Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta
Výroba a rozvody elektrické energie v České republice Bakalářská práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
doc. Ing. Jan Škyřík, Csc.
Jiří Pešák Brno 2012
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Výroba a rozvody elektrické energie v České republice vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MENDELU v Brně.
dne………………………….. podpis……………………….
Poděkování Tímto bych chtěl velice poděkovat doc. Ing. Janu Škyříkovi, Csc., za kvalitní vedení mé bakalářské práce, za jeho ochotný přístup při zodpovídání mých dotazů a samozřejmě za cenné rady, které mi poskytl.
Abstrakt
Výroba elektrické energie je jedna z hlavních součástí průmyslového hospodářství každé země a zaujímá v něm hlavní pozici. Tato bakalářská práce se zabývá výrobou elektrické energie v České republice a to zejména v jaderných elektrárnách a způsoby rozvodu elektrické energie. Klíčová slova: jaderná elektrárna, elektřina, jaderné palivo, přenosová soustava, účiník
Abstract Electricity generation is one of the main components of the industrial economy of each country and occupies a central position in it. This thesis deals with the production of electricity in the Czech Republic with emphasis on nuclear power plants and electrical distribution methods. Keywords: nuclear power plant, power, nuclear fuel, transmissive system, power factor
OBSAH 1 ÚVOD ......................................................................................................................... 8 2 CÍL PRÁCE .............................................................................................................. 10 3 JADERNÉ ELEKTRÁRNY ..................................................................................... 11 3.1
Základní charakteristika ................................................................................... 11
3.2
Jaderný reaktor ................................................................................................. 11
3.3
Chladivo ........................................................................................................... 11
3.4
Moderátor ......................................................................................................... 12
3.5
Absorbátor ........................................................................................................ 12
3.6
Palivo................................................................................................................ 12
3.6.1
Výskyt a těžba Uranu v ČR ...................................................................... 12
3.6.2
Úprava uranové rudy ................................................................................ 13
3.6.3
Výhody energetického využívání uranu ................................................... 13
3.6.4
Nevýhody energetického využívání uranu ............................................... 13
3.7
Typy nádob reaktoru ........................................................................................ 13
4 VÝROBA ELEKTRICKÉ ENERGIE JADERNÝMI ELEKTRÁRNAMI V ČR ... 15 4.1
Jaderná elektrárna Dukovany ........................................................................... 15
4.2
Jaderná elektrárna Temelín .............................................................................. 16
4.3
Vyrobená elektrická energie v letech 1990 až 2010 ........................................ 18
5 JADERNÝ ODPAD ................................................................................................. 20 5.1
Minulost jaderného odpadu v ČR .................................................................... 20
5.2
Současnost jaderného odpadu v ČR ................................................................. 20
5.3
Budoucnost jaderného odpadu v ČR ................................................................ 21
6 ROZVODY ELEKTRICKÉ ENERGIE ................................................................... 22 6.1
Rozvodna.......................................................................................................... 22
6.2
Rozdělení rozvodných soustav ......................................................................... 22
6.3
Transformovna ................................................................................................. 23
6.4
Druhy elektrických sítí ..................................................................................... 23
7 ZPŮSOBY VEDENÍ ELEKTRICKÉ ENERGIE ..................................................... 24 7.1
Vzdušné vedení elektrické energie................................................................... 24
7.2
Kabelové vedení elektrické energie ................................................................. 25
8 VLASTNOSTI ELEKTRICKÉHO VEDENÍ .......................................................... 27 8.1
Odpor (R) ......................................................................................................... 27
8.2
Indukčnost (L) .................................................................................................. 27
8.3
Kapacita (C) ..................................................................................................... 28
8.4
Svod.................................................................................................................. 28
8.5
Sršení ................................................................................................................ 28
9 ELEKTRICKÉ VEDENÍ V ČR ................................................................................ 29 9.1
Trojfázová soustava ......................................................................................... 29
9.2
Fázové a sdružené napětí ................................................................................. 30
9.3
Zapojení trojfázových spotřebičů a zdrojů do hvězdy a trojúhelníka .............. 30
9.4
Kompenzace jalového výkonu ......................................................................... 32
10 ZÁVĚR ..................................................................................................................... 34 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ ................................................................................ 35 SEZNAM OBRÁZKŮ, TABULEK A GRAFŮ............................................................. 36
1 ÚVOD Jaderná energetika se řadí do skupiny výroby energie z neobnovitelných zdrojů, jelikož používané palivo je uran, avšak stále je jaderná energetika jeden z nejvyužívanějších způsobů výroby elektřiny ve světě. Jeden z hlavních důvodů využívání tohoto způsobu výroby elektřiny je ten, že energie uložená v jaderném palivu je mnohonásobně vyšší, než energie uložená v jakémkoliv jiném druhu paliva, tudíž je nejvýhodnější z hlediska získané energie. Vzhledem k dostupnosti paliva jsou ale ve světě stále nejpoužívanější tepelné elektrárny. Na druhém místě jsou jaderné elektrárny, pak následují vodní elektrárny a poslední v řadě jsou větrné elektrárny a solární elektrárny. Celý svět se snaží uplatňovat výrobu elektrické energie z obnovitelných zdrojů a hlavně aby tato výroba byla z ekologického hlediska co nejvíce šetrná ke svému okolí, což vzhledem k dnešním nárokům spotřeby energie není zcela možné. Ovšem spousta zemí se snaží mít výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů v určitém poměru s výrobou ze zdrojů neobnovitelných. Světová jaderná asociace uvedla ke dni 1. 3. 2012, že bylo v provozu 435 jaderných reaktorů s celkovou instalovanou kapacitou 372 158 MW ve třiceti státech. Tyto reaktory celosvětově vyrábí asi 14 % světové elektřiny. Ve třinácti zemích je ve výstavbě 60 reaktorů a dále se plánuje výstavba dalších 163 reaktorů. Celkově se ve světě do budoucna uvažuje s vybudováním 329 reaktorů, jejichž instalovaný výkon by měl dosahovat více než 380 000 MW. Celosvětová produkce elektřiny z jaderných elektráren se od roku 1990 do roku 2005 zvýšila z hodnoty 1901 TWh na hodnotu 2619 TWh. Toto je způsobeno třemi faktory: výstavbou nových kapacit, trvalým zlepšováním provozních parametrů, rekonstrukcí a zvýšením instalovaných výkonů stávajících elektráren. Díky kvalitnímu řízení došlo k nárůstu koeficientu využití bloků z hodnoty 71,6 % na 83,3 %. Podle studie Mezinárodní energetické agentury by měla v roce 2030 vzrůst spotřeba energie oproti současnosti o dvě třetiny. Což povede k velkým investicím, které jsou odhadovány na 16 bilionů USD. [1] V EU pochází přibližně třetina vyrobené elektřiny právě z jaderných elektráren. V mírovém využívání jaderné energie je největší „jaderná velmoc“ EU-27, která produkuje o 8 % více elektřiny vyrobené v jaderných elektrárnách, než vyprodukuje Severní Amerika, téměř trojnásobek produkce Japonska a sedminásobek produkce 8
Ruské federace. EU plánuje do roku 2020 výstavbu 750 nových elektráren, protože v současnosti mnoho elektráren již dosluhuje, ale poptávka po elektřině se stále zvyšuje. Teoreticky by v ideálním případě měl každých 5 týdnů vzniknout jeden výrobní blok se stejnou kapacitou jakou má blok v JE Temelín. Momentálně jsou ve výstavbě jaderné elektrárny ve Finsku, Francii, Rusku, Slovensku a výstavba se připravuje v Bulharsku, České republice, Francii, Polsku, Rumunsku, Rusku, Ukrajině a Spojeném království. [1] Rozvoj jaderné energetiky v ČR, ale i v ostatních zemích je podmíněn třemi základními předpoklady: bezpečnost provozu, souhlas veřejnosti s využíváním jaderné elektrárny a konkurenceschopnost elektřiny vyrobené v jaderné elektrárně na trhu. Jaderná elektrárna Dukovany i jaderná elektrárna Temelín přísně dodržují doporučení Mezinárodní agentury pro atomovou energii a řídí se velkým počtem doporučení mezinárodních prověrek zaměřených především na bezpečnost. [1]
9
2 CÍL PRÁCE Cílem této bakalářské práce je přiblížit světové trendy ve výrobě elektrické energie. Tato práce je zaměřena na výrobu energie v jaderných elektrárnách České republiky, proto se zde zabývá zejména výrobou elektřiny v jaderných elektrárnách Dukovany a Temelín. Dále je zde řešena důležitá součást jaderné energetiky a to je jaderný odpad. Ve druhé části této práce jsou popsány rozvodné systémy, způsoby vedení elektrické energie, důležité vlastnosti elektrického vedení včetně kompenzace jalového výkonu.
10
3 JADERNÉ ELEKTRÁRNY 3.1
Základní charakteristika Jaderná elektrárna je technologické zařízení, které slouží k přeměně vazebné energie
jader těžkých prvků k výrobě elektrické energie. Obvykle se skládá z jaderného reaktoru, parní turbíny a alternátoru. Jaderná elektrárna je svým způsobem tepelná elektrárna, která ovšem jako palivo využívá jaderný materiál, ale stejně jako u tepelné elektrárny se v parovodu vyrábí pára, která pohání parní turbíny, od kterých jsou poháněny alternátory pro výrobu elektrické energie. [2] Jaderné elektrárny se v zásadě dělí na dva druhy a to na jednookruhové a dvouokruhové. U jednookruhových jaderných elektráren se pára vyrobená v reaktoru přímo přivádí do turbíny, zatímco u dvouokruhových elektráren je teplo z reaktoru odváděno teplonosnou látkou primárním okruhem do výměníku tepla (parního generátoru), kde vzniklá pára, která poté putuje do sekundárního okruhu a tím je přiváděna k turbíně pohánějící alternátor. [3]
3.2 Jaderný reaktor Jaderný reaktor je „srdcem“ jaderné elektrárny. V reaktoru probíhá štěpná reakce. V podstatě se jedná o velkou nádobu, která odolává vysokým teplotám, tlakům a neustálému intenzivnímu toku neutronů. K nezbytným komponentům, které umožňují provoz reaktoru, patří: chladivo, moderátor, absorbátor a palivo. [2]
3.3 Chladivo Štěpící se jaderné palivo je nutné neustále ochlazovat, aby byla zajištěna bezpečnost reaktoru, jelikož při přehřívání by mohlo dojít k roztavení povlaku jaderného proutku a úniku štěpných produktů. Funkci ochlazování zajišťuje chladivo, které odvádí vzniklé teplo tam, kde ho lze využít. Jako chladící medium se nejlépe osvědčila obyčejná voda, těžká voda, oxid uhličitý, helium, v rychlých reaktorech sodík, olovo a některé soli nebo slitiny. [2]
11
3.4 Moderátor Moderátor je látka, která zpomaluje neutrony a v jaderném reaktoru plní funkci regulačního prvku. Neutrony je potřeba zpomalovat, jelikož k nastartování reaktoru se používá vnější neutronový zdroj, který vysílá neutrony za účelem rozštěpit jádro izotopu uranu 235, jenže tento neutron má vysokou energii, od jader se odráží a energii potřebnou k rozštěpení jádra jim nepředá. Neutron se nejlépe zpomalí srážkou s jádrem o stejné velikosti, např. s jádrem atomu vodíku. Proto se jako moderátor nejčastěji používá voda, grafit nebo těžká voda. U reaktorů pracujících na bázi rychlých neutronů moderátor chybí. [2]
3.5 Absorbátor Absorbátor zabraňuje živelnému štěpení tím, že zachycuje přebytečné neutrony. Vkládá se do aktivní zóny ve formě tyčí, stejně jako palivo. Výškou vysunutí nebo zasunutí těchto regulačních tyčí do aktivní zóny se reguluje výkon reaktoru. [2]
3.6 Palivo Palivo používané v jaderných elektrárnách se nazývá Uran. Jedná se o radioaktivní kovový chemický prvek, který patří mezi aktinoidy. Tento prvek objevil Martin Heinrich Klaproth v roce 1789, ovšem v čisté formě byl uran izolován až roku 1841 Eugenem-Melchior Peligotem. V čistém stavu je Uran stříbrobílý lesklý kov, který se na vzduchu pozvolna pokrývá vrstvou oxidů. Pokud je rozmělněný na prášek, tak je samozápalný. Má nízkou tvrdost, za obyčejné teploty se dá kovat nebo válcovat. Při zahřívání nejprve křehne, ale při vyšších teplotách se stává plastickým. Za teplot pod 0,68 K se stává supravodičem typu I. Hustota Uranu při 20°C je přibližně 19,05 g×cm-3, při teplotě varu je jeho hustota cca 17,3 g×cm-3, tudíž patří k nejtěžším prvkům vůbec, je asi o 70% těžší než olovo. [4] 3.6.1 Výskyt a těžba Uranu v ČR V České republice byla v minulosti významná těžba uranové rudy zejména v Jáchymově (do 2. poloviny 20. století nejvýznamnější zdroj), v Horním Slavkově, v Příbrami a v okolí Stráže pod Ralskem. Dosud se Uranová ruda těží poblíž Dolní Rožínky u Žďáru nad Sázavou, jedná se o jedinou probíhající těžbu v EU. V květnu 2007 zde byla těžba prodloužena na dobu neurčitou. [4]
12
3.6.2 Úprava uranové rudy Uranová ruda se upravuje různými způsoby, podle toho jakou příměs obsahují, různými chemickými postupy. Ovšem nejdůležitější úpravou pro jadernou energetiku je tzv. obohacení uranu. Jedná se o zvýšení koncentrace izotopu
235
U. Pokud má být uran
použit jako jaderné palivo, je zapotřebí zvýšit koncentraci izotopu 235U z 0,72 % na 2-4 %. Tohoto se dosahuje speciálními metodami, jako jsou: elektromagnetická separace, difuze, centrifugální separace a ionizace laserem. [4] 3.6.3 Výhody energetického využívání uranu Za největší výhodu energetického využívání uranu se považuje skutečnost, že jen malý podíl v nákladech na výrobu elektřiny, je tvořen cenou samotného uranu (v ČR v roce 2009 kolem 17 %). Cena elektřiny se odvíjí od nákladů na výstavbu elektrárny. Další výhodou je fakt, že jaderného paliva je potřeba o několik řádů menší množství, než paliv fosilních. Od tohoto se odvíjí relativně levné a snadné shromažďování zásob a také jeho skladování. [4] 3.6.4 Nevýhody energetického využívání uranu Ať už se jedná o rozsáhlé povrchové doly, hlubinnou těžbu nebo chemické loužení, těžba vždy představuje závažný zásah do krajiny. Vytěžená hornina bývá kontaminována radioaktivními či toxickými rozpadovými produkty. V neposlední řadě je velkým problémem ohrožené zdraví pracovníků, zejména v historii hrozilo zvýšené riziko rakoviny plic způsobené radonem ve špatně větraných hlubinných dolech. [4] 3.7
Typy nádob reaktoru Reaktor s tlakovou nádobou – Využívají je JE Dukovany i JE Temelín, používá
se tam, kde je objem paliva přibližně stejný jako je objem moderátoru. Nádoba reaktoru je vyrobena ze speciální nerezavějící oceli o průměru 7 metrů a výšce 23 metrů. [2] Reaktory s nádobou ze železobetonu – Využívají je jaderné elektrárny, kde se ke zpomalování neutronů používá grafit. Vnitřní rozměry těchto železobetonových nádob dosahují několikametrových rozměrů a jsou velmi odolné proti vysokým tlakům. [2] Reaktor s tlakovými trubkami – Je vhodný pro jaderné elektrárny, kde je objem paliva mnohem menší, než objem moderátoru. Bloky moderátoru obklopují palivo, které je umístěno v trubkách. Celý tento systém je uzavřen v betonové budově. [2]
13
Obr. 1 – Schéma funkce jaderné elektrárny Zdroj: www.cez.cz
14
4 VÝROBA ELEKTRICKÉ ENERGIE JADERNÝMI ELEKTRÁRNAMI V ČR V této kapitole se konkrétně zabývám jadernými elektrárnami Dukovany a Temelín, a výrobou elektrické energie v České republice. Dále je v této kapitole graficky znázorněna spotřeba elektrické energie od roku 1990 do roku 2010.
4.1 Jaderná elektrárna Dukovany Jaderná elektrárny Dukovany je hlavním článkem české energetické soustavy. Je umístěna 30 km východně od Třebíče v blízkosti obcí Dukovany, Rouchovany a Slavětice. Jde o první provozovanou jadernou elektrárnu v České republice a je určena pro provoz v základním energetickém režimu. V současné době má jaderná elektrárna Dukovany čtyři bloky VVER 440, typ V 213, každý o výkonu 440 MW. Jaderná elektrárna Dukovany pokrývá asi 20% celkové roční spotřeby elektřiny České republiky, což odpovídá 13 TWh. V aktivní zóně každého reaktoru je umístěno 312 palivových článků a každý tento článek je tvořen 126 palivovými proutky, ve kterých je palivo hermeticky uzavřeno. V reaktoru je dále 37 regulačních kazet s palivovou částí. [12] Výstavba Jaderné elektrárny Dukovany započala v roce 1974, ovšem plné rozjetí stavby začalo až v roce 1978, jelikož byla stavba zdržena změnami v projektu. V roce 1985 byl již uveden do provozu první reaktorový blok a v roce 1987 byl zprovozněn poslední, čtvrtý blok. V roce 1987 dosáhla Jaderná elektrárna Dukovany maximálního projektového výkonu 1760 MW. [1] Od roku 1985, kdy byl uveden do provozu první reaktorový blok elektrárny, do jara roku 2012 bylo vyrobeno téměř 350 TWh elektrické energie na všech čtyřech blocích, což je nejvíce ze všech elektráren České republiky. Ročně tato elektrárna vyrobí více než 14 TWh, což by stačilo k pokrytí spotřeby všech domácností v ČR. [1] Všechny výrobní bloky Jaderné elektrárny Dukovany momentálně pracují na plný výkon. S celkovou výrobou 14,368 TWh v roce 2011 splnila tato elektrárna plán na 100,32 % a tím vytvořila druhou nejvyšší výrobu ve své historii. Rekordní výrobu z roku 2008 (14,447 TWh) se nepodařilo překonat, jelikož rok 2008 byl rokem přestupním a v roce 2011 k překonání chyběl právě jeden den navíc. Pro rok 2012 byl 15
stanoven výrobní plán na 15,024 TWh a poprvé v historii by měl překročit hranici 15 TWh. [13] V nedaleké blízkosti této elektrárny bylo vybudováno na řece Jihlavě vodní dílo Dalešice, které má přečerpávací vodní elektrárnu o výkonu 450 MW. Vyrovnávací nádrž této vodní elektrárny slouží jaderné elektrárně Dukovany jako zásobárna vody, tudíž celá tato soustava může pružně reagovat na aktuální energetické potřeby. [12]
Obr. 2 – Jaderná elektrárna Dukovany Zdroj: www.jaderelek.wz.cz
4.2 Jaderná elektrárna Temelín Jaderná elektrárna Temelín byla vybudována jako zdroj elektrické energie, který pracuje v energetické soustavě v režimu základního zatížení. Vyrábí elektrickou energii ve dvou výrobních blocích, v každém z nich pracuje jeden jaderný reaktor o výkonu 981 MW. Jaderná elektrárna Temelín leží asi 25 km od Českých Budějovic a 5 km od Týna nad Vltavou. Díky jaderné elektrárně Temelín byla ukončena nutnost dovážet elektřinu z okolních regionů, hlavně z ekologicky zatížených severních Čech. Tato jaderná elektrárna nahradila odstavené uhelné bloky o stejném výkonu, dále také zajišťuje dodávku tepla, ve formě horké vody pro město Týn nad Vltavou. Jelikož elektrárna ke svému provozu potřebuje čistou vodu, byly vybudovány čistírny odpadních vod ve městech Český Krumlov a České Budějovice. Výstavba jaderné elektrárny Temelín tak nepřímo přispěla ke zlepšení kvality vody v řece Vltava. [12] 16
V červenci roku 2000 bylo do Jaderné elektrárny Temelín dodáno palivo pro první blok. Dne 9. 10. 2000 bylo palivo aktivováno a 21. 12. 2000 byl poprvé připojen první blok do rozvodné sítě. Zkušební provoz prvního bloku byl zahájen dne 10. 6. 2002. V červnu 2002 bylo dodáno palivo i pro druhý blok a dne 17. 11. 2002 byla zahájena reakce. Druhý blok byl poprvé připojen k rozvodné síti dne 29. 12. 2002 a zkušební provoz začal dne 18. 4. 2003. V pátek 3. 11. 2006 byla Jaderná elektrárna Temelín zkolaudována a 6. 11. toto rozhodnutí nabylo právní moci. [4] V roce 2011 vyrobily oba bloky Jaderné elektrárny Temelín 13,913 TWh elektrické energie. Tím překonala o 0,91 TWh nejvyšší výrobu z roku 2010. Ovšem i přes rekordní výrobu elektrárna nesplnila svůj plán o 0,895 TWh elektrické energie. Toto bylo způsobeno především prodloužením odstávky pro výměnu paliva na druhém bloku kvůli zaseknutému bloku ochranných trubek. [14] Od roku 2000, kdy byl zahájen provoz prvního bloku, vyrobila Jaderná elektrárna Temelín 119,769 TWh elektřiny. V minulém roce tato elektrárna vyrobila tolik elektřiny, že by stačila téměř 3,5 roku pokrývat spotřebu celých jižních Čech nebo 11,5 roku zásobovat všechny jihočeské domácnosti. V roce 2012 plánuje Jaderná elektrárna. Temelín vyrobit 15 TWh elektřiny. [14]
Obr. 3 – Jaderná elektrárna Temelín Zdroj: http://www.casopisstavebnictvi.cz
17
4.3 Vyrobená elektrická energie v letech 1990 až 2010 V následující tabulce jsou uvedena data týkající se výroby elektrické energie v České republice pouze jadernými elektrárnami Dukovany a Temelín v letech 1990 až 2010. Tyto data jsem získal z internetových stránek Českého statistického úřadu. Poté jsem tyto hodnoty vložil do grafu, pro lepší zhodnocení průběhu výroby elektrické energie za daný časový interval. Tab. 1 – Výroba elektřiny jadernými elektrárnami ČR v letech 1990 -2010
Rok GWh 1990 12585 1991 12132 1992 12250 1993 12627 1994 12977 1995 12230 1996 12250 1997 12494 1998 13178 1999 13357 2000 13590 2001 14749 2002 18738 2003 25872 2004 26325 2005 24728 2006 26047 2007 26172 2008 26551 2009 27208 2010 28998 Zdroj: czso.cz
18
Graf 1 - Výroba elektřiny jadernými elektrárnami ČR v letech 1990 -2010 Zdroj: www.czso.cz
Z uvedeného grafu je jasně vidět, že v letech 1990 až 2003 výroba elektřiny mírně stoupala. Tato elektřina byla vyráběna pouze jadernou elektrárnou Dukovany. Ovšem od roku 2003 začala prudce stoupat, což bylo způsobeno zahájením provozu druhého bloku jaderné elektrárny Temelín. Dále je zde vidět, že v průměru roční výroba elektřiny za dané období stoupá o 985,58 GWh. Z tohoto můžeme usoudit, že výroba elektrické energie v České republice se bude v budoucnu i nadále zvyšovat. Tomuto jevu se pochopitelně budou muset jaderné elektrárny Dukovany a Temelín přizpůsobovat a bude nutné vhodně upravovat jejich reaktory, aby byly schopny vyrábět více elektřiny.
19
5 JADERNÝ ODPAD Jaderné palivo používané v českých jaderných elektrárnách je vyráběno a dodáváno ruskou společností TVEL. [5] Od počátku provozu obou českých jaderných elektráren vzniklo asi 3000 tun použitého jaderného paliva. Toto palivo je možné po desítky let bezpečně skladovat, přepracovávat na nové palivo, nebo v budoucnu využívat jako palivo pro nové typy reaktorů. V případě, že se toto palivo žádným způsobem nebude nadále využívat, bývá prohlášeno za jaderný odpad. Podle tzv. Atomového zákona přijatého Parlamentem České republiky roku 1997 je povinností všech původců jaderného odpadu, tedy v případě ČR společnost ČEZ, nést veškeré náklady spojené s nakládáním s radioaktivním odpadem od vzniku jaderného odpadu až po jeho definitivní uložení. [5] Stát založil Správu úložišť radioaktivních odpadů (SÚRAO), která dohlíží na bezpečné ukládání jaderného odpadu. Činnost tohoto správního orgánu je financována z tzv. jaderného účtu, který je tvořen příspěvky všech původců radioaktivních odpadů, včetně původců jaderného odpadu vznikajícího v jaderných elektrárnách. [5]
5.1 Minulost jaderného odpadu v ČR V minulosti se použité jaderné palivo z Jaderné elektrárny Dukovany převáželo do meziskladu v areálu jaderné elektrárny Jaslovské Bohunice na Slovensku, za účelem postupného odebírání tehdejším Sovětským svazem, na základě mezistátní smlouvy. Ovšem po rozpadu Sovětského svazu Ruská federace od těchto závazků ustoupila. Po rozpadu Československa nastala situace, kdy se jaderný odpad ocitl v zahraničí, a tudíž bylo nutné ho postupně nechat převézt do našeho vlastního meziskladu vybudovaného v areálu Jaderné elektrárny Dukovany. [5]
5.2 Současnost jaderného odpadu v ČR Použité palivo má být v meziskladech uloženo několik desítek let a je zcela reálné, že bude v budoucnu opět využito. Již v současné době probíhá v některých zemích přepracovávání jaderného odpadu, pro další využívání. Avšak technologie přepracování jaderného odpadu je finančně velice náročná, tudíž si ho mohou dovolit pouze 20
ekonomicky velmi silné země. V případě, že se takto naše použité palivo nevyužije, bude uloženo do hlubinného úložiště, jehož realizace momentálně probíhá. Mimoto jsou v naší republice tři přípovrchové úložiště jaderného odpadu. Tyto úložiště se nacházejí v Dukovanech, přímo v areálu jaderné elektrárny. Dále u Litoměřic v úložišti Richard. A posledním a nejmenším úložištěm je úložiště Bratrství u Jáchymova. [6]
5.3 Budoucnost jaderného odpadu v ČR Česká republika se chystá jaderný odpad ukládat do hlubinného úložiště. Toto úložiště je plánováno zrealizovat v lokalitě Skalka. Areál skladu leží v blízkosti města Bystřice nad Pernštejnem v okrese Žďár nad Sázavou. Tento areál leží v upravené výškové úrovni 407 m n. m. a zaujímá plochu cca 1,5 ha. Úložiště by mělo být suchý kontejnerový sklad s horizontálními tunely, ve kterých by se skladovaly kovové transportně-skladovací kontejnery s jaderným odpadem. Předpokládá se uložení cca 2900 tun jaderného odpadu. Toto úložiště je plánováno uvést do provozu v roce 2065. [2]
21
6 ROZVODY ELEKTRICKÉ ENERGIE Základní výhodou přenosu elektrické energie je výhoda přenosu na velké vzdálenosti, ovšem je zapotřebí zajistit co nejmenší ztráty. Tento problém je řešen hledáním nových druhů vodičů, zlepšováním účiníku a zvyšováním napětí přenosové soustavy. Transformátory umožňují zvyšování a snižování napětí zdrojů střídavého napětí, díky rozvoji trojfázové soustavy. Avšak přenos velmi vysokého napětí je i v současnosti velkým problémem a je stále řešen. [7]
6.1 Rozvodna Rozvodna je místo, kde jsou soustředěna zařízení na připojování zdrojů (generátorů, transformátorů, přívodních vedení) a různých vývodů (kabelových nebo venkovních) ke spotřebitelům elektrické energie. Rozvodna v podstatě představuje elektrický uzel. [7]
6.2 Rozdělení rozvodných soustav Podle velikosti napětí: a) rozvody malého napětí (mn) b) rozvody nízkého napětí (nn) 230/400V c) rozvody vysokého napětí (vn) 6, 10, 22, 35kV d) rozvody velmi vysokého napětí (vvn) 110, 220kV e) rozvody zvlášť vysokého napětí (zvn) 400, 750, 1150kV [8] Podle účelu střídavé sítě: a) nadřazené sítě zvn 400kV – přenášejí elektrickou energii mezi centry výroby a spotřeby v celostátním měřítku b) přenosové sítě vvn 110, 220kV – přenášejí velké výkony z výroben do nadřazené soustavy c) distribuční sítě vn 22, 35kV – přenášejí elektrickou energii z elektrárny nebo rozvodny do místa spotřeby přes transformační stanice ze sítí vvn 22
d) průmyslové sítě vn 3×6,3∙×10kV, 3×230/400V, 3×660V, jsou zásobeny přes transformační stanice ze sítí vn e) sekundární sítě 3 + PEN 50 Hz 400 V, střídavých - zásobují energií obyvatelstvo [8]
6.3
Transformovna Transformovna je místo, kde se soustřeďují rozvodny s příslušnými transformátory
na dvě, nebo několik napětí, jelikož při rozvodu elektrické energie je nutné přenášet obrovské elektrické výkony na velké vzdálenosti. Aby byl takový přenos hospodárný, je potřeba jmenovité napětí generátoru transformovat na velmi vysoké napětí. [7]
6.4 Druhy elektrických sítí Podle uzlu napájecího zdroje sítě: a) přímo spojený se zemí b) nepřímo spojený se zemí (přes člen s impedancí – zhášecí transformátor, cívka) c) izolovaný od země [8] Podle uspořádání: a) paprskovité – vzniknou z několika vedení napájených z jedné strany, používají se pro méně důležité dodávky energie b) uzavřené – okružní, zajišťují větší jistotu dodávky energie c) mřížkové – jsou napájeny paralelně spolupracujícími transformátory v uzlech sítě. Používají se v hustě zastavěných místech s velkým odběrem energie. Jsou nákladné, ale zajišťují větší jistotu dodávky energie. Ochrany proti zkratům a přetížení jsou u těchto sítí složité. [8]
23
7 ZPŮSOBY VEDENÍ ELEKTRICKÉ ENERGIE Nejčastěji využívaný způsob vedení elektrické energie je vedení vzduchem, ovšem v některých případech to není nejvhodnější řešení. V hustě zastavěných lokalitách, nebo v místech, kde nelze stavět vzdušné vedení se používá kabelové vedení, které se klade do země. [9]
7.1 Vzdušné vedení elektrické energie Nejčastější způsob vedení elektrické energie je vzduchem. Vzdušné vedení tvoří: vodiče, izolátory a stožáry. Vodiče jsou nejdůležitější částí vzdušného vedení. Jejich volbou je ovlivněna konstrukce stožáru, elektrické ztráty, úbytky napětí a rušení rozhlasu. Vodiče jsou neustále vystavovány různým povětrnostním vlivům, kterým musí odolávat. Používají se neizolované (holé) vodiče z mědi, hliníku, bronzu nebo hliníkových slitin a mohou být plné nebo lanové. Dále bývají používány i lana z hliníkových a ocelových vodičů, označována AlFe. Plné vodiče se používají do průřezu 25 mm2. Pro větší průřezy se používají lana. [9] V rozvodech vn se používají lana A1Fe 6 a v rozvodech vvn lana AlFe 4 a AlFe 3. Čísla 3, 4, 6 udávají poměr průřezu hliníkových vodičů (Al) k průřezu ocelové duše (Fe). Číslo před písmeny A1Fe udává průřez hliníkových vodičů ve čtverečných milimetrech. Například 150A1Fe 6 znamená průřez hliníkových vodičů 150 mm2 a průřez ocelové duše 25 mm2. Pro nejvyšší přenosová napětí (220, 400, 750 kV) se používají svazkové vodiče, aby se zmenšily ztráty. Svazkový vodič se skládá ze tří až čtyř jednoduchých vodičů na jednu fázi. Vzdálenost vodičů mezi sebou pro vedení vn a vvn lze vypočítat podle empirického vztahu:
Kde:
a
je vzdálenost os vodičů (m)
y
průhyb vodičů při teplotě 40°C (m)
l
délka izolátorového řetězce (m)
Un
sdružené jmenovité napětí (kV)
k
činitel závislý na vychýlení vodiče větrem 24
Izolátory jsou podpěrné nebo závěsné (izolátorové řetězce). Izolátor musí vydržet velké elektrické a mechanické namáhání. [10] Stožáry tvoří nosnou část vzdušných vedení. Jako materiál se používá dřevo, beton a ocel. Dřevěné stožáry se u nás používají pouze pro vedení nn a pro rozpětí do 40 m. Výjimečně se používají pro vedení vn (22 kV) a pro rozpětí do 120 m. Životnost dřevěných stožárů (25 až 35 let) ovlivňuje kvalita dřeva, způsob impregnace a agresivita půdy. Betonové stožáry se vyrábějí z předpjatého betonu. Používají se pro vedení nn a vn. V zahraničí se používají také pro vedení vvn. Oproti dřevěným stožárům mají lepší životnost (asi 50 let). Ocelové stožáry se používají pro vedení vn a zejména pro vedení vvn. [10] Podle účelu dělíme stožáry takto: nosné stožáry (nesou pouze vedení a mají vydržet i při přetržení jednoho vodiče) výstužné stožáry (tvoří pevné body, staví se obvykle ve vzdálenostech 3km) křižovatkové stožáry (staví se u přechodů přes komunikace nebo v místě křižování s jiným vedením) rohové stožáry (staví se v místě změny směru vedení). Základy stožárů jsou namáhány velkými momenty sil způsobenými tahem vodičů. Jejich stavbě je proto nutné věnovat mimořádnou pozornost. [10]
7.2 Kabelové vedení elektrické energie Kabelová vedení se používají nejčastěji v hustě zastavěných oblastech (města, průmyslové závody) nebo tam, kde není možné stavět vzdušná vedení (letiště apod.). Vedení se klade do země, do kabelových kanálů, do tvárnic a rour nebo na rošty uložené na stěnách a jiných konstrukcích. V ČR se vyrábějí tzv. silové kabely, pro napětí do 1 kV, dále pro napětí 3, 6, 10, 22, 35 kV (kabely vn) a pro napětí 110 a 220 kV (kabely vvn). V zahraničí se vyrábějí ještě kabely pro napětí 425 až 500 kV. Jádra kabelů jsou izolována pevným nebo tekutým izolantem (papír, pryž, polyetylén apod.). Tlakové kabely vvn jsou plněny olejem nebo plynem. Zvětšování přenášených výkonů vedlo ke konstrukci supravodivých kabelů, ve
25
kterých se pomocí chladicí látky s nízkou teplotou varu (kapalný dusík, vodík, hélium) udržuje supravodivý stav. Supravodivé kabely mají žíly z kovu velké čistoty. Žíly jsou potaženy supravodivým materiálem, kterým se přenáší elektrická energie. Jmenovité průřezy jader silových kabelů (mm2) jsou: 1,5; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 400; 500; 800. Pro kabelová vedení platí tyto normy: ČSN 38 2153 – Kladení silových kabelů v tvárnicích. ČSN 38 2156 – Kabelové kanály, prostory, šachty a mosty. ČSN 34 1050 – Předpisy pro kladení silových elektrických vedení. [10]
26
8 VLASTNOSTI ELEKTRICKÉHO VEDENÍ Každé elektrické vedení má základní charakteristické vlastnosti a těmi jsou: Odpor (R), Indukčnost (L), Kapacita (C), Svody a Sršení. [9]
8.1 Odpor (R) Pro výpočet odporu vodiče ve stejnosměrném obvodu platí vztah:
Ve střídavém obvodu je odpor větší než ve stejnosměrném obvodu. Způsobuje to nerovnoměrné rozložení proudu ve vodiči, tzv. povrchový jev (anglicky skinefect). Hustota proudu se zvětšuje směrem od středu k povrchu vodiče. Čím je vyšší frekvence proudu, tím je povrchový jev výraznější. Odpor se mění také skroucením lan, oteplením a hysterezí ocelové duše v lanech A1Fe. Hodnoty odporů jsou uvedeny v tabulkách získaných měřením. Například měděný vodič o průřezu 150 mm2 má odpor 0,124 Ω/km. [10]
8.2 Indukčnost (L) Indukčnost vodiče závisí na průřezu vodiče, na vzájemné vzdálenosti vodičů a na prostředí. Běžné hodnoty indukční reaktance vzdušných vedení jsou 0,25 až 0,45 Ω/km a kabelových vedení 0,1 Ω/ km. ČSN 31 1100 doporučuje skrucovat vedení, která jsou určena pro napětí vyšší než 10 kV a jsou delší než 30 km. Indukčnost se tak vyrovnává a zmenšuje. Při dvojnásobném skroucení není pořadí fází na začátku a konci vedení stejné. Trojnásobné skroucení tuto závadu odstraňuje. [10]
Obr. 4 – Dvojnásobné zkroucení vodičů vedení Zdroj: www. jsmilek.cz
27
Obr. 5 – Trojnásobné zkroucení vodičů vedení Zdroj: www. jsmilek.cz
8.3 Kapacita (C) Vedení vytváří kondenzátor s elektrodami vodič-zem nebo vodič-vodič. Vlivem nedokonalého dielektrika prochází kondenzátorem jalový kapacitní proud. V dlouhých vedeních vvn je součástí procházejícího proudu nabíjecí proud daný kapacitou vedení. Celková kapacita jednoho vodiče je u vzdušných vedení asi 0,01 μF/km a u kabelů 0,1 μF/km. [10]
8.4 Svod Svod je způsoben nedokonalostí izolace vedení proti zemi. Velikost činného proudu závisí na svodové vodivosti. Svodová vodivost závisí na stavu vedení a na počasí a je asi 0,1 S/km, není-li na vedení sršení. [10]
Sršení
8.5
Při intenzitě elektrického pole asi 21 kV/cm se objevuje doutnavý výboj doprovázený sršením a v blízkosti vodiče nastává ionizace vzduchu. Vodič je obklopen slabě svítící vrstvou. Tento jev se nazývá koróna. Vznikají při ní ztráty ve vedení a rušení rozhlasu. Koróna závisí na napětí, na poloměru a povrchu vodiče a na počasí. U trojfázového vedení napětí 220 kV jsou ztráty svodem a korónou 0,5 až 2,5 kW/ km. [10]
28
ELEKTRICKÉ VEDENÍ V ČR
9
V České republice má síť elektrického vedení dvojí úkol. V první řadě zajišťuje propojení všech velkých jaderných, tepelných, vodních elektráren a přepravu velkých energetických výkonů přenosovou soustavou o napětí 400 kV a 220 kV do napájecích uzlů. A druhým úkolem je, po ztransformování elektrické energie na nižší napětí 110 kV nebo 22 kV, přeprava distribuční soustavou k odběratelům, čímž jsou myšleny továrny a města. Poté distribuční transformační stanice snižují napětí na 3 x 400/230 V, což je napětí, které používáme. Naše republika je přímo propletena sítí elektrického vedení, jelikož linka o napětí 400 kV dosahuje délky přes 3000 kilometrů a síť vedení o napětí 220 kV má délku kolem 2000 kilometrů. Naši přenosovou soustavu tvoří zejména soustava dlouhých nadzemních vedení velmi vysokého napětí. V České republice je přenosová soustava provozována státní společností ČEPS a.s. Tato síť je dále šestnácti vedeními propojena se sítěmi dalších členů UCTE (Evropské sdružení provozovatelů přenosových soustav). [11]
9.1 Trojfázová soustava Trojfázová soustava je velice důležitá pro elektroenergetický průmysl, protože jejím prostřednictvím je elektřina vyráběna, přenášena a spotřebována. Výhodami trojfázové soustavy je hospodárnější přenos elektrické energie, jelikož ve vedení nevznikají velké ztráty a také lze z těchto soustav odebírat dvojí napětí (sdružené a fázové, v domovních rozvodech 3 x 400/230 V). Jednoduchý vznik točivého magnetického pole (je hlavní výhodou, která umožňuje funkci a jednoduchou konstrukci točivých el. strojů). Trojfázovou soustavu dělíme na souměrnou a nesouměrnou, kdy každou fází protéká jiný proud. Trojfázový proud je vyráběn v alternátoru, který má soustavu tří cívek pootočených navzájem o 120 °. Každé vinutí, kterému se říká fáze, muže samostatně dodávat elektrický proud. Zdroje takové soustavy dodávají současně několik stejně velkých napětí, které mají stejnou frekvenci a liší se jen vzájemným fázovým posunem. [15]
29
9.2 Fázové a sdružené napětí Fázové napětí. Je to napětí mezi fázovým vodičem a nulovým vodičem. V trojfázové soustavě máme tri fázová napětí, která jsou stejně velká a jsou vůči sobě fázově posunuta o 120 °. Fázové napětí se označuje Uf. V naší síti nízkého napětí je fázové napětí 230 V (zaokrouhleně). Sdružené napětí. Je to napětí mezi dvěma fázovými vodici. Jeho velikost lze vypočítat jako fázorový rozdíl dvou fázových napětí, US = √3×Uf. V trojfázové síti máme tři sdružená napětí, která jsou stejně velká a vzájemně fázově posunutá opět o 120 °. Sdružené napětí se značí Us. Platí, že Us = √3×Uf . V naší síti nízkého napětí je hodnota sdruženého napětí 400 V. [16]
9.3 Zapojení trojfázových spotřebičů a zdrojů do hvězdy a trojúhelníka Jak trojfázové zdroje, tak spotřebiče většinou obsahují v principu 3 prvky: - rezistory - např. u tepelných spotřebičů jako jsou trojfázové elektrické pece a ohřívače - cívky - např. u trojfázových motorů a generátorů, nebo transformátorů, - kondenzátory - např. u trojfázových zařízení pro kompenzaci jalového výkonu, - nebo nějakou jejich kombinaci. Tyto prvky mohou být zapojeny do hvězdy (označuje se písmenem Y), nebo do trojúhelníka (označuje se písmenem D). Každý tento prvek tvoří jednu fázi zdroje nebo spotřebiče. [16] Zapojení do hvězdy Y V zapojení do hvězdy je na jednotlivé fáze spotřebiče připojeno fázové napětí sítě (v naší síti nejčastěji 230 V). Fázovými vodiči sítě protéká stejný proud jako fázemi spotřebiče - síťový proud I = If. [16] V případě, že je zdroj i spotřebič souměrný (fázová napětí přesně stejně velká a posunutá přesně o 120 °, impedance všech fází spotřebiče stejné), jsou všechny tři
30
proudy I1, I2 a I3 stejně velké a vzájemně posunuté o 120 °. Jejich součet je nula a nulovým vodičem pak neprotéká žádný proud IN = 0. [16]
Obr. 6 - Zapojení trojfázového zdroje a spotřebiče do hvězdy Zdroj: www.fei1.vsb.cz
Zapojení do trojúhelníka D V zapojení do trojúhelníka není nulový vodič. Jednotlivé fáze spotřebiče jsou připojeny na sdružené napětí sítě (v naší síti většinou 400 V). Potom fázové napětí spotřebiče je rovno sdruženému napětí sítě, nebo také síťovému napětí (U = Us = Uf spotřebiče).
[16]
V zapojení do trojúhelníka teče fázovými vodici sítě sdružený proud, tedy síťový proud se rovná sdruženému proudu I = Is = √3 × If. [16]
Obr. 7 - Zapojení trojfázového spotřebiče do trojúhelníka Zdroj: www.fei1.vsb.cz
31
9.4 Kompenzace jalového výkonu Převážná většina spotřebičů elektrické energie má induktivní (přesněji odporově induktivní) charakter. Jedná se např. o zářivková výbojková svítidla, asynchronní motory, transformátory, indukční pece, apod. Pro jejich činnost je nutno vytvořit magnetické pole. Kromě činné složky proudu Ič se tedy musí dodat i složka jalová Ij. Spotřebič odebírá ze sítě celkový proud I, který je za napětím U opožděn o úhel φ. Kromě činného výkonu P musíme proto také dodat jalový výkon Q a vedením je přenášen zdánlivý výkon S. Posun mezi napětím a proudem vyjadřuje tzv. účiník, což je funkce cosφ. [17] Principem kompenzace, je to, že potřebný jalový výkon dodáme ze statického kondenzátoru (nejčastěji) nebo synchronního kompenzátoru přímo u spotřebiče nebo v jeho blízkosti. Vedením přenášíme pouze činný výkon nebo i výkon jalový, jehož velikost je ale podstatně menší, než před kompenzací. [17] Po kompenzaci se zmenší nejenom hodnota jalové složky proudu, ale zmenší se také velikost fázového posunu mezi celkovým proudem a napětím. Hodnota účiníku cosφ na hodnotu cosφk. [17] V praxi se obvykle kompenzuje na účiník cosφk = 0,95 až 0,98 induktivního charakteru, aby nedošlo k překompenzování. [17]
32
Obr. 8 – Schéma sítí elektrické soustavy České republiky Zdroj: www.ote-cr.cz
33
10
ZÁVĚR Z této práce je jasně vidět, že energetická náročnost České republiky se neustále
zvyšuje a to se pochopitelně odráží na zvyšující se výrobě elektrické energie. Tento fakt má za následek, že jaderné elektrárny budou muset v budoucnu nejspíše zvyšovat své výkony, aby mohla být elektřina dodávána bez problému do všech domácností naší republiky. Co se týká jaderného odpadu, tak i přes nesouhlas obcí, v jejichž blízkosti by se mělo hlubinné úložiště jaderného odpadu nacházet je jisté, že toto řešení je v současnosti tím nejlepším. Protože naše ekonomická situace v žádném případě nedovoluje, aby se jaderný odpad u nás mohl přepracovávat k dalšímu využití.
34
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 1.
http://www.cez.cz
2.
http://www.jaderna-energie.cz
3.
http://www.fyzika.net
4.
http://cs.wikipedia.org
5.
http://www.je-temelin-dukovany.cz
6.
http://www.surao.cz/
7.
http://www.maturitanazamku.kvalitne.cz/
8.
ELN14A, [online]. 2004 [cit. 2012-03-13]. Dostupné z www:
.
9.
http>//www. jsmilek.cz/skripta pdf/ue rozvody el energie skripta.pdf
10. SMILEK, Jiří. Jsmilek [online]. 18.12.2008 [cit. 2012-03-13]. Eu rozvody el energie skripta. Dostupné z www: <jsmilek.cz/skripta pdf/ue rozvody el energie skripta.pdf>. 11. http://www.energyweb.cz 12. http://www.je-temelin-dukovany.cz/ 13. http://www.allforpower.cz 14. http://www.mediafax.cz 15. KRATOCHVÍL, Filip. kratochvil_3f [online] 2006 [cit. 2012-04-05]. Dostupné z www: 16. KOLÁR, FIALA, VRÁNA. sylab_trojfaz_obvody_bc [ONLINE ] 2008 [CIT. 201204-05]. Dostupné z www: 17. TYRBACH, Jaromír. Komp-zduvodneni [online] 2007 [cit. 2012-04-06]. Dostupné z www: < web.telecom.cz/tyrbach/Komp-zduvodneni.pdf>
35
SEZNAM OBRÁZKŮ, TABULEK A GRAFŮ Obr. 1 – Schéma funkce jaderné elektrárny ................................................................................ 14 Obr. 2 – Jaderná elektrárna Dukovany ........................................................................................ 16 Obr. 3 – Jaderná elektrárna Temelín ........................................................................................... 17 Obr. 4 – Dvojnásobné zkroucení vodičů vedení ......................................................................... 27 Obr. 5 – Trojnásobné zkroucení vodičů vedení .......................................................................... 28 Obr. 6 - Zapojení trojfázového zdroje a spotřebiče do hvězdy ................................................... 31 Obr. 7 - Zapojení trojfázového spotřebiče do trojúhelníka ......................................................... 31 Obr. 8 – Schéma sítí elektrické soustavy České republiky ......................................................... 33
Tab. 1 – Výroba elektřiny jadernými elektrárnami ČR v letech 1990 -2010 .............................. 18
Graf 1 - Výroba elektřiny jadernými elektrárnami ČR v letech 1990 -2010 ............................. 19
36
