Energetická účinnost v průmyslu. Studentská příručka

Energetická účinnost v průmyslu Studentská příručka

Edice EN 0.1 - září 2009 Aktualizované verze ke stažení na webu projektu IUSES www.iuses.eu .

Prohlášení Tento projekt je financován s podporou Evropského společenství. Tato publikace vyjadřuje pouze názory svých autorů a Evropské společenství nenese žádnou zodpovědnost za použití informací zde obsažených.

Autoři: Tadhg Coakley (Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology ), Noel Duffy (Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology ), Sebastian Freiberger (Stenum), Johannes Fresner (Stenum), Jos Houben (University of Leoben), Hannes Kern (University of Leoben), Christina Krenn (Stenum), Colman McCarthy (Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology ), Harald Raupenstrauch (University of Leoben) Překlad a úpravy: Dana Tondlová, Lucie Kochová, Vlasta Švejnohová (Enviros s.r.o.) Layout Fabio Tomasi (AREA Science Park)

O této příručce a projektu IUSES Tato příručka byla vytvořena v rámci projektu IUSES –Intelligent Use of Energy at School, financovaného Evropským společenstvím pod Programem - Intelligent Energy Europe. Partnery projektu jsou: AREA Science Park (Italy) CERTH (Řecko), CIRCE (Španělsko), Clean Technology Centre - Cork Institute of Technology (Irsko), Enviros s.r.o. (Česká republika), IVAM UvA (Nizozemí), Jelgava Adult Education Centre (Lotyšsko), Prioriterre (Francie), Science Centre Immaginario Scientifico (Itálie), Slovenski E-forum (Slovinsko), Stenum GmbH (Rakousko), University “Politehnica” of Bucharest (Rumunsko), University of Leoben (Rakousko), University of Ruse (Bulharsko). Poznámka k autorským právům Tato kniha může být volně kopírována a distribuována za podmínky, že budou vždy zmíněni její autoři, a to i v případě využití pouze její části. Učitelé, školitelé a jakýkoliv další uživatel nebo distributor musí vždy citovat autory, projekt IUSES a Program Intelligent Energy Europe. Kniha může být také svobodně přeložena do dalších jazyků. Překlad musí obsahovat citaci autorských práv a přeložený text musí být zaslán koordinátorovi projektu ([email protected]), který ho opublikuje na webové stránce projektu IUSES, kde bude umístěn volně k distribuci.

I

IUSES — Používání energie v průmyslu

Obsah …………………………………………………… Předmluva .......................................................................................................................... 3 Kapitola 1: Úvod do tématiky týkající se energie........................................................... 5 Co je energie? ............................................................................................................. 5 Problémy v souvislosti s energií ................................................................................ 5 Zdroje energie............................................................................................................. 5 Spotřeba energie......................................................................................................... 6 Energie a výkon .......................................................................................................... 8 Lidský výkon............................................................................................................... 8 Kapitola 2: Zdroje energie ............................................................................................. 11 Problémy spojené s neobnovitelnými zdroji energie (fosilní zdroje a jaderná energie) ...................................................................................................................... 14 Obnovitelná energie ................................................................................................. 15 Využití obnovitelných zdrojů energie v průmyslu ................................................ 16 Kapitola 3: Přeměna energie a její využití v průmyslu .............................................. 19 3.1 Přeměna energie (nositelé energie) .......................................................................... 19 Druhy energie a nositelů energie ............................................................................ 19 Výroba paliv ............................................................................................................. 20 Výroba elektřiny....................................................................................................... 20 Elektrárny s paroplynovým cyklem ....................................................................... 21 Elektrárny na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny (teplárny) ..................... 21 Národní energetická bilance a energetická náročnost.......................................... 23 3.2 Konečné použití energie v průmyslu ....................................................................... 26 Provoz kotlů .............................................................................................................. 26 Ventilátory ................................................................................................................ 29 Stlačený vzduch ........................................................................................................ 32 Kapaliny pro chlazení a vytápění ........................................................................... 34 1

IUSES — Používání energie v průmyslu Odkazy .......................................................................................................................34 Kapitola 4: Energetický management............................................................................36 Cíle systému energetického managementu.............................................................37 Kroky v rámci systému energetického managementu...........................................38 Energetická politika..................................................................................................38 Plánování ..................................................................................................................40 Implementace a provoz ............................................................................................43 Audit ..........................................................................................................................45 Zhodnocení managementu .......................................................................................46 Odkazy .......................................................................................................................46 Kapitola 5: Efektivní využití energie v papírenském průmyslu..................................48 Úvod ...........................................................................................................................48 Životní cyklus papíru ...............................................................................................50 Suroviny pro výrobu papíru ....................................................................................51 Výroba papíru ...........................................................................................................53 Recyklace papíru vs. použití nových vláken...........................................................57 Formování do archů na papírenském stroji...........................................................62 Odkazy .......................................................................................................................65 Tabulky ......................................................................................................................65 Obrázky .....................................................................................................................65

2

IUSES — Používání energie v průmyslu

Předmluva Energie se nachází všude. Způsobuje, že se něco děje, že jsou věci v pohybu. Díky ní máme světlo a teplo. Využíváme ji k cestování, k přípravě pokrmů, k uchování potravin v čerstvém stavu, k získávání potravy. Informace o této příručce Příručka Používání energie v průmyslu je součástí kurzu nazvaného Inteligentní používání energie ve škole. Cílem tohoto kurzu je pomoci studentům dozvědět se o základech energetické efektivnosti. Kromě této existují ještě dvě příručky – Používání energie v dopravě a Používání energie v budovách. Tato příručka vás seznámí s tím, co je energie a jak se využívá, zejména v průmyslu. Vysvětlí řadu pojmů používaných v energetice, jaké jsou zdroje energie, jak se vyrábí elektřina a jak se používá energie v průmyslových provozech. Jedním z hlavních záměrů tohoto kurzu a manuálu je ukázat, jak můžeme získávat energii lepším, čistším způsobem, jak ji vyrábět z obnovitelných zdrojů a rovněž jak s ní lépe nakládat, zejména v tom smyslu, jak s ní tolik neplýtvat. Uspořádání příručky Záměrem této příručky je poskytnout vám zajímavým a interaktivním způsobem celou řadu různých informací formou textů, obrázků, grafů, definicí, podnětů, důležitých bodů apod. Obsahuje rovněž mnoho různých činností, cvičení, otázek a úkolů k vypracování. Zde je rychlý přehled obsahu každé kapitoly. Kapitola 1: Úvod do tématiky týkající se energie Tuto část tvoří kapitoly 1 a 2, které vás seznámí s tím, co je energie a jaký má význam. Vysvětlí některé definice týkající se měření energie – jaké měrné jednotky se používají a také co znamenají. Rovněž zde najdete vysvětlení výrazu “výkon”. Ukáže také, že průmysl a společnost závisí na využívání energie ve velkém, kde samotná lidská energie nestačí. Výroba energie ve velkém měřítku rovněž způsobuje problémy v oblasti životního prostředí a hlavní zdroje, které se v současnosti využívají, se začínají vyčerpávat. Kapitola 2: Zdroje energie Tato část příručky vysvětluje, odkud energie pochází. Hlavní zdroje energie, kterou používáme, jsou fosilní paliva jako ropa, uhlí a plyn, které jsou neobnovitelné a jejich využití je kapacitně limitováno. Emise vznikající při jejich používání značnou měrou přispívají ke změně klimatu. Využívání dalších druhů energie, která pochází z obnovitelných zdrojů, jako je slunce, vítr nebo moře, je bez omezení a nezpůsobuje globální oteplování. Energii můžeme rovněž vyrábět ze zdrojů, které by se dnes mohly označit za “odpadní materiál”. Energii tedy získáváme z mnoha rozličných zdrojů, z nichž některé jsou mnohem vhodnější a čistší než ty druhé. Nastíníme trendy v používání energie a jejího významu pro průmysl. Kapitola 3: Přeměna energie (nosiče energie a použití v průmyslu) Tato část vysvětluje přeměnu zdrojů energie na přepravitelná (transportable) paliva (rafinací ropy) nebo na elektrickou energii (v elektrárnách). Někdy vyrábíme jak elektřinu, tak užitečné teplo. Podíváme se na celkovou potřebu energie v rámci dané země, která ukazuje, že hlavním spotřebitelem je průmysl, srovnatelný s dopravou a domácnostmi. Na závěr uvedeme téma týkající se energetické náročnosti.

3

IUSES — Používání energie v průmyslu Kapitola 4: Energetický management Tato kapitola popisuje, jak lze v průmyslu aplikovat systém energetického managementu. Podobnou metodu může převzít škola a vytvořit tak strukturu pro svůj energetický management. Tento postup mohou převzít malé i velké podniky! Kapitola 5: Případová studie z papírenského průmyslu Kapitola 5 uvádí postup při výrobě papíru. Byl vybrán jako příklad, který demonstruje způsoby použití energie v průmyslu. Zároveň jsme studentům poskytli návod, jak si mohou vyrobit papír sami a kantoři tím budou mít příležitost vysvětlit jednotlivá hlediska. Některé piktogramy a podněty uvedené v příručce V této příručce jsme se vám pokusili rozložit informace do zvládnutelných a zajímavých větších celků. Nejedná se jen o sled stránek plných textu (to by byla nuda!). Kdykoli se tedy objeví definice, nějaká činnost, učební látka, důležitá poznámka nebo odkaz atd., označíme je piktogramem. Sledujte tyto piktogramy: Definice: označuje výraz a vysvětluje jeho význam Pamatuj: označuje něco důležitého, podnět nebo zásadní informaci. Na tyto piktogramy dávejte pozor! Učební látka: Tento piktogram je na začátku každé kapitoly a uvádí, co bude v dané kapitole předmětem výuky Pokus, cvičení nebo činnost: Tento piktogram označuje něco, co máte udělat na základě prostudované látky Webový odkaz: Ukazuje internetovou adresu, kde můžete získat více informací Odkaz: Označuje, odkud informace pochází Případová studie: Zde uvádíme skutečný příklad z průmyslového odvětví nebo podniku Klíčové body: toto je souhrn (obvykle v řádcích označených puntíkem jako odrážkou) toho, co jste již obsáhli, obvykle se nacházejí na konci kapitoly Otázka: označuje náš dotaz, vyžadující vaši odpověď, nachází se zejména na konci kapitoly Co přijde dál: vždy na konci kapitoly, ohlašuje, co bude následovat

4

IUSES — Používání energie v průmyslu

Kapitola 1: Úvod do tématiky týkající se energie Učební látka: V této kapitole se dozvíte • Co je energie a jaký má význam • Stručný přehled některých hlavních problémů spojených s používáním energie, zdrojů energie a její spotřeby Co je energie? Jak jsme již řekli, energie je všude kolem nás a bez ní bychom nemohli žít. Používáme ji každý den mnoha různými způsoby. Potrava, kterou přijímáme, obsahuje energii; na výrobu papíru s tímto textem byla potřeba energie; světlo, při kterém ho čtete, je rovněž energie. Odkud však všechna tato energie pochází? A co s ní děláme? Používáme ji rozumně, nebo s ní zbytečně plýtváme? Co budeme dělat, když se všechny zásoby uhlí a ropy vyčerpají? To jsou pouze některé z otázek, na které se v tomto manuále pokusíme odpovědět. Musíme rovněž přemýšlet o tom, co přeměna a používání této energie způsobuje? Slyšeli jste někdy o změně klimatu? Emisích skleníkových plynů? To jsou nyní vážné celosvětové problémy a výroba energie je jednou z jejich hlavních příčin. Nemuselo by to však tak být – existuje lepší způsob, jak vyrábět a používat energii a my se o těchto a dalších důležitých otázkách dozvíme při procházení tímto manuálem. Definice: Energie se obvykle definuje jako schopnost hmoty konat práci. Množství energie obsažené v hmotě je množství práce, kterou lze vykonat.

Problémy v souvislosti s energií Emise vznikající při výrobě energie z fosilních paliv jsou hlavní příčinou změny klimatu. Těžba a používání těchto paliv je rovněž příčinou znečištění a musíme mít na zřeteli, že zdroje těchto fosilních paliv se vyčerpávají. To znamená, že v současné době je velmi důležité zabezpečení dodávek – jsme značně závislí zejména na ropě a uhlí. Nejlepším způsobem, jak snížit toto poškozování naší planety je implementace opatření k využívání obnovitelných zdrojů energie a k energetické efektivnosti. Je to důležité jak v každodenním životě, tak i v průmyslu a obchodě. Energetická efektivnost v průmyslu nebo naprostá soběstačnost díky využívání obnovitelných zdrojů energie povedou nejen k lepšímu stavu životního prostředí, ale mohou rovněž zvýšit obchodní ziskovost. Ta nastane díky snížení nákladů na energie a celkovým zvýšením efektivnosti při výrobě. O využití těchto potenciálů se dozvíme později. Zdroje energie Příroda nám poskytuje mnoho zdrojů energie, mezi něž patří sluneční záření, tekoucí voda (hydro), mořské vlny, vítr nebo příliv a odliv. Zdroje energie jsou rovněž ve fosilních palivech (včetně uhlí, ropy a zemního plynu). Tyto zdroje lze označit také jako obnovitelné a neobnovitelné. Obnovitelné zdroje energie vznikají mnoha způsoby, např.: • Gravitačním působením sil slunce a měsíce, čímž vzniká příliv a odliv; • Otáčením země v kombinaci se sluneční energií, což vytváří proudy v oceánech a proudění větru; • Rozpadem radioaktivních minerálů a teplem v nitru Země, což poskytuje geotermální energii; • Výrobou organických látek fotosyntézou (biomasa); • A přímým slunečním zářením (solární energie). 5

IUSES — Používání energie v průmyslu Tyto zdroje energie se nazývají obnovitelné, protože se neustále doplňují nebo, z pohledu všech praktických záměrů, jsou nevyčerpatelné. Neobnovitelné zdroje energie tvoří fosilní paliva (zemní plyn, ropa, olej z břidlic, uhlí a rašelina) a také uran (jaderná energie). Fosilní paliva se vyznačují vysokou koncentrací energie a tak je jejich používání velmi rozšířené. Velká část světových průmyslových podniků, dopravních prostředků a terciární sféry spoléhá na energii, kterou tyto neobnovitelné zdroje obsahují. Spotřeba energie Podle Mezinárodní energetické agentury (International Energy Agency – IEA) bude světová spotřeba energie dále stoupat a to v průměru o 2% ročně. Při tomto tempu růstu spotřeby energie se za každých 35 let zdvojnásobí světová spotřeba energie. Spotřeba energie je přímo souvisí s ekonomickou výkonností, ale existuje velký rozdíl mezi spotřebou energie ve vysoce rozvinutých a chudších zemích. Věděli jste, že průměrný obyvatel Spojených států spotřebuje 57 krát více energie než obyvatel Bangladéše? USA spotřebují 25% světové energie (při podílu na globální výrobě 22% a s podílem 5% obyvatel na světové populaci).

Pamatuj: K nejvýznamnějšímu nárůstu spotřeby energie dochází v současnosti v Číně, který v uplynulých 25 letech činil 5,5% ročně. Tempo růstu spotřeby energie v Evropě činilo pouze 1 %.

Otázka: Co zobrazují tyto čtyři fotografie? Napište jeden odstavec o každém obrázku ve spojení s energií.

Klíčové body: Klíčové body z této kapitoly jsou: • Energie je pro naše životy důležitá, ale možná si jí dost nevážíme • Výroba a spotřeba energie způsobuje planetě velké škody a my toto poškozování musíme zastavit • Energie pochází z mnoha zdrojů, ty starší (ropa, uhlí atd.) se vyčerpávají a jedinou perspektivou pro zabezpečení dodávek energie v budoucnosti jsou obnovitelné zdroje energie

6

IUSES — Používání energie v průmyslu Webové odkazy Mezinárodní energetická agentura (IEA): http://www.iea.org Evropská agentura pro životní prostředí: http://www.eea.europa.eu/themes/energy Co přijde dál: V další části budeme definovat výkon, vysvětlíme měrné jednotky energie a výkonu a provedeme pár cvičení.

7

IUSES — Používání energie v průmyslu Energie a výkon Učební látka: V této kapitole se dozvíte • O hlavních měrných jednotkách energie a výkonu a jak je používat • Vymyslete pokus, jak přeměnit jednu formu energie na jinou formu energie Definice: Výkon je množství vykonané práce nebo přeměněné energie z jedné formy na druhou, např. z chemické energie (uhlí) na elektrickou energii v elektrárně, nebo z elektrické na mechanickou energii v elektromotoru.

Jednotky energie a výkonu Joule (J) – Jednotka pro měření energie (tepelné, mechanické a elektrické a pod.). Vzhledem k tomu, že energie je schopnost hmoty konat práci, jeden Joule (J) představuje práci vykonanou při působení síly 1 newtonu na dráze 1 metru ve směru síly. Rovná se též práci vykonané při průchodu proudu o intenzitě 1 ampéru odporem 1 ohmu za 1 vteřinu.

Watt (W) – jednotka výkonu, jde o výkon, při němž se vykoná práce 1 joulu za 1 sekundu. Násobky jednotek: vzhledem k tomu, že joule a watt jsou malé jednotky, mluvíme často v jednotkách odpovídajících tisíci joulů – kilojoulech (kJ), milionu joulů (MJ) nebo miliardě joulů (GJ). Podobně vyjadřujeme jednotky kilowattů (kW), megawattů (MW) a gigawattů (GW).

Lidský výkon Co ale watty a jouly ve skutečnosti znamenají? Kolik spotřebuje naše tělo? A stačí to k životu, který vedeme? Olympijský vzpěrač může dosáhnout výkonu až 1500 – 1800W, ale pouze po dobu necelé minuty. Vrcholový cyklista závodu Tour de France může dosáhnout pracovního výkonu 500W po dobu několika hodin. Sedící člověk spotřebuje přibližně 100W na základní tělesný metabolismus: dýchání, přemýšlení atd. “Koňská síla” je stará, dnes již nepoužívaná jednotka výkonu, kterou lze přepočítat na dnes používané watty. Jedna „koňská síla“ se rovná 745W – podle (optimistických) předpokladů, že je kůň schopen podat tento výkon. V dnešní době však nám lidský výkon nebo koňská síla již nestačí, což je dáno způsobem našeho života. Tyto hodnoty jsou nepatrné ve srovnání s našimi potřebami co se týče výroby elektřiny, provozu továren, dopravy atd. a proto tolik potřebujeme uran, ropu, uhlí, plyn, vítr a solární energii.

8

IUSES — Používání energie v průmyslu Jednotky energie a výkonu Kilowatthodina (kWh) je jednotka energie nebo práce, obvykle spojená s elektrickou energií, ale též používaná k označení jiných forem energie. Pokud se spotřebovává energie ve výši 1000 joulů za vteřinu (tj. 1000W) po dobu trvání 1 hodiny, spotřebovala se 1 kilowatthodina energie. Pokud například 100W žárovka svítí 10 hodin, spotřebuje 1 kilowatthodinu (100W x 10 hodin = 1000Wh = 1kWh). To se též rovná 3,6 mil. joulů.

Tuna ropného ekvivalentu (toe) – Toto je konvenční standardizovaná jednotka energie, je definována na základě výhřevnosti jedné tuny ropy ve výši 41868kJ, neboli přibližně 42GJ. Použití této jednotky se v Evropě používá při porovnávání různých druhů paliv tam, kde a jsou zapotřebí velké veličiny. 1 toe = 11,630MWh

Cvičení - pokus: Při tomto pokusu • se budeme zabývat tím, jak lze přeměnit energii z jedné formy na druhou (z elektrické na tepelnou); • provedeme jednoduchou energetickou bilanci; • a určíme, jakou “hodnotu” ve skutečnosti má joule nebo watt. Když dáme ohřát vodu do elektrické konvice, teplota vody se zvýší a elektrická energie se přemění na tepelnou. Pro výpočet je třeba znát měrnou tepelnou kapacitu hmoty, která se ohřívá. Měrná tepelná kapacita hmoty je množství energie potřebné k ohřevu 1 kilogramu hmoty o 1 stupeň Celsia (nebo stupeň Kelvina). Jednotka měrné tepelné kapacity je J/kg K. Měrná tepelná kapacita vody je přibližně 4180J/kg K. Jestliže se kilogram vody teplé 20°C zahřeje na 60°C, potřebuje 167200 J, což je vypočteno z: 1kg x 4180 J/kg K x (60-20) stupňů K. To se rovná167,2 kJ, takže vidíte, že joule je poměrně malé množství energie! /nebo: není tak velká jednotka energie. K tomuto pokusu potřebujete: Vodu, váhy, elektrickou konvici, teploměr, wattmetr a stopky. Postup: 1. Nalijte známé množství vody do konvice a změřte její teplotu. 2. Při zapnutí konvice začněte měřit čas a změřte příkon konvice ve wattech. 3. Jakmile se konvice vypne, zastavte stopky a opatrně (horká voda může opařit!) změřte teplotu vody. 4. Vypočtěte spotřebu energie na základě hodnot z wattmetru a doby ohřevu. 5. Na základě známého množství vody, změřeného rozdílu teplot a měrné tepelné kapacity vody vypočtěte množství tepla předaného do vody. Otázka: Je množství spotřebované elektrické energie v rovnováze s energií předanou vodě? Pokud ne, proč? Pamatuj: Ačkoli může být přeměna energie v konvici velmi účinná, elektřina byla možná vyrobena v elektrárně na fosilní paliva s účinností nižší než 50 % - viz později!

Otázky: 1. Jestliže těžce pracující osoba může podat energetický výkon v průměrné hod9

IUSES — Používání energie v průmyslu

2.

3.

notě 200 W, kolik práce vyjádřeno v kJ může člověk vyprodukovat za průměrný pracovní rok? Jaká je tato hodnota vyjádřená v kWh? Možná, že váš wattmetr dokáže určit, kolik kilowatthodin energie se spotřebuje na určitou práci. Pokud ano, zjistěte, kolik energie je zapotřebí k vyprání určitého množství prádla nebo k umytí určitého množství nádobí. Parní soustavy se obvykle používají v průmyslu, protože k odpaření vody je třeba dodat latentní teplo – které se uvolňuje při kondenzaci páry. Latentní teplo je množství energie v podobě tepla uvolněného nebo absorbovaného chemickou látkou během změny stavu (tzn. na pevné, tekuté nebo plynné skupenství) nebo fázového přechodu. Jaké je latentní teplo 1 kg vody (při atmosférickém tlaku) a jak se porovná s citelným teplem potřebným k ohřátí vody o 80 stupňů Celsia?

Definice: Skupenské teplo je množství energie v podobě tepla uvolněného nebo absorbovaného chemickou látkou během změny skupenství (např. z kapalné fáze na pevnou, z kapané fáze na plynnou). Rozlišujeme skupenské teplo tání, tuhnutí, varu, kondenzace a sublimace.

Klíčové body: Klíčové body v této kapitole jsou • Jednotka energie je joule a výkonu watt. Jde o malé veličiny, a proto při měření používáme jejich násobky. • Energie, kterou denně používáme, daleko přesahuje kapacitu lidského energetického výkonu.

Webové odkazy: Mezinárodní energetická agentura (IEA) – webová stránka: http://www.iea.org Evropská agentura pro životní prostředí: http://www.eea.europa.eu/themes/energy

Co přijde dál: Dále se dozvíme, odkud pochází energie potřebná pro naši společnost, jak se přeměňuje a distribuuje. Poté se budeme zabývat tím, kde se používá v průmyslu

10

IUSES — Používání energie v průmyslu

Kapitola 2: Zdroje energie Učební látka: V této kapitole se dozvíte • o hlavních zdrojích energie, jak obnovitelných, tak neobnovitelných • o tom, jak vzrůstá využívání obnovitelných zdrojů energie Primární energie je energie, která neprošla žádným procesem úpravy nebo přeměny. Primární energie je jak ta, obsažená v neobnovitelnných zdrojích jako jsou těžená paliva, např. uhlí, surová ropa, zemní plyn, uran, tak získaná z obnovitelných zdrojů, např. solární, větrná, vodní, geotermální. Když se podíváme na vývoj spotřeb jednotlivých zdrojů energie, je patrné, že v uplynulých 35 letech došlo k celkovému nárůstu spotřeby energie. Na tomto celkovém nárůstu spotřeb se větší měrou podílí zemní plyn a jaderná energie a oproti tomu se snížilo využívání ropy. Evropa je stále značně závislá na fosilních palivech. Mezi lety 1990 a 2005 se podíl fosilních paliv na celkové spotřebě energie snížil pouze nepatrně z přibližně 83 % na 79 % (viz graf níže). Během prvních 10 let tohoto období se na výrobu elektřiny začal v širší míře používat plyn a úměrně tomu se snížilo využívání uhlí. Díky tomu se značně snížily emise do ovzduší. Od roku 1999 se uhlí začalo znovu používat, jednak kvůli obavám ohledně zabezpečení dodávky plynu a kvůli vzrůstu cen plynu.

1800 Obnovitelné zdroje energie

1600

v mil.tun ropného ekvivalentu

1400 Jaderná energie 1200

1000

Uhlí a lignit

800

Plyn

600

400 Ropa 200

2005

2004

2003

2002

2001

2000

1999

1998

1997

1996

1995

1994

1993

1992

1991

1990

0

Obrázek 1: Celková spotřeba primární energie podle druhů paliv, EU-27 Zdroj: EEA, Energy & the Environment, 2008

V současnosti tvoří v celkové spotřebě primární energie nejvyšší míru ročního růstu energie z obnovitelných zdrojů, která činila v letech 1990 až 2005 v průměru 3,4 %. Jak je znázorněno na obrázku 2, největší nárůst byl zaznamenán u biomasy a odpadního materiálu.

11

IUSES — Používání energie v průmyslu 7,0 6,5

Podíl zdrojů na spotřebě primární energie (%)

6,0 Solární energie 5,5 5,0

Vítr

4,5 Geotermalní energie

4,0 3,5

Hydro - voda

3,0 2,5

Biomasa a odpad

2,0 1,5 1,0 0,5

2005

2004

2003

2002

2001

2000

1999

1998

1997

1996

1995

1994

1993

1992

1991

1990

0,0

Obrázek 2: Podíl obnovitelných zdrojů energie na spotřebě primární energie v EU-27 Zdroj: EEA, Energy & the Environment, 2008

Různé země samozřejmě spotřebují různé množství primární energie a to v závislosti na počtu obyvatel, energetické náročnosti svého průmyslu, klimatických podmínkách atd. Obrázek 3 znázorňuje spotřebu primární energie v partnerských zemích v roce 2006, vyjádřenou v tunách ropného ekvivalentu 2 250 000 2 000 000

1 000 MWh

1 750 000 1 500 000 1 250 000 1 000 000 750 000 2006

500 000 250 000 Velká Británie

Španělsko

Slovinsko

Řecko

Rumunsko

Rakousko

Portugalsko

Nizozemí

Německo

Lotyšsko

Itálie

Irsko

Francie

Česko

Bulharsko

0

Obrázek 3 Výroba primární energie v partnerských zemích v r. 2006, (v 1000MWh) Zdroj: webová stránka Eurostat

Zajímavý pohled lze získat prozkoumáním skladby energetických zdrojů v různých zemích. Podle údajů z roku 2005 na 79 % energie spotřebované v rámci EU-27 se podílela z 36,7 % ropa, 24,6 % zemní plyn a 17,7 % uhlí, přičemž něco přes polovinu (54 %) z toho tvořil dovoz. V níže uvedeném grafu celková spotřeba energie v každé zemi představuje 100 % a na těchto 100 pro12

IUSES — Používání energie v průmyslu centech se podílí různé druhy zdrojů energie.

Obrázek 4 Podíl různých druhů paliva na celkové spotřebě primární energie v partnerských zemích v r. 2005: Zdroj: EEA, Energy & the Environment, 2008

Následující diagram 5 zobrazuje zdroje primární energie a cílové místo spotřeby energie v rámci EU-27. Téměř čtvrtinu spotřebované primární energie tvoří ztráty při přeměně a distribuci. Samotný energetický sektor spotřebuje ještě dalších více než 5 % na svůj provoz. Na tomto diagramu vidíme relativní důležitost různých zdrojů energie a sektory, kde se energie spotřebovává, přičemž potřeba energie v průmyslu tvoří méně než pětinu. Spotřeba primární energie - dle paliv Průmyslový odpad 0,1% Obnovitelné zdroje 6,7% Jádro 14,2%

Plyn 24,6%

Dovoz/vývoz elektřiny 0,1%

Konečná spotřeba dle odvětví a energetických ztrát (% dle spotřeby primární energie) Zemědělství Jiná odvětví 1,6% 0,5%

Služby 7,3%

Uhlí a lignit 17,7%

Ztráty při přeměně 22,8%

Domácnosti 17,1%

Průmysl 18,0%

Ropa 36,7%

Doprava 20,0%

Ztráty distribucí 1,5% Spotřeba energetického odvětví Ne energetické 5,2% účely (např. chemie) 6,0%

Obrázek 5: Struktura efektivnosti přeměny a distribuce energie od spotřeby primární energie po spotřebu finální energie, EU-27, 2005. Zdroj: EEA & Eurostat

Spotřeba finální energie v průmyslu EU-27 v letech 1990 – 2005 poklesla o cca 11 %. Jak vidíme z obrázku 6, z velké části k tomu došlo při ekonomické recesi na začátku 90tých let. V rámci EU došlo jak ke zvyšování efektivnosti, tak k příklonu k energeticky méně náročnému průmyslu a ekonomice založené na službách. I když se tím v rámci EU sníží spotřeba energie, budeme-li používat produkty vyrobené mimo EU, měli bychom se stále pokládat za nepřímé uživatele spotřebované energie a producenty skleníkových plynů a dalších polutantů.

13

IUSES — Používání energie v průmyslu Podíl v r. 2005

V mil. tun ropného ekvivalentu

1200 3.3%

1100 11.3%

1000

900 26.6%

800

700

600 27.9%

500

400

300 31.0%

200

100

Doprava

Průmysl

Domácnosti

Služby

20 05

20 04

20 03

20 02

20 01

20 00

19 99

19 98

19 97

19 96

19 95

19 94

19 93

19 92

19 91

19 90

0

Zemědělství, rybolov a další

Obrázek 6: Spotřeba finální energie podle sektorů. Zdroj: Eurostat, EEA

Problém

Řešení

Omezené zdroje

S tím nic nenaděláme, množství uhlí, ropy a plynu je omezené. Můžeme kvůli dalším fosilním palivům prozkoumat hluboká moře, Arktidu a Antarktidu, ale za vyšší finanční a ekologickou cenu.

Zabezpečení dodávky

Stejně tak jsme limitováni co se týče přepravy a přívodu fosilních paliv z celého světa, na které spoléháme. V důsledku politické nejistoty můžeme k těmto zdrojům ztratit přístup.

Vypouštění skleníkových plynů

Existují plány na vytvoření technologií, které zachytí vypouštěný oxid uhličitý a uloží ho, ale zatím není jisté, jaká je jejich technická proveditelnost, výše nákladů a jaká jsou rizika skladování.

Emise znečišťu- Drahá zařízení na čištění plynu, přípravu paliva a sofistikované řízení spalojící ovzduší vání úspěšně snížilo znečištění ovzduší v Evropě – ale za určitou cenu.

14

IUSES — Používání energie v průmyslu Problémy spojené s neobnovitelnými zdroji energie (fosilní zdroje a jaderná energie) Když spalujeme fosilní paliva, produkujeme oxid uhličitý a tím přispíváme ke změně klimatu. Kromě toho, v závislosti na podmínkách spalování, používaném zařízení na čištění spalin a zejména na složení paliv, produkujeme kouř a plyny, které vedou ke kyselým dešťům. Ložiska fosilních paliv jsou omezená a místa jejich výskytu jsou často pro Evropu příliš vzdálená. Při všech těchto řešeních vznikají problémy, proto je hlavním cílem v budoucnosti zvýšení efektivnosti a intenzivní využívání energie z obnovitelných zdrojů. Ropný vrchol (Peak Oil): Současný konsensus mezi 18 uznávanými odhady profilu dodávek je, že ropný vrchol nastane v roce 2020 při množství 93 milionů barelů za den (mbd). Současná spotřeba ropy je 0,18 ZJ ročně (31,1 bilionů barelů), čili 85 mbd. Existují však rozšířené obavy, že jsme již ropného vrcholu dosáhli a množství nově objevených zdrojů není dostatečné, aby uspokojilo naši stoupající poptávku. (zdroj: www.peakoil.com)

Obrázek 7 Světová produkce ropy v závislosti na čase (zdroj: ASPO, 2005)

Vrcholek grafu představuje střed globální produkce uhlovodíku. V roce 1956 geolog společnosti Shell Oil M.King Hubbert předpověděl, že vrchol produkce ropy ve Spojených státech nastane koncem 60tých let 20.století. Přestože byl terčem posměchu ze strany zástupců většiny průmyslových odvětví, jeho odhad byl správný. Jako první tvrdil, že nalezení a tudíž produkce ropy bude po dobu svého trvání sledovat Gaussovu křivku. Po své úspěšné předpovědi vrcholné těžby ropy ve Spojených státech začala být tato analýza známá jako Hubbertův vrchol (Hubbert´s Peak) (zdroj: www.peakoil.com). Obnovitelná energie Podle Mezinárodní energetické agentury (2007) činil podíl energie z obnovitelných zdrojů v roce 2004 13,1% na celkové celosvětové dodávce primární energie. Hlavní zdroje tvořila biomasa (79,4%) a vodní energie (16,7%). “Nové” obnovitelné zdroje energie – solární záření, vítr a příliv a odliv – tvoří méně než 0,1% celkových dodávek primární energie. IEA (2007) ve svém Scénáři alternativní politiky (politika vedená obavami o energetickou bezpečnost, energetickou efektivnost a životní prostředí, která by mohla přibrzdit stoupající energetickou poptávku; je ve fázi projednávání a dosud nebyla přijata) předpovídá, že do roku 2030 podíl obnovitelných zdrojů energie zůstane na úrovni 14 % globální spotřeby energie, ale podíl elektřiny vyrobené z různých zdrojů stoupne z 18 % na 25 % (zdroj: http://www.iea.org/weo/2007.asp). 15

IUSES — Používání energie v průmyslu Podíl obnovitelných zdrojů na celkové spotřebě primární energie má v Evropě nejvyšší roční tempo růstu, které v rozmezí let 1990 – 2005 činilo průměrně 3,4 %, i když jejich využití v jednotlivých zemích vykazuje značné odchylky, jak je patrné z následujícího diagramu 8: 300 000 246 195

250 000 200 745 1000 MWh

200 000 141 863

150 000

109 810 100 000

81 631 56 185

50 000

25 586 13 642

21 388

27 784

4 885

47 078 20 853

8 967

Ř ec ko Sl ov in sk o Šp an ěl Ve sk lk o á Br itá ni e

Itá l ie Lo ty šs ko N ěm ec ko N iz oz em R í ak ou sk o R um un sk o

Irs ko

Č es ko Fr an ci e

Bu lh ar sk o

0

Obrázek 8 Podíl obnovitelných zdrojů na výrobě primární energie v roce 2006 (biomasa, geotermální energie, vodní energie, vítr a sluneční záření v 1 000 MWh): Zdroj:webová stránka Eurostat

Využití obnovitelných zdrojů energie v průmyslu Vodní energie Vodní mlýny byly první ukázkou, jak využít obnovitelný zdroj tím, že se energie proudící vody zadrží a využije k pohonu kola a tím soustrojí. Později se běžnou praxí stala výroba elektřiny. Přečerpávací vodní elektrárna umožňuje skladování elektřiny v době, kdy je jí přebytek a její vrácení do sítě v době, kdy je vyšší poptávka. Voda se v noci, kdy je poptávka po elektřině a její cena nízká, přečerpá do horní nádrže. Během špičky, kdy je cena za elektřinu vysoká, se zadržená voda uvolní k výrobě elektrické energie. Vzhledem k tomu, že mnoho obnovitelných zdrojů energie je nestálých, je toto užitečná technologie, pomocí které lze akumulovat velké množství energie. Větrná energie I v tomto případě sloužily větrné mlýny k pohonu soustrojí, ale nyní lze častěji vidět “větrné farmy”, vyrábějící elektrickou energii. Pobřežní skupiny větrných turbín jsou zajímavé kvůli malému záboru plochy a lepší stálosti větru. Pokud je k dispozici vhodný prostor, lze větrné turbíny příležitostně využít v průmyslu. Solární energie Fotovoltaické články (PV) se využívají v relativně malém měřítku, zejména pro samostatná zařízení, a solární kolektory se používají k výrobě pouze malého podílu požadovaného tepla. Využití ve velkém měřítku je ojedinělé, vyžaduje soustavu parabolických zrcadel, která soustředí sluneční světlo na potrubí s obsahem teplonosného média, např.oleje, který dále uvede do varu vodu, ta spustí chod generátoru a ten vyrobí elektřinu. 16

IUSES — Používání energie v průmyslu Energie mořských vln a přílivových/odlivových proudů S výjimkou pobřežních průzkumných a navigačních světel se její využití omezuje na výrobu energie na prodej nebo na rozvoj technologie. Přílivové elektrárny, např. na řece Rance ve Francii, zachycují vodní energii přitékající a odtékající přímořským přítokem. Vzestup a pokles vodní hladiny mezi přílivem a odlivem poskytuje potenciální energii, kterou lze získat. Mořské proudy, které uvádějí do pohybu ohromné množství vody, mohou rovněž být využity k pohánění podvodních turbín pomocí kinetické energie, jako např. ve Strangford Lough v Severním Irsku. Pohyb vln vyvolaný větrem lze přeměnit na mechanickou energii, která může být postupně přeměněna na elektrickou energii a dopravena ke konečným uživatelům. Tato problematika je podrobena důkladnému zkoumání. Geotermální energie Geotermální energie je často spojována s horkými prameny, gejzíry a vulkanickou činností, jako je to například na Islandu nebo Novém Zélandu. V r. 1904 byla vybudována první geotermální elektrárna na přehřátou páru v Larderello v Toskánsku v Itálii. Elektrárna v Larderello dnes zásobuje elektřinou cca milion domácností. Geotermální čerpadla – zdroj země – jsou systémy, které používají elektricky poháněné zařízení k odčerpání tepla z půdy z několika metrů pod povrchem země. Pracují na principu ledničky, využívají velké tepelné kapacity země k zajištění základního přívodu tepla, jehož teplota se okruhem tepelného čerpadla zvýší na hladinu, kterou lze použít na ohřev. Jejich použití je omezeno hlavně na domácnosti. Biomasa Rostlinný materiál lze pěstovat specificky jako energetický zdroj, který se použije buďspalováním k výrobě tepelné energie, nebo pomocí procesu přeměny na plynná či tekutá paliva nebo k výrobě elektřiny. Biomasa se často považuje za “uhlíkově neutrální” zdroj energie, protože uhlík, který se uvolňuje během spalování, před tím absorbovala rostlina během svého růstu. Jestliže se rostliny osazují znovu, lze očekávat, že se dosáhne uzavřeného cyklu, ačkoli je třeba vzít v úvahu emise metanu z rozkládajícího se rostlinného materiálu. Účelové pěstování stromů jako zdroje paliva se praktikovalo po staletí a jejich využívání v dnešní době v této tradici pokračuje. Biomasa má před ostatními obnovitelnými zdroji energie tu výhodu, že ji lze skladovat, předmětem značné kritiky však je skutečnost, že pěstováním rostlin jako zdrojů paliva se odebírá půda, určená na pěstování rostlin k výrobě potravin, což vede k jejich sníženému množství a tím k vyšším cenám. Odpadní materiál jako zdroj energie Odpadní materiál lze použít k výrobě buď tepelné nebo elektrické energie. Biologicky rozložitelný odpad na skládkách přirozeně vytváří “skládkový plyn”, který lze spalovat a tím vyrábět elektřinu, i když se zároveň vyrobí teplo, které se obvykle nevyužije. Odpadní voda, splaškový kal, živočišná kejda a biologicky odbouratelný odpad z pivovarů, jatek a dalších zemědělskopotravinářských průmyslových odvětví se může biologicky rozkládat (“anaerobně vyhnívat”) a produkovat palivo bohaté na metan. Hořlavý komunální, komerční a průmyslový odpad, např. obaly, lze spalovat ve spalovně odpadků nebo v cementářské peci a tím vyrábět tepelnou nebo elektrickou energii. Mnoho průmyslových odvětví, kromě zemědělsko-potravinářského, např. papírenské, nábytkářské, produkují značné množství biologicky rozložitelného nebo hořlavého materiálu, který lze využít jako zdroj energie. Ve všech těchto případech by se však mělo uvážit, zda odpadní materiál nepředstavuje plýtvání ve výrobním procesu a zda by nebylo lepší jeho množství snížit a ačkoli tento materiál v podstatě vykazuje podobné vlastnosti jako obnovitelné zdroje energie, pokud není znovu osazen, je zdrojem uvolňování uhlíku. Hodnotné materiály by se měly z odpadu odstranit dřív, než se začne pálit a je třeba věnovat pozornost ochraně prostředí jak před emisemi do ovzduší, tak před znečištěním kapalným odpadem 17

IUSES — Používání energie v průmyslu Otázky: Jaké jsou nejběžnější zdroje energie ve vaší zemi? Určete, jak je rozloženo využívání neobnovitelných a obnovitelných zdrojů energie a dále různých obnovitelných zdrojů a fosilních paliv. Jaké je srovnání s ostatními evropskými zeměmi? Jaké je srovnání s ostatními zeměmi EU v údajích na hlavu (cvičení ve skupinách, každá skupina má určenu jednu zemi). Vyzkoušejte pro začátek níže uvedené webové stránky: Klíčové body: Klíčové body z této části jsou EU je stále silně závislá na fosilních palivech (což vyvolává obavy týkající se emisí skleníkových plynů) a mnohá z nich se dovážejí (v souvislosti s tím vznikají otázky ohledně zabezpečení dodávek) V obnovitelných zdrojích energie se skrývá velký potenciál a je o ně zájem, ale pro realizaci jejich využívání je třeba ještě hodně udělat Webové odkazy Informační portál životního prostředí: http://earthtrends.wri.org/searchable_db/ index.php?action=select_variable&theme=6 Evropská agentura pro životní prostředí: http://themes.eea.europa.eu/indicators/ Domovská stránka Eurostat, Environment and Energy: http:// epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page? _pageid=0,1136239,0_45571447&_dad=portal&_schema=PORTAL Co přijde dál: V kapitole 3 se dozvíme, jak lze tuto primární energii přeměnit na nosiče energie jako je elektřina nebo vhodnější paliva jako je nafta nebo bioetanol.

18

IUSES — Používání energie v průmyslu

Kapitola 3: Přeměna energie a její využití v průmyslu 3.1 Přeměna energie (nositelé energie) Učební látka: V této části se dozvíte • Jak dochází k přeměně primární energie do užitečnější podoby: na tekutá paliva a elektřinu • Jaká je spotřeba významných průmyslových odvětví ve vztahu k celkové spotřebě energie • Hlavní nositelé energie a významní uživatelé energie v průmyslu Druhy energie a nositelů energie Následující diagram (obrázek 1) zobrazuje primární energii, její přeměny na jiné formy energie, sekundární energii a konečnou spotřebu a užití energie:

Obrázek 1: Přeměna primární energie (např. uhlí nebo větrné energie) na sekundární energii (např. elektřinu) a konečné užití při vytápění, osvětlení, pohonu motorů atd. Zdroj: EU BREF o energetické efektivnosti

Přenášet primární energii v její přirozené podobě může být obtížné. Primární energie se přeměňuje při transformačním procesu na vhodnější nositele energie - sekundární energii. Nejběžnějším příkladem je elektřina, která se vyrábí v elektrárnách z uhlí, ropy, zemního plynu, nebo z větrné a vodní energie apod. Vzhledem k tomu, že elektřina je vhodným nositelem energie, byla vytvořena rozsáhlá elektrická síť sloužící k distribuci elektřiny z centralizovaných elektráren až ke konečným spotřebitelům. Využívání obnovitelných zdrojů napomohlo tomu, že se výroba energie rozptýlila na více míst. Přeměna primární energie na sekundární, kterou lze poměrně snadno distribuovat, vyžaduje propracovanější distribuční systémy. Elektřinu lze přepravovat, ale její skladování je velmi obtížné. Oproti tomu tekutá paliva se snadno přepravují i skladují. Surovou ropu lze rafinovat, čímž vzniká celá řada paliv – např. benzin, nafta, petrolej, topné oleje atd. Tato paliva získaná rafinací surové ropy lze dále spalováním přeměnit na tepelnou energii, např. na vytápění budov, nebo přeměnit dále na mechanickou energii, např. při dopravě. Musíme však mít na paměti, že rafinace a přeprava samy energii spotřebovávají. Jak uvidíme později, v průmyslu lze přeměnit elektřinu nebo palivo na další nositel energie, ja19

IUSES — Používání energie v průmyslu kým je např. stlačený vzduch nebo pára. Koneční uživatelé energie mohou použít jak primární, tak sekundární energii využívat pro vytápění, technologické procesy, pohony strojů, osvětlení atd. Výroba paliv Hlavní tekutá paliva se vyrábějí frakční destilací surové ropy (směs uhlovodíků a jejich derivátů od metanu po těžký bitumen). V průmyslu se obvykle používají střední a lehké topné oleje (kerosin a nafta) pro ohřev a výrobu páry. Benzin a nafta jsou hlavní paliva používaná v silniční a železniční dopravě. Zkapalněný ropný plyn (LPG) je plyn, zkapalněný tlakem k uskladnění a přepravě, používá se jako zdroj tepla nebo v dopravě. Tekutá “biopaliva” lze rovněž vyrobit z biologických zdrojů. Biologický materiál, ať už speciálně vypěstovaný, nebo jako procesní odpad, je možné biochemicky přeměnit na paliva jako je např. metanol, etanol, metylester řepkového oleje (“bionafta”). Uskutečnily se pokusy získat tato paliva ze speciálně vypěstovaných plodin (“agropaliva”), ale v současné době se hodně diskutuje o vhodnosti tohoto počínání (“potrava nebo palivo”) – náměty k dalším diskusím viz manuál Použití energie v dopravě. Výroba elektřiny Elektřinu lze také vyrábět z obnovitelných zdrojů: větru, vodní energie, slunečního záření, biomasy a geotermální energie, ale většina elektřiny se vyrábí z páry vzniklé spalováním fosilních paliv nebo z nukleárních reakcí, jak ukazuje následující diagram (obrázek 2), týkající se výroby elektřiny v EU-27. Podíl používání zemního plynu v EU stoupl hlavně díky jeho čistému spalování, ale trvalý problém představují obavy spojené se zabezpečením dodávek a stoupajícími cenami této suroviny.

Obrázek 2: Výroba elektřiny podle paliv (v TWh), EU 27. Zdroj: webová stránka EEA

Podíl obnovitelných zdrojů energie na výrobě elektřiny v jednotlivých zemích je uveden níže v diagramu 3, z kterého vyplývá, že v mnoha zemích existují možnosti zlepšení!

20

IUSES — Používání energie v průmyslu další OZE

80 75

velké vodní elektrárny

Podíl elektřiny vyrobené z OZE (%)

70 indikativní cíle 2010

65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5

V.Británie

Česká republika

Irsko

Nizozemí

Řecko

Německo

Francie

Bulharsko

Itálie

Španělsko

Slovinsko

Rumunsko

Lotyšsko

Rakousko

EU-15

EU-27

0

Obrázek 3: Podíl elektřiny z obnovitelných zdrojů na hrubé spotřebě elektřiny (v %) v letech 1990 – 2005 a indikativní cíle pro partnerské země a EU v r. 2010: EEA, Energy & the Environment, 2008

Většina tepelných elektráren je zkonstruována pouze k výrobě elektřiny (bez využití tepla). Při výrobě tepelné energie dochází k typickému spalování fosilního paliva. Jaderná energie vzniká použitím nukleární technologie vytvořené k získání užitečné energie jako je teplo z atomového jádra pomocí řízených reakcí jaderného štěpení. Tato tepelná energie postupně přemění vodu na stlačenou páru, která pohání turbínu a vyrábí mechanickou (rotace vodičů) energii. Tato rotace vodičů vyvolá relativní pohyb mezi magnetickým polem a vodiči a tím dojde k výrobě elektřiny. Jakmile pára projde turbínou, její tlak a teplota se sníží (pomocí venkovního ochlazení) až pára zkondenzuje a poté se vrátí do procesu v podobě kondenzátu, ze kterého se posléze znovu vyrobí pára. Kritickým aspektem tohoto procesu je, že celková účinnost výroby elektřiny je nízká: 40 % - 50 %. Dochází ke ztrátám citelným teplem spalin (komínová ztráta), dále pak tepla, které je předáváno do chladicího systému kondenzátorů páry. Toto chlazení je nezbytné a v Evropě musí některé elektrárny v létě snížit svůj výkon i výrobu kvůli zvýšení teploty chladící vody v letních měsících. Značnou spotřebu energie představuje vlastní spotřeba elektrárny (příprava a doprava paliva, odstruskování, pohony ventilátorů a čerpadel). Dalších 5 % - 10 % energie se ztratí při transformaci a přenosu elektřiny rozvodným systémem. Elektrárny s paroplynovým cyklem Elektrárna s kombinovaným cyklem je elektrárna, používající jako palivo plyn, který se nejdříve spaluje, přičemž horké spaliny pohání plynovou turbínu s generátorem a poté se použijí spaliny k výrobě páry, která pohání parní turbínu s generátorem. Tento způsob výroby elektrické energie je účinnější, ale jeho používání je do značné míry omezeno na novější elektrárny s přívodem plynu, ačkoli další zdroje fosilních paliv, např. uhlí, mohou být zplyněny a využity pro tuto technologii. Celková tepelná bilance je znázorněna v následujícím diagramu:

21

IUSES — Používání energie v průmyslu

Obrázek 4: Energetická bilance elektrárny s paroplynovým cyklem (Zdroj: Progress in Energy and Combustion Science 33 (2007) 107–134)

Elektrárny na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny (teplárny) Elektrárny na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny (CHP) jsou určeny k výrobě jak tepla, tak elektřiny – proces je též nazývaný jako “kogenerace”. CHP elektrárny (teplárny) dodávají elektřinu do sítě a vyrobené teplo používají jednak pro vlastní spotřebu a dále ho prodávají přilehlým průmyslovým podnikům a domácnostem (dálkové vytápění). Při využívání CHP elektráren (tepláren) se docílí velké energetické efektivnosti, neboť účinnost elektráren vyrábějících pouze elektřinu je nižší než 50 %, zatímco účinnost CHP elektráren (tepláren) je obvykle vyšší než 75 %, (viz obr.5.). V mnoha částech Evropy je ale tento způsob kogenerační výroby elektřiny a tepla jen málo využíván (viz. Obr.6). 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% průměrná účinost přeměny v minimální účinost CHP EU (kombinované výroby tepla a elektřiny)

Obrázek 5: Účinnost při přeměně energie. Zdroj: webová stránka EEA

22

IUSES — Používání energie v průmyslu 45% 40% 35% 30% 25% 2006 20% 15% 10% 5%

It Lo ál ie ty šs N ko iz oz e R ak mí ou s R um ko un Sl sko Ve ovi n sk lk á Br o itá ni e

EU

EU

(2 7

ze ( 1 mí) 5 z Bu em í) lh ar sk o Č es k N ěm o ec ko Ir s ko Ř ec Šp k an o ěl sk Fr o an ci e

0%

Obrázek 6: Procentuální podíl kombinované výroby tepla a elektřiny na hrubé výrobě elektřiny v r. 2006 Zdroj: webová stránka Eurostat

Otázky: • Jaké jsou nejobvyklejší způsoby výroby elektřiny ve vaší zemi? Kolik elektřiny (celkem v GWh a jako procento z celkového množství) se ve vaší zemi vyrobí z obnovitelných zdrojů? • Jak vypadá srovnání s ostatními evropskými zeměmi? Národní energetická bilance a energetická náročnost Energetická bilance Případová studie: Národní energetická bilance Posuďte následující diagram, který znázorňuje tok energie v Irsku. Tento typ diagramu se nazývá Sankeyův diagram. Šířka šipek v diagramu je úměrná objemu toku energie. Dodaná primární energie musí odpovídat spotřebované energii. Je možné vznést rychle pár připomínek: Irsko je silně závislé na fosilních palivech, nevyužívá jadernou energii a obnovitelné zdroje energie využívá v malé míře. Většina spotřebované energie připadá na dopravu, potřeba energie v průmyslových odvětvích je poměrně malá.

23

IUSES — Používání energie v průmyslu

Diagram 7: Tok energie v Irsku v r. 2005. Zdroj: Energy efficiency in Ireland, Sustainable Energy Ireland, 2007

Otázky: 1. Získejte podobná data týkající se vaší země a nakreslete odpovídající Sankeyův diagram 2. Jaký podíl energie pochází z neobnovitelných zdrojů? 3. Jaké jsou procentuální ztráty primární energie při přeměnách? 4. Jaká je spotřeba energie v průmyslu (v %) ve vaší zemí? 5. Vypočítejte množství spotřebované energie na osobu (energetickou náročnost) ve vaší zemi 6. Jestliže znáte skladbu paliv, jaká je uhlíková náročnost (množství uhlíku na osobu)? Budete potřebovat doplňující informace týkající se množství uhlíku v ropě, plynu a uhlí 7. Jaké je srovnání s průměrnými hodnotami v EU? Nápověda: lze vyhledat na webové stránce Eurostat Energetická náročnost – o čem tato čísla vypovídají? Energetická náročnost je míra celkové spotřeby energie v poměru k hospodářské činnosti. V letech 1990 – 2005 roční míra růstu celkové spotřeby energie přesahovala jen 0,8 %, zatímco průměrná roční míra růstu hrubého domácího produktu (HDP – ekonomické měřítko) ve stálých cenách ve stejném období činila 2,1 %. Následkem toho celková energetická náročnost v EU-25 klesla na průměrnou míru růstu -1,3 % za rok. Tento očividně pozitivní výsledek je znázorněn v následujícím diagramu 8: 24

IUSES — Používání energie v průmyslu

140 Celková spotřeba energie 135

Real GDP

130

Celková energetická náročnost

125

Index 1990=100

120 115 110 105 100 95 90 85

2005

2004

2003

2002

2001

2000

1999

1998

1997

1996

1995

1994

1993

1992

1991

1990

80

Obrázek 8: Celková energetická náročnost v EU-25 v letech 1990 – 2005, kdy r.1990 = 100. Zdroj: Evropská agentura pro životní prostředí a Eurostat

Musíme si však uvědomit, že roční vzestup spotřeby energie o 0,8 % narostl do celkové potřeby energie ve výši 12 %. Ekonomicky vyjádřeno, naše činnost vedoucí k hospodářské výrobě může být efektivnější při nižší spotřebě energie, ale tlak na životní prostředí přesto vzrostl. Abychom získali lepší obrázek o tom, jaký dopad to má na životní prostředí, musíme vzít v úvahu obvykle používanou skladbu paliv a její odlišnosti v jednotlivých zemích, a zejména závislost na neobnovitelných zdrojích. Touto otázkou se zabývá opatření známé jako “uhlíková náročnost” (carbon intensity) nebo “uhlíková stopa” (carbon footprint), které řeší množství vypouštěného uhlíku na hlavu v každé zemi. Při práci se statistickými údaji však vždy musíme být pozorní. Cvičení: Prohlédněte si následující diagram 9, který uvádí celkovou spotřebu energie v jednotlivých zemích. Překreslete diagram v závislosti na počtu obyvatel, tzn. uveďte spotřebu energie na hlavu

25

IUSES — Používání energie v průmyslu 225000 200000 175000 150000 125000 100000 75000

1995 2006

50000 25000

Velká Británie

Španělsko

Slovinsko

Řecko

Rumunsko

Rakousko

Portugalsko

Nizozemí

Německo

Lotyšsko

Itálie

Irsko

Francie

Česko

Bulharsko

Belgie

0

Celková spotřeba energie (1,000 TOE)

Obrázek 9 Konečná spotřeba energie v partnerských zemích v letech 1995 a 2006 (zdroj: webová stránka Eurostat) 1995 36 037 11 409 25 067 142 257 7 910 113 897 3 814 222 795 47 736 13 789 21 015 26 693 15 838 3 948 63 690 142 633

Belgie Bulharsko Česko Francie Irsko Itálie Lotyšsko Německo Nizozemí Portugalsko Rakousko Rumunsko Řecko Slovinsko Španělsko Velká Británie

2006 38 165 10 028 26 251 157 779 13 037 130 654 4 201 223 062 50 835 18 544 26 753 24 706 21 454 4 945 96 642 150 565

Tabulka 1: Konečná spotřeba energie (1000 toe) v partnerských zemích v letech 1995 a 2006. Výchozí data pro výše uvedený obrázek 9 (zdroj: webová stránka Eurostat)

Tato data nemusí odrážet energetické chování jednotlivců, ale spíše charakter průmyslu, dopravní zvyklosti i spotřebu domácností v dané zemi a specifické ekonomické rysy.

26

IUSES — Používání energie v průmyslu Webové odkazy : Evropská agentura pro životní prostředí: http://themes.eea.europa.eu/indicators/ Eurostat, domovská stránka životního prostředí a energetiky: http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page? _pageid=0,1136239,0_45571447&_dad=portal&_schema=PORTAL Co přijde dál: Dozvíme se, jak se podílí spotřeba energie v průmyslu na celkové spotřebě energie a na jaké základní účely se energie v průmyslu používá.

27

IUSES — Používání energie v průmyslu

3.2 Konečné použití energie v průmyslu Hlavní konečné použití energie Tepelná energie

Elektrická energie

Pece Ohřev Chlazení Mrazení Pečení Sušení Vytápění prostorů a ochlazování, včetně větrání

Motory Čerpadla Ventilátory Dopravní pásy Drcení, broušení, mletí Obrábění, tváření, montáž Vakuové systémy Osvětlení

Tabulka 1: Hlavní konečné použití energie

Více než 85 % elektřiny používané v průmyslu se přivádí do elektromotorů. Ty přeměňují elektrickou energii na mechanickou a pohánějí čerpadla, ventilátory, dopravní pásy, kompresory atd. Motory jsou často v provozu mnoho hodin v průběhu několika let, proto je velmi důležité správně stanovit používání vysoce výkonných motorů a zajistit jejich náležitou obsluhu, aby se minimalizovala spotřeba elektřiny. Další oblastí, kde se v průmyslu významnou měrou spotřebovává elektřina, je osvětlení. Provést změny, které povedou k omezení spotřeby, lze snadno: je třeba zajistit úroveň osvětlení odpovídající prováděnému úkolu a instalaci osvětlovací soustavy, která poskytuje výkonnější osvětlení na jednotku energetického vstupu. Kompresorové chladicí okruhy používají chladící kapalinu, které ochlazují tím, že se odpařují při nízké teplotě a tlaku a teplo potřebné na svou přeměnu z kapalné fáze na plynnou odvádí z prostředí, které ochlazuje. Tyto páry chladící kapaliny se poté obvykle stlačí a kondenzují za vyšší teploty a tlaku a předají teplo vzniklé při kondenzaci do okolí. Energie potřebná ke stlačení par chladící kapaliny se získá z elektřiny dodané elektromotoru, který pohání kompresor. Různé druhy ventilátorů zajišťují dodávku vzduchu potřebného pro větrání a průmyslové procesy. Odsávají vzduch z budovy a přivádějí čerstvý venkovní vzduch. Klimatizační jednotky, které používají chladicí plyny, se rovněž používají k regulaci teploty a vlhkosti v budově.

Provoz kotlů Učební látka: V této kapitole se dozvíte • Co je kotel • Kde vznikají ztráty • Jak můžete zabránit ztrátám a zvýšit účinnost Definice: Kotel je nádoba, která používá teplo k výrobě teplé vody nebo páry. Jako zdroje energie se běžně používá fosilní palivo. V případě malého kotle lze použít rovněž elektřinu. Jak jste se již dozvěděli v předchozím cvičení, pára obsahuje výparné (latentní) teplo potřebné k odpařování vody a je koncentrovanějším nosičem tepla než horká kapalina. Páru lze použít 28

IUSES — Používání energie v průmyslu k ohřevu (včetně odpařování a destilace) a také k pohonu mechanického zařízení, jako jsou parní ejektory a vakuové systémy, odstředivé kompresory a parní turbíny, které mohou pohánět stroje nebo vyrábět elektřinu. Když vodní pára zkondenzuje, vrací se zpět do kotle, čímž se zabrání nejen ztrátě vody, ale i ztrátě zbytkového tepla kondenzátu.

Obrázek 1: Schématický řez plynovým / olejovým kotlem[1]

Hlavní kroky při snaze o zlepšení energetické účinnosti zařízení jsou: Zjistit energetické toky Na diagramu 1 vidíte energetický tok kotlem. K hlavním ztrátám tepla dochází při vypouštění horkých spalin (komínová ztráta). Dále následují ztráty tepla sáláním a prouděním tepla a u parních kotlů přistupují také tepelné ztráty při odluhování a odkalování kotle. V našem diagramu představují tyto ztráty 3 – 4 %.

29

IUSES — Používání energie v průmyslu

Obrázek 2: Příklad energetická bilance kotle / topného tělesa (vytvořeno pomocí SankeyEditor společností STENUM) [2]

Kroky ke zvýšení účinnosti kotle Definujte požadavky na vytápění a potřeby zařízení – pro současný stav i pro blízkou budoucnost

Definujte rozdíly: prošetřete a roztřiďte možnosti zlepšení

Definujte výchozí stav Proveďte audit topného systému

Stanovte cíle jednotlivých vylepšení (např. modernizace zařízení a vybavení, účinnost, kontrola, výkonová opatření, emise apod.)

Zhodnoťte výsledky a dále zlepšujte

Definujte implementaci plánu a začněte jej uskutečňovat

START

Obrázek 3: Kroky ke zvýšení účinnosti kotle[2]

Systematický postup vedoucí ke zvýšení energetické účinnosti kotle (lepší než nesystematická zlepšení) zahrnuje několik jednoduchých kroků, jak ukazuje diagram 3. Hospodárný, energeticky účinný provoz kotle je důležitý a jeho kontrola by neměla probíhat odděleně. Pro dosažení dalších možných úspor energie a využití odpadní energie by se měla ještě provést kontrola: • Potřeby tepla a aspekty energetické účinnosti v procesech náročných na spotřebu tepla, výrobků a zařízení; a • Systémy distribuce tepla (např. páry a kondenzátu). Tepelné a energetické ztráty v soustavě kotle, turbíny, parních a kondenzátních okruhů se dají snížit několika způsoby. Některé, jako např. při kombinované výrobě tepla a elektřiny 30

IUSES — Používání energie v průmyslu (kogeneraci), jsou náročné a složité; další mohou být snadno implementovány a mají rozumnou dobu návratnosti. Hlavní kroky vedoucí ke zlepšení energetické účinnosti jsou tyto: • Snížit tlak páry nebo teplotu vody v soustavě • Zabránit únikům páry a kondenzátu • Udržovat teplosměnné plochy čisté a to jak na straně spalin, tak I na straně vody. S výjimkou zemního plynu prakticky každé palivo zanechává na stěnách trubek a trysek určité množství usazenin. Kvalita napájecí vody je rovněž velmi důležitá Pamatuj: Nezapomeňte, že 1 milimetr nahromaděného kotelního kamene může zvýšit spotřebu paliva o cca 2 procenta. • • • • • •

Obrázek 4: Únik páry

Zabránit nasávání nežádoucího vzduchu Voda zbytečně ztracená odluhem a odkalem - peníze ztracené v odpadu Dokonce i čištěná (“demineralizovaná”) napájecí voda kotle obsahuje malé množství rozpuštěných minerálních solí. Maximalizovat návrat horkého kondenzátu Parní a kondenzátní soustava musí být správně konstruovaná, aby se eliminovaly hydraulické rázy, snížily se ztráty tepla a omezila potřeba údržby. Spaliny Pamatuj: Snížení teploty spalin o 20°C (36°F) zvýší účinnost kotle o cca 1 %.

Příklady z nedávné doby: Chemický závod ročně ušetří 500.000 USD tím, že kontroluje a vyměňuje všechny netěsné odváděče kondenzátu. Závod na výrobu překližky snížil svou spotřebu páry o 2700 kg/h tím, že zkvalitnil izolaci parního i kondenzátního potrubí.

Otázky: Kde dochází k hlavním ztrátám v soustavě kotel, parní a kondenzátní okruhy? Jaké kroky mohou zvýšit účinnost a zabránit ztrátám? Cvičení: 1. Vaše škola má pravděpodobně kotel na přípravu teplé vody a vytápění. Domluvte se se školníkem, zda můžete v létě, kdy se kotel čistí a provádí se jeho údržba, navštívit kotelnu. Prohlédněte si regulační zařízení kotle, měřicí přístroje, kotelnu, trubky a komín. 2. Zvažte exkurzi do nějakého podniku. Pokuste se najít odpovědi na další otázky: • Jaká je teplota spalin odcházejících do komínu? 31

IUSES — Používání energie v průmyslu • • • •

Jaký je tlak vyrobené páry (v barech)? Co patří mezi parní spotřebiče? Rozdíl mezi spotřebičem a kotlem? Jsou trubky dobře zaizolované? Jsou patrné nějaké netěsnosti? Kolik energie se přivádí do kotle? Sestavte Sankeyův diagram energetické bilance kotle a zkuste vypočítat ztráty.

Ventilátory Učební látka: V této kapitole se dozvíte • že existují tři jednoduchá kritéria, která ukazují, zda je motor stále účinný • o postupu, který podnikům pomáhá snížit spotřebu energie pro pohon motorů • o významných záměrech, jak uspořit energii v rámci potrubního systému - uvedeme příklad Energeticky účinné motory Správnost opatření se zkontroluje jednoduchou analýzou. Ta se odkazuje na tzv. “náklady na životní cyklus”, což jsou celkové náklady na investice, obsluhu a údržbu a náklady na energii v průběhu životnosti motoru, která se pohybuje v rozmezí 10 – 20 let. V takzvaném 1-2-3 testu jsou důležitá tři kritéria: stáří motoru a počet jeho provozních hodin za rok, jmenovitý výkon a průměrná účinnost. Tabulka 1: 1-2-3 Test (účinnost motoru)[4]

1.kritérium: Stáří motoru. Rok výroby se nachází na identifikačním štítku nebo jej lze zjistit u výrobce (v tom případě je důležité uvést typové číslo). 2.kritérium: Jmenovitý výkon. Rovněž se nachází na identifikačním štítku. 3.kritérium: Provozní hodiny. Spotřebu energie lze vypočítat na základě technické podpory nebo údajů o počtu provozních hodin. Postup: Určete hodnotu mezi 1 a 5 pro stáří motoru, jmenovitý výkon a počet provozních hodin. Správnost opatření týkajícího se daného motoru zjistíte součtem při použití všech tří hodnot.

Výsledky podle tabulky 1 Červená plocha: Pokud výsledná hodnota přesahuje 10, doporučuje se rychlá výměna motoru Žlutá plocha: Pokud je výsledná hodnota mezi 6 až 10, měla by se udělat důkladná prohlídka motoru. Zelená plocha: Jestliže je výsledná hodnota nižší než 6, nejsou zapotřebí žádná opatření. Následující tabulky uvádějí stupnici hodnot pro tato tři kritéria: Úspory energie při elektrickém pohonu se nedocílí pouhou výměnou motoru za nový a výkon32

IUSES — Používání energie v průmyslu nější. Tímto opatřením se uskuteční pouze malá část potenciálních úspor. Pro zajištění optimální spotřeby energie se doporučuje následující postup: 1. krok: Analýza spotřeby energie Tento krok je pro dosažení maximální úspory energie nejdůležitější. Důkladně se podívejte na potřeby procesu, prodiskutujte a identifikujte příslušné parametry procesu s těmi, kdo jsou za něj zodpovědní. Pak v diskusi nebo změřením označte odchylky ve spotřebě energie. Měření lze provádět, i když ještě nedošlo k optimalizaci procesu, protože poměrné odchylky budou po optimalizaci stejné – ledaže by analýza ukázala, že samotný proces není nejlepší a jeho koncepce by se měla změnit. 2. krok: Analýza zařízení, které zajišťuje procesní médium Procesní médium může být: pára, stlačený vzduch, teplý vzduch, horká voda atd. Je třeba zodpovědět otázky typu: Je velikost zařízení odpovídající spotřebě (nebo je příliš velké?) V případě nadměrné velikosti (čerpadla, ventilátoru, kompresoru atd.) pracuje zařízení při částečném zatížení, což vede k nižší účinnosti. 3. krok: Správné ovládání zařízení Potřeba média se mění podle aktuálních procesních podmínek. Ovládání zařízení proto musí být optimálně přizpůsobeno skutečným potřebám. Zpravidla jde o řízení otáček u čerpadel, výtlačných ventilátorů a kompresorů. 4. krok: Optimalizace elektromotoru Při tomto kroku jsou tři důležitá pravidla: a) ideální přizpůsobení velikosti motoru skutečné potřebě energie, b) účinnost motoru musí být na maximu c) ovládání musí být přizpůsobeno charakteristice spotřeby. Základní popis potrubního systému Základní popis soustavy lze provést za použití následujících dat z typových štítků, technických záznamových listů nebo jednoduchých měření. V mnoha podnicích většinu těchto dat mohou zaznamenávat zaměstnanci: 1. seznam 50 největších čerpadel (podle jmenovitého výkonu) 2. funkce těchto soustav 3. spotřeba energie každého čerpadla 4. rozsah provozu (během dne/týdne) 5. počet provozních hodin za rok a tomu odpovídající roční spotřeba energie 6. specifické problémy a požadavky na údržbu Příklad – potrubní systém U soustavy čerpadel je zapotřebí, aby se 50 m3/h vody čerpalo trubkou dlouhou 100m. Při předpokládaném průměru 2 palců je výsledná potřeba výkonu 24 kW. Jestliže se průměr zvětší na 4 palce, potřeba se sníží na 5 kW. Snížená rychlost uvnitř soustavy vede k významným energetickým úsporám a rovněž ke sníženému opotřebení trubek. Tím se sníží náklady na údržbu a životní cyklus soustavy čerpadel.

Pokus Přemýšlejte o exkurzi do nějakého podniku, kde poznáte několik druhů elektromotorů (neopomeňte na čerpadla na studenou a horkou vodu) Zde uvádíme zajímavý pokus: 33

IUSES — Používání energie v průmyslu • • •

Uveďte několik stejných motorů/čerpadel. Uveďte výkon každého motoru/čerpadla (zjistěte ze štítku přístroje výkon v kW) Uveďte provozní hodiny (vynásobte provozní dny počtem provozních hodin za den) každého motoru/čerpadla Tabulka 2: Jako příklad může posloužit tato tabulka uvádějící údaje o provozovně autoprodejce:

Komponent

Počet položek

2

Výkon jedno- Celková výtl.komponent konnost [kW] [kW] 2,2 4,4

Provozní hodi- [kWh/r] ny [h/r] 182 800,8

Zvedací plošina Kompresor

1

4

1600

4

6400

Otázky: Správně nebo chybně: • Jestliže je výsledná hodnota 1-2-3 testu mezi 6 a 10, vše je v pořádku a nemusí se podniknout žádné kroky. • Je důležité uvést spotřebu /v kWh/ u každého spotřebiče. • Je důležité porovnat výkonnost komponentů s výkonností, která je ve skutečnosti zapotřebí. • Je zcela nezbytné koupit každý rok nový motor. • Jedno z důležitých kritérií je “štítek motoru“. Pouze největší a nejdražší motory jsou ty nejlepší.

Stlačený vzduch Učební látka: V této kapitole se dozvíte • co je stlačený vzduch a kde se používá • kde vznikají největší ztráty • jak lze zlepšit soustavu stlačeného vzduchu

Definice: Stlačený vzduch se používá k pohonu vzduchem ovládaných (pneumatických) nástrojů a k pohonu některých speciálních typů přístrojů.

Kompresory jsou obvykle poháněné elektromotory, ale obří kompresory mohou být poháněné parou nebo plynovými turbínami a malé, přenosné kompresory mohou mít pohon na benzín nebo naftu. Kompresory jsou neefektivní součásti vybavení a až 90 % dodané energie se může ztrácet v podobě odpadního tepla. Stlačený vzduch je uskladněný v nádobě, která slouží jako zásobník nebo “nárazník” s potrubní soustavou, udržovanou nad atmosférickým tlakem, ke které se připojují jednotlivé spotřebiče. Na diagramu 5 je zobrazeno, kde dochází ke ztrátám. Pouze 5 % z celkového množství energie je uskladněno v podobě stlačeného vzduchu. 95 % energie se přemění na teplo (mechanické ztráty jsou tedy nakonec přeměněny na teplo). 34

IUSES — Používání energie v průmyslu

Obrázek 5: Energetická bilance kompresoru (vytvořeno pomocí Sankey Editor společností STENUM)[3]

Potenciální úspory, kterých se dosáhne optimalizací soustavy stlačeného vzduchu, jsou znázorněny na obrázku 6 100% 90% 80% 70% 60% Úspory

50%

Spotřeba

40% 30% 20% 10% 0% Výchozí stav

Omezení úniku

Nadřazená kontrola

Optimalizovaný stroj

Obrázek 6: Energetické úspory – systém stlačeného vzduchu [3]

Následující postup pomáhá minimalizovat ztráty ze soustav stlačeného vzduchu. Tvoří ho čtyři kroky: 1. Zabránit vzniku netěsností Jedním ze základních způsobů, kterým lze zvýšit účinnost jakékoli instalace stlačeného vzduchu, je omezení netěsností. I když se vyvine sebevětší úsilí udržet systém stlačeného vzduchu bez úniků, vždy se nějaké netěsnosti v soustavě vyskytnou. Existuje však několik způsobů, jak výskyt netěsností omezit: • Kde netěsnosti hledat Lapač kondenzátu, armatury a potrubí, příruby, rozdělovací potrubí, filtry, tlakové lahve, pružné hadice, měřicí zařízení, nástroje a 35

IUSES — Používání energie v průmyslu 2. 3. 4.

místa odvodňování. Nevyrábějte stlačený vzduch při vyšším tlaku než je nutné – čím je tlak vyšší, tím víc vzduchu unikne existujícím otvorem. Nenechávejte celou soustavu pod tlakem mimo provozní hodiny jen proto, že několik zařízení potřebuje stálý přísun stlačeného vzduchu. Oddělte části soustavy, které potřebují stlačený vzduch v různou dobu. Odpojovací ventily lze ovládat ručně nebo automaticky za použití jednoduchých ovládacích zařízení jako jsou časové spínače nebo blokovací zařízení, nebo je lze ovládat v rámci vašeho systému energetického managementu v případě, že ho máte zavedený.

Využití odpadního tepla Až 80-93 % elektrické energie použité na pohon vzduchových kompresorů se přemění na teplo. V mnoha případech dokáže správně zkonstruovaná rekuperační jednotka regenerovat 50-90% tohoto odpadního tepla a využít ho k ohřevu vzduchu nebo vody.

Případová studie: Tabulka 3: Ztráty energie netěsnostmi [5]

průměr díry mm 1 3 5 10

únik vzduchu 6 bar 12 bar l/s l/s 1,2 1,8 11,1 20,8 30,9 58,5 123,8 235,2

ztráta energie náklady 6 bar 12 bar 6 bar 12 bar kWh kWh € € 0,3 1,0 144 480 3,1 12,7 1 488 6 096 8,3 33,7 3 984 16 176 33,0 132,0 15 840 63 360 kW x 0,06 € x 8000 h provozu za rok

Cvičení: Zvažte možnost exkurze do (blízkého) podniku používajícího soustavu stlačeného vzduchu (např. lakovnu nebo truhláře). Vypracujte seznam nástrojů, které používají stlačený vzduch. • Dokážete zjistit, kde se vyskytují nějaké netěsnosti? • Použijte tabulku 3 pro odhad nákladů na elektřinu v důsledku netěsností. • Využívá podnik rekuperaci odpadního tepla? • Dokážete odhadnou potenciál rekuperace tepla? Podívejte se na diagram 5: Energetická bilance Klíčové body: Klíčové body této části jsou • Elektrárny, které vyrábějí samotnou elektřinu, jsou relativně málo účinné, jejich účinnost je nižší než 50 % • Elektrárny, které vyrábějí dodávkové teplo i elektřinu jsou mnohem účinnější • Obnovitelné zdroje pořád ještě tvoří malý, avšak vzrůstající podíl na výrobě elektřiny • Spotřeba energie v průmyslu tvoří významný podíl na spotřebě energie vaší země. • Energie se v průmyslu používá mnoha různými způsoby pro mnoho různých účelů 36

IUSES — Používání energie v průmyslu Kapaliny pro chlazení a vytápění Voda (horká a studená) je při chlazení a ohřevu nejběžněji používané teplonosné médium. Další teplonosnou kapalinou jsou glykoly (směs vody a glykolu se používá při chlazení) a oleje (minerální nebo silikonový pro chlazení a ohřev). Přínos jiných teplonosných kapalin než je voda je v tom, že mají větší rozpětí provozní teploty. Lze je zchladit pod 0 °C, aniž by zamrzly a ohřát na více než 100 °C, aniž by se začaly vařit (nebo zvyšovaly tlak v uzavřené soustavě). Tyto vlastnosti jsou pro průmysl, kde teploty přesahují rozmezí 0 °C až 100 °C, přínosem. Zvýšení účinnosti Proces ohřívání/chlazení může probíhat účinněji při dodržení následujících kroků: • Pravidelné odstraňování pevných inkrustů, kalů a usazenin sníží hydraulické ztráty. • Rekuperovanou energii z teplonosných kapalin lze využít v rámci procesu. • Izolace trubek snižuje tepelné ztráty.

Obrázek 1: Uzavřená chladicí soustava

Odkazy: [1] Meilner Mechanical Sales, Inc. www.boilersource.com [2] Dockrill P., Friedrich F., Spolkový program – Průmyslové kotle ( Federal Industrial Boiler Program), Natural Resource Canada, CANMET Energy Technology Centre, 1 Haanel Drive, Nepean ON K1A 1M1, Kotle a topná tělesa: zvyšování energetické účinnosti (Boilers and Heaters: Improving Energy Efficiency), Katalog č.: M92-299/2001E, 2001 [3] Initiativ Energieeffizienz in Industrie und Gewerbe www.industrieenergieeffizienz.de [4] Top Motors www.topmotors.ch [5] Rekuperace tepla pomocí soustav stlačeného vzduchu http:// www.compressedairchallenge.org/library/factsheets/factsheet10.pdf Webové odkazy: www.topmotors.ch http://www.compressedairchallenge.org www.boilersource.com 37

IUSES — Používání energie v průmyslu

Kapitola 4: Energetický management Učební látka: V následující kapitole se dozvíte • Co je energetický management, kdy se používá a jak funguje Podniky všeho druhu se stále více zajímají o dosažení a prokázání svého environmentálního profilu. Z toho důvodu kontrolují, jak jejich činnost, výrobky a služby ovlivňují životní prostředí. Pro dosažení efektivnosti musí být jejich činnost řízena v rámci strukturovaného systému managementu, který je v podniku náležitě integrovaný. Mezinárodní normy poskytují podnikům základní prvky efektivního systému managementu, který jim pomáhá dosáhnout environmentálních a ekonomických cílů. Tento systém podnikům umožňuje vytvářet politiku, stanovit cíle a postupy k vytvoření politických závazků, podniknout potřebné kroky ke zlepšení své výkonnosti. Podniky jsou povinny tyto normy dodržovat, při jejich nedodržení nezískají certifikaci. Obecným cílem systému managementu je podpora kvality, ochrany životního prostředí a socioekonomických potřeb. Definice: 1. ISO 9001: Systém managementu kvality 2. ISO 14001: Systém environmentálního managementu 3. ISO 16001: Systém energetického managementu

2.

3.

ISO 9001: Je mezinárodní norma, pomocí které je zaručeno, že zákazníci dostanou očekávanou kvalitu. ISO 14001: Systém environmentálního managementu je soubor postupů a metod, které podniku umožňují snížit jeho negativní vliv na životní prostředí a zvýšit efektivnost svého provozu. ISO 16001: Obecným cílem této normy je pomoc organizacím zavést systémy a postupy nutné ke zvýšení energetické efektivnosti. Systematické hospodaření s energií by mělo vést ke snížení nákladů na energii a na emise skleníkových plynů KONKURENCESCHOPNOST Vylepšený image a publicita Dlouhodobá konkurence schopnost

Zjištění možných úspor materiálů a energie

EMS

Systematická ochrana životního prostředí Kontrola ekologičnosti

Obrázek 1: Přínosy systému managementu pro podniky [1]

ZLEPŠENÍ ORGANIZACE

38

Dodržování zákonů Snížení rizika nehod Identifikace slabých míst

MINIMALIZACE RIZIK

Proč by však měl podnik implementovat systém managementu? Na obrázku 1 vidíte odpověď – je zde několik bodů, které mluví pro implementaci systému managementu.

MINIMALIZACE NÁKLADŮ

1.

IUSES — Používání energie v průmyslu Pamatuj: Všechny systémy managementu v zásadě tvoří pouze několik důležitých kroků, které jsou téměř shodné V následujících částech tohoto manuálu se těmito kroky budeme zabývat. Teď budeme věnovat naši pozornost energetickému managementu. Cíle systému energetického managementu Cílem implementace systému energetického managementu je zlepšení energetické efektivnosti. Úkolem podniku je periodicky zjišťovat možnosti zlepšení a kontrolovat jejich provádění. Míra, rozsah a časový rámec tohoto procesu neustálého zlepšování jsou podnikem stanoveny s ohledem na ekonomické a další praktické okolnosti, jako je velikost podniku, energetická náročnost jeho činnosti, změny ve výrobě. Pamatuj: Některé důležité otázky pro podnik jsou: • Jaké nositele energie se používají? (elektrická energie, zemní plyn, uhlí atd.) • Jaký nostel energie převládá? • Je část používané energie zajišťována z alternativních zdrojů? (energie vody, větrná nebo solární energie, biomasa, geotermální energie atd.) • Jaká je denní / roční potřeba energie? • Jak se dostává energie na místo spotřeby? (komunální rozvodnou sítí, vlastním potrubím, např. zemní plyn; nákladní nebo lodní dopravou, např. uhlí nebo kerosin) • Jaké jsou denní / roční náklady na energii? • V kterých částech podniku se spotřebovává energie? V které oblasti je nejvyšší potřeba energie? • Jaký je podíl nákladů na energii na celkových provozních nákladech? • Jak se náklady na energii změnily během posledních let? • Jsou otázky týkající se energetiky pro dané místo důležité? • Jaké plány má podnik co se týče budoucích dodávek energie? • Jaká je potřeba energie pro výrobu? Jak zároveň s tím vypadá další potřeba energie (např. na osvětlení, vytápění, jídelnu atd.)?

Cvičení: Pokuste se odpovědět na tyto otázky v souvislosti s vaší školou! Promluvte se školníkem a položte tyto otázky vašemu řediteli. Kroky v rámci systému energetického managementu Na obrázku 2 vidíte hlavní kroky prováděné v rámci systému energetického managementu:

39

IUSES — Používání energie v průmyslu

Obrázek 2: Cyklus energetického managementu

Cílem systému energetického managementu je zvýšit energetickou efektivnost a zajistit, aby se minulé neefektivní chování neopakovalo v budoucnosti. Systematické hospodaření s energií by mělo vést ke snížení nákladů na energii a emisí skleníkových plynů. Úplné znění požadavků na systém (energetického) managementu jsou definovány v mezinárodních normách (ISO 14001, ISO 16001). Následující text se bude podrobně zabývat jednotlivými kroky systému managementu.

Cvičení: • Pokuste se na internetu najít dokumenty týkající se ISO 14001 nebo programu EMAS Otázky: • • • •

Zamysleli jste se někdy nad tím, kolik papíru spotřebujete ve škole nebo doma jen během jediného dne? Diskutujte na téma, jak lze zabránit vysoké spotřebě papíru. Jak lze z těchto nápadů sestavit program pro celou školu? Jaké elektrické spotřebiče jsou ve vaší škole? Jaké systémy managementu znáte? Čím se zabývají?

40

IUSES — Používání energie v průmyslu Energetická politika

Energetická politika je písemné prohlášení, kterým podnik vyjadřuje úmysl šetřit energii a stále zlepšovat svou energetickou situaci v souladu s legislativou. Tato energetická politika podniku by měla mít podobu oficiálního, veřejně přístupného prohlášení, ve kterém se podnik zavazuje k uskutečňování cílů energetického managementu a ke snižování emisí spojených se spotřebou energie. Případová studie:

Fig. 3: Energetická politika (Star Paper Mills Limited) [2]

41

IUSES — Používání energie v průmyslu Pamatuj: Zásady politiky musí • • • • • •

být k dispozici v písemné podobě být podepsané a s konečnou platností vydané vrcholným managementem podniku poskytovat rámec pro definici environmentálních cílů být aktualizovány být oznámeny všem zaměstnancům být přístupné veřejnosti

Otázky: • Jaká by měla být struktura energetické politiky? • Vyhledejte na internetu papírny (ve vaší oblasti) • Mají tyto podniky certifikaci podle ISO 14001 nebo ISO 16001? • Představuje podnik environmentální/energetickou politiku na webové stránce? • Pokuste se zjistit zásady (energetické/environmentální) politiky podniku(ů). • Přijala vaše škola zásady politiky (týkající se např.minimalizace plýtvání, ochrany vod nebo snížení spotřeby energie)?

Plánování

Pamatuj: Při plánování se zohledňuní tyto aspekty • Environmentální aspekty • Právní a další požadavky (zákony, nařízení, působení zvláštních zákonů, dobrovolné dohody a smlouvy, požadavky odběratelů, požadavky dalších zainteresovaných stran a posouzení těchto požadavků) • Úkoly a cíle: stanovení úkolů a cílů umožní realizovat zásady politiky v praxi. Stanovení energetických cílů je zárukou, že podnik úspěšně definoval kritéria, takže lze změřit pokroky, dosažené při zvyšování energetické efektivnosti. Úspěšný energetický management je založen na správném plánování: Analýza vstupů a výstupů

Cíle

Opatření

Hodnocení - zpětná vazba

Obrázek 4: Důležité kroky při procesu plánování Analýza vstupů a výstupů (analýza toku materiálu a energetická analýza) směřuje ke stanovení cílů a ty pak směřují ke stanovení opatření. Je důležité provést přezkoumání postupů.(Obrázek 4: Důležité kroky při procesu plánování). Transparentnost materiálového toku je základem informovanosti a vytváření povědomí. Nástroje 42

IUSES — Používání energie v průmyslu jako je vstupní / výstupní analýza, analýza materiálového toku a analýza energetického toku vytvářejí základ informačního systému, který umožňuje určit efektivnost materiálu a energetických toků a efektivnost opatření. Proto jsou to cenné nástroje měření skutečného zlepšení environmentálního profilu podniku. Vstup - výstup Prvním krokem počáteční analýzy je identifikace oblastí s významnou spotřebou energie. Na diagramu 5 vidíte přehled vstupů a výstupů v průmyslu.

Obrázek 5: Princip vstupní a výstupní analýzy

Podnik si nejdříve potřebuje udělat představu o výši a charakteru spotřeby energie. Tento energetický průzkum musí zahrnovat spotřebu energie v minulosti a současnosti Stupeň podrobného přezkoumání závisí na velikosti podniku a spotřebě energie, ale minimálně by měl obsahovat energetické vstupy (elektřina, ropa, zemní plyn a další) a odhady konečné spotřeby (sušení, čerpání, klimatizace, osvětlení a další). Měly by se přezkoumat trendy v používání energie v minulých letech a vytvořit základy pro stanovení cílů. Při posuzování by se měly použít informace, které jsou již nyní k dispozici, např. účty za energii, výsledky měření, zprávy o budování energetického managementu atd. Největší možnosti zlepšení energetické výkonnosti podniku často vycházejí z beznákladových opatření k hospodaření podniku, spočívající např. ve vedení zaměstnanců k vypínání chodu zařízení, pokud není v provozu, v podpoře a informování zaměstnanců o energetické náročnosti pracovních postupů atd. Podnik by měl zhodnocení každý rok aktualizovat. Přezkoumání by mělo být provedeno pokud možno na základě aktuálního měření. Mělo by se přihlédnout ke změnám v podniku, např. rozšíření výroby, úpravám zařízení, organizačním změnám, odborné kvalifikaci zaměstnanců, náplni práce atd. Měly by se analyzovat trendy ve spotřebě energie za předchozí roky.

43

IUSES — Používání energie v průmyslu Případová studie: Příklad ročního zhodnocení provozu papírny (M-real Stockstadt GmbH

Obrázek 6: Přehled vstupů a výstupů [3]

Cvičení: Zkuste vytvořit analýzu vstupů a výstupů vaší školy • Uveďte počet stejných komponentů (osvětlovacích těles/projektorů/počítačů atd.) • Uveďte příkon (v kW) každého komponentu (podívejte se na parametry každého komponentu) • Uveďte provozní hodiny každého komponentu (vynásobte provozní dny počtem provozních hodin za den) • Požádejte ředitele školy o informaci týkající se spotřeby energie vaší školy. Porovnejte vaše vypočtené údaje s údaji, které jste získali od ředitele školy. 44

IUSES — Používání energie v průmyslu •

Jsou téměř shodné nebo se výrazně liší? I když jste neuvedli všechny spotřebiče energie, které se nacházejí ve vaší škole, můžete sdělit řediteli školy, kolik energie spotřebují komponenty, které jste hodnotili.

Cíle Podnik musí nejdříve stanovit cíle. Tyto cíle by měly být

a taky SMART = chytré Cílem implementace systému energetického managementu je zvýšení energetické efektivnosti podniku. Podnik bude pravidelně zjišťovat možnosti zlepšení a kontrolovat jejich provádění. Tempo, rozsah a časový rámec tohoto procesu trvalého zlepšování stanoví podnik s ohledem na ekonomické a další praktické okolnosti, jako je velikost podniku, energetická náročnost jeho činností, výrobní změny. Příklady stanovení cílů: • Skutečné úspory energie v rámci definovaných oblastí, např. snížit ztráty stlačeného vzduchu o 10 %; • Zavedení nové energeticky úsporné technologie (např. redukce průtoku vody vedoucí ke snížení spotřeby teplé vody, výměníku tepla v systému klimatizace zajišťujícího rekuperaci tepla z odpadního vzduchu atd.) k opětnému využití 20 % předchozích tepelných ztrát; • Školení, informovanost a motivace zaměstnanců týkající se snížení spotřeby teplé vody na úklid a čištění o 20 %; • Zdokonalení a rozšíření způsobu monitorování s cílem snížit celkovou spotřebu energie o 5%; • Zavádění a implementace nových postupů, pracovních směrnic atd. vedoucích ke snížení ztrát vzduchu o 10 %. Opatření Jakmile jsou cíle stanoveny, můžete učinit rozhodnutí, jak těchto cílů dosáhnout. V následující tabulce jsou uvedeny příklady opatření stanovených jedním podnikem :

45

IUSES — Používání energie v průmyslu Nositel energie

Cíl

Opatření

Elektřina

Úspora v okruhu stačeného vzduchu (180000 kWh/a)

Snížení úniků stlačeného vzduchu

Elektřina

Energetické úspory (50000 kWh/a)

Optimalizace osvětlení

Zemní plyn

Optimalizace zařízení kotle (480000 kWh/a)

Izolace trubek od kotle Nastavení kotle

Zemní plyn

Snížení potřeby plynu na vytápění (530000 kWh/a)

Rekuperace tepla - kompresor

Tabulka 4: Příklad stanovených cílů a opatření

Cvičení: • • • •

Týká se podniků, které jste poznali již v předchozích cvičeních: objevili jste přehled jejich vstupních materiálů a energie? Porovnejte spotřebu energie různých podniků. Provádí se pravidelná aktualizace seznamu energetických aspektů? Vytvořte tabulku uvádějící cíle a opatření k úsporám energie, zahrnující komponenty nacházející se ve vaší škole. Jako vzor použijte ukázkovou tabulku 4: Příklad stanovených cílů a opatření.

Implementace a provoz

Nejvyšší vedení podniku by mělo jmenovat odpovědnou osobu oprávněnou implementovat program energetického managementu. Zástupce vedení by rovněž měl nejvyššímu vedení podniku podat zprávu o provádění a výsledcích systému.

Obrázek 7: Organizační struktura

Tým 46

IUSES — Používání energie v průmyslu Centrálním prvkem efektivní organizace je tým: Práce v průběhu implementace a následná analýza vlivů na životní prostředí, budování povědomí a informovanosti, vytváření variant ke zlepšení a implementaci se vztahuje k fungování celého podniku. Z toho důvodu je lepší pro zpracování všech hlavních postupů jmenovat členy týmu. Při výběru členů týmu je třeba zajistit následující odborníky: • Odborníka v oblasti práva • Ekonoma • Hlavního technologa • Manažera technického zabezpečení • Bezpečnostního technika • • • •

společně všichni dokážou víc

Cvičení: Přistání na Měsíci Jste kosmonaut, který ztroskotal na Měsíci. Kosmická loď, která vás může dopravit zpátky na Zemi, je od vás vzdálená 300 km. Musíte se rozhodnout, kterou z věcí si vezmete s sebou (hodinky, kompas, záchranný vor, signální rakety, kamna, léky, vodu, železnou zásobu, zbraň ...) • nejdříve individuálně (zaznamenejte vaši klasifikaci) • poté jako výsledek týmové diskuse Otázky: Prodiskutujte následující otázky • Kdo je odpovědný za správu vaší školy? • Kdo je odpovědný za facility management (= činnosti v rámci organizace k zajištění a rozvoji sjednaných služeb, které podporují a zvyšují efektivnost její základní činnosti) • Kdo sbírá data o spotřebě energie a podává o nich zprávu řediteli školy? Komunikace, vzdělávání, školení Efektivní komunikace je pro zajištění systému energetického managementu důležitá. Relevantní a pravidelně podávané informace podpoří motivaci a • Interní komunikaci. Komunikace uvnitř podniku pomáhá zaměstnancům pochopit, jakou představu, hodnoty a kulturu má podnik. Komunikace může probíhat ústně nebo písemně, osobním kontaktem nebo virtuálně, mezi jednotlivci nebo ve skupinách. Jasná a stručná interní komunikace pomáhá v rámci podniku vytvořit formální úlohy a odpovědnost zaměstnanců a udržet přehledné organizační uspořádání. Obsah sdělení by se měl týkat 1. odpovědnosti za interní podávání informací týkající se programu energetických úspor; 2. relevantních informací o podniku, implementaci a provozu systému energetického managementu; 3. způsobech sdělování informací (interní schůze, semináře, podnikové časopisy, intranet, e47

IUSES — Používání energie v průmyslu 4.

mail, informační tabule atd.); způsobu, jakým jsou návrhy zaměstnanců posuzovány a jak se na ně reaguje.

• Externí komunikaci Komunikace se stranami mimo podnik je pro efektivní systém energetického managementu důležitá.

Dokumentace Dokumentace je pro popis a podporu systému managementu nezbytná. Dokumentace by měla obsahovat všechny relevantní operace a postupy. Tvoří ústřední orientační bod implementace a technického zabezpečení celého systému. Měly by se definovat postupy monitorování a kontroly vlivů, které mají určité procesy nebo materiály na životní prostředí a zařídit, aby byly snadno kdykoli přístupné k získání informací. Tyto zdokumentované postupy, které by měly být srozumitelné a podle potřeby aktualizované, zajistí hladké fungování systému energetického managementu. Cvičení: Týká se podniků, které jste identifikovali: • Existuje zde seznam odpovídajícího know-how a zkušeností jednotlivých zaměstnanců? • Pořádají se zde prezentace aktivit ke zvyšování povědomí a informovanosti o hospodaření s energií? •

Audit

Nepleťte si audit s přezkoumáním systému managementu. Zatímco počáteční přezkoumání systém managementu “nastartuje”, interní audit udržuje jeho tempo.

Obrázek 8: Cyklus auditu [4]

Interní audit zahrnuje systematickou kontrolu a porovnávání současných provozních metod s postupy specifikovanými v manuálu EMS (systému environmentálního/energetického managementu). Cílem je posoudit, zda EMS funguje správně. Audit by měl na jedné straně identifikovat a označit oblasti, kde byly požadavky EMS splněny; na druhé straně by měl určit, kde stav není ve shodě s požadavky a navrhnout možnosti zlepšení. Audit se může zaměřit buď na pracovní 48

IUSES — Používání energie v průmyslu proces (např. reakce na havarijní stav) nebo na oblast provozní nebo výrobní linky. Klíčem k úspěšnému EMS je odpovědnost všech zaměstnanců. Jestliže se zaměstnanci neangažují, implementace nebo udržování systému bude obtížné. Audity jsou hodnotným nástrojem měření dodržování závazku v různých částech podniku. Pamatuj: Účelem interního auditu je systematicky posuzovat systém energetického managementu a zhodnotit, zda systém funguje ve shodě s požadavky, které si podnik sám stanovil. Četnost provádění auditu Četnost provádění auditů závisí na tom, jak důležité jsou environmentální aspekty, ale audit všech postupů a oblastí by se měl provádět alespoň jednou ročně. Zástupce energetického managementu je odpovědný za zavedení programu provádění auditů a za pravidelné informování vedení podniku o jejich výsledcích. Oblasti, které vyžadují podrobnější dohled: • Velmi rizikové oblasti; • Oblasti, kde podnik v minulosti nebyl ve shodě s právními požadavky. Na základě této informace (o velmi rizikových oblastech, oblastech, kde podnik v minulosti nebyl ve shodě s právními požadavky) je sestaven časový plán auditu, který určuje, v kterých oblastech nebo u kterých postupů je audit třeba provést a kdy. Zhodnocení managementu

Konečným krokem implementace systému managementu je jeho přezkoumání. Zvážit, zda • Je systém managementu praktický, funkční a efektivní? • Jakých úspěchů bylo dosaženo? • Jaké jsou důvody jakéhokoli zhoršení nebo zlepšení? • Je jeho uspořádání ve shodě s právními požadavky? Přezkoumání by mělo vycházet z relevantních dokumentů, jako je zpráva o auditu managementu. Na základě výsledků přezkoumání politiky nebo podmínek systému managementu je možné, že bude zapotřebí provést úpravy. Jak často se tyto úpravy budou provádět záleží na vás. Cvičení: Prezentace: Blahopřejeme: Nyní znáte hlavní kroky EMS. Použijte cvičení a otázky, na které jste odpovídali předtím. Na jejich základě se pokuste vytvořit prezentaci, která obsahuje cíle a opatření, která přispějí k úspoře energie ve vaší škole. Klíčové body: Systém managementu tvoří 5 hlavních kroků: Energetická politika Plánování: vstupní – výstupní analýza, cíle, opatření Implementace a provoz: tým, komunikace, dokumentace Audit Přezkoumání managementu 49

IUSES — Používání energie v průmyslu Odkazy: [1] ISO 14001 [2] Energetická politika (Star Paper Mills Ltd.) http:// www.energymanagertraining.com/banner/EMP2005_pdf/Star_Paper_Mills_EMP.pdf [3] Environmentální prohlášení podniku M-real 2007 http://www.m-real.com/ilwwcm/resources/file/eb7e914b0803b58/M-real%20EMAS% 202007%20E_ENDI_08082007.pdf [4] http://www.southbirminghampct.nhs.uk/_services/rehab/Images/AuditCycle.jpg Webové odkazy: www.sappi.com www.m-real.com www.iso.org www.nsai.ie

50

IUSES — Používání energie v průmyslu

Kapitola 5: Efektivní využití energie v papírenském průmyslu Úvod Kdo by si dokázal představit svět bez papíru? Je to jeden z nejuniverzálnějších a nejběžněji používaných materiálů našeho každodenního života. Dokonce i v době elektronické komunikace a ukládání poznatků je přesto papír nenahraditelný, nejen v oblasti vzdělávání a přenosu informací, ale též kvůli tisícům dalších výrobků, které každý den používáme.

Obrázek 9: Papírenské výrobky.

Nápad vyrábět papír vznikl před asi 2000 lety v Číně a v Evropě se rozšířil v polovině 13. století [5]. V té době se jako suroviny pro výrobu papíru používala vlákna z kůry morušovníku, papyru, slámy nebo bavlny. Průmyslově se papír začal vyrábět až v polovině 19. století a lidé začali jako surovinu používat dřevěná vlákna [1]. Energie vždy hrála při výrobě papíru důležitou roli. První výrobní místa byla vždy umístěna poblíž velkých řek, aby byl zajištěn přívod vody a tím se pro výrobní procesy využila vodní energie. Sluneční a větrná energie pomáhaly vysušit a vybělit papír. S industrializací výroby papíru začalo také rozsáhlé využívání fosilních paliv. Dnes se asi 48 % primární energie využívané v celulózopapírenském průmyslu v Evropě vyrábí z fosilních paliv [22]. Fakta z evropského papírenského průmyslu1 [22] • Spotřeba papíru v Evropě vzrůstá průměrně o 2,6 % ročně. Roční výrobní kapacita evropských zemí mírně převyšuje 100 milionů tun. Z celkového množství vyrobeného papíru připadá na grafické papíry 48 %, obalový papír 40 % a hygienický a speciální papír 12 % . • Nejdůležitějším výrobcem papíru je Německo, následuje Finsko, Švédsko, Itálie a Francie. • Papírenský průmysl poskytuje přímé a nepřímé zaměstnání více než 2 milionům lidí a zahrnuje 1200 celulózových2 a papírenských závodů a dalších 800 podniků v Evropě. • Evropský celulózopapírenský průmysl má roční obrat 79 miliard eur, což představuje 1,4 % z obratu evropského zpracovatelského průmyslu. • Spotřeba dřeva zemí CEPI v roce 2007 činila více než 119 milionů tun. • Výroba celulózy a papíru stojí na čtvrtém místě co se týče světové spotřeby primární energie.[17]. Více než polovina tepelné a elektrické energie pro průmysl se vyrábí spalováním paliv založených na biomase. Obrázek 10 znázorňuje podíl zdrojů primární energie v ev1

Fakta pro “Cepi země”. Cepi je zkratka pro Konfederaci evropských papírenských průmyslů. Členové v r. 2007: Rakousko, Belgie, Česká republika, Finsko, Francie, Německo, Maďarsko, Itálie, Norsko, Polsko, Portugalsko, Slovenská republika, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Nizozemí, Velká Británie. 2

Papír se skládá především z vláken dřeva nebo sběrného papíru. Vlákna se chemicky nebo mechanicky oddělují od dřeva nebo jiné suroviny a nazývají se „celulóza“.

51

IUSES — Používání energie v průmyslu ropském celulózopapírenském průmyslu3. Jiné (např. vodní) 0,4% Plyn 36,9%

Biomasa 52,3%

Ropa 5,0% Uhlí 3,6% Ostatní fosilní paliva 1,8%

Obrázek 10: Podíl primárních zdrojů energie [22].

Elektřina, která se nevyrábí v rámci papírny, ale je přiváděna ze sítě, se vyrábí z různých paliv. Obrázek11 znázorňuje podíl paliv na výrobě elektřiny v rámci Evropské unie.

Obrázek 11: Roční výroba elektřiny v EU – 27 podle paliv[28].

“Obnovitelné zdroje” na obrázku 11 zahrnují elektřinu vyrobenou z vodní energie, ze spalování biomasy a bioplynu, spalování komunálního odpadu, větrné energie, geotermální energie a solárních fotovoltaických článků.[28]. Výroba papíru a celulózy je jednou z příčin nepříznivého ovlivňování našeho životního prostředí, protože se intenzivně používá dřevo, chemikálie, voda a jde o velmi energeticky náročný proces. V tomto kontextu popisuje tento manuál metody výroby papíru a poukazuje na metody vedoucí ke zlepšení energetické účinnosti a dosažení úspor energie v celulózopapírenském průmyslu. Životní cyklus papíru Sluneční energie pohání eko cyklus celulózy a papíru; přeměňuje vodu, živiny, solární energii a oxid uhličitý do dřevních vláken během růstu stromu. Les je obnovitelný zdroj surovin, který Primární energie je energie, která je obsažená v přírodních zdrojích před jakoukoli přeměnou. Zdoje primární energie jsou např.: uhlí, surová ropa, zemní plyn, sluneční záření, vítr, biomasa, vodní energie a uran. [33].

52

IUSES — Používání energie v průmyslu poskytuje jak dřevní vlákna, tak bio paliva pro výrobu energie /19/. Obrázek 12 znázorňuje zá-

kladní kroky životního cyklu papíru. Obrázek 12: životní cyklus papíru /31/.

Dřevo včetně vedlejších produktů dřevařského průmyslu se přepraví do celulózky, kde se oddělí celulózová vlákna od ostatních dřevních částí. V papírně se extrahovaná vlákna (vláknina) smísí s vodou a chemikáliemi, aby se dala použít v papírenském stroji. Odpad z dřevařského průmyslu, celulózky a papírny se spaluje v zařízení na výrobu energie, aby se ušetřila fosilní paliva a snížil se objem skladovaného odpadu. Odpadní papír se sbírá, třídí a následně ve výrobním procesu recykluje.[31]. Suroviny pro výrobu papíru Vstupy při výrobě papíru jsou vlákna (celulóza), chemikálie, voda a energie. Vlákna, chemikálie a voda se smísí a vytvoří “papírovinu”, který se dále zpracovává v papírenském stroji.[18] 53

IUSES — Používání energie v průmyslu • Vlákna Mezi suroviny používané k výrobě papíru lze počítat různé vláknité materiály jako je dřevo, nedřevnaté rostliny nebo průmyslový odpad z pilařského závodu (primární neboli panenská vlákna) a sběrový papír4 (druhotná vlákna). Prvním krokem při výrobě je, že se vlákna extrahují ze suroviny a vyrobí se tak zvaná “vláknina”. Tato vláknina se smíchá s vodou a chemikáliemi a poté plní do papírenského stroje, kde se formuje papírový list.[3]. • Dřevo Dřevo je organický materiál, který se skládá přibližně ze 49 % uhlíku, 44 % kyslíku, 6 % vodíku, necelého 1 % dusíku a anorganických prvků jako je sodík (Na), draslík (K), vápník (Ca), hořčík (Mg) a křemík (Si). Tyto prvky tvoří makromolekuly a tím vytvářejí podstatu dřeva: celulózu, hemicelulózy a lignin. Pružná celulózová vlákna jsou spojená a díky ligninu pevná [6].Obrázek 13 znázorňuje zjednodušený princip buněčné skladby dřeva.

Obrázek 13: Zjednodušený princip buněčné skladby dřeva[16].

K výrobě papíru lze použít pouze celulózová vlákna. Ta se musí mechanicky nebo chemicky oddělit od dalších dřevních částí. Vlákna ze dřeva jehličnanů (měkkého dřeva), jako např. smrku, jedle a borovice, jsou delší a hrubší než vlákna z listnatých stromů (tvrdého dřeva). Díky měkkým vláknům je papír odolnější proti natažení a roztržení, zatímco díky tvrdým vláknům mají listy papíru hladší povrch. Vzhledem k tomu, že měkké dřevo obsahuje více ligninu než tvrdé dřevo, je zapotřebí více chemikálií a energie k oddělení potřebných vláken z dalších dřevních komponentů.[18]. • Nedřevnaté rostliny Nedřevnaté rostliny, jako je tráva, len a konopí, stejně jako zemědělský odpad, např. sláma a cukrová třtina, jsou důležité suroviny pro výrobu panenských vláken v zemích jako je Čína nebo Indie. [19, 20]. • Sběrný papír V roce 2006 bylo 56 % spotřebovaného papíru a lepenky vyrobeno recyklací. Ze sběrového papíru se vyrábí hlavně novinový papír a lepenka.[19]. 4 V papírenském průmyslu se dává přednost výrazu “recovered paper” před “waste paper” pro označení sběrového papíru. [www.leo.org]

54

IUSES — Používání energie v průmyslu • Chemikálie Chemické látky, jako plnidla a látky na povrchovou úpravu, mohou tvořit až 30 % celkového množství papíroviny. Přidáním plnidel, např. uhličitanu vápenatého (křídy) a kaolinu se docílí vyšší opacity papíru, jeho větší odolnosti proti stárnutí, hladšího povrchu a zvýšení jeho pružnosti. Přidání chemikálí je rovněž zapotřebí při některých krocích při výrobě vlákniny, jako je rozpouštění ligninu z panenských vláken, čištění a bělení.[1]. • Voda Nejdůležitější surovinovou součástí je voda. Je nutná k čištění, chlazení, výrobě páry a funguje jako pojidlo při tvorbě vodíkové vazby mezi vlákny papírového listu. Při výrobě papíru je zapotřebí 10 až 100 litrů vody na kilogram vyrobeného papíru. Moderní papírny používají uzavřené vodní soustavy nebo cirkulační soustavy k minimalizaci spotřeby vody /3/. • Energie Většina papíren má své vlastní elektrárny na výrobu elektřiny a páry. V dnešní době připadá na samovýrobu téměř 60 % z celkové spotřeby energie v evropském celulózopapírenském průmyslu. Vodní energie, zemní plyn, fosilní paliva, odpady a paliva z biomasy, stejně jako energie rekuperovaná v rámci výrobního procesu jsou přeměny na páru a elektřinu potřebnou pro průběh procesu /18/. Pro uvedení příkladu znázorňuje obrázek 14 zjednodušené schéma toku energie papírny v Rakousku.

Obrázek 14: Schéma toku energie papírny UPM ve Steyrermühl, Rakousko [14].

Spalováním zemního plynu, kůry a odpadu z výrobního procesu se vyrábí teplo. To se používá k výrobě páry, která pohání parní turbínu při výrobě elektřiny. Nadbytečná pára z turbíny se používá k ohřevu v rámci výrobního procesu. K zásobování papírny energií rovněž přispívá systém rekuperace odpadního tepla. Do této papírny se také dodává elektřina z vodní elektrárny, zbývající potřeba elektřiny je zajištěna přívodem ze sítě /14/. Papírny používají energii ve formě páry na ohřev a sušení (např. v papírenském stroji) a elektřiny k pohonu různých strojů a motorů. Podíl nákladů na energii na celkových výrobních nákladech se pohybuje od 15 % do 25 % /25/. Energie potřebná k výrobě jedné tuny papíru se pohybuje v rozmezí 3 – 5 MWh, což je průměrné množství energie, které spotřebuje jedna evropská domácnost za 3 měsíce5. Z těchto ekonomických důvodů bylo v papírenském průmyslu vždy klíčovým úkolem snížit spotřebu primární energie a prosazovat efektivní využití vyrobené páry a elektřiny. Ke snížené spotřebě fosilních paliv 5 Zdroj: www.aee.or.at; Průměrná roční spotřeba energie (včetně všech elektrických spotřebičů a otopné soustavy) je cca 20 000 kWh

55

IUSES — Používání energie v průmyslu a k udržitelné výši vstupních prostředků přispívá zejména spalování odpadu z výrobního procesu a paliv z biomasy, jako je kůra, dřevní odpad a další odpad z provozu lesního hospodářství. Mimo to, zavedení rekuperace odpadního tepla v rámci výrobního procesu vede ke snížení celkové potřeby výroby energie a tím také ke snížení množství emisí CO2 a dalších látek /19/, Výroba papíru Výrobu papíru lze rozdělit do dvou základních kroků, které přemění suroviny do konečného výrobku [3, 20]: Příprava a výroba celulózy (kapitola 4.1) Extrakce vláken ze surovin. Vlákna lze extrahovat mechanicky (viz termomechanická drť) nebo chemicky (viz buničina) ze dřeva nebo mechanicky ze sběrového papíru. Třídění, čištění a bělení extrahovaných vláken.

Papírenský stroj (kapitola 4.2) Z celulózy se vyrábí papír ⇒

Systém přípravy a výroby celulózy

Jestliže se jako zdroj vláken používají dřevěná polena, je ze všeho nejdříve potřeba odstranit z nich kůru. Odkorňování zpravidla probíhá v rotačním bubnu, kde se kůra třením odděluje od dřeva. Kůru lze spálit při výrobě energie /4/. Toto tak zvané “spalování biomasy” snižuje spotřebu fosilních paliv a množství odpadu z procesu /2/, V celulózce se z dřevěných polen a dalších dřevních částí oddělují celulózová vlákna a z jednotlivých vláken se vytvoří hmota. V případě společné výroby celulózy a papíru probíhá výroba celulózy a papíru v rámci jednoho závodu, jinak se celulóza suší a lisuje do žoků k použití v jakékoli papírně kdekoli na světě. • Buničina Při chemickém rozvlákňování dochází kombinací tepla, chemikálií a tlaku k oddělení ligninu obsaženého ve dřevu, takže jej lze z celulózových vláken vymýt. /18/. Z tohoto důvodu se odkorněná dřevěná polena umyjí a vytvoří se z nich štěpka. Při třídění na sítu se odstraní nadměrně velké štěpky. Společně s kůrou a dalším odpadem lze spálit i piliny /2/,. Při chemickém rozvlákňování se dřevění štěpka “vaří” s tak zvanou “varnou tekutinou” (bílým louhem), který obsahuje hydroxid sodný (NaOH) a sulfid sodný (NaS). Vlivem těchto chemikálií a procesních teplot v rozmezí 155 - 175 °C se lignin a části hemicelulózy ze dřeva odstraňují, takže zůstávají pouze potřebná celulózová vlákna. Extrahovaná vlákna (vláknina) obsahují “sulfátový výluh (černý louh)”, směs chemikálií a ligninu. Během promývacího procesu se černý louh od vlákniny oddělí a hromadí se v soustavě na regeneraci chemikálií, kde se rekuperuje přibližně 70 % energetického příkonu z procesu vaření a regeneruje více než 90 % chemikálií /2/. Zpočátku má vláknina (buničina) nahnědlou barvu. V závislosti na požadované bělosti a jakosti papíru se musí vláknina vybělit, aby se odstranilo více zbytků ligninu a dalších nečistot. Jako bělicí chemikálie se používá chlor / sloučeniny chloru, ozon / kyslík v různých formách a peroxid vodíku. Kvůli negativním vlivům některých sloučenin obsahujících chlor na životní prostředí se objevují námitky proti jejich používání a moderní papírny vyrábějí papír bez použití chloru /1/.

56

IUSES — Používání energie v průmyslu

Obrázek 15: Vybělená buničina [34].

Obrázek 16 znázorňuje nejdůležitější hmotnostní průtok a energetický tok při výrobě buničiny.

Obrázek 16: Technologické schéma výroby buničiny[31].

Soustava na regeneraci chemikálií a rekuperaci energie V soustavě na regeneraci chemikálií a rekuperaci energie se odpařením odstraní voda z černého louhu; zbylý zhoustlý louh se přivede do regeneračního kotle. Organické dřevní části v černém louhu (lignin a další dřevní části) mají vysoký obsah energie a jejich spalováním se vyrábí pára. Chemikálie použité při výrobě buničiny se hromadí na dně regeneračního kotle a znovu se v procesu použijí.

57

IUSES — Používání energie v průmyslu

Obrázek 17: Technologické schéma rekuperační soustavy[4].

Termomechanická buničina (TMP) Při výrobě termomechanické buničiny se k extrahování vláken ze dřeva používá tepelná a mechanická energie. Dřevní štěpka se zvlhčí párou. Poté se vlákna ze štěpky rozemelou pomocí šnekového rozvlákňovače. Nejjednodušší konstrukční typ rozvlákňovače se v zásadě skládá ze dvou disků, které se otáčí proti sobě. Energie z rotačního pohybu rozvlákňovače uvolní velké množství páry z mokré dřevní štěpky.Tato “odpadní pára”, neboli “TMP pára” se oddělí od dřevěných vláken a přivádí se do soustavy na regeneraci energie. Vlákna se pak důkladně zkontrolují, aby se z papíroviny odstranily nadměrně velké částice, poté se čistí a bělí, aby se docílilo požadované kvality buničiny /4/. Na obrázku 18 je znázorněno celkové schéma výroby termomechanické buničiny. •

Obrázek 18: Technologické schéma výroby TMP [31].

58

IUSES — Používání energie v průmyslu Soustava na regeneraci energie Pára, která se přivádí do soustavy na regeneraci energie, obsahuje velké množství nečistot (např. terpentýn, éterické organické oleje), takže ji nelze v rámci procesu přímo použít na ohřev. Horká odpadní pára se proto přivede do kotle na regeneraci tepla a použije se k ohřevu napájecí vody a tím se podílí na výrobě nové páry, určené ke zvlhčení dřevní štěpky.

Obrázek 19: Výměna tepla mezi TMP párou a vodou [12].

TMP (odpadní) pára cirkuluje uvnitř regeneračního kotle a ohřívá vodu. Tím nakonec dojde k její kondenzaci a je odvedena ze spodní části kotle chemické úpravny vod. Díky činnosti regeneračního kotle lze 60 – 70 % energie potřebné k provozu rozvlákňovače regenerovat z odpadní (TMP) páry /12/. • Buničina ze sběrového papíru (recyklace papíru) Papír lze recyklovat pomocí opětného použití papírových vláken namísto nových dřevních vláken, čímž se úspoří suroviny a energie. Pro tento účel musí být pomocí soustavy na přípravu papíroviny připraveny různé třídy sběrového papíru, které se použijí v papírenském stroji /3/. Obrázek 20 znázorňuje jedno možné technologické schéma zpracování sběrového papíru. V nádrži, naplněné vodou a sběrným papírem, se ze vstupního materiálu vytvoří čerpatelná suspenze. Tento tak zvaný “rozvlákňovač” rozloží sběrový papír na vlákna tím, že ho rozpustí ve vodě /3/. Dříve, než se suspenze nalije do papírenského stroje, se z ní oddělí částečky tiskařské černi a nečistot, jako jsou kousky fólie, textilií, plastikových pytlů, kamínků, drátků do sešívačky nebo dřeva. /18/, Obrázek 20: Výroba papíru z regenerovaných vláken [31].

Nečistoty, které se odstraní během procesu recyklace (odpady), lze spálit a tím vyrobit energii [19]. ⇒ Recyklace versus spalování odpadu Recyklace papíru přispívá k zásadám udržitelné výroby; je však vždy nutné dodat do výrobního

59

IUSES — Používání energie v průmyslu cyklu papíru nová dřevní vlákna. Sběrový papír obsahuje velké množství polámaných a poničených vláken, která se již nedají znovu zpracovat /7/. Při každém recyklačním procesu 10 – 20 % vláken je příliš krátkých na to, aby se dala znovu použít a musí být nahrazena novými /17/. Papír, který již nelze recyklovat, lze společně s dalším domácím odpadem spálit v městských spalovnách odpadků. Odpadový papír pozitivně ovlivňuje spalovací proces, protože dobře hoří a tím snižuje potřebu doplňujících fosilních paliv /17/. Spálením jedné tuny odpadního papíru se nahradí přibližně 600 litrů ropy /22/. Vzhledem k tomu, že městské spalovny odpadků běžně vyrábějí energii, například páru pro soustavy dálkového vytápění a elektřinu do sítě (obrázek 22), představuje spalování odpadního papíru, který již nelze recyklovat nebo použít jako surovinu pro jiné účely, způsob regenerace energie.

Obrázek 21: Jeřáb na manipulaci s odpadem [25].

Obrázek 22: Využití energie při spalování odpadu [26].

Recyklace papíru vs. použití nových vláken Výroba papíru značně ovlivňuje životní prostředí; tato kapitola ukáže, jaké zásadní a všeobecně známé dopady na životní prostředí má výroba celulózy a papíru. Nehledě na mnoho různých tříd kvality papíru a různé postupy při výrobě celulózy a papíru, různí evropští a američtí odborníci tvrdí, že papír, vyrobený z obnovených vláken, méně škodí přírodě než ten, který se vyrobí z panenských vláken[9, 10, 19, 25, 26]. Tabulka 1 zobrazuje, jaké vlivy na životní prostředí má výroba 1 tuny papíru z primárních vláken (scénář A) ve srovnání s výrobou 1 tuny papíru ze sekundárních vláken (scénář B). Mezi vážné dopady na životní prostředí patří: • Skleníkové plyny, jako je oxid uhličitý (CO2) a metan (CH4), které přispívají ke změně klimatu tím, že zachycují sluneční energii v zemské atmosféře (skleníkový efekt) [24] • Částice: malé pevné částice (< 10 µm), které se během spalování rozptýlí do atmosféry a mohou způsobovat astma a další respirační choroby nebo, pokud jsou vdechovány, dokonce rakovinu [24] • Kysličník siřičitý: SO2 vzniká při spalování paliv obsahujících síru (uhlí, ropa) v kotlích a má za následek problémy se znečištěním vzduchu, jako je kyselý déšť nebo smog [24] • CHSK: chemická spotřeba kyslíku (CHSK) je hodnota, která označuje množství trvale přítomných organických látek v odpadní vodě [24] 60

IUSES — Používání energie v průmyslu •

•

BSK: biochemická (biologická) spotřeba kyslíku označuje množství kyslíku spotřebovaného mikroorganismy při rozkladu organického materiálu v odpadní vodě. Vypouštění odpadní vody s vysokým obsahem BSK může vést ke snížení množství rozpuštěného kyslíku ve vodě a tím nepříznivě ovlivňovat život ryb a dalších organismů /18/. AOH: adsorpční organické halogeny: jsou nepřímým měřítkem množství organických chlorovaných sloučenin, z nichž některé jsou toxické [24]

Tabulka 1: Porovnání vlivů na životní prostředí při výrobě papíru z nových vláken a ze sběrového papíru [8, 9, 24].

S ohledem na efektivnost cyklu výroby papíru je opětné využití vlákna méně náročné na spotře-

A: 100% nová vlákna

B: 100% vlákna

recyklovaná

Suroviny Dřevo Starý papír Minerály (např. křída) Chemikálie (např. barviva, plnidla)

2 200 kg 100 kg 230 kg

1 100–1 300 kg 25 kg 130 kg

Voda

30 000-100 000 l

10 000-20 000 l

Spotřeba energie Ze spalování dřevěného odpadu

3-4 MWh

Ze spalování procesního odpadu Z dalších zdrojů (např.fosilní paliva)

0,5-1 MWh

0,5-1 MWh 1-2 MWh

Celkem

3,5-5 MWh

1,5-3 MWh

Znečištění vody CHSK

5-50 kg

2-10 kg

BSK

1,8-2,1 kg

1,6-2 kg

AOH

<0,5 kg

<0,5 kg

Skleníkové plyny (ekvivalenty CO2)

1 200-2 500 kg

900-1 400 kg

Částice

4-5 kg

2,5-3 kg

Oxid siřičitý

10-12 kg

9-11 kg

Emise do ovzduší

bu energie než výroba papíru z panenských vláken. Je však pravděpodobné, že součást procesu recyklace tvoří externí energetické vstupy z fosilních paliv, protože výrobní proces, který využívá panenská vlákna, využívá velké množství dřeva jako alternativního paliva. Výroba jedné tuny papíru z regenerovaných vláken spotřebuje cca 2 MWh, tj. o 40 % méně energie než výroba papíru z nových vláken /23/. To je množství energie, které průměrná evropská domácnost spotřebuje za jeden a půl měsíce 6. Při bližším pohledu na emise CO2 je průměrný potenciál úspor v porovnání s papírem, vyrobeným z nových vláken, 700 kg na tunu recyklovaného papíru. Za předpokladu, že emise průměrného automobilu na evropských silnicích jsou 160 g CO2 na jeden kilometr, k dosažení emisí stejného množství oxidu uhličitého by bylo zapotřebí ujet cca 4 400 kilometrů. ⇒ Spalování odpadního materiálu z výrobního procesu 61

IUSES — Používání energie v průmyslu Data z papírenského průmyslu v Německu ukazují, že v roce 2001 bylo pro výrobu energie použito 35 % pevného odpadu (kůry a dřevního odpadu, všechny výrobní zmetky), 18 % bylo zkompostováno nebo biologicky upraveno, 41 % bylo znovu použito jako surovina v jiných průmyslových odvětvích a pouze 6 % bylo definitivně zlikvidováno na skládkách. Spalování odpadu z výrobního procesu je stále důležitější v důsledku vysokých nákladů na fosilní paliva, přísnější environmentální legislativy a vysokým nákladům na likvidaci odpadů na skládkách /3/. Celulózopapírenský průmysl je největší producent a spotřebitel alternativních paliv jako jsou piliny, kůra a další dřevní odpad /19/. Výroba páry a elektřiny Během výroby papíru a celulózy se při některých krocích, např. při sušení papíru, používá pro ohřev pára. Pára se vyrábí při výměně tepla mezi horkými odpadními plyny (vznikajícími při spalování fosilních nebo alternativních paliv, nebo při regeneračních chemických procesech) a vodou /12/. Obrázek 23 znázorňuje základní princip výroby páry.

Obrázek 23: Zjednodušený princip výroby páry [15].

Pára pohání turbínu; energie páry se přemění na mechanickou rotační energii. Hřídel turbíny je připojená ke generátoru, který převádí mechanickou rotační energii na elektřinu. Pára, která opouští turbínu, dále slouží k ohřevu v rámci výrobního procesu. V místech použití pak pára zkondenzuje a tím předá svou energii do procesu. Kondenzát se přečerpá zpět do kotle, kde se opět se přemění na páru. Tento proces se nazývá cyklus kogenerace (kombinovaná výroba tepla a elektřiny) a je znázorněn na obrázku 24 /11/.

62

IUSES — Používání energie v průmyslu

Obrázek 24: Technologické schéma spalování odpadu pro výrobu páry a elektřiny [10].

Kal a bioplyn /7/ vznikající při čištění odpadní vody a odpady z výroby buničiny se spalují společně s kůrou, dalším dřevním odpadem a fosilními palivy /10/. Současným standardem pro odpadní vodu z papíren je její biologická úprava, a to buď přímo v zařízení nebo v městské čistírně odpadních vod. Měrné množství odpadní vody současných papíren je cca 10 – 12 litrů na 1 kg papíru /3/. Provoz kogenerační soustavy, zajišťující energetickou účinnost procesu. Kogenerace je současná výroba elektrické energie a tepla v rámci jedné integrované soustavy (kombinovaná výroba tepla a elektřiny). Pomocí odpadního tepla, které vzniká při výrobě elektřiny, se během následných procesních kroků docílí sušení nebo ohřevu. Množství odpadní energie se tím sníží a uspoří se paliva. To znamená, že celková účinnost kogeneračního procesu je vyšší v porovnání s tradiční oddělenou výrobou elektřiny a páry /29/, Účinnost (ŋ) procesu lze vypočítat jako poměr mezi výstupním výkonem soustavy (použitelný energetický výkon, tj. použitelný tepelný výkon a čistý elektrický výkon) a vstupním příkonem přivedeným do soustavy (t.j. příkon, vypočtená z výhřevnosti 8) [13]. ŋ = Puse/Pin;

Puse = využitelný výkon (tj. elektřina, teplo); Pin = příkon

Kogenerace je uznávaná klíčová technologie, která šetří energii a tím snižuje emise oxidu uhličitého. Díky kogeneračním zařízením lze dosáhnout až 25 % úspor energie /19/. Obrázek 25 znázorňuje energetickou účinnost výroby tepla a elektřiny kogenerací ve srovnání se samostatnou výrobou elektřiny pomocí parního kotle a samostatnou výrobou tepla [29].

63

IUSES — Používání energie v průmyslu

Obrázek 25: Celková účinnost kogenerace (spodní obrázek) ve srovnání se samostatnou výrobou páry a elektřiny (horní obrázek) [13, 29].

64

IUSES — Používání energie v průmyslu Při samostatné výrobě elektřiny lze přeměnit cca 31 % energie paliva na čistou elektrickou energii, zbytek přivedené energie se ztratí jako “odpadní teplo” elektrárny. Typické kotle na výrobu páry přemění 80 % energie z přivedeného paliva na použitelnou tepelnou energii. Jestliže papírna požaduje např. 30 jednotek elektřiny a 45 jednotek páry, je zapotřebí 154 jednotek paliva pro zajištění výroby. Celkovou účinnost lze vypočítat: [29] ŋ = Puse/Pin = (30+45)/154 = 0.49 ŋ = 49% Proces kogenerace používá odpadní teplo vzniklé při výrobě elektřiny a potřebuje proto méně energie. Pro přívod 30 jednotek elektřiny a 45 jednotek páry do papírny je zapotřebí pouze 100 jednotek paliva, účinnost je tudíž mnohem vyšší [29]. ŋ = Puse/Pin = (30+45)/100 = 0.75 ŋ = 75% Formování do archů na papírenském stroji Toto je poslední krok při výrobě papíru. Obrázek 26 znázorňuje základní části papírenského stroje. Skládá se z pěti hlavních částí: nátokové skříně (kam natéká papírovina a další komponeny), sítová část, lisová část, sušicí část a koncová skupina (navíječ) [3].

Obrázek 26: Princip provozu papírenského stroje[31, 2].

Na nátokovou skříň se nanese vláknitá suspenze, voda a chemikálie (plnidla, barvy). Obsah vody v suspenzi je 99 % [2]. V sítové části se pomocí různých válečků a nasávacích skříní odstraní ze suspenze voda, aby se zvýšil obsah pevných látek na 20 % [3]. V lisové části se stlačením pásu papíru mezi kovovými válci vláknitá kaše dále odvodní. Obsah pevných částí se zvýší na 50 % [3]. V sušicí části pracují párou ohřívané válce, pomocí nichž se z papíroviny odpaří zbývající voda [3]. Mezi vlákny vzniknou chemické vazby a vytvoří se konečný papírový list. [18] Obrázek 27 znázorňuje zjednodušený princip fungování sušicí části.

65

IUSES — Používání energie v průmyslu

Obrázek 27: Princip sušicí části [20].

Soustavy na rekuperaci tepla jsou nainstalovány nad sušicí částí, což zajišťuje energeticky účinný provoz papírenského stroje. Při provozu papírenského stroje se horký odpadní vzduch s obsahem páry ze sušicí části se zachycuje a opětně používá k ohřevu [2]. “Navíječ” přenáší na papírový list v případě potřeby další barvy a chemikálie. Nanese se povrchová barva a povrch papíru se uhladí [3]. Upravený papír se navine na velké válce o délce až 10 m a váze až 25 tun. [21]

y Obrázek 28: Navíječ papíru [23]

Pamatuj: Tipy na úspory papíru Nikdy nezapomínejte, že jste odpovědní za životní prostředí a planetu, na které žijeme. Používáním zdrojů a výrobků rozumným způsobem může každý přispět k lepšímu životu na zemi. ⇒ Snižte vaši spotřebu papíru • E-maily a dokumenty tiskněte pouze v nezbytném případě • Pro vytisknutí vašich dokumentů použijte obě strany listu • Nevyhazujte jednostranně potištěný list papíru, pokud ho již nepotřebujete – použijte druhou stranu na poznámky • Používejte slabý/tenký papír, kdykoli je to možné ⇒ Používejte výrobky z recyklovaného papíru ⇒ Sbírejte váš odpadní papír a odkládejte ho do sběrných kontejnerů 66

IUSES — Používání energie v průmyslu Příklad: Výpočet Papírna má spotřebu energie 2,4 MWh na tunu vyrobeného papíru. a. Jaký příkon primární energie (paliva) je zapotřebí k zajištění výrobního procesu, kdy probíhá oddělená výroba tepla a elektřiny s celkovou účinností 49 %?

b.

c.

d.

ŋ = Quse/Qin Qin = Quse /ŋ = 2,4 MWh/0,49 Qin = 4,9 MWh Jaký energetický (palivový) příkon je zapotřebí, jestliže probíhá kogenerační výroba tepla a elektřiny s účinností 75 %? ŋ = Quse/Qin Qin = Quse /ŋ = 2,4 MWh/0,75 Qin = 3,2 MWh Jestliže v případě a) i v případě b) bude veškerá elektřina vyrobena spalováním zemního plynu, kolik z ní lze ušetřit kogenerací ve srovnání s oddělenou výrobou tepla a energie? Výhřevnost zemního plynu je cca10 kWh/m³. Rozdíl mezi kogenerací a oddělenou výrobou tepla a elektřiny: 4,9 MWh – 3,2 MWh = 1,7 MWh 1 700 kWh/10 kWh/m³ = 170 m³ 170 m³ zemího plynu lze ušetřit na tunu papíru, jestliže se využije procesu kogenerace Dokončete rovnici reakce vyjadřující spalování zemního plynu CH4 + O2 à CO2 + H2O CH4 + 2O2 à CO2 + 2H2O

e.

Předpokládejme, že se zemní plyn skládá pouze z CH4, kolik gramů CO2 lze ušetřit na tunu papíru, jestliže se využije kogenerace? Spalování 1m³ CH4 způsobí emise 1 m³ CO2 do atmosféry. Molární hmotnost CO2 je 44 g/mol 1 mol = 22.414 l 1 m³ = 1,000 l/22,414 l/mol = 44,6 mol 44.6 mol/m³ * 44 g/mol = 1 962,4 g/m³ 170 m³ * 1 962,4 g/m³ = 333 608 g

Pokus: Vyrobte si vlastní papír! Z internetu: http://www.flickr.com/photos/bzedan/sets/967347/; 14.12.2008 Potřebujete: starý papír, mixér, nádobu (například na kočičí podestýlku), nějaké staré noviny, ventilátor, vodu, houbu, starou savou tkaninu (pokrývku), lepicí pásku, pletivo proti hmyzu (40x30cm), drátěné síto (40x30cm), velikost otvorů 2x2cm, multimetr Vytvořte si “plstěnec (felts)”: nastříhejte savou tkaninu na kousky o velikosti 50x40cm. 67

IUSES — Používání energie v průmyslu Zhotovte si síto: Toto je pro vás nejjednodušší a nejlacinější způsob. Oba druhy síta (pletiva) lze koupit v železářství.

Naplňte mixér do 2/3 vlažnou až teplou vodou.

Natrhejte nebo nastříhejte papír. Optimální velikost natrhaných kousků je cca 2 x 2 cm.

68

IUSES — Používání energie v průmyslu

Vložte papír do mixéru a dokonale rozmixujte (alespoň po dobu 3 minut). Můžete vypočítat množství energie potřebné k mixování: Q=P*t. P můžete změřit multimetrem. Papírovou kaši nalijte do pracovní nádoby. Smíchejte obsah 3 nádob mixéru s papírovou kaší s 1 nádobou vody. Tím se vytvoří správná konzistence, ani příliš tuhá, ani vodnatá.

69

IUSES — Používání energie v průmyslu Připravte si pracovní prostor. Vedle pracovní nádoby umístěte nějaké noviny. Na noviny položte “plstěnec” Zbytek novin a “plstěnce” si nechte při ruce.

Rukou promíchejte papírovou kaši s vodou.

70

IUSES — Používání energie v průmyslu Ponořte síto do kaše, trochu s ním zatřeste do stran, čímž se na něm kaše rovnoměně rozloží. Síto vyjměte z nádoby a stále s ním potřásejte. Pokud se nepodařilo kaši rovnoměrně rozložit, otočte síto nad nádobu a poklepejte na něj, kaše vypadne zpět.

Jakmile se kaše rozloží a vytvoří jednolitou plochu, nakloňte síto, aby odtekla přebytečná voda. Jakmile pouze odkapává, můžete začít vrstvit.

71

IUSES — Používání energie v průmyslu Toto je “ vrstvení (couching)”: Postavte síto na “plstěnec” a položte ho kaší dolů. Voda by kaši měla přidržovat u síta, aby se při pokládání nezdeformovala.

Pomocí houbičky odsajte další vodu ze síta po celé ploše, dávejte pozor na okraje.

72

IUSES — Používání energie v průmyslu Nadzvedněte síto v rohu a sejměte jej z papíru. Pokud se nedaří síto oddělit, vraťte ho zpět a pomocí houbičky navlhčete.

Přikryjte papír dalším “plstěncem”, poté přidejte noviny, další “plstěnec” a nyní může začít s výrobou dalšího listu.

73

IUSES — Používání energie v průmyslu Po vytvoření tří až pěti listů uvidíte, že vrstva kaše slábne. Je potřeba udělat další.

Při vyrábění listů se vrství další “plstěnec” a noviny. Výsledek se nazývá „sloupec“.

74

IUSES — Používání energie v průmyslu Je čas pro fázi lisování. Udělejte si prostor na podlaze, kterou lze snadno setřít , dejte na ni vytvořený sloupec a na něj položte desku.

Postavte se na ni, a pár minut zůstaňte na místě.

75

IUSES — Používání energie v průmyslu Nyní můžete odstranit papír, který odsával vodu, a nechte uschnout na dobře větraném místě, nebo můžete listy ponechat na plstěnci. MĚJTE NA PAMĚTI: plstěnec vždy odstraňujte opatrně a vždy je nutno začít v rohu. Pověste plstěnce, aby uschly, recyklujte noviny. Papír je pevný, ale buďte při jeho odstraňování z plstěnců opatrní.

Pokud papír sušíte ventilátorem, můžete vypočítat množství energie potřebné k sušení: Q=P*t. P lze změři multimetrem.

76

IUSES — Používání energie v průmyslu Odkazy [1]

The paper making process - From wood to coated paper: Sappi idea exchange; from the Internet: www.ideaexchange.sappi.com, 06.October 2008

[2]

European Commission: Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC), Reference Document on Best Available Techniques in the Pulp and Paper Industry. December 2001; from the Internet: www.bmwa.gv.at., 06.October 2008

[3]

Herbert Holik (Ed.): Handbook of paper and board; Wiley – VCH Verlag GmbH & Co, KgaA, Weinheim (Germany), 2006

[4]

Herbert Sixta (Ed.): Handbook of pulp, Volume 2, Wiley – VCH Verlag GmbH & Co, KgaA, Weinheim (Germany), 2006

[5]

Anders Thoren (Ed.) Paper in the Ecocyle, Media Express Fallköping 1995, ISBN: 91 88198-21-9

[6]

Herbert Sixta (Ed.): Handbook of pulp, Volume 1, Wiley – VCH Verlag GmbH & Co, KgaA, Weinheim (Germany), 2006

[7]

European Enviroment Agency: Paper and Cardboard – recovery or disposal? Review of life cycle assesment and cost – benefit analyses on the recovery and disposal af paper and cardboard, EEA Technical Report 5/2006; Copenhagen 2006; ISBN: 92-9167-783-3

[8]

Initiative 2000 plus; Kritischer Papierbericht 2004; Essen, 2004 from the Internet: www.unmweltdaten.de/publikationen/fpdf-k/papierb_kurz.pdf, 10.october 2008

[9]

From the Internet: http://www.infonetz-owl.de, 16.october 2008

[10] Siemens: Press release; Generating electrical power instead of disposal to landfill: Sipaper Reject Power extracts electrical energy and process heat from residues from paper production, Wiesbaden-June 27, 2006, from the Internet: www.industry.siemens.com/ press, 16.october 2008 [11] Johann Gullichsen (Ed.), Carl-Johan Fogelholm(Ed.): Chemical Pulping; Book 6B of “Papermaking Science and Technology” – a series of 19 books; published in cooperation with the Finnish Paper Engineer`s Association and TAPPI [12] Jan Sundholm (Ed.): Mechanical Pulping; Book 5 of “Papermaking Science and Technology” – a series of 19 books; published in cooperation with the Finnish Paper Engineer`s Association and TAPPI [13] EDUCOGEN – the European Educational tool on cogeneration, second edition, september 2001; from the Internet: www.cogen.org, 05. november 2008 [14] UPM Steyrermühl; Umwelterklärung 2004 – 2006 [15] From the Internet: www.Energyefficiencyasia.org, 05.november 2008 [16] From

the

Internet:

http://www.lfu.bayern.de/umweltwissen/doc/uw_49_papier.pdf, 77

IUSES — Používání energie v průmyslu 05.november 2008 [17] International Institute for Environment and Development: Towards a Sustainable paper cycle, An independent study on the sustainability of the pulp and paper industry; London, 1996; from the Internet: www.wbcsd.org/web/publications/paper-future.pdf, 05.november 2008 [18] From the Internet: http://www.edf.org, 10.november 2008 [19] From the Internet: www.paperonline.org, 10.november 2008 [20] From the Internet: www.pita.co.uk, 13.november 2008 [21] From the Internet: www.earth911.com 13.november 2008 [22] Confederation Of European Paper Industries, Environmental Report 2000; Brussels November 2000; from the Internet: www.cepi.org, 11.november 2008 [23] Jennifer Roberts (Ed.); The State of the Paper Industry, Monitoring the Indicators of Environmental Performance, A collaborative report by the Steering Committee of the Environmental Paper Network; from the Internet: www.environmentalpaper.org/ stateofthepaperindustry, 12.november 2008 [24] From the Internet: www.papercalculator.org, 12. november 2008 [25] From the Internet: www.waste-management-world.com, 14. november 2008 [26] From the Internet: www.gte.at, 14. november 2008 [27] From the Internet: www.reports.andritz.com, 28.november 2008 [28] From the Internet: www.reports.eea.europa.eu, 29.november 2008 [29] U.S. Environmental Protection Agency, Combined Heat and Power Partnership: Catalog of CHP Technologies; December 2008; from the Internet: www.epa.gov; 05.december 2008 [30] From the Internet: www.iea.org; 03.december 2008 [31] UPM – Kymmene Corporation; So entsteht Qualitätspapier; from the Internet: www.upmkymmene.com; 05.december.08 [32] Austrian Energy Agency: Technologie www.energytech.at; 08.december 2008

Portrait

Biogas;

from

the

Internet:

[33] From the Internet: www.eoearth.org; 10.december 2008 [34] From the Internet: www.stfi-packforsk.se; 11.december 2008

Tabulky Tabulka 1: Vliv výroby papíru na životní prostředí................................................................. 64 78

IUSES — Používání energie v průmyslu Obrázky Obrázek 1: Výrobky z papíru. .................................................................................................. 52 Obrázek 2: Podíl primárních zdrojů energie [22].................................................................... 53 Obrázek 3: Zjednodušený princip buněčné skladby dřeva [16]. .............................................. 56 Obrázek 4: Schéma toku energie papírny UPM ve Steyrermühl, Rakousko [14].................... 57 Obrázek 5: Roční výroba elektřiny v EU – 27 podle paliv [28]............................................... 54 Obrázek 6: Životní cyklus papíru [31]. .................................................................................... 55 Obrázek 7: Vybělená buničina [34].......................................................................................... 59 Obrázek 8: Technologické schéma výroby buničiny[31]......................................................... 59 Obrázek 9: Technologické schéma rekuperační soustavy [4]. ................................................. 60 Obrázek 10: Technologické schéma výroby TMP [31]. .......................................................... 61 Obrázek 11: Výměna tepla mezi TMP párou a vodou [12]. .................................................... 61 Obrázek 12: Výroba papíru z regenerovaných vláken [31]. .................................................... 62 Obrázek 13: Jeřáb na manipulaci s odpadem [25]. .................................................................. 63 Obrázek 14: Energetický výkon při spalování odpadu [26]..................................................... 63 Obrázek 15: Zjednodušený princip výroby páry [15]. ............................................................. 66 Obrázek 16: Technologické schéma spalování odpadu pro výrobu páry a elektřiny [10]. ...... 67 Obrázek 17: Celková účinnost kogenerace (spodní obr.) ve srovnání se samostatnou výrobou páry a elektřiny (horní obr.) [15, 35]. ................................................................................... 68 Obrázek 18: Princip provozu papírenského stroje [37, 2]........................................................ 69 Obrázek 19: Princip sušicí části [20]........................................................................................ 70 Obrázek 20: Navíječ papíru [23] .............................................................................................. 70

79

IUSES — Používání energie v průmyslu

80