3.1 Primární zdroje energie. Ing. Petr Stloukal Ústav ochrany životního prostředí Fakulta technologická Univerzita Tomáše Bati Zlín

3.1 Primární zdroje energie

Ing. Petr Stloukal Ústav ochrany životního prostředí Fakulta technologická Univerzita Tomáše Bati Zlín

Obsah přednášky 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Zdroje energie – rozdělení Solární energie Geotermální energie Energie vody Energie větru Biomasa Nukleární

2

1) Zdroje energie

3

Zdroje energie Zdroje energie jsou přírodní látky a/nebo látky, které mohou obsahovat energii v několika formách (chemické, jaderné).

1. primární zdroje energie: fosilní (neobnovitelné)  alternativní (obnovitelné)  jaderné 

2. Sekundární zdroje energie: elektrická energie,  topný olej, petrolej  teplo z komunální topné sítě 

4

Zdroje energie Primární zdroje energie 1) Fosilní zdroje energie: uhlí  ropa  plyn 

2) Obnovitelné zdroje energie biomasa a odpad  geotermální energie  sluneční energie  voda  vítr 

3) Jaderná energie 

U 235 a Plutonium 5

Zdroje energie Účinnost přeměny energie

6

Zdroje energie Srovnání

7

Zdroje energie Srovnání

8

Zdroje energie Neobnovitelné 

výhody - nízká tržní cena, technická dostupnost



nevýhody - devastace území těžbou - odpady - zábor území, „zmenšování“přírody, - poškozování složek ŽP - ekonomika – náklady na sanace

9

Zdroje energie Obnovitelné 

výhody - trvalá dostupnost -ekonomická stabilita surovinové základny



nevýhody - při zavedení nového zdroje obvykle potřeba investic, náklady - při intenzifikaci existujícího zdroje se zhoršuje technická dostupnost a může docházet k poškozování ŽP a sociálních vazeb

10

Zdroje energie Srovnání svět

11

Zdroje energie Srovnání ČR

12

1) Energie slunečního záření

13

Energie slunečního záření 

vzniká jadernými přeměnami v nitru Slunce - termonukleární fůze (při teplotě 13.106 K)



obnovitelný, nevyčerpatelný



Slunce

- Poloměr = 6,69x108m - Hmotnost = 332x Země - Efektivní teplota povrchu = 5770 K 

Solární konstanta 1373 Wm-2

- tok sluneční energie procházející plochou 1 m², kolmou na směr paprsků, za 1 s ve střední vzdálenosti Země od Slunce měřený mimo zemskou atmosféru. Konstanta zahrnuje celé spektrum slunečního záření, nejen viditelné světlo.

14

Energie slunečního záření Mapa intenzity sluneční energie dopadající na Zemi

15

Energie slunečního záření Mapa intenzity sluneční energie dopadající na Evropu

16

Energie slunečního záření Mapa intenzity sluneční energie dopadající na ČR

17

Spektrum slunečního záření Sluneční energie je energií elektromagnetického záření  záření ultrafialové (vlnová délka pod 400 nm)  záření viditelné (vlnová délka 400 až 750 nm)  záření infračervené (vlnová délka přes 750 nm) Elektromagnetické spekrum

18

Spektrum slunečního záření Intenzita záření hustota výkonu dopadajícího na povrch (W/m2)

přímé záření - paprsky světla, které nejsou ani odražené, ani rozptýlené  difúzní záření - přichází z celé oblohy mimo sluneční kotouč  odražené záření (albedo) - je záření odražené od okolních předmětů 

celkové (globální) záření = přímé + difúzní + odražené 19

Energie slunečního záření Způsoby získání elektrické energie ze slunečního záření 1.

Přímá přeměna - využití fotovoltaického jevu - fotovoltaický článek

2. Nepřímá přeměna - založeno na získání tepla - systémy solárních kolektorů - solární věže, žlaby, talíře

20

Přímá přeměna Fotovoltaická přeměna - využití fotovoltaického jevu Fotovoltaický článek - tenká destička nařezaná z polovodičového materiálu (křemík) - z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (např. Bor) typ P - z druhé strany atomy pětimocného prvku (např. Arzen) typ N - při dopadu fotonů se uvolňují záporné elektrony -> vznik kladně nabitých děr - po přiložení elektrod probíhá elektrický proud

21

Přímá přeměna Fotovoltaický článek

typ P

typ N

22

Přímá přeměna Fotovoltaické systémy  Systém s přímým napájením - elektrické zařízení funkční jenom po dobu dostatečné intenzity slunečního záření. - napájení oběhového čerpadla , akumulátory malých přístrojů  Systémy s akumulací elektrické energie - spotřeba elektřiny i v době bez sluneční energie (speciální baterie) - zdroje pro objekty, dopravní signalizace, telekomunikace, atd.  Hybridní systémy - občas používáno zařízení s vysokým příkonem - doplňkový zdroj energie (větrná elektrárna, elektrocentrála) - nutný celoroční provoz 23

Nepřímá přeměna 

Nízkoteplotní systémy 100 – 300 °C, účinnost 30-50% - princip skleníkového efektu - vytápění budov, skleníků, bazénů, … - sluneční kolektory



Vysokoteplotní systémy 650 – 4000 °C, účinnost 60-75% - koncentrace slunečního záření do ohniska - Solární věže, žlaby, talíře, sluneční pece

24

Nepřímá přeměna 

Nízkoteplotní systémy

Systémy slunečních kolektorů 

Pracuje na principu skleníkového efektu



Teplo se zachytává v absorbéru



Absorbér se ohřívá a odevzdává teplo teplonosnému médiu (voda, olej, vzduch )



Běžné v oblastech s intenzivnějším slunečním svitem

25

Nepřímá přeměna 

Vysokoteplotní systémy - koncentrace slunečního záření do ohniska - odrazu světla od vhodně tvarovaných a orientovaných zrcadel. - Solární věže, žlaby, talíře, sluneční pece

26

Nepřímá přeměna Solární věže -Záření ze zrcadel na vrchol věže - ohřev vhodné látky (olej, mletá sůl)

27

Nepřímá přeměna

28

Nepřímá přeměna Solární pec

29

Nepřímá přeměna Solární žlaby - Parabolická zrcadla - V ohnisku zrcadla umístěna teplosměná látka (olej, voda)

30

Nepřímá přeměna Solární disky, talíře - zrcadla do ohniska - menší elektrárny, experimentální zařízení

31

2) Geotermální energie

32

Geotermální energie Rozpad radioaktivních prvků v zemském nitru Využití: - ve formě tepelné energie (vytápění) - pro výrobu elektrické energie v geotermálních elektrárnách

obnovitelný zdroj energie Zdroj geotermální energie - mokrý - energie páry a horké vody - suchý – z hlubokých vrtů 33

Geotermální energie Mokrý zdroj - energie páry a horké vody 

Systém suché páry - Přímo přehřátá pára po odfiltrování kapiček vody pohání turbíny elektrárny.



Systém mokré páry - teplota vody v podzemí od 180°C do 350°C (vysoký tlak) do odtlakovací nádrže – vzniklá pára pohání turbíny elektrárny.

34

Geotermální energie

35

Geotermální energie

36

Geotermální energie Mokrý zdroj - energie páry a horké vody 

Horkovodní (binární) systém

- voda s malým tlakem a poměrně nízkou teplotou pouze k ohřátí jiné pracovní kapaliny s nižším bodem varu.

37

Geotermální energie Suchý zdroj - z hlubokých vrtů Jde o získávání tepla ze suchých hornin. Hloubka cca 5 000 metrů Finanční nákladnost

38

3) Energie Vody

39

Energie vody Energie vodních toků

Energie moří – vlny, příliv/odliv

Energie vody Energie vodních toků Princip vodní elektrárny: - přeměna potenciální nebo kinetické energie  

Využitelný spád Průtok (průtočné množství vody v daném profilu)

Alternativní zdroje – energie vody – vodní elektrárny Kinetická energie vody – vodní rovnotlaké stroje na rotačním principu (vodní kolo, Bankiho turbína, Peltonova turbína). Obvodová rychlost stroje nižší než je rychlost proudění.

Alternativní zdroje – energie vody – vodní elektrárny Potenciální energie vody - rozdíl dvou výškových potenciálů → tlak. - přetlakové rotační stroje (turbíny typu Kaplan, Francis, turbíny vrtulové). Otáčky běžného kola přetlakové turbíny → několikanásobně vyšší než absolutní rychlost proudění.

Francisova turbína

Kaplanova turbína

Energie vody Energie vodních toků Rozdělení vodních elektráren 

podle způsobu provozu:



podle systému soustředění měrné energie a přívody vody k turbíně:

- průtočné elektrárny - akumulační

- přehradní a jezové elektrárny - derivační - přečerpávací (akumulační)



podle spádu (tlaku vody) - nízkotlaké - spády do 20 m - středotlaké - spády do 100 m - vysokotlaké – spády nad 100 m

Energie vody Energie vodních toků 

Jezy - nízkotlaké průtočné



Přehrady - středotlaké, vysokotlaké.

Energie vody Energie vodních toků 

Derivační

Energie vody Energie vodních toků 

Přečerpávací

Energie vody Energie vodních toků 

Přečerpávací - Dlouhé stráně

Energie vody Energie vodních toků Vodní elektrárny  Výhody - Částečná nebo úplná energetická nezávislost - Vyšší výkon proti větrným a slunečním elektrárnám - Stabilnější zdroj proti větrné a solární energii - Žádné emise, odpady  Nevýhody - Složitá výstavba a instalace - Použití jen na místech s optimálním průtokem a spádem - Investičně náročné - Ekologické dopady na ekosystémy

Energie vody Energie vodních toků

Energie vody Energie moří Energie přílivu a příboje oceánů 

Přílivová elektrárna

- využívá periodického opakování přílivu a odlivu moře 

Nevýhody

- Pracovní doba mnohdy nesouhlasí s energetickou špičkou - Místa vhodná pro výstavbu často značně vzdálena od míst potřeby

Energie vody Energie moří Vlnová elektrárna Cockerellovy plovoucí trámy – pontony 1 – zadní stabilizační část 2 – střední část se strojovnou, vodním motorem a alternátorem 3 – přední nárazová část plavidla

Pozn. : energie vln – cca 342 . 109 MJ

4) Energie Větru

53

Energie větru 

Vítr vzniká v atmosféře při rozdílu atmosférických tlaků, který je důsledkem nerovnoměrného ohřívání zemského povrchu.



Dopadající sluneční záření → ohřev vzduchu → horizontální proudění vzduchu



Nejobvyklejší - větrné elektrárny (větrná turbína)



Princip elektrárny - Přeměna kinetické energie větru na energii mechanickou (předání kinetické energie větru lopatkám turbín) - Přeměna mechanické energie v generátoru na elektrickou energii

Energie větru Větrné elektrárny 1 – vrtule 2 – brzda motoru 3 – převodovka 4 – řídící elektronika 5 – generátor 6 – mechanické natáčení 7 – stožár 8 – elektrická přípojka 9 – rotorová hlavice

Energie větru Povětrnostní podmínky v ČR

Průměrná rychlost větru  5 m/s → bezproblémové pro umístění větrných elektráren  4 m/s – 5 m/s → podmíněně vhodné k instalaci větrné elektrárny

Alternativní zdroje – energie větru Základní podmínky úspěšné instalace větrné elektrárny 

    

Správná volba lokality (topografické, morfologické, geologické poměry) Dostatečná síla větru 3 – 26 m/s Pravidelnost větrného proudění Správná volba typu zařízení Vlastní spotřeba vyrobené elektrické energie nebo její dodávka do veřejné sítě Zpracování důkladné ekonomické rozvahy  Reálná potřeba a spotřeba elektrické energie  Investiční a provozní náklady  Návratnosti vložených finančních prostředků

Alternativní zdroje – energie větru Výhody větrných elektráren - Větrná energie je obnovitelným nevyčerpatelným zdrojem energie. - Při vlastní spotřebě elektrické energie se vyhneme přenosovým ztrátám. - Při výrobě nejsou produkovány žádné škodlivé emise (SO2, CO2, NOx, popel)

Nevýhody větrných elektráren - Poměrně vysoká hlučnost (hygienický předpis – hlučnost pod 45 dB) - Nestabilní zdroj. - Poměrně časově a finančně náročná předrealizační fáze. - Při stavbě větrné elektrárny o vyšších výkonech nutno vynaložit poměrně vysoké investiční náklady. - Návratnost vložených finančních prostředků závislá na využití vyrobené elektrické energie.

Energie větru

Energie větru největší větrnou farmu na světě Texasu (USA), výkon 781,5 MW, 627 větrných turbín, spotřeba 230 000 domácností

5) Biomasa

61

Biomasa Veškerá hmota organického původu 

Odpadní biomasa - rostlinné odpady - lesní odpad - průmyslové odpady - odpady z živočišné výroby - komunální odpady



Energetická biomasa - lignocelulózové plodiny - olejnaté plodiny - škrobeno-cukernaté plodiny

Biomasa Základní používané technologie 1. Termochemická přeměna (tj. suché procesy) Spalování (produkce tepla)  Pyrolýza (produkce plynu, oleje)  Zplyňování (produkce plynu) 

2. Biochemická přeměna (tj. mokré procesy) Fermentace, alkoholové kvašení (produkce ethanolu)  Anaerobní vyhnívání, metanové kvašení (produkce bioplynu)  Aerobní vyhnívání 

3. Mechanicko-chemická přeměna Esterifikace surových bio-olejů (výroba bionafty a přírodních maziv)  Štípání, drcení, lisování, peletace, mletí (výroba pevných paliv)  Lisování olejů (produkce kapalných paliv, oleje) 

Biomasa 1. Termochemická přeměna (tj. suché procesy) Spalování - lignocelulózové plodiny, dřevní odpady, komunální odpady Fáze: 1. Sušení - odstraňuje se vlhkost z paliva 2. Pyrolýza – rozklad na hořlavé plyny 3. Spalování plynné složky 4. Spalování pevných složek Metody:  Na roštu  Fluidní spalování – ve vznosu

Biomasa 1. Termochemická přeměna (tj. suché procesy) Spalování

Biomasa 1. Termochemická přeměna (tj. suché procesy) Pyrolýza - tepelný proces rozkladu biomasy bez přístupu vzduchu. - lignocelulózové plodiny, dřevní odpady, komunální odpady. - olej s vysokým a nízkým bodem varu, plyn, uhlí.

Schématické znázornění procesu pyrolýzy (ZBD – zásobník biomasy s drtičem, D – dopravník, K – konvertor, C – cyklón, K1, K2 – kondenzátory, ZP – zásobník plynu, N – nečistoty, DU – dřevěné uhlí, O1 – olej s vysokým bodem varu, O2 – směs vody a oleje s nízkým bodem varu).

Biomasa 1. Termochemická přeměna (tj. suché procesy) Zplyňování (produkce plynu) - Ze suché biomasy se působením vysokých teplot bez přístupu vzduchu uvolňují hořlavé plynné složky, tzv. dřevoplyn. - Při přítomnosti vzduchu by docházelo k běžnému spalování. - Plyn obsahuje hlavněCO, CO2, CH4, H2, H2O, N2 a uhlovodíky.

Biomasa Výroba z biomasy v elektrárnách ČEZ, a. s., v ČR Výroba 2010 (MWh)

Výroba 2011 (MWh)

Výroba 2012 (MWh)

Tisová

12 705

10 270

10 204

Poříčí

87 437

99 068

107 481

Teplárna Dvůr Králové

9 572

18 630

8 285

Hodonín

197 921

223 076

216 866

Vítkovice

29

202

-

Celkem v ČR

307 664

351 246

342 836

Biomasa 2. Biochemická přeměna (tj. mokré procesy) Fermentace, alkoholové kvašení

- probíhá v mokrém (na vodu bohatém) prostředí bez přístupu vzduchu. - produktem je alkohol, který je získáván následnou destilací. - energetická výtěžnost je 90 – 95% - vhodná biomasa – cukrová řepa, obilí, kukuřice, ovoce, brambory, zelenina , celulóza…energeticky náročný je zisk etanolu ze dřeva, slámy, sena. - vzniklý alkohol je plnohodnotným palivem pro spalovací motory (koroze motorů)

Biomasa 2. Biochemická přeměna (tj. mokré procesy) Anaerobní vyhnívání, metanolové kvašení

- metanové kvašení v uzavřených nádržích bez přístupu kyslíku - produktem bioplyn - metanem (od 55 % do 70 %) - hnůj, výkaly hospodářských zvířat, zelené rostliny, č čistírenský kal - využití - pro výrobu tepla, elektřiny nebo plnění do ocelových lahví.

Biomasa 2. Biochemická přeměna (tj. mokré procesy) Aerobní vyhnívání

- je známa z výroby kompostu, kdy za přístupu vzduchu a působení vhodných kultur mikroorganismů dochází k rozkladu organických látek. - výsledným produktem je hnojivý substrát (výroba kompostu a hnojiv), oxid uhličitý a vodní pára

Biomasa 3. Mechanicko-chemická přeměna Esterifikace surových bio-olejů

- řepková semena - lisování oleje - katalyzátor, vysoká teplota

- metylester řepkového oleje = bionafta (1. generace). - míšením s některými lehkými produkty vzniká bionafta 2.generace (min 30% metylesteru řep. oleje ) - používání bionafty je doprovázeno rychlým biologickým odbouráváním spalin.

Biomasa Výhody užití biomasy: 

obnovitelný zdroj energie,



neutrální vzhledem k produkci CO2



tuzemský zdroj energie, který není vázán jen na určitou lokalitu



pěstováním energetických plodin je možné využívat přebytečnou zemědělskou půdu nebo půdu, která se nehodí k potravinářské výrobě



likvidace odpadů, zbytek po zpracování lze využít jako hnojiva



možnost spalování pevných komunálních odpadů.

Biomasa Nevýhody užití biomasy: 

větší obsah vody a tudíž nižší výhřevnost,



větší objem paliva, vyšší nároky na skladovací prostory



nutnost úpravy paliva (sušení, tvarování, atd.) vyžadují investice do nových zařízení



u výroby a využití bioplynu poměrně vysoké investiční náklady na technická zařízení, což zvyšuje cenu vyrobené energie



poměrně složitá manipulace s palivem ve srovnání s plynem, elektřinou, LTO



nutnost likvidace popela, pouze lokální využití paliva

6) Jaderná energie

75

Jaderná energie 

existuje a uvolňuje se z jaderných reakcí v atomovém jádře



neobnovitelný zdroj



štěpení jader izotopů některých těžkých kovů vyvolané neutrony.



současnosti se využívá uranu nebo plutonium.



Uran (U) - smolinec; nízké koncentrace (0,04-3%) - směs izotopů: 238U (99,276 %), 235U (0,718 %), - Obohacený 2-4% 235U

234U

(0,004 %).

Jaderná energie Štěpná jaderná reakce - rozbití jádra nestabilního atomu vniknutím cizí částice za vzniku energie. 235U

+ 1n---> 140Ba + 93Kr + 3 . 1n

235U

+ 1n ---> 92Sr + 141Xe + 3 . 1n

Jaderná energie Jaderná elektrárna 

V principu - tepelná elektrárna s jaderným reaktorem



Dva základní typy: -jednookruhové

- dvouokruhové

Jaderná energie Jaderná elektrárna

Jaderná energie Jaderná elektrárna http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/jadernaenergetika/interaktivni-model-je-jak-fungujejaderka.html

Jaderná energie Typy reaktorů Dělění podle 

Typu moderátotu - zpomalují neutrony - voda, těžká voda nebo grafit, případně i jiné vhodné látky



Typu chladiva jaderného paliva - lehká a těžká voda, oxid uhličitý, helium, sodík

Jaderná energie Typy reaktorů 

Lehkovodní (spojené i funkcí chladicí)

VVER/PWR - voda/voda; dvouokruhový; obohacený Uran, nejčastější typ (60%, Dukovany , Temelín) BWR - voda/voda, jednookruhový , druhý nejčastější, obohacený Uran (21%) 

Těžkovodní (spojené i funkcí chladicí)

CANDU - těžká voda/těžká voda, dvouokruhový, přírodní Uran (Kanada)

Jaderná energie Typy reaktorů 

Grafitový reaktor - Grafit/voda, jednookruhový, přírodní nebo slabě obohacený uran (bývalá SSSR)



Množivé (rychlé) reaktory FBR - nepoužívá moderátor - plutonium ve směsi oxidu plutoničitého a uraničitého. - cca 10x více tepla - chladivem sodík (nad 100 °C tekutý)

- tříokruhový

Jaderná energie FBR

Jaderná energie Typy reaktorů - shrnutí

Jaderná energie Řízení průběhu štěpné reakce Regulační tyče - regulují výkon – neutronového toku - vysoké absorpční schopnosti - obsahují bór nebo kadmium 

Havarijní tyče - okamžité zastavení reakce - Vyšší koncentrace absorbéru 

Jaderná energie Vyhořelé palivo (po 3-4 letech) 

Složení: - 96 % uran (~1% 235U); 1 % transurany; 3 % štěpné produkty (stabilní, krátkodobé, dlouhodobé)



Skladování - bazén vyhořelého paliva (cca 5let) - mezisklad – ocelové kontejnery (desítky let)



Zpracování - Recyklace – doplnění U235, drahé - Hlubinná úložiště -

Jaderná energie Radioaktivita A(t) = - d N(t) / d t

N(t) je počet dosud nepřeměněných jader A(t) je okamžitá aktivita Jednotka: 1 Bq = 1rozpad/1sekundu Poločas rozpadu - rozpad poloviny z původního počtu atomů radionuklidu

Jaderná energie Vyhořelé palivo – poločasy

137Cs 90Sr 241Am 239Pu 240Pu

(T1/2 30 roků), (T1/2 28,8 roků), (T1/2 458 roků), (T1/2 2.104 roků), (T1/2 6.103 roků)

…..a řada dalších dlouhodobých radionuklidů.

Jaderná energie termojaderná fúze 

sloučení atomových jader za pomoci vysoké teploty či tlaku.



Palivo - deuterium



Zatím se nepovedlo dosáhnout potřebných podmínek

Děkuji Vám za pozornost Dotazy?

91