodou je, že přitom obvykle vznikají špatně skladovatelné plynné produkty, jejichž skladování je obtížné a využití v palivových článcích není dosud zvládnuto.
76
Rozvod elektřiny nadzemními i podzemními kabely je dobře zvládnut. Poměrně nové nároky na budování a provozování rozvodných sítí klade využívání nepředvídatelných zdrojů obnovitelné energie. Kabely jsou nejčastěji z hliníku, u silných nadzemních vedení je to obvykle svazek hliníkových vodičů s ocelovým jádrem pro zvýšení pevnosti. Menší domovní rozvody užívají izolované vodiče z mědi, které jsou méně choulostivé vůči mechanickému poškození a korozi. I když se o tom příliš nemluví, jdou ztráty energie elektrickým odporem ve vedení a v transformátorových stanicích do desítek procent přenášené energie. Při rozvodu se s výhodami (které nastínil už před sto lety Nikola Tesla) používá střídavý trojfázový proud, jehož napětí lze snadno měnit transformátory. Ukazuje se však, že při dálkovém vedení by mohlo přinést jisté omezení ztrát elektrickou indukcí využití vysokonapěťového proudu stejnosměrného. Tesla se také bezúspěšně pokoušel přenášet na dálku silový proud bezdrátově, podobně jako se přenáší např. radiový signál. Dnes víme, že je to teoreticky vyloučeno.
77
SHRNUTÍ KAPITOLY
Využití jednotlivých druhů energie je ovlivněno více faktory, zejména však druhem a propojením zdroje energie se spotřebičem. Proto je pro nás naléhavým problémem určení optimálního druhu energie pro uvažovaný proces a také doprava této energie k místu přímé spotřeby (aplikace). O druzích a efektivnosti se již blíže jednalo, zde nás zajímá přívod energie k použití, při tom technické provedení může být provedeno různými formami. Od jednoduchých – nádoby – přes náročnější – potrubí – až ke složitým formám – elektrická energie, její transformace, rozvodné sítě, zpětná transformace na užitná napětí… apod. O těchto okolnostech se pojednává v této kapitole.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. Způsoby dopravy pevných druhů paliv 2. Přeprava kapalných a plynných paliv 3. Uskladňování plynných a kapalných paliv 4. Rozvody elektrické energie 5. Transformátory
ŘEŠENÍ
Základním úkolem spojeným s využitím energie je její doprava od zdroje ke spotřebiči. To je možno provádět různými formami. Úkolem je zvolit takový systém dopravy a skladování, který povede k optimálnímu využití a co nejvyšší dosažitelné účinnosti.
ÚKOLY K PROCVIČENÍ
1. 2.
Propočtěte množství přepravované energie autocisternou o daném objemu a výhřevnosti přepravovaného ropného produktu. Potřebné údaje vyhledejte v příslušné databázi. Jak lze skladovat jednotlivé druhy energie – uveďte hlavní možnosti
78
9. ZUŠLECHŤOVÁNÍ POTRAVINOVÝCH PRODUKTŮ CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování kapitoly Uvědomíte si, že potraviny jsou významným zdrojem energie, při tom způsob jejich zajišťování je nepřetržitě ve vývoji. Od prvních informací z let dávno minulých se dostáváme k postupům, které znamenají významný bod v řízení jakosti potravin, jak jsme toho dnes a denně svědky. Základní Znalosti informace ukazují, že této oblasti lidské existence je potřeba věnovat se neustále zejména při zajišťování dostatku potravin a vody bez ohledu na zeměpisné uspořádání naší planety.
Po zvládnutí těchto základních informací zjišťujeme, že způsoby, jimiž lze zajistit dostatek potravin, se odlišují, souvisí to zejména s klimatickými podmínkami, proto je nutno tyto podmínky respektovat a mnohdy uměle Dovednosti zajistit.
KLÍČOVÁ SLOVA Potraviny, krmiva, zemědělství, kvašení, konzervace, skladování, mrazírenství, sušení
ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Nezbytné je uvědomit si souvislosti, což lze stihnout za přibližně 1 hodinu.
79
Velice zvláštní formu energie představují potraviny a krmiva. Člověk vydá při lehkých činnostech asi 10 000 kJ za den, za každou hodinu těžké práce nebo sportu je k tomu nutno přidat až 1 000 kJ. Tuto spotřebu kryje potravinami. Člověk se původně živil jako sběrač plodin a lovec. Již od raného vývoje před několika stovkami tisíc let využíval člověk ohně k přípravě potravin. Ohřevem se stává jak masitá, tak i rostlinná strava lépe stravitelnou. Sušením na slunci nebo nad ohněm se dalo maso sušit, případně udit, čímž se daly vytvářet zásoby na horší sezóny. Významným se stalo solení, neboť prosolené maso hůře podléhá rozkladu vlivem mikroorganizmů. Sůl se ve vnitrozemí stala významným výměnným artiklem. Důležitým pokrokem se stalo pastevectví. Chov dal možnost měnit i méně kvalitní rostlinnou stravu zvířat na mléko a maso – kvalitní zdroj energie, která navíc byla dostupná po celý rok. Mnohem později se začalo rozvíjet zemědělství, dávající usazené populaci možnost získávat rostlinné produkty ve větším množství. Asi před desetitisící lety se začaly objevovat hrnčířské výrobky, umožňující vaření a skladování tekutin. Při skladování mléka vznikal tvaroh a sýry. Při skladování ovoce, zeleniny a vlhkého obilního zrní docházelo k mikrobiologickým přeměnám mléčným kvašením (kyselé zelí) a někdy i ke kvašení lihovému, kterým vznikaly alkoholické nápoje. Potraviny se upravovaly i mechanicky, zejména obilní zrní se roztloukalo na mouku. Původně se zrno na mouku drtilo mezi kameny, později se proces postupně mechanizoval až po vznik specializovaných mlýnů a skladování zrna v sýpkách. Ohřevem v horké peci se daly z mokré mouky získat lépe stravitelné placky. Po předběžném zkvašení těsta se pečením získal porézní měkčí chléb, jaký známe dodnes. Středověké zámořské plavby se pídily mimo jiné po získávání koření, které nejen mění chuť potravin, ale do jisté míry je chrání proti zkáze. Objevení Ameriky ale také přineslo na evropský kontinent brambory, kukuřici a tabák. V populaci, zabývající se převážně zemědělstvím, docházelo postupně k výběru vhodných odrůd. Zjistilo se, že se vyplatí vkládat energii do orby, zavlažování a hnojení půdy a do racionálního střídání plodin, využívajícího luštěnin, vojtěšky a jetele, obnovujících obsah dusíkatých látek v půdě. Technická revoluce přišla s novými zemědělskými stroji, s minerálními hnojivy a s prostředky proti hubení škůdců. Rovněž chov zvířat se stal velkochovem s používáním nejrůznějších léčiv a krmivových doplňků. V současnosti je snaha použití chemických přípravků omezovat, neboť vnášejí do potravního řetězce některé nežádoucí látky. Došlo k budování velkých potravinářských závodů, zpracovávajících potravina a vyrábějících ze zemědělských surovin vysoce energetické produkty jako cukr, škrob nebo líh. Velký zájem byl o konzervování potravin. Masné konzervy byly vynalezeny pro potřeby vojska za Napoleonských tažení. Později se konzervace a sterilizace staly běžnými i pro další potraviny. Zdokonalilo se i sušení a daří se sušit i takové tekuté materiály, jakými je mléko nebo vejce. Použití strojního chlazení umožnilo mrazit potraviny, což umožňuje dlouhodobé skladování při zachování chuti i obsahu vitaminů a dalších cenných látek, které by se ohřevem znehodnocovaly. Pro potřeby kuchyňského zpracování existuje dnes i řada domácích strojků, umožňujících pohodlně zkoušet důmyslné úpravy potravin. Je třeba ale mít na paměti, že současné podmínky v Evropě vycházejí ze snadné dostupnosti potravin, což svádí k nadměrnému příjmu energie a chorobám souvisejícím s obezitou. 80
SHRNUTÍ KAPITOLY
Pokud má lidská populace zabezpečovat v celé šíři svoji existenci a současně zajistit vyhovující životní prostředí, musí si mimo jiné zajistit dostatek kvalitní potravy, protože tak nahrazuje (doplňuje) energii, vynaloženou k běžným činnostem, spojeným se zajištěním nezbytných životních podmínek. Veškerá práce, sportovní a turistické výkony, tzv. volnočasové aktivity jsou spojeny se spotřebou energie, tu je potřeba doplňovat. Povětšinou se tak děje konzumací nejrozmanitějších druhů potravin, zahrnujících maso, zeleninu, ovoce, mléko a mléčné výrobky aj. včetně nejrůznějších potravinových doplňků (vitaminy, posilovací prostředky apod.) Zajištění takového množství potravin – obživy obecně je spojeno s racionální činností lidského činitele, zejména v zemědělství. Kromě toho nás ovšem musí zajímat i uchování těchto produktů, což se děje opět více formami. K nim lze zařadit sušení, konzervaci, zmrazování aj., to je ovšem opět spjato s nejrůznějšími formami technického uspořádání.
KONTROLNÍ OTÁZKA
1. 2. 3.
jak je hrazena energie, vydaná lidským jedincem při realizaci jeho veškerých životních projevů které hlavní zdroje lze uvést jaké formy trvalejšího zajištění prostředků obživy lze v lidské společnosti identifikovat ?
ŘEŠENÍ
Lidská existence je spojena se zajišťováním veškerých energetických nároků, mezi něž patří i dostatek obživy a vody. Pro tyto účely je možno uplatnit různé formy, povětšinou vycházející z kvalitní zemědělské velkovýroby. Je však známo, že její výsledky souvisí s klimatickými podmínkami, které jsou na zeměkouli rozdílné a závisí na geografickém uspořádání. Proto je nutno, aby neproduktivní fáze kalendářního roku byla zajištěn takovými produkty, které se dají získat v jiných ročních obdobích. Proto se používají způsoby, umožňující, uchovávání zejména potravin po delší dobu. Jsou možné různé způsoby, z nichž řada je neustále technicky i technologicky rozvíjena. Pro příklad můžeme uvést sušení, mražení, konzervování, uzení aj.
ÚKOLY K PROCVIČENÍ
1. 2.
vyjmenujte vám známé způsoby uchovávání potravinářských produktů pro neproduktivní období kalendářního roku které moderní postupy dovedete vysvětlit?
81
10. NÁMĚTY PRO BUDOUCNOST V současnosti má euroamerická společnost schopnost zajišťovat si přebytek energie ve všech formách. Důsledkem je, že se zde energií plýtvá. Sice bezprostředně nehrozí nějaký děsivý scénář výpadku zásobování energií, ale je nutno chovat se co možno rozumně. Proto se hledají i menší a hůře dostupná ložiska fosilních paliv a vymýšlí se způsoby, jak jich v budoucnu využít. Současně se hledají i nejrůznější zdroje energie obnovitelné. Důležitá je i práce na straně spotřeby: za posledních 50 let klesla spotřeba paliva v automobilech asi na polovinu, moderní stavby nepotřebují tolik energie k udržování příjemné teploty, a hlavně se stávají úspornějšími velké průmyslové výroby (jako elektrárny, chemické a metalurgické závody). Stejně však je nejdůležitějším současným úkolem nejschopnějších fyziků, inženýrů a matematiků dostat se k řešení jaderné fúze, čímž by bylo zajištěno získávání energie pro celé lidstvo i v daleké budoucnosti.
82
SEZNAM ZDROJŮ A POUŽITÁ LITERATURA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
AUGUSTA, P. a kol. (2001), Velká kniha o energii, L. A. Consulting Agency,s.r.o., Praha, ISBN 80-238-6578-1 CENEK, M. a kol., Obnovitelné zdroje energie. FCC PUBLIC, s.r.o., Praha, 2001, ISBN 80901985-8-9 HALLIDAY, D. a kol. (2000), Fyzika, VUTIUM, Brno, ISBN 80-214-1869-9 Kaloč, M.: Základy pyrolýzy… Kaloč, M: Průmyslový uhlík, VŠB-TU Ostrava 1994 Kaloč, M.: Energochemie uhlí, VŠB-TU Ostrava 1986 Kolektiv autorů (2003) Obnovitelné zdroje energie a možnosti jejich uplatnění v České republice, Praha 2003 LIBRA, M., POULEK, V. (2007) Zdroje a využití energie. CZU v Praze, Praha, ISBN 97880-213-1647-8 LIBRA, M., POULEK, V. (2010), Fotovoltaika, teorie i praxe využití solární energie, ILSA, Praha, ISBN 978-80-904311-5-7 LIBRA, M. a kol. (2003), Fyzika v příkladech, R. Hájek, Ústí nad Labem, ISBN 80-8654017-0 MUSIL, Petr (2009), Globální energetický problém a hospodářská politika, C. H. Beck, ISBN 9788074001123 PASTOREK, Z. a kol., Biomasa. FCC Public, Praha, 2004
83
ČÁST B PRACOVNÍ AKTIVITY PRO STUDENTY A ŽÁKY PRACOVNÍ LISTY PRO 1. STUPEŇ ZÁKLADNÍ ŠKOLY Praktická část je „knihovnou interaktivních výukových objektů", soubor výukových materiálů, podporujících individuální i skupinovou práci. Tato sekce umožňuje získat a využít informace pomoc prezentací, znalostních kvízů, testů, pracovních listů a dalších materiálů. Každá aktivita bude obsahovat text pro pedagoga, s návrhem motivace studentů. Celkové pokyny pro pedagoga budou obsaženy v metodické příručce.
Pracovní list č. 1A Cílová skupina: pro žáky 1. až 5. tříd základních škol Rozsah: 1 hodina Poznámka: Tento pracovní list pro žáky 4. resp. 5. postupného ročníku má z řady důvodů poměrně úzký operační prostor. Přesto se i zde dá najít několik možností. – přípravná fáze – spočívá ve výkladu pojmu energie, teplo, světlo, plyn – to lze zajistit „přednáškou se světelnými obrazy“, jejichž dostupnost je snadná – praktická fáze – je dána formou stručných exkurzí na typická pracoviště v malých skupinách. Klade vysoký nárok na organizaci a bezpečnost a lze zde doporučit spoluúčast rodičů a přátel školy. Co lze doporučit? Hornické museum na Landeku Dílčí sbírku ve staré radnici, kde je funkční model šachty Koksovnu Třinec nebo ArcelorMittal DEZA Valašské Meziříčí Vodárna Nová Ves Aj. – podle lokality školy, přepravních možností, počtu žáků atd.
Pokyny pro učitele
Zde je smyslem vysvětlit dětem základní pojmy – propojit tyto hodiny s hodinami jiných těsně souvisejících předmětů – metodický postup se jistě neodlišuje od předmětů, směřujících k vysvětlování základních pojmů v životě lidské společnosti. Zdůraznit současně souvislost větších energetických jednotek s průmyslovou činností v dané lokalitě. Příklad: důl ČSM Karviná koksovna Třinec Třinecké železárny a.s. Třinec metalurgický kombinát Třineckých železáren a.s. Třinec
Pomocí barevných špendlíků či různobarevných terčíků, opatřených čísly znázornit na mapě České republiky zdroje paliv, elektrárny uhelné, Úkol s elektrárny vodní, elektrárny jaderné, plynárny, koksovny učitelem
84
Například: Černý terčík…černé uhlí Hnědý terčík…hnědé uhlí Světlemodrý terčík…vodní elektrárny Žlutý terčík…fotovoltaické centrály Červený terčík…tepelné elektrárny Zelený terčík…jaderné elektrárny Fialový terčík…koksovny Růžový terčík…plynárny Tmavomodrý terčík – hutní podniky, slévárny, strojírny K jednotlivým číslům v připojeném přehledu napsat název lokality, typ energetického zdroje, druh paliva…
85
PRACOVNÍ LISTY PRO 2. STUPEŇ ZÁKLADNÍ ŠKOLY Metodické využití níže uvedených pracovních listů je pestré. Z hlediska praktického provedení máme možnost provést řešení (naplnění) pracovních listů např. jako kvízovou soutěž mezi družstvy tříd. Otázky se dají zmodifikovat, doplnit, posílit podrobnostmi atd. Vše je dáno tvůrčí invencí daného pedagoga. Níže uvedené je samozřejmě jen návodem, který lze v případě zájmu vskutku řešit v několika formách. Vedení školy může motivovat účast v soutěži např. zajištěním exkurzí na některou energii produkující průmyslovou jednotku. Např. expozice „Svět techniky“, koksovna, podzemní zásobník plynu Štramberk, přečerpávací elektrárna Dlouhé stráně, spalovna Sitta, aj.
Pracovní list č. 1B: Práce a energie? Jméno: Datum:
Třída:
Lidská společnost je založena na využívání přírodních zdrojů, které jsou soustavně přizpůsobovány potřebám jedinců tak, aby byla zajištěna jejich existence. Proto člověk využívá své tělesné konstituce, vykonává řadu pohybů, které jsou účelově zaměřeny k naplnění veškerých jeho požadavků a tužeb. K tomu používá své tělesné orgány, jejich funkce je koordinována prostřednictvím centrální nervové soustavy. Zmíněnou činnost lze rozdělit na práci, na rozvoj tělesné soustavy člověka (sport, tanec apod.) a na údobí relaxace, znamenající zpravidla odpočinek a obnovu fyzických i duševních sil člověka. Všechny tyto formy jsou spojeny s čerpáním energie, kterou lidský organismus vytváří soustavou reakcí, vyvolaných přijímáním potravy, dýcháním a dalšími aktivitami. Díky pohybu člověka v určitém prostředí se jedinec dostává do interakce (vzájemného působení) s významnými složkami životního Motivace prostředí, kam na prvém místě řadíme Slunce a jeho záření. Od toho se odvíjí funkce jiných složek životního prostředí (vítr, déšť, chlad, teplo…), např. úloha vodních zdrojů, půdních podmínek a jiných přírodních komponent. S rozvojem lidské společnosti se počáteční, původní (základní) forma energie – lidských svalů začala měnit, významnou roli sehrál oheň a jeho využívání v lidské existenci, člověk si uvědomoval sílu vodních toků, větru a jiných, vše směřovalo k dalšímu rozvoji poznání, v důsledku toho se zde objevily i jiné dosud nepoznané druhy energií – např. tepelná k tavení kovů (doba bronzová – doba železná…) a další… Avšak s tímto vývojem si člověk začal uvědomovat potřebu s jednotlivými jevy hospodařit, k zajištění tepelné pohody si začal stavět přístřešky, oheň si pečlivě střežil jako složku nezbytnou pro 86
život, šetřil i zdroji vody a dalšími složkami, např. s dřevem k otopu aj.
Charakterizujte hlavní etapy vývoje lidské společnosti ve vztahu k potřebám energie, práce a využívání přírodních zdrojů.
Úkol s učitelem
Zdůvodněte časovou posloupnost doby bronzové a doby železné.
Úkol s učitelem
Charakterizujte hlavní etapy vývoje lidské společnosti ve vztahu k potřebám energie, práce a využívání přírodních zdrojů.
Úkol s učitelem
1) Sestavte s v týmu max. 4 spolužáků odpovědi na tyto otázky: a) Jaký je rozdíl mezi prací a energií? b) Které hlavní události znamenají výrazné změny ve vývoji lidské společnosti?
Úkol
2) Vyhodnoťte se spolužáky správnou odpověď na první otázku. 3) Obhajte před třídou vámi vybrané pozitivní nebo negativní změny, o kterých se domníváte, že ovlivnily další vývoj lidské společnosti.
Pracovní list č. 2B: Paliva a energie Cílová skupina: pro žáky 6. až 9. tříd základních škol Rozsah: 2 hodiny Poznámka: Upouštíme od stylizace odpovědí na otázky níže uvedené, protože jsou dopodrobna uvedeny v příslušných kapitolách výukového modulu. Ponecháváme na úvaze a rozhodnutí pedagoga, zda, kdy a jakou formou bude znalosti studentů kontrolovat. Může to být i test před klasifikací nebo jiná forma, již výše zmíněná. Z níže uvedených úkolů je možno sestavit zkušební testy účelným rozdělením otázek, pro zvýšení efektu a zájmu možno využít soutěživosti žáků a postavit proti sobě několik družstev. To závisí na počtu tříd, skupin atd. Mohou to také být družstva dívek proti chlapcům apod.
87
Pokyny pro učitele
Jméno: Třída:
Datum:
Za předpokladu, že jsme si v předchozí vyučovací hodině vysvětlili pojmy práce a energie a také rámcový historický vývoj. Uvědomili jsme si nezbytnost energie a její spojitost s lidskou existencí. Nastává však čas k vysvětlení souvislosti práce a energie s jejími formami, jakož i se zdroji, danými přírodou, což jsou fosilní paliva, s obnovitelnými energetickými zdroji a objektivně ukázat úlohu jaderné energie. Na straně druhé nelze pominout využívání energie a působení na životní prostředí, s čímž se setkáváme jak ve slovním vyjádření (skleníkový efekt, ozonová díra, emise…) tak i Motivace v praktických projevech jako smog, zápach, polétavý prach, popel, znečištěná voda, černé skládky aj. Je tudíž na nás, abychom pochopili nezbytnost využívání energie v těch nejrůznějších formách, avšak současně způsoby tohoto využívání volili tak, aby bylo životní prostředí dotčeno co nejméně, abychom s energetickými zdroji dokázali hospodařit, abychom snižovali onu energetickou náročnost.
1. Které formy energií znáte? 2. Jaké jsou energetické zdroje?
1. 2. 3. 4.
Úkol s učitelem
Které druhy paliv znáte? Jaké jsou jejich základní vlastnosti? Jaké jsou základní podmínky hoření paliv? Souvislost jejich spalování s ochranou životního prostředí?
Vysvětlete podmínky hoření jednotlivých druhů paliv a uveďte rozdíly v těchto pochodech.
Jaké jsou hlavní způsoby přeměny energie na její účelnější formy?
Úkol s učitelem
Úkol s učitelem
Úkol s učitelem
88
1. Co víte o jaderné energii? 2. Jak je technicky využívána?
Úkol s učitelem
Uhlí 1. Druhy 2. Hlavní ložiska v České republice 3. Využití
Úkol s učitelem
Ropa 1. 2. 3. 4.
Hlavní produkty jejího zpracování Světová naleziště Co znamená pojem petrochemie Užití ropných a petrochemických produktů
Zemní plyn
Úkol s učitelem
Úkol s
1. Formy jeho využití 2. Zdroje v ČR a ve světě
učitelem
Obnovitelné zdroje energie
Úkol s
1. Obecný přehled 2. Využitelnost jednotlivých druhů
1. Využitelnost sluneční tepelné energie 2. Využitelnost vodní energie 3. Příklady
89
učitelem
Úkol s učitelem
Pracovní list č. 3B: Topné plyny Jméno: Třída:
Datum:
Oblast použití plynných paliv je specifická z více důvodů, jednak jde o podmínky jejich spalování (hořáky, přebytek vzduchu, přívody, rozvody, regulace tlaku aj.), jednak zdroje, kam patří jak přírodní zdroj – zemní plyn, tak i uměle - technicky připravené topné plyny jako je koksárenský, generátorový, bioplyn, karbonský plyn, vodní plyn, směs propan-butan aj. Je třeba uvědomit si, že pochody, při nichž je nezbytné použití plynu Motivace jakožto zdroje energie, probíhají za různých teplotních podmínek. Mísením výše zmíněných druhů plynu můžeme „nachystat“ plyn o takové výhřevnosti, která bude zabezpečovat potřebnou provozní teplotu a současně bude proces probíhat hospodárně (nebude přetopeno“). Při využívání plynných paliv však musíme mít na zřeteli bezpečnostní opatření, aby nedošlo k otravám nebo ke vzniku výbušných směsí.
Jaké jsou možnosti uskladňování plynu, typy, výhody, nevýhody?
Úkol s učitelem
Které složky topných plynů jsou jedovaté a čím jsou nebezpečné?
Úkol s učitelem
Které složky topných plynů jsou hořlavé?
Úkol s učitelem
Co je to balastní složka plynu?
Úkol
90
Který z běžně používaných plynů má největší výhřevnost?
Co víme o vodíku?
Úkol s učitelem
Úkol s učitelem
Má perspektivu? Proč není více užíván?
Jaké jsou hlavní bezpečnostní pravidla při používání plynných paliv?
Úkol s učitelem
Pracovní list č. 4B: Transformace energie Jméno: Třída:
Datum:
Smyslem úlohy je ukázat přeměnu jednotlivých druhů energie, pro které naleznou vyšší stupeň využitelnosti. Obecně je o této skutečnosti pojednáno v předchozích statích. Zde jde o modelovou Motivace ukázku přeměny tepelné energie v kinetickou a posléze v elektrickou. Samozřejmostí je vysvětlení veškerých bezpečnostních pravidel.
Praktická stránka spočívá v sestavení jednoduché aparatury, jíž lze demonstrovat výše zmíněné přeměny. Provedení: a) do varné baňky se nalije voda přibližně do poloviny objemu a uzavře zátkou Úkol s b) uzavřená baňka se umístí do topného hnízda a zapne se přívod učitelem proudu c) do svorky laboratorního stojanu se umístí dynamo, opatřené vrtulí d) listy vrtule se nastaví proti ústí trysky tak, aby na ně směřoval proud vzniklé vyrobené vodní páry e) kontakty dynama se propojí s kontakty na svítilně (nebo na objímce žárovky) 91
f) proudem páry na vrtuli dojde k jejímu roztočení g) dynamo produkuje proud, který rozsvítí žárovku. Před vlastní praktickou částí je nutno uvést základní bezpečnostní pravidla.
Pracovní list č. 5B: Výroba plynu Jméno: Třída:
Datum:
Smyslem úlohy je ukázat, jak při ohřevu běžné organické hmoty lze za nepřístupu vzduchu vyrobit hořlavý plyn. Tento proces je obecným principem výroby koksu a koksárenského plynu, případně zplyňování. Postup je využíván také při uzení potravin. Praktická stránka spočívá v provedení jednoduchého laboratorního pokusu.
Motivace
Samozřejmostí je vysvětlení veškerých bezpečnostních pravidel.
Provedení: do zkumavky nasypeme menší vrstvu suchých hoblin důkladně ji uzavřeme zátkou upevníme šikmo v laboratorní svorce přistavíme zapálený kahan tak, aby byla náplň pomalu zahřívána Zprvu pozorujeme, že z hoblin uniká zbylá (reziduální) vlhkost Úkol s v podobě páry, posléze unikají vzniklé dehtové výpary a plyn. Ten učitelem prochází trubičkou. f) hořlavost dehtového výparu můžeme zkoušet zápalkou nebo jiným zdrojem ohně g) úlohu můžeme rozšířit o mezichladič, v němž se sráží dřevní dehet atd. h) po ukončení pokusu a ochlazení vyjmeme ze zkumavky zbylou hmotu, tvořenou vlastně dřevěným uhlím. a) b) c) d) e)
92
PRACOVNÍ LISTY PRO STŘEDNÍ ŠKOLY Pracovní list č. 1C: Energie budoucnosti: obnovitelné zdroje nebo jaderná energie? Jméno: Datum:
Třída:
Vzdělávací cíl: kromě vlastního vzdělávacího obsahu také: žák rozvíjí schopnost argumentace, formuluje své názory, učí se opírat o fakta, učí Motivace se týmové spolupráci.
Evokace (10 – 15 minut) Pobídněte žáky, aby metodou rychlého brainstormingu Úkol s jmenovali jednotlivé zdroje energie. Vyzvěte žáky, aby během 10 minut sestavili vlastní učitelem myšlenkovou mapu na téma: „Obnovitelné a neobnovitelné zdroje energie“
Uvědomění (60 – 70 minut) Úloha k zamyšlení: Pro ohřev vody většina z nás použije rychlovarnou konvici. Kdybychom ji chtěli napájet elektřinou ze slunečního záření, jak velkou plochu by zaujímaly fotovoltaické panely, které jsou schopny za slunečného počasí vyrábět až 50 Wh/m2, což ale v celoročním průměru dává pouze okolo 5 Wh/m2? Aktivita Argumentace (práce ve skupině): 1. Žáky rozdělíme do 5 pracovních skupin (Slunce, voda, vítr, biomasa, uran). Úkol s 2. Každé skupině přidělíme text o jednom ze zdrojů energie. učitelem Žáci vyhledávají v textu informace a fakta (mohou využít i internetu), která použijí v diskuzi s ostatními členy pracovní skupiny. 3. Každá skupina vytvoří poster ve formátu A2. Poster obsahuje jak výhody, tak nevýhody daného zdroje energie. Cílem je, aby obsah posteru přesvědčil, že tento zdroj energie je ten pravý. 4. Každá skupina prezentuje „svůj“ zdroj energie. Délka prezentace pro každou skupinu – max. 5 minut. Samostatná práce: Každý žák si vytvoří tabulku, ve které uvádí
93
výhody a nevýhody těchto druhů energie – Slunce, voda, vítr, biomasa, uran.
Reflexe (5 - 10 minut) Žák v rámci reflexe vyhodnocuje a doplňuje myšlenkovou mapu z úvodu vyučovací hodiny, doplňuje je ji o osobní postoj k probíranému tématu.
Úkol s učitelem
Pracovní list č. 2C: Fosilní paliva Jméno: Datum:
Třída:
Evokace (5 – 10 minut) vyzvěte žáky, aby v rámci metody brainstormingu vysvětlili pojem fosilní paliva, vyjmenovali druhy fosilních paliv,…
Úkol s učitelem
Uvědomění (60 – 70 minut) žáci pracují na základě metody skládankového učení (v případě, že je pro žáky tato metoda nová, učitel žákům popíše jednotlivé kroky aplikované na téma fosilní paliva) – 35 – 40 minut 1. Žáci se rozdělí do 3 skupin (1. sk. -uhlí, 2. sk. - ropa, 3. sk. zemní plyn). 2. Každý žák v rámci skupiny obdrží text týkající se té části, která je určena jeho pracovní skupině (je nutné text nakopírovat v dostatečném množství tak, aby měl každý žák text k dispozici). 3. Úkolem členů skupiny je pozorně si přečíst celý text a připravit si stručnou prezentaci pro své spolužáky. 4. V rámci skupiny se snaží společně shrnout nejdůležitější informace v textu. Domluví se na způsobu, jakým předají informace ostatním spolužákům. 5. Žáci sestaví nové skupiny tak, aby v každé skupině byl jeden zástupce každé z předchozích 3 skupin. 6. V rámci nové tříčlenné skupiny představí ostatním každý žák obsah svého textu.
Úkol s učitelem
94
S využitím řízené diskuse provede učitel společně s žáky shrnutí základních faktů. (5 minut) Učitel rozdá žákům pracovní listy, které žáci vypracovávají samostatně. (20 – 25 minut) Kontrola správnosti řešených úkolů z pracovního listu.
Reflexe (5 minut) V rámci reflexe si žák klade následující otázky, na které pak odpovídá: 1. Které nové pojmy jsem se dnes naučil? 2. Kterému z pojmů, či jevů jsem neporozuměl? 3. Kterému pojmu, jevu bych věnoval více času, chtěl bych se dozvědět více?
Pokyny pro učitele
Úkol s učitelem
PRACOVNÍ LIST – FOSILNÍ PALIVA Úkol č. 1: Doplňte text: Uhlí bylo do vybudování sítě ropovodů a plynovodů hlavním palivem v Evropě. Uhlí bylo zušlechťováno na vysoce výhřevný bezdýmný ………………………. a na plynný ………………………………. V ČR je významné naleziště ……………………. ……….. v Hornoslezské pánvi (Ostrava, Karviná), pokračující dále do Polska. V okolí Hodonína je naleziště mladšího hnědého uhlí, tzv. ……………………… Těžba uhlí se provozuje v zásadě dvěma způsoby - těžba ……………………. a těžba ………………………………. Při těžbě uhlí vzniká vylámaná neuhelná hornina, tzv. ……………………………………., která byla většinou vrstvena do vysokých kuželů, které nazýváme …………………………………………….. Úkol č. 2: Doplňte tabulku, která popisuje rozdíly mezi černým a hnědým uhlím: Černé uhlí
Hnědé uhlí
Způsob těžby Výhřevnost Obsah uhlíku Obsah vody Naleziště v ČR
95
Úkol č. 3: Své znalosti z oblasti fosilních paliv si ověřte v následující křížovce. V tajence se ukrývá pojem, který pak vysvětlete. 1. období prvohor, kdy předpokládáme vznik černého uhlí 2. zkratka pro zkapalněný zemní plyn (v angličtině) 3. nejvýhřevnější černé uhlí 4. obnova těžbou poškozené krajiny 5. petrochemický závod, kde se zpracovává ropa 6. pracovat v dole nebo také sestupovat (sjíždět) do dolu 7. výbušný plyn doprovázející ložiska uhlí
Tajenka: ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… Úkol č. 4: a) Seřaďte jednotlivé frakce (nafta, lehké oleje, benzín) tak, jak se postupně oddělují v atmosférické frakční destilační koloně: 1
………………………… 2 .…………………………… 3 .…………………………………
b) Destilačním
zbytkem
je
tekuté
palivo,
které
označujeme
jako
……………………………………………. Uveďte aspoň jeden druh produktu, který následně získáváme ve vakuové koloně úpravou výše zmíněného tekutého paliva: ……………………………………………..
c) Destilačním zbytkem z vakuové destilace je …………………………Uveďte příklady jeho využití:……………..…………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………….………………………… …………………………………………………………………………………………………… Úkol č. 5 Značnou část elektrické energie zajišťují tepelné elektrárny, které k pohonu alternátorů nezbytně potřebují vodní páru příslušných parametrů (teplota a tlak). Tyto kotle mohou nabývat různých konstrukčních úprav, jedno je však společné, je to jakost vody – tzv. napájecí vody, která se vlivem teploty a tlaku mění v onu energetickou páru.
96
Tato napájecí voda se připravuje z vody užitkové tím, že se z ní pomocí různých postupů odstraňují nečistoty mechanického i chemického rázu. Dřívější postupy tzv. změkčování vody byly nahrazeny jinými progresivními metodami. Smyslem exkurze je ukázat studentům jednak potřebu úpravy vstupní vody, jednak zařízení, na kterém se celý proces zajišťuje. Pod vedením pedagoga navštivte tepelnou elektrárnu a seznamte se se způsobem úpravy napájecí vody k výrobě energetické páry.
Pracovní list č. 3C: Výroba plynu – laboratorní demonstrace Jméno: Třída:
Datum:
Přívod energie ke spotřebiči může být veden různými formami. Výhodou ušlechtilejších zdrojů energie je poměrně jednoduchý přívod a regulace příkonu. Obecných příkladů je řada, ten běžný známe z denní praxe, jde o přívod plynu ke spotřebiči – plynovému kuchyňskému sporáku.
Laboratorní pokus může být rozšířen modifikován zkoumáním Motivace plynodajnosti dřeva, černého uhlí, hnědého uhlí, koksu apod., abychom si dokázali uvědomit rozdílnou míru tohoto ukazatele. Uspořádání experimentu závisí také na technické vybavenosti pracoviště.
Proto v následujícím pokusu ukážeme, jak z tuhého zdroje energie (uhlí, koks, dřevo aj.) lze vyrobit plyn, který po vyčištění proudí plynovodem ke spotřebiči nebo do zásobníku. – plynojemu. Sluší se podotknout, že se vedou intenzivní výzkumy procesů zplyňování jiných tzv. netradičních hmot jako je biomasa, sláma, seno, dřevní kůra, odpadní plasty aj. Provedení: b) c) d) e)
f) g)
Úkol s a) do zkumavky nasypeme menší vrstvu suchých hoblin důkladně ji uzavřeme zátkou učitelem upevníme šikmo v laboratorní svorce přistavíme zapálený kahan tak, aby byla náplň pomalu zahřívána Zprvu pozorujeme, že z hoblin uniká zbylá (reziduální) vlhkost v podobě páry, posléze unikají vzniklé dehtové výpary a plyn. Ten prochází trubičkou. hořlavost dehtového výparu můžeme zkoušet zápalkou nebo jiným zdrojem ohně úlohu můžeme rozšířit o mezichladič, v němž se sráží dřevní dehet 97
atd. h) po ukončení pokusu a ochlazení vyjmeme ze zkumavky zbylou hmotu, tvořenou vlastně dřevěným uhlím. Samozřejmostí je vysvětlení veškerých bezpečnostních pravidel.
Pracovní list č. 4C: Provozní cvičení - koksovna Jméno: Třída:
Datum:
O výrobě koksu byla v příslušné stati uvedena základní informace. Schematické uspořádání celé výroby je uvedeno na obrázku, je tudíž možno učinit si představu o vlastním provozu. Samotná koksárenská baterie je nejsložitějším tepelným agregátem a není jednoduché zabezpečit její správný aerodynamický režim tak, aby tepelná bilance vycházela co nejlépe. I z těchto důvodů je výroba koksu zařazena do praktické části. Úkolem studentů je prohlídka zařízení a sepsání stručné situační zprávy o konkrétním zařízení, které viděli. V podstatě jde o rozdělení ročníku na menší skupiny – tak kolem 10 studentů a prohlídka agregátu. Je možno navštívit nějakou koksovnu. Schéma koksovny Arcelor Motivace
98
Pracovní list č. 5C: Provozní cvičení na úpravně napájecí vody – Teplárna Třebovice Jméno: Datum:
Třída:
Z probíraného textu je patrno, že značnou část elektrické energie zajišťují tepelné elektrárny, které k pohonu alternátorů nezbytně potřebují vodní páru příslušných parametrů (teplota a tlak). Tyto kotle mohou nabývat různých konstrukčních úprav, jedno je však společné, je to jakost vody – tzv. napájecí vody, která se vlivem teploty a tlaku mění v onu energetickou páru. Tato napájecí voda se připravuje z vody užitkové tím, že se z ní pomocí různých postupů odstraňují nečistoty mechanického i chemického rázu. Dřívější postupy tzv. změkčování vody byly nahrazeny jinými prostřednictvím iontoměničů a jinými progresivními Motivace metodami. Smyslem provozního cvičení je ukázat studentům jednak potřebu úpravy vstupní vody jednak zařízení, na kterém se celý proces zajišťuje. Úkolem studenta je posléze spatřený postup stručně popsat a zdůraznit smysl této úpravy
99
11. PRACOVNÍ LISTY S ODBORNÝM TEXTEM V ANGLICKÉM A ČESKÉM JAZYCE 11.1. Energy Energy accompanies us at every single step and is at the same time the main phenomenon of origination and development of the world getting to know by us. There are many forms and sources of energy. Man observes during his life – in his favour – transformation of energy in a work and the transformation runs mostly in several degrees. Important phase is to gain a noble energy with expectance of: storability, transferability, readiness to be converted into a work, simplicity of equipment for conversion to a work, limitation of undesirable environmental effects. Energy uses to be defined as the ability to do a work. Energy can also generate a useless or harmful work. An advantage of energy and its use is the fact that it can be transformed, transferred and replenish. Einstein came to the conclusion hundred years ago that energy is a state of the matter. Relation between energy (E) and mass (h) is solving in one of the most famous formula: E=m.c2, where c is the speed of light. Mass-energy equivalence is used in high energies disciplines (astrophysics, particle physics) and is also important for understanding of processes in nuclear physics. The primary source of energy on Earth is the Sun, where raging thermodynamic reactions take place like in other stars. They send mainly thermal and light radiation into the space. Part of the energy is concealed in the earth´s core. Photochemical reactions are the most important activity of solar radiation. They transform substances available on Earth in substances with higher chemical energy. They help to form atmosphere with oxygen around Earth and to make complex substances on Earth´s surface. These substances can oxidize what enables reverse joining with oxygen and parallel energy release. The most important photochemical reaction is photosynthesis that all green plants are able to implement. They produce with help of light, water and CO2 a structural and storage components of their bodies and release oxygen. A reverse process takes place during a burning of the plant material and the long stored energy is quickly emitted as thermal energy. Wind is also accumulated solar power. It is caused by irregular warming of land and sea. Water falling on an elevated land keeps potential energy that is able to do a work during the water flow. Man uses also many other forms of energy: electric power, chemical and newly also nuclear energy. The principle of nuclear energy is based as on splitting of atoms (most of nuclear power plants) so on hydrogen nuclei joining that seems to be promise for the future. Man needs the energy immediately for so called priority targets. They are: food and drinking water providing, protection against external influences. Inessential functions are enabled to man, thanks to the energy, such as movement, growth and reproduction.
100
Výkladový slovník pojmů Anglicky
Česky
conclusion
závěr
core
jádro
environmental
týkající se životního prostředí
future
budoucnost
growth
růst
nuclear energy
jaderná energie
oxygen
kyslík
power plant
elektrárna
promising
slibný
release
uvolnit
replenish
doplnit
reproduction
reprodukce, množení
space
prostor, vesmír
splitting
dělení, štěpení
store
shromáždit, skladovat
transformed
přetvořený
water flow
vodní proud
101
Slovník pojmů
11.2. Energie Energie nás provází na každém kroku a je současně hlavním fenoménem vzniku a rozvoje námi poznávaného světa. Existuje mnoho forem i zdrojů energie. Člověk ve svém životě sleduje – ke svému prospěchu – většinou přeměnu energie na práci, která probíhá většinou v několika stupních. Důležitým stupněm je získávání ušlechtilejší energie, od které očekáváme zejména: skladovatelnost, dopravovatelnost, pohotovost k přeměně na práci, jednoduchost zařízení pro přeměnu na práci, omezení nežádoucích environmentálních účinků. Energie bývá definována jako schopnost konat práci. Energie může ale generovat i práci neužitečnou či dokonce škodlivou. Výhodou energie a jejího využití je fakt, že ji je možno do jisté míry přeměňovat, přemisťovat a doplňovat. Einstein před sto lety došel k závěru, že energie je vlastně formou hmoty, vztah energie E a hmotnosti m řeší jedna z nejslavnějších rovnic vůbec: E= m.c2, přičemž c je rychlost světla. Vztah energie a hmotnosti je využíván v oblasti vysokých energií (astrofyzika, částicová fyzika) a je rovněž významný pro porozumění procesům jaderné fyziky. Základním zdrojem energie na Zemi je Slunce, ve kterém, podobně jako v jiných hvězdách, probíhají bouřlivé termodynamické reakce, vysílající do prostoru zejména tepelné a světelné záření. Část energie je rovněž ukrytá v horkém zemském jádru. Nejvýznamnějším projevem slunečního záření jsou fotochemické reakce, kterými se z látek dostupných na Zemi stávají látky s vyšší chemickou energií. Díky nim se vytvořil kolem Země vzdušný obal, obsahující kyslík a na zemském povrchu se vytvářely složitější látky. Ty jsou schopné oxidace, což představuje zpětné spojování s kyslíkem ta současného uvolňování energie. Nejdůležitější fotochemickou reakcí je fotosyntéza, kterou jsou schopny realizovat zejména zelené rostliny. Ty s pomocí světla, vody a CO2 vytvářejí stavební a zásobní látky svých těl a uvolňují kyslík. Zpětný proces probíhá při hoření rostlinného materiálu a dlouho ukládaná energie se rychle uvolňuje jako energie tepelná. Vítr je rovněž akumulována sluneční energie, způsobená nepravidelným ohříváním pevniny a moře. Vodě, dopadající na zvýšenou pevninu, zůstává energie polohová, která při toku vody je schopna konat práci. Člověk ale využívá i mnohé další formy energie: energii elektrickou, chemickou a nově zejména energii jadernou, pracující jak na principu štěpení atomu (většina jaderných elektráren), tak na principu spojování vodíkových jader, která jak se zdá, bude příslibem do budoucnosti. Člověk potřebuje bezprostředně energii k takzvaně prioritním cílům, to je k zajištění stravy, pitné vody, k ochraně před vnějšími vlivy a pomocí energie jsou mu umožněny nezbytné funkce: pohyb, růst a rozmnožování.
102
ČÁST C METODICKÁ PŘÍRŮČKA Základní metodické přístupy V této části učebního textu jsou uvedeny některé příklady, které představují návod na uplatnění praktických postupů a osvědčených pedagogických metod. V podstatě jde o potřebu vzbudit pozornost a zájem studenta o danou oblast vědy a techniky alespoň do té míry, aby získané poznatky dokázal propojit s každodenním životem a v žádném případě nenahlížel na celou aktivitu jako na přehlídku ztraceného času a nudné memorování pouček či ukládání nevýznamných fakt do své šedé kůry mozkové. Tím, že jsou voleny příklady s praktickým vyústěním, lze docílit snazšího uchopení poznatků s možností jejich dlouhodobějšího používání v denní praxi. Student si posléze dovede řadu okolních jevů vysvětlit, dovede také řešit praktické úkoly, které nese s sebou život. Výměna názorů mimo jiné i na způsob posouzení problému a rozhodování o nejvhodnějším přístupu k jeho řešení – to jsou ony hnací momenty s trvalým účinkem. Nezastupitelnou roli zde sehrává učitel, působí zde v roli moderátora, který koriguje nepřesné či nesprávné názory nebo i postupové kroky, v pravý čas dovede do výměny názorů zasáhnout, mnohdy navede studenty na vhodnější směr apod. Z didaktického hlediska jsou možné různé formy: může jít o test, luštění rebusů, scrable, kvízy, „výroba“ učebních pomůcek, modelů, schémat apod., studenti mohou vystupovat jako jednotlivci nebo se dočasně stát členy soutěžních skupinek, to je možno jistě volit podle aktuální situace. Učitel musí být sám dobře připraven, musí studentům doporučit či ukázat různé učební pomůcky, může je s nimi dokonce vyrábět, může je v souladu se zásadami J. A. Komenského poučit přímo in medias res, u strojů, u zařízení apod. podle osvědčeného pravidla „raději jednou vidět než desetkrát číst“…zejména v případech, které lze pozorovat in natura. Jde např. o různé typy metalurgické výroby, o úpravny vody, o návštěvu tepelné elektrárny apod.
Práce a energie Cílová skupina: pro žáky 6. až 9. tříd základních škol Rozsah: 2 hodiny Poznámka: Možná práce ve dvojicích nebo ve skupinkách. Prezentace před hodnotící komisí, tj. učitel a dva spolužáci, možnost přizvání externího experta.
Pokyny pro učitele
Spotřeba tepla v provozu základní školy a připojených pracovišť Vzdělávací cíl: nabytí praktických znalostí z oblasti hospodaření energií v konkrétním případě. Posílení obecného přehledu a získávání podrobných údajů o faktorech, které mohou výrazně spotřebu energie ovlivnit. Způsoby měření spotřeby tepla případně jiných druhů energie
103
Cílová skupina: žáci 2. stupně základních škol zejména v předmětech fyzika, matematika, chemie. Dále podle možnosti a lokality vzdělávací instituce lze stejnou úlohu zadat i studentům SŠ. Rozsah: 4 vyučovací hodiny, z toho 2 h k získání potřebných údajů, další 2 h posléze ke zpracování získaných údajů, vyhodnocení, výpočtům, sestavení závislosti Metodická poznámka: z organizačního hlediska je lépe dát žákům v menších skupinkách přesně určené zadání, které zjistí na odpovídajících měrných elementech (vodoměry, elektroměry, kalorimetry, štítkové výkony agregátů apod. – rozdělení a přidělení podle místní situace v daném školském zařízení Pomůcky: Poznámkový sešit, dvojarch čtverečkovaného papíru Toto praktické cvičení navazuje na příslušné odstavce textu z části A, učitel vysvětlí žákům způsoby zjišťování potřebných údajů, vysvětlí základní systém měření spotřeb, výkonů atd. Spolu s žáky sestaví bilanční tabulku, zdůrazní dodávky tepla ve všech existujících variantách, kam patří dodávka teplé vody z dálkového topení, obdobně množství tepla, potřebné k otápění budovy a přiléhajících objektů, dále spotřeba elektrické energie, topného plynu, způsoby odečtu z měřicích systémů atd. Žáci si k tomu účelu pořídí jmenovité položky, které budou podle přiděleného „pracoviště“ zjišťovat – evidovat. Po ukončení praktické části se provede kontrola všech získaných údajů a jejich převedení na shodnou měrnou jednotku (Joule nebo kWh). Současně žáci provedou přepočty na výdaje financí jako úhrady za odebrané energie. V navazující volné besedě se zdůrazní potřeba úspor energie pro provoz školy a také důsledky působení produkce energie na životní prostředí.
Paliva a energie Vzdělávací cíl: Řešení tohoto úkolu spočívá v konstatování znalostí podle jednotlivých úkolů, probíhá formou zkušebního testu – 10 otázek, jejichž znění bude upřesněno podle lokality dané základní školy – sourodost školy s okolím – výskyt dolů, energetických základen (elektrárny, kotelny, teplárny, bioplynové stanice aj.) Časově je výhodnější zařadit řešení tohoto úkolu ke konci pololetí, v němž je předmět zařazen, má souvislost s chemií, biologií, fyzikou a zeměpisem. Podle časové návaznosti výuky zeměpisu daného regionu lze dílčí otázky uplatnit i zde. Smyslem výuky je připomenout studentů (žákům), že existují různá paliva a různé druhy energie, jejichž využití musí být optimální – právě z uceleného pohledu, kam patří dostupnost, cena, účinek na životní prostředí, typ agregátu, který onu energii nárokuje, odpady, škodliviny, toxicita aj. Zde je třeba rozvinout samostatné tvůrčí myšlení žáka, aby nezanedbal některý z podstatných vlivů. Pokyny pro učitele Učivo z této fáze výuky by mělo být zařazeno v návaznosti na osnovu souvisejících předmětů. Jako informační zdroj je kromě tohoto textu řada odborných pojednání 104
včetně mapek, z nichž lze získat i velmi podrobné informace. Doporučuje se koordinace osnov v daných předmětech tak, aby se nekřížily, neopakovaly, naopak, aby byly co nejvíce přizpůsobeny náplni jednotlivých disciplin. Cílová skupina žáci 2. stupně základních škol, kterým jsou předávány ve vyučování veškeré potřebné informace. Mohou to ovšem být i studenti gymnázia. Metodická poznámka kromě již výše řečeného je žádoucí posílení grafických příloh výuky, tj. mapy, schémata, tabulky, grafické závislosti Pomůcky: Vhodná mapa republiky a případně jednotlivých průmyslových oblastí.
Topné plyny Cílová skupina: pro žáky 6. až 9. tříd základních škol Rozsah: 1 hodina Poznámka: Praktické úkoly, řešené formou dotazů a odpovědí při práci se studenty
Pokyny pro učitele
Transformace energie Cílová skupina: pro žáky 6. až 9. tříd základních škol Rozsah: až 2 hodiny Poznámka: Uvedený pokus je možno předvést také žákům 1. stupně, případně středních škol, rozšíření aparatury, způsob hodnocení atd. jsou již v kompetenci příslušného pedagoga. Pomůcky: elektrické topné hnízdo; varná baňka o objemu alespoň 1dm3; zátka se skleněnou trubicí, ohnutou do pravého úhlu a na jednom konci zúženou do trysky; laboratorní stojan se svěrkou; funkční dynamo např. z jízdního kola; objímka se žárovkou z baterky případně kompletní svítilna z jízdního kola; zvonkový drát, případně dva tenčí izolované vodiče
Pokyny pro učitele
Výroba plynu Cílová skupina: pro žáky 6. až 9. tříd základních škol Rozsah: až 2 hodiny Poznámka: Uvedený pokus je možno předvést také žákům 1. stupně, případně středních škol, rozšíření aparatury, způsob hodnocení atd. jsou již v kompetenci příslušného pedagoga. Pomůcky: větší zkumavka, opatřená zátkou s vývodem v podobě trubičky, plynový kahan, laboratorní stojan se svěrkou, dřevěné hobliny, zápalky
105
Pokyny pro učitele
Skladování plynu Vzdělávací cíl: Na praktickém cvičení lze doplnit zejména představu o způsobech uskladňování topného plynu pro účely jeho dalšího využívání. Zde se zdůrazňuje homogenita složení (daná difuzními vlastnostmi plynu), posléze rovnoměrný tlak a v neposlední řadě výkyvy v produkci plynu z jakéhokoliv důvodu. Vedle zopakování základních skutečností o plynojemech se student seznámí se skutečným zařízením v provozních podmínkách formou exkurze. Hodnocení přínosu spočívá jednak v popisu daného zařízení (suchý plynojem, podzemní zásobník…) a v zadání propočtu, jinými slovy na základě statistického údaje získaného ve statistické ročence student vyčíslí x-denní reservu daného objektu pro tu či onu hospodářskou jednotku či domácnost. Tím si student uvědomí i potřebu věnovat pozornost číselným údajům, publikovaným ve sdělovacích prostředcích. Pokyny pro učitele: Učitel na příslušných schématech vysvětlí studentům sestavu plynojemu, způsob regulace tlaku, těsnění a další technické detaily. Obdobně vysvětlí možnost využití podzemních prostor (kaverny) s vhodnou geologickou sestavou jejich stěn ke skladování plynu. Poukáže i na možnost využití prostor po vyčerpání ropného ložiska. Posléze připraví exkurzi na podzemní zásobník (Štramberk, Lovosice aj….) a uloží jednotlivým žákům – studentům délku rezervy plynu podle měrné spotřeby. Cílová skupina: Žáci 2. st. ZŠ a studenti SŠ Metodická poznámka: kromě již výše řečeného je žádoucí posílení grafických příloh výuky, tj. mapy, schémata, tabulky, grafické závislosti. Energie budoucnosti: obnovitelné zdroje nebo jaderná energie? Cílová skupina: pro studenty 1. – 4. ročníku gymnázií, středních odborných škol Rozsah: 2 hodiny V rámci předmětů: zeměpis, biologie (ekologie), seminář a cvičení z biologie (ekologie), popřípadě základy společenských věd Pomůcky: studijní texty pro žáky (odpovídající počet dle pracovních skupin) – zdrojem obsahu textu je studijní opora – kapitoly „Jaderná energie“ a „Obnovitelné zdroje energie“, internet, rychlovarná konvice, papíry ve formátu A2 (minimálně 5 kusů), fixy, zvýrazňovače.
Pokyny pro učitele
Fosilní paliva Cílová skupina: pro studenty 1. – 4. ročníku gymnázií, středních odborných škol Rozsah: 2 hodiny V rámci předmětů: zeměpis, biologie (ekologie), seminář a cvičení z biologie 106
Pokyny pro učitele
(ekologie) Rozsah: 2 vyučovací hodiny Pomůcky: pracovní listy pro žáky, texty pro skládankové učení (odpovídající počet dle pracovních skupin a počtu žáků v pracovních skupinách) – zdrojem obsahu textu je studijní opora – kapitola „Fosilní paliva“ Výroba plynu – laboratorní demonstrace Cílová skupina: pro studenty gymnázií a středních odborných škol Rozsah: až 2 hodiny Poznámka: Při studiu příslušných kapitol jsme se dověděli, že přívod energie ke spotřebiči může být veden různými formami. Pomůcky: větší zkumavka, opatřená zátkou s vývodem v podobě trubičky, plynový kahan, laboratorní stojan se svěrkou, dřevěné hobliny, zápalky
107
Pokyny pro učitele
