4.
Doprava energie klasickými (univerzálními) způsoby dopravy 4.1.
Železnice
Železniční doprava má v našem státě dlouholetou tradici. V České republice se provozovalo na přelomu století celkem zhruba 9,5 tis. km tratí z nichž je cca 30 % elektrifikováno. Význam železnice zejména pro přepravu osob se sice stále snižuje, protože je vytlačována pružnější silniční dopravou, ale pro dopravu nákladů hlavně větších hmotností či objemů, což pro transport paliv všech druhů platí beze zbytku, si svůj význam udržela. Pro dopravu tuhých paliv jsou železnice v naší republice nejdůležitější, a proto je nezbytné, některé technicko-ekonomické ukazatele vyložit podrobněji. Jsou to energetická účinnost, měrná spotřeba energie a náklady na jednotku dopravní práce [Kč/tkm], poměrné užitečné vytížení vlaků a ukazatelé z hlediska energeticko-ekonomického.
4.1.1. Technicko-hospodářské ukazatele železniční dopravy paliv 4.1.1.1. Energetická účinnost železniční dopravy Energetická účinnost je podle [11] dána poměrem vykonané dopravní práce k práci, kterou bylo nutno k tomuto účelu vynaložit v primárním energetickém zdroji. Tento poměr může být vztažen buď přímo na dopravní prostředek nebo na zdroj energie. Účinnost závisí jednak na účinnosti samotného dopravního motoru, například parního stroje, naftového motoru, elektromotoru, příp. plynové turbiny, a jednak na dalších ztrátách, jako jsou chod naprázdno, práce mimo ekonomický výkon a jiné vedlejší ztráty, což vesměs určuje střední provozní účinnost. Pro ilustraci můžeme uvést, že střední roční účinnost parní železniční vozby byla 3-4%, dieselelektrické vozby 20-25% a elektrické vozby až 80%. V tomto případě se ovšem počítá s účinností pouze samotného dopravního motoru, nepočítá se s účinností dopravy a těžby energie pro pohon tohoto motoru. Je známo, že výroba elektrické energie je velmi energeticky náročná, takže i při vysoké účinnosti elektrického motoru se celková účinnost elektrické vozby snižuje na 20-24%. I přes tento nepříznivý aspekt byla elektrická trakce asi 5krát až 8krát levnější než parní, což vedlo v naší republice k úplnému zrušení parní trakce na počátku sedmdesátých let minulého století. Dieselelektrická trakce, která je energeticky rovnocenná trakci elektrické, je sice investičně méně náročná a není závislá na dodávkách elektřiny, ale je znevýhodněna vysokými cenami nafty. 4.1.1.2. Dopravní práce a měrná spotřeba paliva Rozhodujícím pro posouzení ekonomické účinnosti pohonu vlakové soupravy není pouze energetická účinnost, ale spotřeba primární energie a náklady na ni připadající na jednotku dopravní práce. Dopravní práci vyjadřujeme v tunokilometrech [tkm] a vypočítáme ji jako součin přepravené hmotnosti a dopravní vzdálenosti. Není to tedy práce ve fyzikálním smyslu a je to odlišný pojem od pojmu trakční práce. Ve zjednodušeném tvaru lze psát pro trakční práci, což je práce ve fyzikálním smyslu, kterou musí vykonat lokomotiva při přesunu nákladu určité tíhy na určitou vzdálenost, následující vzorec:
(311)
kde
A je
trakční práce
Q
tíha vlaku
l
ujetá vzdálenost
[MJ] [MN] [km]
206
κ
trakční odpor při jízdě
[kN/MN]
Pro měrnou spotřebu paliva či elektřiny (dieselová či elektrická trakce) platí
(312)
(313)
kde
mpal je měrná spotřeba paliva
[kg/t.km]
qpal
výhřevnost paliva
[kJ/kg]
η
účinnost trakčního pohonu
ael
měrná spotřeba elektrické energie
[kWh/t.km]
Dříve v celoročním průměru spotřebovala parní lokomotiva asi 80 kg kvalitního hnědého uhlí (výhřevnost 18 800 kJ) na 1000 tkm. Elektrická lokomotiva spotřebuje na tutéž práci 24 kWh, což představuje v nákladech přibližně čtvrtinu. 4.1.1.3. Poměrné užitečné vytížení vlaků Tímto faktorem respektujeme skutečnost, že při dopravě mimo užitečný náklad je nutné dopravovat i hmotnost samotných dopravních prostředků. Poměrné užitečné vytížení k u určujeme jako poměr tíhy (resp. hmotnosti) užitečné zátěže k celkové tíze (hmotnosti) naloženého dopravního prostředku.
(314) kde
Qu , Mu Q, M
je
tíha resp. hmotnost nákladu
[MN, t]
celková tíha resp. hmotnost naloženého dopravní prostředku
[MN, t]
Pomocí tohoto ukazatele jsme schopni vyčíslit náklady připadající na jednotku užitečné dopravní práce. Tyto jednotkové náklady jsou důležitým technicko-ekonomickým ukazatelem dopravy. Na vytížení dopravních prostředků má vliv: - poměrná zatížitelnost vozidel (vagónů), která je dána poměrem hmotnosti dovoleného zatížení k hmotnosti plně zatíženého vozu (přibližně 0,7), - poměrné vytížení vozidel, které je dáno množstvím a hmotností konkrétního nákladu (u prázdného vozu 0 a u plně naloženého vozu 1), - poměrná váha vlakové zátěže, což je poměr hmotnosti vlaku na spřáhle lokomotivy k celkové hmotnosti vlaku včetně lokomotivy a užitečné zátěže. 4.1.1.4. Hmotnostní výkon Hmotnostní výkon závisí přímo úměrně na rychlosti dopravních prostředků a nepřímo úměrně na jízdním odporu. Hmotnostní výkon lze obecně vyjádřit jako poměr trakčního výkonu k hmotnosti dopravního prostředku:
207
[kW/t]
kde
(315)
Pt je
trakční výkon
[kW]
v
průměrná rychlost dopravního prostředku
[m/s]
Z energetického hlediska při porovnání rychlosti dopravy, hmotnostního výkonu a jízdního odporu vyjde, že nejpomalejší typy dopravy jako je lodní doprava, jsou energeticky nejvýhodnější a naopak letecká doprava, která je nejrychlejším typem, je energeticky velmi nevýhodná. Tento závěr plyne z toho, že s rychlostí prudce stoupají jízdní odpory prostředí. Z ukazatelů hmotnostního výkonu a rychlosti jízdy můžeme také určit měrnou spotřebu energie v dopravě. Jestliže se energie získává např. z paliva o určité výhřevnosti, závisí měrná spotřeba energie přímo úměrně na hmotnostním výkonu a nepřímo úměrně na rychlosti dopravy a výhřevnosti paliva. Po úpravě vyjde jednoduchý poměr trakčního odporu a účinnosti motoru:
(316) kde
spal je měrná spotřeba energie na dopravu energie
[1/km]
Jak bylo uvedeno, odpor prostředí stoupá se čtvercem rychlosti, tedy hmotnostní výkon s třetí mocninou rychlosti, takže měrná spotřeba energie stoupá s rostoucí rychlostí velmi rychle. Je tedy nevýhodné z energetického hlediska zvyšovat rychlost nad určitou mez, kdy zvýšená spotřeba trakční práce není vyvážena ekonomickými úsporami ze zrychlení dopravy. Jedná se o klasický technicko-ekonomický výpočet, přičemž určení úspor ze zrychlení dopravy je možné pomocí činitele času neboli diskontní míry. Je totiž jisté, že hodnota přepravovaného nákladu je během dopravy z jednoho místa na druhé neproduktivně vázána, podobně jako jsou vázány peněžní prostředky v průběhu stavby, kdy ještě nezačal provoz investice. Úspora zrychlením dopravy je dána součinem hodnoty nákladu, diskontní míry a úspory času při dopravě daného nákladu. 4.1.1.5. Dopravní rychlost a výkonnost Dopravní rychlost, jak již bylo uvedeno, závisí na hmotnostním výkonu a nepřímo na jízdním odporu. Tento ukazatel z technicko-ekonomického hlediska nepovažujeme za hlavní, pouze jím charakterizujeme časový průběh dopravy a slouží nám k určení dopravní výkonnosti. Dopravní výkonnost je množství dopravovaného užitečného nákladu za časovou jednotku. Umožňuje plánovat celkový rozsah dopravního systému, je-li známo nutné dopravované množství v určitém časovém intervalu. Udává se obvykle dopravním tokem v hmotnostních jednotkách za časový úsek [t/h, t/den, t/rok].
4.1.2. Železniční doprava uhlí Při dopravě tuhých paliv z místa těžby ke spotřebiteli vznikají ztráty energie, které přepočítáváme na dopravovaný energetický zdroj. Jsou to ztráty: - při těžbě (vnitrozávodovou dopravou na dole)
208
- při dopravě - ostatní (otěrem, ztráty na substanci). Při železniční dopravě je hmotnost dopravovaného tuhého paliva asi 50% z celkové hmotnosti vlaku. Čím kvalitnější tuhé palivo dopravujeme, tj. palivo s vyšší výhřevností, příp. s vyšším energetickým obsahem, tím více stoupá energetická účinnost jeho dopravy. Doprava tuhých paliv má v celkové železniční dopravě značný podíl. V našem státě se pevná paliva dopravují na větší vzdálenosti asi ze 75 % po železnici, přičemž doprava pevných paliv činí z celkového dopravovaného množství nákladu po železnici asi 55 %. Obdobná situace je v řadě průmyslově vyspělých zemí. V celkových nákladech na tuhá paliva u spotřebitele činí dopravní náklady přibližně 40 %. Těží-li se pevná paliva v příznivých geologických podmínkách a dopravují-li se na velké vzdálenosti, může se zvýšit podíl dopravních nákladů v celkových nákladech až na 75 % i více. Investiční náklady na železniční dopravu se skládají z nákladů na drážní těleso (60%), nádraží, uhelné terminály (15%) a nákladů na vlaky (25%). V devadesátých letech minulého století činily v ČR každoroční celkové investiční výdaje do železniční infrastruktury 9÷ ÷13 mld. Kč a provozní výdaje se vyšplhaly až k 15 mld. Kč v roce 2000. Buduje-li se železniční trať zcela nově, jsou investiční náklady značné, a to především tam, kde je hornatý a členitý terén. Investičně náročné jsou však i rekonstrukce a případné rozšíření již stávajících tratí. Při dopravě tuhých paliv je možné s výhodou použít jednoúčelových těžkotonážních vlaků, které cyklicky obíhají v pravidelných intervalech mezi dolem a spotřebitelem, což je ve velké většině případů elektrárna. Je možné zavést mechanizaci a automatizaci a udržovat poměrně velkou průměrnou rychlost dopravy (až 80 km/h).
4.1.3. Doprava jaderných paliv Použije-li se jaderného paliva pro výrobu elektrické energie, je problém jeho dopravy podstatně odlišný od dopravy klasických paliv. Koncentrace energie v jaderném palivu je tak velká, že elektrárna může být z hlediska dopravy umístěna kdekoliv. Jaderné materiály se mohou dopravovat při zajištění potřebné bezpečnosti všemi dopravními prostředky, tj. lodí, vlakem i nákladním automobilem. Nejčastěji se však jedná o dopravu po železnici. Rozdíly v dopravovaných objemech paliva jsou dány třemi fázemi: - doprava uranové rudy do továrny na jaderné palivo (největší objem), - doprava jaderného paliva do elektrárny (vysoká koncentrace energie), - doprava vyhořelého paliva z elektrárny buď k odpadnímu uskladnění nebo k dalšímu
zpracování.
První fáze dopravy uranové rudy není nebezpečná a zajišťuje se normálně volně loženými náklady, další dvě fáze vyžadují poměrně značná bezpečnostní opatření. I když jsou dopravní náklady vzhledem k zvláštním výše uvedeným podmínkám poměrně nízké ve svém souhrnu, dopravní sazby na jednotku hmotnosti či objemu jsou vysoké vzhledem k nutnosti zajistit maximální bezpečnost. Odhaduje se, že dopravní náklady činí asi půl procenta z dopravy adekvátního množství energie v klasickém palivu. Z tohoto důvodu lze říci, že doprava energie v jaderném palivu je i při všech vícenákladech z titulu zajištění bezpečnosti nejekonomičtější dopravou vůbec.
4.1.4. Doprava kapalných paliv a zkapalněného plynu po železnici V našich podmínkách se vnitrostátní přeprava ropných produktů děje obvykle po železnici cisternovými vagóny, jejichž průměrná velikost činí asi 40 m3 . Největší cisterny mají obsah do 100 m3. Výhodou tohoto
209
způsobu dopravy na kratší vzdálenosti je možnost sestavovat vlaky s různými dopravovanými naftovými produkty, možnost připojení vlakových cisteren do normálních vlakových souprav a snadná nakládka a vykládka, která se děje pomocí čerpadel. To umožňuje zásobovat i drobné odběratele. Nutnost dopravovat současně s užitečným nákladem i relativně těžkou cisternu znevýhodňuje ekonomicky železniční dopravu tekutých paliv proti dopravě potrubím. Na konci století se u nás přepravilo ročně po železnici cca 1700 tis. t kapalných paliv [23]. Kromě kapalných paliv se železnicí přepravuje také zkapalněný zemní plyn, který však vyžaduje chladírenskou úpravu cisteren. Jednodušší je doprava propan-butanu, který je kapalný při tlaku 2 MPa za normální teploty v tlakových nádobách. Propan-butan se získává oddělením ze zemního plynu a lze jej získat jako odpad při rafinaci ropy k výrobě benzinu. Při přepravě zkapalněného plynu je třeba dbát zvýšené opatrnosti, protože při havárii nebo nesprávné manipulaci hrozí nebezpečí výbuchu a následného požáru se všemi neblahými důsledky pro zdraví a život lidí, zvířat a majetku.
210
4.2. Lodní doprava 4.2.1. Říční doprava 4.2.1.1. Říční doprava tuhých paliv Doprava tuhých paliv loděmi po řekách, příp. přirozených a umělých jezerech je velmi výhodná a v mnoha státech běžná. Používá se lodí do nosnosti až 2500 tun sestavených do souprav, které jsou taženy, případně postrkovány jednou pohonnou jednotkou. Moderní tlačné remorkéry mají příznivé technickoekonomické parametry a mohou v dopravě tuhých paliv zajistit zásobování velkých aglomerací i továren. Jedinou nevýhodou je malá rychlost dopravy, která je ovšem vyvážena velkým přepravovaným objemem. Celkově je vodní doprava ekonomicky nejvýhodnější s nejmenšími energetickými nároky, je však vázána na přirozené vodní toky. Rozšíření vodní dopravy umělým způsobem - průplavy, kanály - je ve větším rozsahu investičně velmi náročné. Přesto při dopravě velkých množství a na dlouhou dobu se tyto úpravy vyplácejí právě tím, že provozní náklady jsou nízké. V naší republice přicházejí v úvahu pro dopravu paliv řeky Labe, Vltava, Dunaj a krátké úseky některých ostatních toků. Pro dopravu energetického uhlí ze Severočeské hnědouhelné pánve do elektrárny Chvaletice byl upraven tok řeky Labe a nepřetržitou dopravu po této vodní cestě zajišťovaly speciální tlačné soupravy. Výtlak těchto tlačných člunů byl od 750 do 2500 tun. V devadesátých letech minulého století se však objevily problémy s údržbou této vodní cesty a doprava uhlí do Chvaletic byla zrušena z důvodu nerentabilnosti. Velký význam se přikládá splavnění řeky Odry do Ostravy a průplavu Odra-Dunaj. Tyto projekty jsou však stále spíše ve stádiu úvah, protože vyžadují příliš vysoké investiční náklady a jsou zatížené vysokou mírou rizika. Jednotkové náklady na říční dopravu jsou více jak o polovinu nižší než náklady na dopravu železniční a klesají s dopravní vzdáleností. 4.2.1.2. Říční doprava kapalných paliv Doprava kapalných paliv po vodě se uskutečňuje i v podmínkách říční dopravy, kdy se používá malých říčních tankerů, příp. lodí, které mohou dopravovat ropné cisterny. Nejmodernější způsob spočívá v tom, že se překládají cisterny z umělých hmot z jednotlivých dopravních prostředků a ropa se nepřečerpává, příkladně z vlaku na loď, z lodě na nákladní automobil atd.
Obr. 127 - Tlačný remorkér na Labi
211
4.2.2. Námořní doprava 4.2.2.1. Námořní doprava tuhých paliv Ve světovém měřítku je velmi rozšířena námořní doprava. Z přibližně 400 mil. tun uhlí vytěženého v roce 2000, byla více než polovina dopravena po moři. Výhodou dopravy tuhých paliv námořními loděmi je možnost jejich specializace, automatizace provozu a tím i pokles dopravních nákladů na jednotku dopravovaného množství energie. Nízké měrné dopravní náklady námořní dopravy dokládá fakt konkurenceschopnosti australského uhlí na evropském trhu. 4.2.2.2. Námořní doprava kapalných paliv Doprava kapalných paliv na velké vzdálenosti mezi kontinenty se provádí výhradně pomocí speciálních lodí, tzv. tankových lodí (tankerů). Tyto lodi jsou vybaveny pro dopravu tekutých paliv několika oddělenými nádržemi, což umožňuje dopravovat i více druhů tekutého paliva zároveň. S růstem velikosti lodí velmi rychle klesají jednotkové dopravní náklady, a proto se stavěly neustále větší a větší tankery, z nichž největší měly nosnost kolem 500 tis. tun. Supertankové lodi vyžadují ovšem speciální zařízení přístavu pro čerpání i vykládku, neboť se nemohou přiblížit ke břehu pro svůj velký ponor. Investiční náklady stoupají úměrně velikosti lodi, ale provozní náklady klesají mnohem rychleji, takže výsledný ekonomický efekt jednoznačně zvýhodňuje obří tankery (viz Obr. 128). Z obrázku je dále patrné, že nejvyšších úspor se dosáhne při přechodu z relativně malých tankerů na větší až do výtlaku 250 tis. BRT. Ještě větší tankery už další úspory nevykazují, neboť prudce stoupají investiční náklady spojené se zabezpečením bezhavarijního provozu. Vysoké ceny ropy a úsporná opatření v její spotřebě se na přelomu 70. a 80. let odrazily v tom, že začal klesat zájem o přepravu ropy cisternovými loděmi. V roce 1970 bylo přepraveno po moři 1,9 mld tun ropy, v roce 1980 to bylo již jen 1,4 miliardy tun a toto množství se dále snižovalo. Výstavba obřích tankerů od projekce k realizaci trvá několik let, takže dostavěné supertankery svojí kapacitou dnes podstatně převyšují poptávku po dopravě ropy. Odhaduje se, že třetina ze stávající kapacity není využívána. Tato krize se více týká velkých cisternových lodí, i když lze jednoznačně prokázat, že jsou ekonomicky výhodnější než malé lodě, které stačí operativněji pokrýt menší roztříštěnou poptávku. Navíc Mezivládní námořní poradní organizace (IMCO) předepsala vybavování tankerů náročným zabezpečovacím zařízením, aby se zabránilo ekologickým katastrofám, a všechny nově stavěné tankery musí tyto předpisy splňovat. Přestavba starších tankerů na nové podmínky je nákladná, a proto je majitelé používají raději jako plovoucí ropné sklady. Obr. 128 - Pokles jednotkových nákladů s růstem velikosti tankové lodi
Výhodou dopravy tekutých paliv loděmi je možnost volby dopravní cesty, možnost volby zdroje i cíle cesty (omezená u supertankerů), možnost přizpůsobit rychlost dopravy požadavkům spotřebitelů. Nevýhodou tohoto způsobu dopravy je chod naprázdno při jedné cestě (plní se vodou), dále to, že v přístavech musí být poměrně velké nádrže a zásobníky schopné okamžitě pojmout velká přepravovaná množství paliva. Hlavní námořní trasy dopravy surové nafty ve světě koncem 90. let minulého století uvádí Obr. 129.
212
Obr. 129 - Hlavní námořní trasy dopravy ropy a dalších primárních zdrojů energie ve světě
Supertankery jsou však svým způsobem hazardními plavidly. V důsledku svých obřích rozměrů (délka 320 i více metrů, šířka kolem 80 metrů) jsou těžko ovladatelné; jen brzdná dráha takového plavidla plně naloženého činí až 5 km, při překládce a vykládce jsou namáhána měnícími se hmotnostními poměry, takže materiál trupu lodi bývá již po krátkém provozu silně unaven, což způsobuje časté havárie, především za nepříznivého počasí. Tyto havárie u pobřeží se staly ekologickou metlou, protože při rozlití nafty do moře a na pobřeží se zcela zničí veškerá fauna a flóra a na poměrně dlouhou dobu se znemožní ekonomické využití moří a pláží. Podle názoru ekologů by při ztroskotání 10 obřích tankerů ve stejném okamžiku hrozila mořím ekologická smrt. 4.2.2.3. Námořní doprava zkapalněného plynu Zkapalněný plyn se dopravuje speciálně upravenými loděmi, tzv. kryotankery, ve kterých se zkapalněný plyn drží v nádobách při nízké teplotě za normálního tlaku. Tímto způsobem se dopravuje zejména alžírský plyn do přístavu v Marseille. Doprava a uskladnění zemního plynu mají za následek určité energetické ztráty, jednak spotřebou energie na změnu skupenství a jednak přirozeným odparem při skladování a dopravě za atmosférického tlaku. Cisternové lodě na dopravu plynu jsou dražší než klasické tankery díky vybavení na udržování velmi nízké teploty a navíc lodě musí být vybaveny přídavnými nádržemi na vodu při chodu naprázdno. Celková spotřeba energie na ztráty odparem, změnu skupenství a pohon lodí včetně chodu naprázdno činí cca 10% z přepravovaného množství. Celkové investiční náklady na kryotankery a přídavná speciální zařízení v přístavech jsou však nižší, než u plynovodů srovnatelných výkonů při větších vzdálenostech a relativně větších množstvích plynu. Při ročním odběru více než 4 mld. m3 a větší vzdálenosti než 3500 km je doprava kryotankery výhodnější, než doprava potrubím. Ještě výhodnější je doprava propan-butanu, neboť investiční náklady na tlakové nádoby nejsou tak velké jako na kryotankery. Navíc není potřeba dodávat energii k neustálému chlazení.
213
4.3.
Silniční doprava paliv 4.3.1. Silniční doprava tuhých paliv
Pro místní distribuci pevných paliv především drobným spotřebitelům se používá nákladních automobilů různých typů a tonáží podle toho, o jaký druh pevného paliva se jedná. Ve srovnání s dopravou železniční nebo vodní je silniční doprava neekonomická a může se uplatnit jenom tam, kde ji nelze nahradit jiným vhodnějším způsobem dopravy. Z celkových nákladů na provoz nákladních automobilů činí při současné cenové úrovni náklady na palivo (nafta) a opravy a údržbu více jak 70 %. Zbytek tvoří mzdy.
4.3.2. Silniční doprava kapalných paliv Silniční doprava kapalných paliv má podobné technicko-ekonomické charakteristiky jako doprava železniční s tím, že přepravované objemy paliv jsou menší, doprava podléhá více klimatickým vlivům a je relativně ekonomicky nevýhodná pro své vysoké náklady. Pro zásobování především naftovými deriváty (benzín, motorová nafta) drobných spotřebitelů je však úloha této formy dopravy nezastupitelná, neboť jen tak je možno zásobovat celou velmi hustou síť odběratelských míst.
4.3.3. Silniční doprava propan-butanu Velmi výhodné vlastnosti propan-butanu vedly k rychle rostoucí spotřebě tohoto paliva i při jeho stále rostoucí ceně především v domácnostech a rekreačních objektech. Vytápění a ohřev TUV pomocí kotlů na propan-butan se stává konkurenceschopnou alternativou jiným formám vytápění v místech, kam má být v blízké budoucnosti zaveden zemní plyn. Plyn se u objektů skladuje v pozemních či podzemních nádržích schopných pojmout dostatečné množství plynu v kapalné formě na celou topnou sezónu. Tento plyn bývá dopravován po silnicích pomocí speciálně upravených autocisteren. Mimo spotřebu v domácnostech se začíná propan-butan díky vysoké ceně benzinu a nafty a díky příznivému vlivu na životní prostředí, používat jako alternativní palivo k pohonu osobních automobilů a městských autobusů. V dnešní době existuje v naší republice již dostatečně hustá síť stanic LPG, tedy stanic podobných benzínovým, u kterých lze čerpat propan-butan přímo do tlakové nádrže v automobilu.
214
4.4.
Lanopásová doprava paliv
Budují-li se tepelné elektrárny přímo v blízkosti lokalit výskytu energetického uhlí, je nejvýhodnějším způsobem dopravy tohoto uhlí do elektrárny pásová doprava (někdy nazývaná lanopásová). Výhodnost tohoto typu dopravy spočívá především v kontinuitě dopravy, poměrně značné rychlosti a technické nenáročnosti, na druhé straně je použitelná pouze do vzdálenosti několika kilometrů, neboť vyžaduje značné zásahy do životního prostředí. Dopravní výkon při největší používané šířce dopravního pásu asi 2,5 metru a rychlosti 6 m/s je až 10 tisíc tun paliva za hodinu. Pásová doprava se používá ještě v řadě těžebních a manipulačních strojů, především na překladištích, v uhelných terminálech a všude tam, kde je nutné přemisťovat velké množství pevných paliv na krátké vzdálenosti.
4.5.
Ostatní způsoby dopravy energie
V doposud probraných způsobech klasických systémů dopravy jsme téměř nezmínili leteckou dopravu, která je z důvodu vysokých měrných dopravních nákladů pro dopravu energie naprosto nevhodná. Určitou možností by snad mohla být doprava větších objemů paliv (např. plynných) pomocí vzducholodí, ale to je zatím nezodpovězenou otázkou. Jiné druhy dopravy, jako jsou například výtahy či jeřáby nemá smysl zmiňovat pro pouze lokální charakter přepravy, podobně jako přímý přenos kinetické energie transmisemi, dlouhými hřídelemi, ozubenými koly, apod. Hudbou budoucnosti zůstávají přenosy energie zářením ve formě velmi koncentrovaného paprsku, např. lasery. Intenzivnímu výzkumu je podrobena problematika supravodivosti materiálů při normálních či jen lehce snížených teplotách. Supravodivé vývody z elektrárenských bloků se již provozují, nicméně velkým problémem zůstává udržení stabilní nízké teploty vodiče blízké absolutní nule. Proto pokrok výzkumu na poli supravodivosti při normálních teplotách by znamenal přinejmenším revoluci v slaboproudé elektrotechnice, pokud by výroba takového supravodiče byla příliš nákladná, což je více než pravděpodobné. Pokud by se však podařilo zvládnout technologii výroby supravodivého materiálu za rozumnou cenu ve velkém množství, znamenalo by to jistě revoluci mnohem větší, protože by bylo možné značně snížit ztráty ve vodičích elektrických sítí. V naší ES by to znamenalo úsporu jedné moderní elektrárny o výkonu cca 1000 MW s využitím okolo 5000 hodin ročně. Elektřina by se stala výhodnější formou energie k přenosu na velké vzdálenosti.
215
5.
Skladování energie
Spotřeba energie ve společnosti podléhá řadě cyklických vlivů, které jsou způsobeny jednak objektivně (např. klimatické vlivy), jednak nerovnoměrností výrobního cyklu a rytmu života obyvatelstva. Z tohoto důvodu je význam skladování energetických zdrojů stejně důležitý jako význam jejich dopravy. Potřeba uskladňovat energii, především pevná, kapalná a plynná paliva, vzniká jednak během dopravy energetického zdroje z místa těžby do center spotřeby (popřípadě i v samotném místě těžby) a jednak přímo u spotřebitelů. Skladování paliv vyrovnává nepravidelnost celkového dopravního energetického toku a umožňuje zlevnit celý zásobovací systém, neboť nemusí být dimenzován na špičkový odběr. Z hlediska samotného dopravního systému se doprava skladováním zdražuje, protože je třeba budovat pro skladování speciální zařízení hlavně při překládání energetických nositelů z jednoho systému na druhý. Potřeba skladovat energii v rámci dopravního systému je vždy krátkodobá. Možnost skladování je dána technickou úrovní systému a především charakterem nositele energie, tj. schopností skladovatelnosti (např. pevná paliva - elektrická energie). Většina paliv jako potenciálních zdrojů energie se skladovat dá, vytvoří-li se vhodné technické podmínky (uhlí, ropa, plyn). Elektrická energie v čisté formě se zatím přímo ve větším množství skladovat nemůže. Tedy míra skladovatelnosti je dána formou energie, hlavně typem nositele energie ve smyslu definice na str. 8. Poněkud odlišnou úlohu má skladování energetických zdrojů v centru spotřeby nebo u samotných spotřebitelů. Nejde jen o vyrovnávání krátkodobých výkyvů, ale i o vyrovnání dlouhodobých rozdílů v odběru energie, např. skladování uhlí v elektrárnách v zimním období, kdy klimatické vlivy omezují možnosti dopravních systémů. V posledních letech s rozvojem využívání obnovitelných zdrojů energie jako je vítr a přímé sluneční záření, vyvstává potřeba akumulace energie nejen z důvodů vyrovnávání výkyvů na straně spotřeby, ale především také na straně výroby. Jde o to, že dodávaný elektrický výkon z větrných a slunečních elektráren silně kolísá v závislosti na momentální povětrnostní situaci a tyto zdroje, pokud jejich podíl na instalovaném výkonu v ES narůstá, zvyšují nároky na dispečerské řízení soustavy pro udržení synchronního chodu. Pro dispečery představují vážný problém a je třeba, aby soulad mezi výrobou a spotřebou elektřiny mohl být dosažen i prostřednictvím její akumulace resp. skladování. Náklady na skladování energetických zdrojů se zvyšují s rostoucí ušlechtilostí nositele energie, neboť skladování tuhých paliv všech forem je snadné (otevřené skládky na hromadách), uskladňování plynných a kapalných paliv vyžaduje již značné investice a elektrickou energii lze prakticky skladovat jen díky její přeměně do jiné, skladovatelné formě energie (nejčastěji do potenciální energie vody v přečerpacích vodních elektrárnách).
5.1.
Skladování elektřiny
Elektřina, jak už bylo uvedeno, je ve své podstatě neskladovatelná. Přesto se stále zkoumají možnosti, jak alespoň částečně problém neskladovatelnosti elektřiny řešit, např. dočasným a pokud možno bezztrátovým převodem na jinou formu energie.
216
5.1.1.
Přečerpávací vodní elektrárny
Nejpraktičtěji fungující forma skladování elektřiny je její přeměna v období jejího přebytku v ES na hydropotenciální energii, díky přečerpání vody ze spodní do horní nádrže u přečerpávacích vodních elektráren (dále jen PVE). Využívá se zde zpětného, tedy čerpadlového chodu vodních turbin, které jinak za normálních okolností elektřinu vyrábějí poháněním generátorů k nim připojených. Soustrojí PVE tedy může pracovat v čerpadlovém (generátor je motorem a turbina čerpadlem) nebo turbinovém provozu. V tomto případě hovoříme o tzv. "výkonovém zdvihu" PVE, který činí ±Pi, tedy dvojnásobek instalovaného výkonu soustrojí. PVE se budují jako doplněk k jaderným elektrárnám, které z technických a ekonomických důvodů je vhodné neregulovat a nechat pracovat pokud možno s konstantním výkonem po co nejdelší dobu. Problémem je ovšem kapacita nádrží PVE, kdy z ekologických důvodů nelze dopustit příliš velké a rychlé kolísání hladin. Účinnost cyklu přečerpání se pohybuje okolo 70 %. Jaderné elektrárny spolu s PVE byly dlouhou dobu považovány za tzv. závěrné zdroje pro stanovení dlouhodobých marginálních nákladů na elektřinu metodou reprezentantů v české elektrizační soustavě. Tím, co brání uvažovat PVE nadále jako závěrné elektrárny, je nedostatek vhodných lokalit na našem území pro stavbu a provoz dalších PVE, pokud možno již s týdenním cyklem přečerpání. Jako příklad PVE v naší ES lze uvést PVE Dalešice umístěnou v blízkosti JE Dukovany a větrného parku. Při objemu horní nádrže 127 mil. m3 a spádu 90 m vychází kapacita tohoto “akumulátoru” na přibližně 31 GWh. Při instalovaném výkonu 450 MW a účinnosti turbinového provozu 0,8 je to “zásoba” na teoretických 55 h dodávky na plný výkon. Nicméně plný objem nádrže zdaleka nelze použít, tzn. že se tato PVE zpravidla používá jen v denním cyklu přečerpání. Další naše PVE - Dlouhé stráně - má horní nádrž s objemem 2,7 mil. m3 , což při spádu 510 m představuje zásobu 3,8 GWh a ta je výkonem 650 MW vyčerpaná za 4 hodiny. Zde lze využít plný objem nádrže, protože se jedná o uměle vytvořený bazén na vrcholu hory ve výšce 1 350 m n.m.
5.1.2. Kaverny se stlačeným vzduchem Kromě využití přečerpávacích vodních elektráren existuje ještě další možnost dočasné přeměny elektrické energie na jinou formu, a to stlačením vzduchu do velkých těsných podzemních prostor30/. Pozdější zpětnou přeměnu na elektřinu lze provést prostřednictvím plynové turbiny. Nízká účinnost způsobená tepelnými ztrátami ze stlačeného plynu do stěn kaverny a součinem účinnosti kompresoru a turbíny, spolu s malou kapacitou takového skladu nevěstí dobrou budoucnost tomuto záměru. Zlepšení v podobě nižších ztrát energie může přinést rekuperátor kombinovaný s akumulátorem tepla stlačeného vzduchu, jehož teplem je zpětně ohříván stlačený vzduch při návratu do plynové turbíny. Kromě tohoto tepla lze do stlačeného vzduchu jdoucího k turbině přidat zemní plyn či jiné palivo pro zvýšení dodávaného výkonu daným zdrojem (a také jeho účinnosti).
5.1.3. Vodíkové hospodářství Jedním z možných způsobů, jak využít přechodně přebytečnou elektřinu (v JE nebo VTE), je elektrolýza nebo přímo termolýza vody na vodík a kyslík. Tyto dva plyny pak mohou být energetickým zdrojem pro výrobu elektřiny v období energetických špiček či použity k vytápění, k pohonu automobilů nebo jiným technologickým účelům. Nevýhodou kyslíkovodíkové "rekuperace elektřiny" je opět její nízká účinnost způsobená obecně nízkou účinností tepelných motorů. Vodík však lze s vyšší účinností přeměnit na elektřinu sloučením s kyslíkem v palivových článcích. Využití termolýzy vody ve vysokoteplotních jaderných reaktorech či ohniscích slunečních elektráren, následné skladování a doprava vodíku potrubím 30/
Vzniklých např. po vydolování rudy.
217
k odběratelům, kteří si decentralizovaně pomocí palivových článků či kogeneračních jednotek vyrobí elektřinu a teplo pro svůj dům či automobil, představuje jednu z koncepcí budoucího vývoje energetiky.
5.1.4. Akumulátorové baterie Jsou postačujícím zdrojem pro nouzové napájení elektrických stanic, aby bylo možno provádět manipulace i při totálním výpadku sítě vlastní spotřeby. Jejich výhodou je okamžitá dispozice, tzn. není nutno čekat až se rozběhne motor dieselagregátu záložního zdroje. Nevýhodou je nízká kapacita a vysoká cena, u starších typů také náročnost údržby, která však v dnešní době nepředstavuje již žádný problém. I životnost měřená počtem cyklů nabití a vybití a problém paměťového efektu je u v současnosti používaných typů akumulátorů vyřešen. S postupujícím technologickým pokrokem v této oblasti, dochází ke snižování ceny a hmotnosti akumulátorových baterií při rostoucí kapacitě, účinnosti a rychlosti nabíjení.
5.1.5. Setrvačníky Ve spojení s elektrickými motory-generátory mohou opět sloužit v určitých vzdálených bodech soustavy ke zvýšení její stability při prudkých změnách zatížení. Pro jejich efektivní, tzn. bezztrátový provoz je nutno zabezpečit dobrou funkci ložisek a snížit odpor vzduchu jeho vyčerpáním z prostoru rotujícího setrvačníku. Také musí být věnována velká pozornost kvalitě materiálu, aby nedošlo k jeho roztržení vlivem velkých odstředivých sil.
5.1.6. Supravodivé cívky Ve spojení s dokonalou měřící a výpočetní technikou slouží k překlenutí krátkodobých výpadků zdrojů, či při poruchových stavech v sítích způsobených zkraty, přepětím či manipulací, a tím ke zvýšení stability přenosu. Nedokáží udržovat velké množství energie, ale mohou být velkým krátkodobým (řádově do jedné sekundy) zdrojem výkonu potřebným k tomu, aby nedošlo k rozpadu soustavy, než zareagují čidla primární regulace u elektrárenských bloků.
5.1.7. Kondenzátor Podobně jako cívky mohou být velmi krátkodobým zdrojem výkonu a nepotřebují udržovat nízkou teplotu. Nicméně jejich kapacity jsou ještě menší než u cívek.
5.2.
Skladování tepla resp. chladu
Tepelná energie patří k hůře skladovatelným formám energie, především z důvodu tepelných ztrát a nutnosti velkého množství látky, do které by bylo možno teplo akumulovat. Materiál vhodný pro akumulaci se musí vyznačovat velkou tepelnou jímavostí v jednotce hmoty a být dostatečně levný a případně snadno přemístitelný. Tyto vlastnosti nejlépe splňuje horká voda, která se používá v akumulátorech tepla instalovaných do místa spotřeby tepla k vyrovnávání krátkodobé špičkové spotřeby v denním až týdenním
218
cyklu, např. v mrazivých dnech, kdy nestačí kapacita tepelné sítě a ani centrální zdroje nejsou na tak vysokou spotřebu dimenzovány. Problematika akumulace tepla vystupuje do popředí zvláště v systémech autonomního zásobování teplem obytných domů prostřednictvím solárních systémů, kdy je třeba teplo naakumulované z léta udržet k vytápění do zimního období. Jako akumulátor tepla fungují i samotné tepelné napaječe a sítě svojí setrvačností. Např. tepelný napaječ Mělník-Praha má zpoždění cca 6 hod., tzn. po odstavení zdroje tepla dokáže odběratele zásobovat ještě šest hodin. Energii lze však skladovat i ve formě chladu, např. pomocí zkapalněného vzduchu, nebo zkapalněného dusíku, který lze použít např. k pohonu automobilů pomocí jednoduchých pístových motorů, když se zkapalněný plyn z nádrže ohřeje okolním vzduchem a prudce zvýší svůj tlak a objem. Jedná se zde však spíše o akumulaci elektrické energie, neboť elektřina spotřebovaná při zkapalnění vzduchu či dusíku je zpětně získávána v podobě kinetické energie pístového motoru nebo turbiny. V 1 kg kapalného dusíku o teplotě -195 EC se skrývá cca 0,14 kWh energie, což je více než kolik je ukryto energie v klasických olověných akumulátorech (0,04 kWh/kg), nicméně 30 % účinnost přeměny na elektrickou energii pístového motoru a generátoru v případě kapalného dusíku efektivnost těchto forem akumulace energie vyrovnává.
5.3.
Skladování plynných paliv
Doprava plynných paliv potrubím obvykle skladování nepotřebuje, neboť dodávka se uskutečňuje přímo redukcí tlaku a zmenšováním průměrů rozvodných potrubí. Budovat skladovací kapacity na plyn musíme pouze při jeho distribuci především ve velkých centrech odběru, aby nerovnoměrnost spotřeby přímo neovlivňovala provozní parametry v rozvodné síti. Plynojemy musí vyrovnat rozdíly mezi výrobou plynu, příp. jeho dálkovou dopravou a jeho okamžitým odběrem. Pro velké sezónní cyklické výkyvy v odběru plynu se využívají podzemní dutiny, kde je možné zemní plyn skladovat ve velkých množstvích a relativně dlouho s minimálními náklady. Pro vyrovnání cyklických výkyvů ve spotřebě plynu se využívá kromě podzemních zásobníků i samotné kapacity plynárenské sítě. V roce 2000 umožnily podzemní zásobníky (POZA) v ČR naakumulovat přes 3 mld. m3 zemního plynu (obsah tepelné energie 30 TWht), což odpovídá cca jedné třetině celoroční spotřeby, a tím pokrýt bez provozních problémů zvýšený zimní odběr. Skladovací kapacity obdobné jako při dopravě kapalných paliv se používají při dopravě plynných paliv v kapalném stavu, kdy musí být vyrovnána kyvadlová doprava loděmi mezi zdroji a spotřebiteli. Obr. 130 - Nadzemní zařízení podzemního zásobníku plynu Lobodice
219
5.4. Skladování kapalných paliv Skladování kapalných paliv není technicky obtížné, řeší se buď pomocí umělých nádrží nebo s využitím podzemních dutin, především při skladování ropy. Velikost skladovacích nádrží závisí na pravidelnosti přísunu, což má největší význam u vodní dopravy a na plynulosti odběru. Největší skladovací kapacity se budují v překladištích (obvykle v přístavech) nebo u rafinérií. Skladovací zařízení musí být vybaveno i potřebnými čerpadly. Náklady na skladování kapalných paliv klesají s rostoucími dopravními vzdálenostmi a pouze při dopravě na krátké vzdálenosti hrají v celkových nákladech podstatnou roli. Manipulační ztráty se odhadují na 2-5% z celkového skladovaného množství. Kapalná paliva mají velkou výhodu v tom, že se mohou skladovat i v podmínkách maloodběratelských poměrně snadno a toto skladování umožňuje rovnoměrné zásobování tekutými palivy celé maloodběratelské sítě. Obr. 131 - Zásobník na mazut v teplárně Liberec
5.5.
Skladování pevných paliv
Tuhá paliva se uskladňují na hromadách na otevřených skládkách, přičemž skládka bývá vybavena podle své velikosti a důležitosti mechanizačními prostředky až po úplnou automatizaci provozu. Skládek se využívá i pro homogenizaci, tj. promíšení paliv o různých fyzikálních vlastnostech proto, aby na výstupu skládky byly dodrženy parametry paliva v normou stanovených mezích (hlavně výhřevnost, popelnatost, vlhkost). Náklady na uskladnění pevných paliv na otevřených skládkách jsou velmi nízké, na ploše 100 ha se dá uskladnit asi 3-4 mil. tun uhlí. Při uskladňování takovým způsobem vznikají ztráty, a to tím, že dlouhým skladováním může uhlí změnit svoji jakost, dále je nebezpečí samovznícení a spékání či rozpadu kvalitnějších druhů především koksovatelných paliv. Velikost skládky by měla být stanovena optimálně tak, aby plnila svůj technologický účel, avšak současně, aby se neuskladňovalo výrazně větší množství, než je nutné po příliš dlouhou dobu. Obr. 132 - Skládka uhlí v elektrárně Chvaletice
220
