MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra fyziky, chemie a odborného vzdělávání
Energetika – studijní opora pro výuku na SŠ Bakalářská práce
Brno 2013
Vedoucí práce:
Autor práce:
Mgr. Tomáš Miléř, Ph.D.
Ondřej Milo
Bibliografický záznam MILO, Ondřej. „Energetika: bakalářská práce“. Brno: Masarykova univerzita, Fakulta pedagogická, KFChO – sekce odborného vzdělávání, 2013. s. 53. Vedoucí bakalářské práce Mgr. Tomáš Miléř, Ph.D. Anotace Bakalářská práce „Energetika – studijní opora pro výuku na SŠ“ se zabývá problematikou výroby elektřiny z rozmanitých zdrojů. Poukazuje na možnost energetické krize. Popisuje výrobu a environmentální dopad. Zabývá se přenosem energie v rozvodných sítích. Měla by sloužit jako výuková opora pro učitele na středních odborných školách a středních odborných učilištích. Cílem je, aby umožnila náhled do problematiky energetiky a především jaderných zdrojů, což je aktuální téma vzhledem k evropskému závazku zavádění obnovitelných zdrojů a k plánované dostavbě jaderné elektrárny Temelín. Praktická část bakalářské práce se věnuje dotazníkovému šetření o využití výukových opor učiteli na středních školách a učilištích a studenty oboru „učitelství praktického vyučování“. Výsledky šetření byly zohledněny při tvorbě vlastní výukové opory.
Annotacion Bachelor thesis“ Energetics – study support for teaching on high school“ deals with issues of production elektricity from a variety of sources. Points to the posibility of an energy crisis. Describes the production and environmental impact. It deals with the transfer of energy grids. It should serve as an educational support for teachers in secondary schools and vocational schools. The aim is to allow insight into the energy and especially nuclear energy, which is a hot topic due to the European commitment to the implementation of renewable resources and the planned completion of the Temelin nuclear power plant. The practical part of the thesis is devoted to a questionnaire survey on the use of educational supports teachers in secondary schools and colleges and students of the "Teacher Education". The results were taken into account when creating their own educational support. Klíčová slova Vzdělávání, studijní opora, energetika, zdroje energie, elektrárny. Keywords Education, study support, energetics, energy sources, power plants.
Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval mému vedoucímu práce, panu Mgr. Tomáši Miléřovi, Ph.D za vždy přínosné informace a připomínky. Své rodině a své přítelkyni za podporu a pomoc.
Prohlášení „Prohlašuji, že jsem závěrečnou bakalářskou práci vypracoval samostatně, s využitím pouze citovaných literárních pramenů, dalších informací a zdrojů v souladu s Disciplinárním řádem pro studenty Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity a se zákonem č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů.“
V Brně dne 19.4 2012 ……………………………………… Ondřej Milo
OBSAH ÚVOD: ................................................................................................................... 7 TEORETICKÁ ČÁST ......................................................................................... 8 1.
ENERGETIKA .......................................................................................... 8
1.1
JEDNOTKY V ENERGETICE .................................................................................................. 8
1.2
ENERGETICKÁ KRIZE .......................................................................................................... 10
1.3
VYUŽÍVÁNÍ ZDROJŮ ............................................................................................................. 11
1.4
OTÁZKY KE KAPITOLE Č. 1 ................................................................................................ 12
2.
SOUČASNÉ ZDROJE ENERGIE......................................................... 13
2.1
JADERNÉ ELEKTRÁRNY ...................................................................................................... 13
2.1.1
ROZDĚLENÍ JADERNÝCH REAKTORŮ ............................................................................ 15
2.1.2
KATASTROFY A JEJICH STUPNICE .................................................................................. 20
2.1.3
JADERNÁ PALIVA .................................................................................................................. 22
2.2
UHELNÉ ELEKTRÁRNY ........................................................................................................ 22
2.2.1
ZNEČIŠTĚNÍ ............................................................................................................................. 24
2.2.2
PALIVO ...................................................................................................................................... 25
2.3
OTÁZKY KE KAPITOLE Č. 2 ................................................................................................ 25
3.
ALTERNATIVNÍ ZDROJE ENERGIÍ ................................................ 27
3.1
SOLÁRNÍ ELEKTRÁRNY ...................................................................................................... 27
3.2
VODNÍ ELEKTRÁRNY ........................................................................................................... 30
3.3
VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY ........................................................................................................ 32
3.4
OTÁZKY KE KAPITOLE Č. 3 ................................................................................................ 34
4.
ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVA ............................................................. 36
4.1
NÁZVOSLOVÍ VODIČŮ .......................................................................................................... 36
4.2
PŘENOSOVÁ A DISTRIBUČNÍ SOUSTAVA ....................................................................... 37
4.3
ROZVODNÉ SÍTĚ..................................................................................................................... 38
4.4
ČEPS, a.s. .................................................................................................................................... 43
4.5
OTÁZKY KE KAPITOLE Č. 4 ................................................................................................ 44
VÝZKUMNÁ ČÁST .......................................................................................... 45 5.
VÝUKOVÉ OPORY ............................................................................... 45
5.1
VYHODNOCENÍ ....................................................................................................................... 45
ZÁVĚR ................................................................................................................ 49 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .................................................................................................... 50
ÚVOD: Tato práce se věnuje pohledu na energetiku, její vývoj, výrobu elektřiny, palivu, rozvodným sítím a mnoha dalším aspektům patřícím do tohoto odvětví elektrotechniky. Je určena pro učitele na středních odborných školách a středních odborných učilištích pro obor elektrotechnika a příbuzné. Měla by sloužit jako výuková opora při výuce energetiky. Je vhodná především pro školy elektrotechnického typu. Cílem této práce bylo vytvořit výukovou oporu, obsahující popis principů výroby elektřiny ze současných zdrojů, popis jejich pozitivních a negativních vlivů a nástin budoucího směřování tohoto odvětví. Důležité části pro studium jsou psány tučně. Dále jde o průzkum mezi studenty oboru „Učitelství praktického vyučování“ a jejich pohled na tvorbu a využívání výukových opor. Práce je rozdělena na pět kapitol. V první kapitole se zabývám stavem současné energetiky, možností energetické krize, historií energetiky, náhledem na základní jednotky používané v tomto odvětví a na možnosti snižování dopadu výroby elektřiny na prostředí. Ve druhé kapitole se zabývám současnými zdroji energií, především jádrem a uhlím, rozdělením jaderných reaktorů, použitými palivy a environmentálními aspekty jejich provozu, hrozbami a možnostmi nového směrování. V této kapitole se hlouběji věnuji problematice spojené s jadernou energetikou, z důvodu blížící se možnosti dostavby jaderné elektrárny Temelín. V současnosti se samostatný obor Energetika vyučuje pouze v Třebíči na Střední průmyslové škole Třebíč. Proto je důležité vzdělávat i ostatní studenty elektrotechnických škol v této problematice [41]. Ve třetí kapitole se zabývám energií, kterou získáváme za pomoci vody, větru, sluneční energie. Jejich výhodnost na území České republiky a jejich problematikou. Ve čtvrté kapitole se zabývám přenosem energie v přenosových soustavách, jejich dělení a vlastnictvím, především na území České republiky. V páté kapitole porovnávám současné poznatky z oboru energetiky a jejich využití při výuce na SOU a SOŠ. Využívání různých druhů výukových opor a jejich zastoupení a tendence ve směřování. Porovnávám výsledky průzkumu mezi studenty.
7
TEORETICKÁ ČÁST 1. ENERGETIKA Elektřina neslouží člověku ještě ani 150 let a za tu dobu se zasloužila o pokrok civilizace více než kterýkoli jiný objev. Energetická politika ve světě se musí zaměřit na bezpečné a spolehlivé zásobování elektrickou energií, jež je v současné době zásadní a životně důležité pro každou vyspělou ekonomiku. Ale dosažení spolehlivého zásobování je nutné zohlednit nejen s politickými cíly, ale zejména životním prostředím, bezpečností provozu, dostupností vhodných energetických zdrojů a náklady [6]. Celá naše moderní civilizace stojí na elektřině. Je to naše základní komodita, kterou potřebujeme. Musíme ji ale vyrobit z energie ukryté v surovinách jako je uhlí, plyn, uran a další. Nemůžeme ji vyrábět jenom tak do zásoby, není technologie, která by dokázala uchovat tyto velké objemy. Vždy ji musíme vyrábět tolik, kolik jí právě potřebujeme. Můžeme ji vyrábět v mnoha typech elektráren. V ČR je největším výrobcem elektřiny ČEZ a.s., vlastní 2 jaderné elektrárny jde o JE Dukovany a JE Temelín. JE Dukovany (dále EDU) jsou první jadernou elektrárnou na území České republiky. Leží přibližně 30km od Třebíče. Její výstavba začala v roce 1978 a poslední reaktor byl uveden do provozu v roce 1987. Součástí EDU jsou 4 reaktorové bloky, jde o typ VVER 440 o výkonu 440MW, po modernizaci se výkon navýšil na současných 500MW. Během letošního roku, tj. 2013, by se mělo rozhodovat o možnosti rozšíření EDU o další blok. Uvažuje se o VVER 1000 o výkonu 1000MW [8]. Druhou jadernou elektrárnou je JE Temelín (dále ETE) v jižních Čechách. Jde o elektrárnu s největším instalovaným výkonem v České republice, jde o 2000MW. ETE má 2 reaktorové bloky typu VVER 1000 o výkonu 1000MW. V současné době se uvažuje o dostavbě dalších 2 reaktorů. V původním plánu z roku 1982 bylo navrženo, že bude ETE mít 4 bloky [8]. Tyto elektrárny splňují veškeré předpoklady pro to, aby mohli dosáhnout po prodloužení maximální životnosti 60 let. EDU patří mezi třetinu nejbezpečnějších elektráren na světě [9]. ETE, která byla dostavena v roce 2002, resp. Byl uveden do provozu první reaktor, druhý byl uveden do provozu až o rok později, je jednou z nejmodernějších a nejnovějších jaderných elektráren v Evropě [31]. 1.1 JEDNOTKY V ENERGETICE V energetice se využívá mnoho jednotek a ne vždy je jasné co znamenají. Proto je v této části popíšeme a vysvětlíme, co znamenají. 8
V energetice se používají především jednotky vyjadřující energii, elektrický výkon, napětí, proud, náboj, odpor a frekvenci a jednotky od nich odvozené a jejich násobky. Veličina
Jednotka
Značka
Energie
Joule
J
Elektronvolt
eV
Napětí
Volt
V
Proud
Ampér
A
Odpor
Ohm
Ω
Výkon
Watt
W
Frekvence
Hertz
Hz
Náboj
Coulomb
C
Tabulka 1: Jednotky[11]
Z fyziky známe definice jednotek, jako jsou ohm, watt, ampér, coulomb, volt. Z definicí joulu a elektronvoltu to, ale už tak jednoduché není. Matematické a fyzikální tabulky pro střední školy[11] definují elektronvolt jako: „Kinetická energie, kterou získá elektron při průchodu potenciálním rozdílem 1 V ve vakuu: 1 eV = 1,602177 x 10-19 J. Tento vztah souvisí s elementárním nábojem e = 1,602177 x 10-19 C.“ Joule je definován jako: práce, kterou koná síla 1 N působící po dráze 1 m. Takže to znamená, že 1 J = 1 Ws (wattsekunda). V energetice je nejčastěji udávanou jednotkou watt, jde o jednotku výkonu. Z fyzikální definice tedy: 1 watt se rovná práci 1 joule za dobu 1 sekundy nebo také práci, kterou vykonám při přesunu tělesa o tíze 1 N po dráze 1 m. Elektrický výkon se značí písmenem P a jeho jednotkou je watthodina (Wh). U obvodů střídavého proudu se výkon rozlišuje na činný, jalový, zdánlivý a deformační. Elektrické napětí je definováno jako práce vykonaná elektrickými silami při přemísťování elektrického náboje mezi dvěma body v prostoru. Značí se písmenem U a jeho jednotka je volt (V). Elektrický proud je roven celkovému množství částic elektrického náboje, které projdou průřezem vodiče za jednotku času t. Značí se písmenem I a jeho jednotka je ampér (A). Pokud se částice s nábojem pohybují jedním směrem, jde o proud stejnosměrný, pokud se mění jejich směr s časem, jde o proud střídavý. 9
Elektrický odpor se značí písmenem R a jeho jednotkou je ohm (Ω). Je to vlastnost vodiče klást odpor průchodu elektrického proudu. Frekvence se značí písmenem f a její jednotkou je Hertz (Hz). Označuje počet opakování za jednotku času. Střídavý proud má frekvenci 50 Hz. Tyto jednotky by, byly nedostačující pro práci v energetice, proto se používají jejich násobky a dělence. V následující tabulce je výčet a popis těchto násobků. Jako základní jednotku jsem použil watt, v menších jednotkách nebývá obvyklý, ale pro jasnou ukázku jsem jej využil i tady. Základní jednotka
Násobek
Základní jednotka
Dělenec
W (Watt)
1
W (Watt)
1
kW (Kilowatt)
1*103
mW (Milowatt)
1*10-3
MW (Megawatt)
1*106
µW (Mikrowatt)
1*10-6
GW (Gigawatt)
1*109
nW (Nanowatt)
1*10-9
Tabulka 2: Násobky a dělence jednotek
1.2 ENERGETICKÁ KRIZE Spotřeba energie na Zemi neustále vzrůstá, hovoří o tom všechny prognózy. Meziročně dosahuje nárůst o 1,8 %. Podle odhadů světové energetické rady (WEC) z roku 1997 se spotřeba elektřiny do roku 2020 zvýší až o 70 %. Státní energetická koncepce schválená usnesením vlády České republiky č. 211 ze dne 10. března 2004 předpokládala nárůst spotřeby mezi lety 2000 a 2005 o 7,5 %, skutečnost byla 10,5 %. Mezi lety 2000 a 2010 předpokládala nárůst o 17 %, ale už v roce 2007 bylo zřejmé, že nárůst bude 25 %. Při tomto tempu růstu spotřeby zjistíme, že pokud nezahájíme obnovu dosluhujících zdrojů energie, bude v roce 2020 nepokrytá poptávka ve výši 59-68 TWh elektřiny.
10
Graf 1: Predikce brutto spotřeby elektřiny v ČR do r. 2050 [14].
Musíme tedy začít šetřit. Z předchozího grafu, který znázorňuje předpokládaný vývoj růstu spotřeby energie do roku 2050, vyplývá, že úsporami spotřebu energie snížit nelze. Pouhými úsporami energie spotřebu ve světě nezastavíme ani nesnížíme. Skutečné snížení spotřeby energie lze dosáhnout pouze snížením životní úrovně nebo snížením počtu obyvatel na Zemi. Elektřina vyrobená v jaderných elektrárnách je pro trvale udržitelný rozvoj průmyslově rozvinuté společnosti zcela zásadní [10]. Podle studie vypracované společností McKinsey [43], by se mohlo ušetřit na vypouštění skleníkových plynů spojených s výrobou elektřiny.
1.3 VYUŽÍVÁNÍ ZDROJŮ Co se týká ekonomiky obnovitelných zdrojů, naše legislativa zaručuje provozovatelům obnovitelných zdrojů patnáctiletou návratnost investice, a tudíž jsou distribuční společnosti povinny vykupovat elektřinu za cenu, kterou určí Energetický regulační úřad (dále ERÚ). U větrných elektráren je to 2,46 Kč/kWh. Pro srovnání: elektřina z klasických zdrojů, jako jsou uhelné, či jaderné elektrárny se vykupuje za 1,3 Kč/kWh. Koeficient využití větrné elektrárny, což je procentuální podíl doby, kdy je zdroj schopen vyrábět elektřinu se v našich podmínkách pohybuje mezi 15 a 25 %[2], [10]. U jaderných elektráren je to více než 85 %[1]. Jako značná nevýhoda jaderných elektráren se jeví jejich pořizovací náklady. Ty jsou nesporně vyšší než u elektráren uhelných, téměř dvojnásobné. Jaderná elektrárna Temelín se 11
vyšplhala na sto miliard korun. Pokud bychom ale chtěli nahradit tuto elektrárnu větrnými elektrárnami o stejném výkonu, proinvestovali bychom 780 miliard korun, nehledě na to, že by se spotřebovalo šestkrát více oceli a desetkrát více betonu. V oblasti fotovoltaiky vedla záruka návratnosti ERÚ ke stanovení výkupní ceny na 13,46 Kč/kWh. Koeficient využití je v našich podmínkách 10 až 15 %. Náhrada Temelína fotovoltaikou by nás stála 7,2 bilionu korun. Podle předsedkyně ERÚ, Aleny Vitáskové bude mít rozvoj fotovoltaických elektráren z minulého roku vliv na zdražování elektřiny ještě nejméně 15 let, což je právě lhůta návratnosti investičních nákladů. Podle Vitáskové také stát musí každoročně přispívat 11, 7 mld. korun ze státního rozpočtu, jinak vzroste cena energie o 20 až 30 %. Loni dramaticky vzrostl počet slunečních elektráren, které by bez dotací zdražily elektřinu o 10 %. Dotace jsou financovány z 26 % zdanění solárních elektráren, kvůli kterému hrozí investoři státu žalobami. Česká republika se EU zavázala, že do roku 2020 bude obnovitelným zdrojům otevřen prostor, aby pokryly 13 % spotřeby elektřiny. Musí tedy obnovitelné zdroje do jisté míry podporovat. Mělo by to ale být spočítáno tak, aby neměla negativní dopad na ceny spotřebitele. Dalším poměrně značným problémem je podle předsedkyně ERÚ budoucí likvidace solárních panelů. Tu ale současná legislativa neřeší. Za deset let by další rozvoj obnovitelných zdrojů mohly umožnit nové technologie. Do té doby je však nutné se vypořádat s likvidací panelů po skončení životnosti nynějších fotovoltaických elektráren [39].
1.4 OTÁZKY KE KAPITOLE Č. 1 1) Z jakých surovin můžeme vyrobit elektřinu? 2) Kolik a jakých bloků reaktorů je v České republice v provozu? 3) Jaké jednotky se používají v energetice? Vyjmenujte alespoň 6, uveďte jejich značku a přiřaďte k nim správnou fyzikální veličinu.
12
2. SOUČASNÉ ZDROJE ENERGIE V současné době se ve světě využívá množství různých druhů energií. Spadají sem jaderná energie, energie z uhelných elektráren, energie z obnovitelných zdrojů. Všechny tyto zdroje slouží k výrobě elektřiny. Současná energetika je založena z většiny na spotřebě fosilních paliv, především uhlí. Jejich světové zásoby se zmenšují v závislosti na zvyšující se poptávce po elektřině ve světě. Spalování fosilních paliv je navíc spojeno s nepříznivým vlivem na životní prostředí. Na následujícím grafu je znázorněn podíl tepelných elektráren, spalujících fosilní paliva a ostatních elektráren v zemích OECD.
Graf 2: Struktura světové výroby elektřiny v zemích OECD za rok 2011 [13].
2.1 JADERNÉ ELEKTRÁRNY K 1. říjnu 2012 byly ve 30 státech světa podle statistik WNA (World Nuclear Association – Světová jaderná asociace) v provozu 434 jaderné reaktory s celkovou instalovanou kapacitou 372 760 MW. Celosvětově tyto reaktory vyrábějí asi 14 % světové elektřiny. Ve výstavbě je jich 64 ve 14 zemích. Plánuje se výstavba 160 reaktorů. Celkem se ve světě předběžně uvažuje o vybudování dalších 323 reaktorů, jejichž instalovaný výkon by měl dosáhnout asi 366 000 MW [12]. Co to je jaderný reaktor a jak funguje lze pochopit ze schématu zapojení, viz níže. Jaderný reaktor se skládá ze tří okruhů, z primárního okruhu, ze sekundárního okruhu a 13
chladícího okruhu. Elektřina je vyráběna tak, že se generátor pohání turbínou, na kterou je vedena pára. Pro vznik páry je zapotřebí tepla, které vzniká v jaderné elektrárně uvnitř reaktoru, za pomoci řízené reakce štěpení paliva. Jako nejčastější palivo se používá U235. Jako další využívaná paliva se používají hlavně U238 a Th232. Primární okruh: v primárním okruhu se jako chlazení využívá voda. Teplo které se vytvoří v reaktoru, se potrubím odvádí do parogenerátoru. Parogenerátor se tady používá jako tepelný výměník, ve kterém se horká voda ochlazuje a předává své teplo do sekundárního okruhu, vzniká zde pára. Sekundární okruh: pára je přes sekundární okruh vedena na turbínu, kterou roztáčí a ta pak pohání generátor elektřiny. V generátoru se pak dále mechanická energie turbíny přeměňuje na elektřinu, která se dále distribuuje do rozvodné sítě. V kondenzátoru se pára přicházející od turbíny kondenzuje zpět na vodu a vrací se do parogenerátoru. Chladící okruh: v chladícím okruhu proudící chladná voda odebírá teplo páře v kondenzátoru. Voda pokračuje do chladících věží, kde se za pomocí proudícího vzduchu ochlazuje a odpařuje. Z chladících věží pak stoupá pouze čistá nekontaminovaná vodní pára.
Obrázek 1: Schéma jaderného reaktoru [17]
Reaktor funguje za pomocí moderátoru, kterým zpravidla ve vodních reaktorech je voda. Reaktor lze řídit pomocí regulačních tyčí, které zpomalují štěpnou reakci. Pokud jsou tyče spuštěny ke dnu, není reakce spuštěna. Při zvedání regulačních tyčí ode dna nádrže s palivovými kazetami se štěpná reakce začne rozbíhat a při úplném zvednutí je proces spuštěn na 100%. V případě přehřátí primárního okruhu se spustí regulační tyče zpět na dno a 14
štěpnou reakci zastaví. V případě poruchy se spustí pasivní zabezpečení, které spustí do jádra reaktoru bezpečnostní tyče, které mají vyšší podíl absorpční složky. Regulační tyče obsahují bór nebo kadmium [37]. A ty reakci zastaví. Z tohoto popisu je naprosto zřejmé, že jakákoli kontaminace z chladících věží není možná. A jaderný reaktor je také dostatečně bezpečný i v případech závad na chladícím okruhu nebo na samotném reaktoru. 2.1.1 ROZDĚLENÍ JADERNÝCH REAKTORŮ Jaderné reaktory můžeme dělit různě, např. podle použití štěpného materiálu, moderátoru, chladiva, podle generací reaktorů a typů reaktorů. My se budeme zabývat těmi nejznámějšími reaktory, kterým se povedlo komerčně prosadit. A ukážeme si i rozdíly mezi generacemi jaderných reaktorů. Nejdříve si v tabulce č. 3 ukážeme nejznámější jaderné reaktory a stručně si popíšeme místa jejich vzniku, použité palivo a další vhodné informace. Následně si prohlédneme generace jaderných reaktorů od prototypů až po současné reaktory III. resp. III+. generace. Nakonec si popíšeme současné trendy v jaderné energetice, které vedou k jaderným reaktorům budoucí IV. generace. Dělení podle druhu reaktoru: Název reaktoru
Popis
Palivo
GGCR (Graphite Gas
Vyvinuty v UK, název MAGNOX je obchodním
Přírodní
Cooled Reactors),
názvem, je zkratkou pro MAGnesium Non
uran.
MAGNOX
OXyding, což je název materiálu, který slouží pro pokrytí palivových elementů. Jsou to grafitové reaktory chlazené oxidem uhličitým.
AGR (Advanced
Vyvinuty v UK, jsou zdokonalenou verzí reaktorů
Přírodní
Graphite Reactors)
typu MAGNOX.
uran.
RBMK (Reaktor Bolšoj
Vyvinuty v SSSR, jsou to grafitové reaktory
Mírně
Mošnosti Kanalnyj),
chlazené vroucí vodou. Byly použity
obohacený
SGGR (Steam
v Černobylské elektrárně.
uran.
Vyvinuty v Kanadě, odtud je jejich obchodní
Přírodní
Generating Graphite Reactors) PHWR (Pressurized
15
Heavy Water Reactors),
název CANDU, který znamená CANadian
CANDU
Deuterium Uranium. Jde o těžkovodní reaktory
uran.
chlazené tlakovou těžkou vodou. VVER (Vodo-Vodjanyje
Vyvinuty v Rusku jako VVER a v USA jako
Mírně
Energetičeskije
PWR firmou Westinghouse, podílela se na
obohacený
Reaktory), PWR
dostavbě elektrárny Temelín. Jde o tlakovodní
uran.
(Pressurized Water
reaktory, používají obyčejnou tlakovou vodu.
Reactors)
Použity v jaderných elektrárnách Temelín (VVER 1000) a Dukovany (VVER 440).
BWR (Boiling Water
Vyvinuty v USA. Jsou chlazeny vařící vodou, jde
Mírně
Reactors)
o lehkovodní reaktory.
obohacený uran.
SGHWR (Steam
Varný těžkovodní reaktor.
Mírně
Generating Heavy Water
obohacený
Reactors)
uran.
HTGR (High
Experimentální, vyvinut v USA, UK a Německu.
Vysoce
Temperature Graphite
Vysokoteplotní reaktor
obohacený
Reactors) FBR (Fast Breeder
uran. Rychlý množivý reaktor.
Reactors)
Thorium, plutonium, uran.
Tabulka 3: Rozdělení reaktorů [1]
Dělení podle generace reaktoru: Reaktory generace I se stavěly hlavně v padesátých a šedesátých letech. Velice často se jednalo o kusové prototypově stavěné reaktory. V podstatě se ověřovalo, zda je možné používat jaderné reaktory k výrobě elektřiny. Dnes už funguje jenom jeden. Jejich konstrukce se kontinuálně měnila a jen velmi málo jich je stejných. Řada z nich fungovala až do počátku tohoto tisíciletí. A poslední, postavený v roce 1971, byl v provozu ještě do roku 2012 v elektrárně Wylfa (ve Velké Británii) šlo o reaktor 2, reaktor 1 bude v provozu do roku 2014.
16
Většina reaktorů dodávajících elektrickou energii v současnosti jsou reaktory generace II. Navazovaly na zkušenosti s úspěšnými modely generace I. Elektrárny se stavěly v sériích, i když každá byla jednotlivě projektována a konstruována. Využívaly stejné principy a projekty na sebe navazovaly. Největší počet z nich jsou lehkovodní tlakové reaktory, které tvoří více než
polovinu pracujících komerčních reaktorů. Paří mezi ně i reaktory VVER-440 a VVER-1000, které jsou využívány v EDU a ETE. Druhými nejčastěji využívanými reaktory jsou lehkovodní varné reaktory. Kanada pak svoji jadernou energetiku postavila na těžkovodních reaktorech typu CANDU. Velká Británie vyvinula na základě zkušeností s reaktory Magnox grafitové reaktory AGR. V Rusku se kromě lehkovodních reaktorů typu VVER stavěly i reaktory typu RBMK. Tohoto typu byl i reaktor v jaderné elektrárně Černobylu [24]. Vlastnosti reaktorů III. generace
Ve většině případů reaktory fungují spolehlivě a jsou ekonomicky výhodným zdrojem elektřiny. Aby se zabránilo jakýmkoliv možnostem havárie ohrožující zdraví lidí a zlepšila spolehlivost i ekonomika provozu elektráren, bylo potřeba navrhnout a připravit reaktory nové generace. Tyto reaktory vycházejí z úspěšných modelů reaktorů generace II, ale mají lepší bezpečnostní i užitkové vlastnosti. Jde o standardizované typy, což zjednodušuje povolovací řízení při výstavbě elektrárny a celkově snižuje náklady a čas výstavby. Jednodušší a robustnější konstrukce umožňuje zjednodušení provozu a větší odolnost proti lidským chybám. Lepší užitné vlastnosti a delší životnost – standardní by měla být šedesát let. Velmi silně redukovaná možnost nehod s roztavením jádra. Minimální vliv na životní prostředí. Zmenšení spotřeby uranu i objemu radioaktivního odpadu umožňuje vysoké vyhoření paliva. Z bezpečnostního hlediska je nejdůležitější důraz na pasivní bezpečnostní prvky. Řešení nestandardních či krizových situací probíhá automaticky na základě přírodních zákonitostí a nepotřebuje elektrický či mechanický zásah operátora či kontrolního systému. Je založeno na gravitaci, přirozeném proudění, odolnosti proti tlaku či teplotám. Kontejnment a celková konstrukce budov zajišťuje odolnost proti pádu letadla a dalším vnějším vlivům, jako jsou třeba zemětřesení nebo hurikány. Generace III je úzce propojená s generací III+ a je možné tyto generace spojit. K čisté generaci III lze zařadit tři typy reaktorů. V Kanadě se pokračovalo ve vylepšování reaktoru využívajícího těžkou vodu modelem CANDU-6. Deset těchto reaktorů spolehlivě funguje, kromě Kanady například v Jižní Koreji, 17
Číně nebo Rumunsku. Vylepšená verze tohoto modelu, jejíž vývoj se v posledních letech dokončil, se už řadí mezi reaktory třetí generace. Má výkon 750 MWe, prodlouženou životnost na 60 let, zlepšené bezpečnostní vlastnosti, jednodušší ovládání a spolehlivější provoz. Systém 80+ jsou tlakové lehkovodní reaktory firmy ABB-CE. Jeho výhodou je to, že může jako palivo využívat i plutonium, což umožňuje spalování zbraňového plutonia. Tento typ upravila pro své potřeby Jižní Korea. Firma Westinghouse vyvinula lehkovodní tlakový reaktor střední velikosti AP600. Tato relativně malé zařízení s elektrickým výkonem 600 MWe zatím nebylo objednáno a firma se soustředila na větší reaktor generace III+ AP1000. Jako generace III+ se označují reaktory, které mají vylepšené prvky pasivní bezpečnosti tak, že se v případě nestandardní situace reaktor dostane do bezpečného stavu automaticky bez pomoci aktivních částí. Zároveň dochází k dalším vylepšením jejich vlastností. V různém stupni rozpracovanosti je několik projektů tohoto typu reaktorů. V Evropské Unii se staví dvě zařízení, která už patří ke generaci III+. Prvním je třetí reaktor finské elektrárny Olkiluoto, který už je ve značném stupni rozestavěnosti a měl být dokončen v roce 2009, ale kvůli komplikacím během stavby se předpokládá, že bude zapojen nejdříve v roce 2015. Stavba čtvrtého bloku této elektrárny je ve schvalovacím řízení a stále je ještě otevřená otázka, který typ reaktoru bude vybrán. Druhé takové zařízení se začalo budovat v roce 2007 jako třetí blok jaderné elektrárny Flamanville ve Francii. Jak ve Finsku, tak ve Francii se jedná o reaktor typu EPR (European Pressurised water Reaktor) s výkonem mezi 1600 až 1750 MWe. Pro finskou elektrárnu byl stanoven výkon 1600MW. Reaktor byl vyvinut firmou Areva NP ve spolupráci Francie a Německa. Měl by být schopen využívat palivo obsahující plutonium z přepracovaného vyhořelého paliva. V Rusku se vyvíjí nový typ lehkovodního tlakového reaktoru na základě posledních osvědčených modelů VVER-1000. Tyto model VVER-1000 se staví v současnosti v Číně a Indii. Typ VVER-1200 by měl splňovat parametry reaktoru třetí generace s velmi dobrými pasivními bezpečnostními prvky. Reaktor by měl mít dvojitý kontajnment a kromě jiného i zvýšenou odolnost proti zemětřesení a pádu letadla. Poprvé by se měl uplatnit při stavbě jaderných elektráren Novovoroněž II s plánovaným spuštěním v letech 2012-13 a Leningrad II se spuštěním v letech 2013-2014.
18
Tlakový lehkovodní reaktor je i projekt firmy Westinghouse. Jedná se o typ AP1000, který vychází z modelu AP600. Jedná se reaktor s elektrickým výkonem 1117 MWe. Jsou zde splněny všechny požadavky na pasivní bezpečnost pro reaktory generace III+. Přirozená cirkulace, gravitace, konvekce jsou využívány, aby se v případě nestandardní situace reaktor udržel v bezpečném režimu a vypnul automaticky bez zásahu operátora. Dalšími bezpečnostními prvky jsou i velice pevný kontajnment a systém jeho chlazení. Ještě větší tlakový lehkovodní reaktor vyvíjejí společně firmy Westinghouse a Mitsubishi. Typ má označení APWR (Advanced Pressurized Water Reactor) a elektrický výkon 1500 MWe [25]. Požadavky na reaktory generace IV
Nová generace reaktorů by měla umožnit ještě intenzivnější využití jaderné energetiky a zajistit ekologickým způsobem dostatek energie. Tomu jsou pochopitelně podřízeny požadavky na ně. Ty se vztahují nejen na samotný reaktor, ale i na zařízení pro transformaci tepelné energie na elektrickou a všechny podpůrné provozy, například pro recyklaci vyhořelého paliva. Prioritou je pochopitelně bezpečnost jaderného reaktoru a celé jaderné energetiky. Velmi důležitým kriteriem je ekonomika provozu jaderných elektráren a jejich konkurenceschopnost s ostatními zdroji energie. Do této oblasti patří i životnost a možná doba provozování jaderného reaktoru. Každé zvýšení doby provozování zvyšuje i ekonomickou výhodnost. Pro dlouhodobé provozování jaderné energetiky je důležité zajistit pro reaktory dostatek paliva. Pokud ji chceme využívat déle než jedno století, je třeba zajistit i systémy, které jsou schopny kromě U235 využívat i U238 a Th232. Tedy rychlé reaktory. Ty jsou v konfiguraci množivého reaktoru schopny zajistit palivo pro využívání jaderné energetiky v řádu tisíciletí. Na opačné straně palivového cyklu je důležité zajistit co nejmenší objem jaderného odpadu. Důležitou vlastností je také práce při velmi vysoké teplotě, která umožní co nejefektivnější výrobu elektřiny i velice efektivní produkci vodíku pro předpokládané budoucí vodíkové hospodářství a jeho široké využití v průmyslu a dopravě. Ta je dána výběrem chladícího media [29].
19
Obrázek 2: Generace v jaderné energetice [24]
2.1.2 KATASTROFY A JEJICH STUPNICE Mezi nejznámější jaderné katastrofy patří v Ukrajinském Černobylu v roce 1986 a zatím poslední v Japonské Fukušimě v roce 2011. Mezi méně známé patří například nehoda v Jaslovských Bohunicích na Slovensku v roce 1977. Na následujícím obrázku je znázorněno hodnocení nehod v jaderných elektrárnách. Dále je budeme definovat a přidáme známý případ nehody odpovídající danému stupni.
20
Obrázek 3: Mezinárodní stupnice jaderných událostí [26]
Popis toho co jednotlivé stupně znamenají:
Odchylka – Bez bezpečnostního významu pro zaměstnance a okolní obyvatele.
Anomálie – Rozdíl oproti schválenému pracovnímu režimu.
Nehoda – Významné rozšíření kontaminace uvnitř zařízení, nadměrné ozáření zaměstnance, jde o významné poškození bezpečnostních opatření.
Vážná nehoda – Velmi malý únik do okolí na úrovni zlomků povolených limitů. Velké rozšíření kontaminace uvnitř zařízení, akutní účinky na zdraví zaměstnanců. Téměř bez bezpečnostních bariér, takřka na úrovni havárie.
Havárie bez vážnějšího vlivu na okolí – Menší únik v povolených mezích. Významně poškozeny aktivní zóny uvnitř reaktoru, radiačních bariér, smrtelné ozáření pro zaměstnance elektrárny.
Havárie s rizikem vlivu na okolí – Omezený únik, pravděpodobně částečné nasazení plánovaných protiopatření, vážné poškození aktivní zóny reaktoru.
Těžká havárie – Závažný únik do okolí, pravděpodobné nasazení veškerých plánovaných protiopatření k ochraně a zabránění dalšího šíření.
Velmi těžká havárie – Rozsáhlý únik v okolí, široce rozšířené dopady na zdraví zaměstnanců, obyvatel a životní prostředí. Na úrovni států. [3].
21
Název na stupnici
Příklad havárie
0 – Odchylka
Bez záznamu
1 – Anomálie
Bez záznamu
2 – Nehoda
Mihama elektrárna, Japonsko (2. 9. 1991)
3 – Vážná nehoda
Vandellòs elektrárna, Španělsko (19. 10. 1989), Fukušimská elektrárna II, Japonsko (12. 3. – 15. 3. 2011)
4 – Havárie bez
Saint Laurent elektrárna, Francie (17. 10. 1969 a 13. 3. 1980),
vážnějšího vlivu na okolí
Jaslovské Bohunice elektrárna, ČSR (22. 2. 1977)
5 – Havárie s rizikem
Three Mile Island elektrárna, USA (28. 3. 1979), Windscale Pile
vlivu na okolí
komplex, UK (10. 10. 1957)
6 – Těžká havárie
Kyštymský přepracovatelský závod, SSSR (29. 9. 1957)
7 – Velmi těžká havárie
Černobylská elektrárna, Ukrajina (26. 4. 1986), Fukušimská elektrárna I, Japonsko (12. 4. 2011)
Tabulka 4: Stupnice havárií a známé příklady [26], [27], [28]
2.1.3 JADERNÁ PALIVA Jaderná paliva jsou nejdůležitější složkou pro výrobu jaderné energie. Existují pouze tři izotopy štěpitelné jak pomalými tak rychlými neutrony. Jsou to U233, U235 a Pu239, jsou to štěpné materiály. Pouze U235 se vyskytuje v přírodě ve formě kovu, zbývající dva lze vyrobit uměle. Za pomoci ozařování Th232 lze vyrobit U233 a ozařováním U238 lze vyrobit Pu239. Pro ozařování se využívají neutrony. Proto se Th232 a U238 nazývají plodící materiály. Palivem současných jaderných reaktorů je buď přírodní, nebo mírně obohacený uran (směs štěpného a plodícího materiálu), [1]. 2.2 UHELNÉ ELEKTRÁRNY
V současné době se ve světě z uhlí vyrábí více než 44 % veškeré spotřebovávané elektrické energie, v Evropě přibližně jedna třetina. V České republice se uhelné elektrárny Skupiny ČEZ podílejí na výrobě elektrické energie přibližně polovinou. Předpokladem jejich dalšího rozvoje je schopnost držet krok s vědeckotechnickým pokrokem, zejména v oblasti zvyšování energetické účinnosti. Využití českých uhelných elektráren v příštích letech umožní jak očekávaný růst poptávky po elektřině v České republice a příznivý vývoj české ekonomiky, tak dobrá pozice Skupiny ČEZ na evropském trhu s elektrickou energií. [15]. 22
Jak funguje tepelná elektrárna, vysvětlím za pomoci obrázku č. 4, viz níže. Tepelná elektrárna se podobně jako jaderná elektrárna skládá z několika okruhů. Elektřina je vyráběna na rozdíl od jaderné elektrárny spalováním uhlí v kotli. Turbína, na kterou je vedena pára, pohání generátor a ten produkuje elektrickou energii. Pro vznik páry je zapotřebí tepla, které vzniká v tepelné elektrárně uvnitř kotle v ohništi spalováním uhlí. Pro spalování se využívá různé uhlí. Dělí podle výhřevnosti, která odpovídá geologickému stáří uhlí. Nejstarší uhlí je černé uhlí a má největší výhřevnost, dále pokračuje hnědé uhlí a jako nejmladší a s nejnižší výhřevností lignity. Černé uhlí
18 – 30 MJ/kg
Hnědé uhlí
7 – 22 MJ/kg
Lignit
<17 MJ/kg
Tabulka 5: Výhřevnost uhelného paliva [23]
Pásový dopravník plynule dopraví uhlí ze skládky uhlí do zásobníku uhlí. Zásobník sype uhlí do mlecího zařízení, kde se uhlí rozemele na prášek, větší hrubé kusy uhlí se přes třídič vrátí a pomelou se znovu. Je to určitý druh uzavřeného okruhu, který nedovolí, aby se do spalovacího systému dostali větší kusy. Ventilátory stlačují vzduch a ženou ho do ohniště, co by katalyzátor i jako nosič uhelného prachu skrz hořáky do ohniště, kde se uhlí spaluje. Hořáky zajišťují stabilní a včasné zapálení směsi. Dále je princip takřka shodný s jadernou elektrárnou. V parním kotli se palivo „vstřikuje“ a za pomoci chemické reakce se uvolňuje tepelná energie z uhlí a z parního generátoru se uvolňuje pára. Přehřátá pára je vedena na turbínu, kterou roztáčí a ta pohání generátor elektřiny. V generátoru se dále mechanická energie turbíny přeměňuje na elektřinu, která se distribuuje do rozvodné sítě. V kondenzátoru se pára přicházející od turbíny kondenzuje zpět na vodu a vrací se do parního generátoru. V chladícím okruhu proudící chladná voda odebírá teplo páře v kondenzátoru. Voda pokračuje do chladících věží, kde se za pomocí proudícího vzduchu ochlazuje a odpařuje. Z chladících věží pak stoupá čistá vodní pára. Voda zkondenzovaná v chladicích věžích se vrací zpátky do okruhu přes chladící čerpadlo. U tepelných elektráren je potřeba velkého množství vody. 23
Z výsypky sloužící pro krátkodobé ukládání odpadu se spaliny vedou do elektrostatického odlučovače kde je popílek sbírán a poté padá do výsypky. Zbytek vyčištěných spalin jde přes odsiřovače a filtry do komína a do ovzduší. Popílek a další odpadní produkty jako struska jsou odplavovány technologickou vodou do úložiště popílku.
Obrázek 4: Schéma uhelné elektrárny [18]
Jak je z tohoto popisu funkce zřejmé, tepelné elektrárny na rozdíl od jaderných mají přímý podíl na znečišťování ovzduší a zhoršení životních podmínek v jejich okolí. 2.2.1 ZNEČIŠTĚNÍ Tepelné elektrárny používají pro výrobu energie především černé uhlí, při jeho spalování se uvolňuje množství spalin ve formě SO2, CO2, popílku a dalších sloučenin a stopového množství dalších prvků. Pro ekologický dopad výroby elektřiny na životní prostředí se zavedla opatření snižující tuto zátěž. Jde především o odsiřovací zařízení, které snižuje množství SO2 v kouřových plynech. Pak jde o proces odpopelňování a odběr popílku. Pokud jde o odpopelňování, tak část nespalitelných zbytků prachu se speče do podoby strusky, ale většinu unáší horký vzduch z kotle pryč. Popílek se za pomoci proudění vzduchu dostane do odlučovače, který je umístěn v proudu spalin, kde jsou usazovací elektrody. Tyto 24
elektrody jsou napájeny stejnosměrným proudem o vysokém napětí. Těmito elektrodami jsou prachové částice nabity kladným nábojem a následně jsou sbírány elektrodami se záporným nábojem. Popílek pak míří do výsypek. Tato metoda je velmi účinná, účinnost se pohybuje kolem 99,8%[7]. Další součástí je odsiřovací zařízení. Odsíření kouřových plynů není nutnou součástí elektráren, nicméně jí bývá, aby se zabránilo vysokým dopadům na životní prostředí. V 90. letech společnost ČEZ na území ČR provedla obrovský program „vyčištění“ uhelných zdrojů. Podle ČEZu to byl největší nejrozsáhlejší a nejrychlejší ekologický rozvojový program v Evropě. V letech 1992-1998 bylo v uhelných elektrárnách společnosti instalováno 28 odsiřovacích jednotek a 7 fluidních kotlů, rekonstruovali se odlučovače popílku a řídicí systémy elektráren. Tento program stál cca 111mld. korun. „Díky uskutečnění programu odsíření se podařilo oproti úrovni na počátku 90. let snížit emise SO2o 92 %, pevných částic popílku o 95 %, emise oxidů dusíku o 50 % a oxidu uhelnatého o 77 %.“ [15] Kouřové plyny odchází z kotlů přes odlučovače do odsiřovací jednotky. Uvnitř prochází několika stupňovou sprchou, kterou je rozstřikována vápencová suspenze. Při jejich styku dochází k chemickým reakcím mezi SO2 a dalšími plyny a vápencem. Zde také zůstává zbytek popílku, který nebyl odstraněn při procesu odpopelnění. Výsledkem odsiřovacího procesu je čistý síran vápenatý (energosádrovec), který má využití ve stavebnictví [7]. 2.2.2 PALIVO Pro provoz tepelných elektráren se využívá uhlí, ropa a její deriváty, biomasa. Většina uhelných elektráren spaluje hnědé uhlí, černé uhlí je spíše v menšině. Hnědé uhlí má oproti černému menší výhřevnost, viz tabulka č. 5. Elektrárny jsou stavěny především v blízkosti zdrojů paliv. V případě uhlí se může dopravovat buď pásovou dopravou z dolů, nebo dopravou za pomoci železnice a vodní cesty. Každá elektrárna má svoji rezervní skládku uhlí pro případ výpadku v dopravě. Palivo putuje do zásobníků, za pomocí podavačů pak směřuje do sušících šachet, pak do mlýnů kde se mele na jemný prach [7]. 2.3 OTÁZKY KE KAPITOLE Č. 2 1) Jaké je přibližné složení světové výroby elektřiny? 2) Popište výrobní proces elektřiny v jaderné elektrárně. 3) Jaké palivo využívají jaderné elektrárny? 4) Vyjmenujte alespoň dva druhy reaktorů a stručně je popište. 5) Jaké požadavky jsou kladeny na reaktory čtvrté generace? 25
6) Popište výrobní proces elektřiny v uhelné elektrárně. 7) Jaké palivo využívají uhelné elektrárny? 8) Jaké jsou environmentální dopady uhelné elektrárny? 9) Znáte nějaké elektrárny v České republice?
26
3. ALTERNATIVNÍ ZDROJE ENERGIÍ V současnosti mají v energetickém mixu své místo jak špičkové zdroje energie, které jsou nezbytné, tak zdroje obnovitelné, které jsou možnou alternativou klasických zdrojů, které však přináší skutečnosti, jejichž užitečnost a šetrnost k okolnímu prostředí je často velmi sporná. Jako špičkový zdroj energie chápeme zdroj určený k vykrývání zvýšené spotřeby elektřiny v čase ranních a večerních energetických špiček [16]. Jaká je definice alternativního obnovitelného zdroje? Můžeme si ji definovat jako: přírodní zdroje, které mají schopnost se postupem času částečně nebo úplně obnovovat. Základní princip všech elektráren je stejný ze vstupní energie vyrábět elektřinu. 3.1 SOLÁRNÍ ELEKTRÁRNY Přímé využití energie slunečního záření patří z hlediska ochrany životního prostředí k nejčistším a nejšetrnějším způsobům výroby elektřiny. Jde o energetický zdroj, kterého je a dlouho bude v přírodě dostatek. V současné době však lze získat z jednoho metru aktivní plochy maximálně pouze 110 kWh elektrické energie za rok. Ve srovnání s ostatními zdroji energie je u nás výroba elektřiny s využitím slunečních energetických (fotovoltaických) systémů stále ještě příliš drahá. [16]. Sluneční výkon 40 bilionkrát přesahuje teoretickou spotřebu lidstva. Dnes však z něj dokážeme využít pouze část. Z celkového dopadajícího záření 180 tisíc terawattů se asi čtvrtina odráží zpět do kosmického prostoru, necelá pětina je pohlcena v atmosféře a téměř polovina se přemění v teplo na povrchu Země. Asi půl promile (90 terawattů) se mění přes fotosyntézu zelených rostlin a fytoplanktonu v chemickou energii uloženou v biomase. [16]. Nám nejbližší hvězda naše Slunce je obrovským a z lidského pohledu nevyčerpatelným zdrojem energie. V jeho středě probíhají termonukleární reakce. Během termonukleární fůze jader atomů těžkého vodíku se uvolňuje obrovské množství energie. Energii ze slunce můžeme využívat v podstatě dvěma způsoby. Nepřímými a přímými [4]. Nepřímé formy využití sluneční energie:
Energie vodních toků
Energie fosilních paliv
Energie biomasy
Energie pohybu vzdušných mas
Energie vln
Přímé formy využití sluneční energie: 27
Fotoelektrická konverze
Fotochemická konverze
Fototermální konverze
Fotoelektrická konverze přímo přeměňuje kinetickou energii fotonů na elektřinu. Typickým příkladem jsou fotovoltaické články. Fotochemická konverze je přeměnou slunečního záření na chemickou energii. Nejznámější formou je fotosyntéza. Fototermální konverze je přímá přeměna sluneční energie na energii tepelnou. Typickým příkladem je sluneční kolektor [4].
Obrázek 5: Schéma fotovoltaické elektrárny [19]
Princip funkce fotovoltaického článku: Při vniku energetické částice světla (fotonu) do fotovoltaického článku se vytvoří kladný a záporný náboj. Záporné náboje prochází přechodem PN na křemík N a kladné náboje na P. Oběma nábojům je cesta zpět přes bariéru přechodu PN znemožněna. Tím se získává průtok nábojů, který vytváří elektrický proud. Připojením kontaktů a svodů na horní a dolní stranu destičky se vytvoří obvod, který umožní návrat proudu na horní povrch přes vnější zátěž. Na zvýšení výkonu mají fotovoltaické články vlastní dielektrickou vrstvu a antireflexní povrch. Z modelových výpočtů vyplývá, že je možné dosáhnout účinnosti 30 %, při normální intenzitě záření [4]. Z následujícího obrázku č. 6 je zřejmé, že sluneční intenzita v Evropě není rovnoměrná a proto není vždy výhodné používat fotovoltaické články jako zdroje elektřiny. Po překonání vzdálenosti 1AU (střední vzdálenost mezi Zemí a Sluncem) se sluneční záření dostane na hranici atmosféry, kde se 30 % odrazí zpět do vesmíru, 23 % se absorbuje a zbývajících 47 % dopadne na povrch země. Přesto je i toto záření rozptýleno nerovnoměrně po planetě. 28
Největší intenzita slunečního svitu je na rovníku a následně se s rostoucím úhlem sklonu planety snižuje.
Obrázek 6: Intenzita slunečního svitu v Evropě [34]
Přesto Evropská Unie (dále EU) zavedla povinnost, aby státy EU plnily limity stanovené na množství elektřiny získané ze Slunce. Pro Českou republiku jsou nejvýhodnější, tj. s největší sluneční intenzitou, oblasti na jihu Moravy. Nejpodstatnější nevýhodou fotovoltaiky je však cena vyrobené (resp. vykupované) elektřiny (13,46 kč/kWh), která je nejvyšší ze všech obnovitelných zdrojů v našich podmínkách. Ta je způsobena především extrémně náročným procesem výroby fotovoltaických panelů. Výroba elektřiny pomocí slunečních článků je dokonce označena jako nejdražší cesta k omezení produkce oxidu uhličitého [5].
29
3.2 VODNÍ ELEKTRÁRNY Vodní proud byl užíván již v době kamenné, zprvu ovšem jen k dopravě. Pokácený a osekaný kmen stromu se na místo určení po vodě dopravil mnohem snadněji a dřív než po souši. Vodní kolo v různých podobách znaly zřejmě všechny civilizace Starého světa mimo Ameriku. Energie vody k pohonu kola, která se využívala k nejrůznějším potřebám, např. pili, buchary, dmychadla, mlýny atd. V 19. století se objevují přehrady a s nimi i dokonalejší a účinnější vodní motory - turbíny. Princip turbíny byl znám dříve a využíván především k čerpání vody. Rozmach však nastal až na přelomu 19. a 20. století spolu s využitím tří základních typů turbín - Peltonovy, Francisovy a Kaplanovy. Peltonova turbína je rovno tlaková turbína. Voda proudí na obvod rotoru pomocí trysek. Turbína využívá kinetickou energii vody, která vytéká na lopatky lžičkového tvaru. Každá z lopatek se postaví proti směru toku vody a tak otočí její směr. Peltonova turbína je nejefektivnější v případě vysokého tlaku přívodní vody, proto si našla praktické využití v elektrárnách s vysokým spádem s průměrným množstvím vody. Užívá se vertikální uložení.
Obrázek 7: Peltonova turbína [40]
Francisova turbína je to přetlaková turbína. Má dvě varianty uložení hřídele a to vertikální nebo horizontální. Tato turbína je přetlaková, což znamená, že pracovní kapalina mění tlak během cesty strojem. Při tom odevzdává svou energii. Pro udržení toku vody jsou nutné rozváděcí lopatky. Voda prochází přes pevné kolo s nastavitelnými lopatkami. Dále je usměrňována na protichůdně tvarované lopatky oběžného kola. Tam je voda vytékající ze vstupní části turbíny pod vyšším tlakem než na vstupu turbíny. 30
Francisova turbína si našla uplatnění ve vodních elektrárnách, kde voda neteče pod velkým tlakem. Používá se především u přečerpávacích elektráren. Je použita např. v elektrárně Dlouhé stráně
Obrázek 8: Francisova turbína [40]
Kaplanova turbína je přetlaková turbína s možností regulace. Turbínu vynalezl brněnský profesor Viktor Kaplan. Od Francisovy se liší nižším počtem lopatek, tvarem oběžného kola a možností regulace náklonu lopatek u oběžného i rozváděcího kola. Turbína s generátorem tvoří jeden celek. Tato turbína je vhodná pro velké vodní díla. Má vyšší účinnost než Francisova turbína, ale je výrazně složitější a dražší.
Obrázek 9: Kaplanova turbína [40]
31
Obrázek 10: Schéma vodní elektrárny [20]
Hydroelektrárnám zůstala také dodnes důležitá úloha při vykrývání spotřeby energie ve špičkách. A jestliže tepelné elektrárny fakticky musí běžet pořád, vodní lze nejen zastavit, ale pomocí přečerpávacích elektráren (spouštěných v době přebytku proudu) i "nabít", aby mohly podávat maximální výkon, právě když je to třeba. I když v České republice nejsou přírodní poměry pro budování velkých vodních děl ideální, hrají v rámci obnovitelných zdrojů vodní elektrárny zásadní roli. Toky v České republice nemají potřebný spád ani dostatečné množství vody. Proto je podíl výroby elektrické energie ve vodních elektrárnách na celkové výrobě v České republice poměrně nízký. Posláním vodních elektráren je však sloužit jako doplňkový zdroj výroby elektrické energie a využívat především své schopnosti rychlého najetí na velký výkon a tedy operativního vyrovnání okamžité energetické bilance v elektrizační soustavě [30]. 3.3 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY Na území ČR se větrná energie využívala v minulosti ve větrných mlýnech. Historicky je postavení prvního větrného mlýna na území Čech, Moravy a Slezska doloženo již v roce 1277 v zahradě Strahovského kláštera v Praze. Jaderná energetika je tedy ve srovnání s větrnou skutečným batoletem. První větné elektrárny vznikaly koncem 80. let minulého století. První fáze boomu jejich výstavby proběhla v letech 1990-1995, další oživení přišlo na začátku nového tisíciletí. V 32
současné době větrné elektrárny pracují zhruba na stovce lokalit v ČR, jejich nominální výkon se pohybuje od malých výkonů (300 W) pro soukromé využití až po 3 MW u velkých jednotek. Mezi výrobce patří především dodavatelé z Dánska a Německa [42]. Jak vlastně funguje větrná elektrárna? Působením aerodynamických sil na listy rotoru převádí větrná turbína umístěná na stožáru energii větru na rotační energii mechanickou. Ta je poté prostřednictvím generátoru zdrojem elektrické energie (na podobném principu pracuje klasická, vodní či jaderná elektrárna). Podél rotorových listů vznikají aerodynamické síly; listy proto musejí mít speciálně tvarovaný profil, velmi podobný profilu křídel letadla. Se vzrůstající rychlostí vzdušného proudu rostou vztlakové síly s druhou mocninou rychlosti větru a energie vyprodukovaná generátorem s třetí mocninou. Je proto třeba zajistit efektivní a rychle pracující regulaci výkonu rotoru tak, aby se zabránilo mechanickému a elektrickému přetížení věrné elektrárny. Obsluha větrné elektrárny je automatická [42].
Obrázek 11: Schéma větrné elektrárny (Zdroj KEA Olomouc)
Až na výjimky leží vhodné lokality v horských pohraničních pásmech Krušných hor a Jeseníků, popř. v oblasti Českomoravské vrchoviny. Podle předběžných odhadů by bylo možné v Krušných horách postavit 320 až 340 větrných elektráren o jednotkovém výkonu 1,2 33
až 2 MW. Při racionálním využití větrného potenciálu, který je v České republice k dispozici, by se zde mohlo vyrábět 6 TWh ročně, což je spotřeba více než 4 milionů lidí.
Obrázek 12: Větrná mapa České republiky [33]
Velmi často diskutovaným problémem je vliv větrných elektráren na okolní životní prostředí. Přestože při výrobě energie větrné elektrárny neemitují žádné škodlivé látky, jisté negativní vlivy se projevují. V první řadě se jedná o zvuk, který větrné elektrárny vydávají. Je to jednak zvuk slyšitelný, který vydávají kapotované části, či vzdušné víry tvořící se za listem vrtule, zejména však infrazvuk, což je zvuk o nízké frekvenci, pod 20 Hz, pro lidské ucho neslyšitelný. Vibrace ve vnitřním uchu, způsobené infrazvukem, přímo ovlivňují činnost mozku a navozují pocit úzkosti, strachu, hněvu, podrážděnosti a deprese. Řadu obtíží mohou vyvolávat také optické efekty pravidelně se točících listů vrtule. Častými potížemi osob žijících v bezprostřední blízkosti těchto elektráren jsou migrény, zvýšený počet epileptických záchvatů, závratě, nauzea [42]. 3.4 OTÁZKY KE KAPITOLE Č. 3 1) Vyjmenujte přímé a nepřímé využití sluneční energie. 2) Jaký je princip funkce fotovoltaického článku? 3) Je v České republice nějaké místo, které je nejvhodnější pro sluneční elektrárny? A pokud ano tak proč? 34
4) Co jsou turbíny a kdy se začaly objevovat? 5) Vyjmenujte alespoň dvě turbíny a jednu z nich popište. 6) Kdy vznikaly první větrné elektrárny? 7) Kde je v České republice nejvhodnější lokalita pro stavbu větrných elektráren?
35
4. ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVA Podle Vlčka, T. a Černocha, F. v jejich Energetickém sektoru České republiky, je elektrizační soustava definována jako: „vzájemně propojený soubor zařízení pro výrobu, přenos, transformaci a distribuci elektřiny, včetně elektrických přípojek a přímých vedení, a systémů měřící, ochranné, řídící, zabezpečovací, informační a telekomunikační techniky“. Dále rozdělují celou soustavu na části. Jde o elektrické výrobny, elektrické stanice, elektrické sítě a elektrická vedení. Celý proces rozvodu elektřiny začíná výrobou. Výroba elektřiny probíhá v elektrárnách. Dle způsobu získávání elektřiny rozlišujeme elektrárny vodní, větrné, tepelné, jaderné, solární atd. Elektřina se pak rozvádí přenosovou soustavou k odběratelům. Elektrické stanice jsou zařízení v uzlech elektrizační soustavy, které umožňují transformaci. Elektrické sítě jsou souborem propojených elektrických stanic. Jsou také vedením pro přenos a rozvod elektřiny. Dělí se na přenosové soustavy a distribuční soustavy [10]. 4.1 NÁZVOSLOVÍ VODIČŮ Vodiče jsou součástí elektrických rozvodů. Nemá-li docházet k jejich záměně, je důležité, aby byly jednotně nazývány i označovány. Rozlišujeme:
Pracovní vodič - vodič proudové soustavy, který slouží k vedení proudu při provozu zařízení.
Pracovní vodiče jsou: fázové a nulové u střídavých sítí, krajní a střední u stejnosměrných sítí.
Střední vodič - vodič připojený na uzel zdroje, bez ohledu, zda je spojen se zemí či nikoliv, u stejnosměrných sítí.
Nulový vodič - vodič připojen na nulový bod zdroje, bez ohledu, zda je spojen se zemí či nikoliv, u střídavých sítí.
Ochranný vodič - úmyslně vedený vodič pro spojení částí neživých za účelem ochrany před nebezpečným dotykovým napětím bez ohledu na to, zda je současně vodičem pracovním či nikoliv.
Vodič PEN - spojující funkci nulového a ochranného vodiče.
Náhodný ochranný vodič - vodič vytvořený souvislými částmi splňujícími podmínky ochranného vodiče a použitý pro ochranu před nebezpečným dotykem.
36
4.2 PŘENOSOVÁ A DISTRIBUČNÍ SOUSTAVA Přenosová a distribuční síť není nic jiného než rozvod vodičů od výrobny elektřiny (tj. elektrárny) přes trafostanice až ke spotřebiči, resp. spotřebiteli. V začátcích průmyslového využívání elektřiny nebylo rozvodných ani přenosových soustav zapotřebí. Elektřina byla zpravidla vyráběna lokálně pro vlastní spotřebu. Rozvodné systémy začaly vznikat v prvním desetiletí minulého století společně s prvními veřejnými elektrárnami. Hlavní impuls k výstavbě elektrizační soustavy, dal v roce 1919 Zákon o soustavné elektrizaci státu. Funkci vznikající přenosové soustavy velmi dobře charakterizovala propagační brožura vydaná v roce 1924 Zemským úřadem na zvelebování živností v Brně: „Úkolem soustavné elektrizace jest vybudovati na území československého státu uzavřený řetězec velkoelektráren, zřízený na pramenech přírodní energie, to jest jednak na dolech, jednak na velkých vodních silách tak, aby umožňovaly, pracujíce do společné sítě, hospodárný rozvod elektřiny v potřebném množství v celém státě.“ Páteřní přenosová síť byla dokončena v 80. letech minulého století. V současnosti ji tvoří hlavně vedení 400 kV. Trasy 220 kV, jejichž výstavba byla ukončena počátkem 70. let, dnes plní převážně úlohu záložních a doplňkových vedení. K přenosové soustavě patří 41 rozvoden se 71 transformátory pro obě základní napěťové hladiny. Historicky nejstarší soustavy 110 kV postupně v 70. letech převzaly úlohu distribučních sítí. Elektroenergetická přenosová soustava 400 a 220 kV, často nazývaná „páteřní“, slouží k rozvedení výkonu z velkých elektráren do celého území České republiky a zároveň je součástí mezinárodního propojení Evropy. Napájí elektřinou distribuční soustavy, které ji rozvádějí až ke spotřebitelům. Přeshraničními vedeními je přenosová soustava ČR napojena na soustavy všech sousedních států, a tím synchronně spolupracuje s celou elektroenergetickou soustavou kontinentální Evropy. Důležitým aspektem přenosové soustavy je velikost napětí. K přenosu elektřiny na velké vzdálenosti se využívá velmi vysokého napětí z důvodu snížení přenosových ztrát, které vznikají průchodem elektrického proudu. Z Ohmova zákona lze odvodit, že zvyšováním napětí se snižuje protékající proud a tedy i tyto ztráty. V České republice je nejvyšší použitá napěťová hladina rovna 400 kV, v zahraničí se setkáme i s hladinou 1000 kV (Rusko, Čína), [32].
37
Přenosová soustava Je to soubor propojených vedení a zařízení 400kV, 220kV a některých 110kV. Slouží k zajištění přenosu elektřiny po celé České republice, také k propojení s elektrizačními soustavami okolních států. A součástí jsou systémy měřící, ochranné, řídící, zabezpečovací, informační a telekomunikační. Jejím vlastníkem je státní společnost ČEPS, a.s. (viz podkapitola 4.4.). Distribuční soustava Přenosová soustava je oddělena od distribuční soustavy trafostanice. Jejich úkolem je přeměnit velmi vysoké napětí (VVN) na nižní napětí, obecně na nízké napětí (NN) za pomoci transformace. Slouží k rozvodu elektřiny od zdrojů ke spotřebičům. Napětí, jimiž se elektřina rozvádí, jsou 110kV, 22kV a 0,4kV, rozdělují se od sebe transformovnami, kde se napětí mění [10]. Distribuční soustavy v České republice jsou provozovány třemi společnostmi. Jde o ČEZ Distribuce, dceřinou společnost ČEZ, a.s., pak E.ON Distribuce, která je dceřinou společností E.ON Czech Holding VwGmbH, a o PREdistribuce a.s., která je dceřinou společností Pražské energetiky a.s. Tyto tři společnosti jsou nazývány regionální provozovatelé distribučních sítí[10]. Napětí soustavy
Přenášený výkon
230/400 V
3,55 kW
22 kV
10,76 MW
110 kV
268,9 MW
220 kV
1 075 MW
400 kV
3 555 MW
Tabulka 6: Přenost výkonu v elektrických sítích [10]
4.3 ROZVODNÉ SÍTĚ Rozvodná síť je součástí elektrické soustavy, přenáší elektrickou energii. Každý druh rozvodné sítě má své specifické písmenné značení. Pro každé písmeno je definován popis funkce v síti. Díky tomu poznáme, o jakou síť se jedná i složení jejích vodičů. Toto značení také udává, způsob provedení uzemnění sítě.
38
ROZVODNÉ SÍTĚ STŘÍDAVÉ SÍTĚ
STEJNOSMĚRNÉ SÍTĚ
TN
TN
TN - S
TN - S
TN - C
TN - C
TN – C – S
TN – C – S
TT
TT
IT
IT
Tabulka 7: Grafické znázornění rozdělení rozvodných sítí
Význam označení druhů sítí:
První písmeno
T - terre (z francouzštiny) - uzemnění určitého bodu obvodu pracovního proudu, zpravidla uzlu resp. nulového bodu.
I - insultation (z angličtiny) - izolace všech živých vodičů vůči zemi nebo spojení bodu sítě se zemí přes velkou impedanci 5.
Druhé písmeno
N - nutre (z francouzštiny), neutral (z angličtiny) - bezprostřední spojení neživých částí s uzemňovacím bodem sítě pomocí ochranného vodiče. 39
T - terre (z francouzštiny) - uzemnění neživých částí nezávisle na možném uzemnění určitého bodu sítě.
Třetí písmeno
C - kombiné (z francouzštiny), combined (z angličtiny) - kombinace středního vodiče s ochranným vodičem.
S - separé (z francouzštiny), separated (z angličtiny) - oddělení středního vodiče od ochranného vodiče. [36].
Druh sítě
Popis funkce
TN-S
Uzemnění sítě TN-S je provedeno tak, že ochranný vodič je veden zcela samostatně. Střední vodič je taktéž oddělen a veden samostatně. Veškeré neživé části připojených elektrickým zařízení jsou spojeny s ochranným vodičem. Tento typ sítě se v současnosti buduje ve všech nově stavěných objektech.
TN-C
V síti TN-C je funkce ochranného a středního vodiče sloučena, do tzv. PEN vodiče. Neživé části elektrických zařízení připojených do obvodu jsou spojeny s tímto sloučeným vodičem.
TN-C-S
Jedná se o kombinaci sítě TN – S a TN – C. V části sítě je funkce ochranného a středního vodiče zastoupena jedním společním vodičem. V určitém úseku se tento společný vodič rozdělí na dva samostatné vodiče. Jeden je veden jako střední a druhý jako ochranný vodič. 40
TT
U sítě TT je provedeno tzv. pracovní uzemnění, to znamená, že v jednom bodě je uzemněn. Elektrická zařízení připojená do tohoto druhu sítě mají vlastní uzemnění, mluví se o ochranném uzemnění. Jde o vlastní přímé a nezávislé propojení se zemí.
IT
Síť IT má všechny své části zcela izolovány od země. V některých případech se můžeme setkat s jedním uzlem, který je přímo spojený se zemí přes velkou impedanci. Neživé části všech elektrických zařízení jsou uzemněny zvlášť nebo skupinově.
Tabulka 8: Rozdělení druhů rozvodných sítí
Příklady zapojení sítí:
Obrázek 13: Příklad zapojení sítě TN-C [38]
41
Obrázek 14: Příklad zapojení sítě TN-S [38]
Obrázek 15: Příklad zapojení sítě TN-C-S [38]
Obrázek 16: Příklad zapojení sítě TT [38]
42
Napětí (kV)
Druh napětí
Typ provedení
400
Velmi vysoké napětí
Přenosové
220
(VVN) Přenosové / distribuční
110 35
Vysoké napětí (VN)
Distribuční
25
Distribuční (železniční)
22
Distribuční
15
Distribuční (železniční)
10
Distribuční
6,3
Distribuční (místní,
6
průmyslové)
5,25 3
Distribuční (železniční,
1,5
místní, průmyslové)
0,95
Nízké napětí (NN)
Distribuční (místní, průmyslové)
0,69 0,5
Distribuční (místní)
0,4 0,23
Tabulka 9: Elektrická vedení v ČR [10]
4.4 ČEPS, a.s. Akciová společnost ČEPS působí na území České republiky jako výhradní provozovatel přenosové soustavy (elektrická vedení 400 kV a 220 KV) na základě licence na přenos elektřiny, udělené Energetickým regulačním úřadem podle Energetického zákona. Udržuje, obnovuje a rozvíjí 39 rozvoden s 68 transformátory převádějícími elektrickou energii z přenosové do distribuční soustavy a trasy vedení o délce 2979 km s napěťovou hladinou 400 kV a 1371 km s napěťovou hladinou 220 kV. Společnost ČEPS je začleněna do evropských struktur. V rámci elektrizační soustavy České republiky poskytuje ČEPS přenosové služby a služby spojené se zajištěním rovnováhy mezi výrobou a spotřebou elektrické energie v reálném čase (systémové služby). 43
ČEPS dále zajišťuje přeshraniční přenosy pro export, import a tranzit elektrické energie. Společnost se také dlouhodobě aktivně podílí na formování liberalizovaného trhu s elektřinou v ČR i v Evropě [35]. ČEPS vznikla v roce 1998 vydělením Divize přenosová soustava ze společnosti ČEZ, a.s., zároveň je držitelem výhradní licence na přenos elektřiny na území České republiky. Od 29. 9. 2009 je majoritním akcionářem Ministerstvo průmyslu a obchodu s podílem 85 % akcií a zbylých 15 % akcií patří Ministerstvu práce a sociálních věcí [10]. 4.5 OTÁZKY KE KAPITOLE Č. 4 1) Definujte elektrizační soustavu? 2) Vyjmenujte a popište pracovní vodiče. 3) Jaký je rozdíl mezi přenosovou a distribuční sítí? 4) Definujte jednu rozvodnou síť a nakreslete příklad jejího zapojení. 5) Co je ČEPS, a.s.?
44
VÝZKUMNÁ ČÁST 5. VÝUKOVÉ OPORY Ve výzkumné části své bakalářské práce jsem se rozhodl věnovat tvorbě výukových opor, především výukových opor pro elektroenergetiku. Jde mi o to porovnat znalosti učitelů z praxe a jejich zkušenosti, a vědomosti a přípravu studentů oboru „Učitelství praktického vyučování“. Do svého výzkumu jsem zahrnul posluchače 1., 2. a 3. ročníku toho oboru, dále studenty kombinované formy tohoto studia. A oslovil jsem střední školy technického zaměření ze Zlínského kraje, resp. bývalého okresu Uherské Hradiště. Jmenovitě jsem kontaktoval: Střední školu průmyslovou, hotelovou a zdravotnickou Uherské Hradiště, Střední odborné učiliště Uherský Brod, Střední průmyslová škola a Obchodní akademie Uherský Brod, Střední škola MESIT, o.p.s., Střední škola – Centrum odborné přípravy technické Uherský Brod.
5.1
VYHODNOCENÍ Výzkumný dotazník zodpovědělo 48 respondentů z oslovených studentů Masarykovy univerzity a učitelů na výše zmíněných školách. V dotazníku jsem zjišťoval především, délku času, za kterou si je schopen učitel, resp. student vytvořit výukovou oporu. Dále jak často ji doplňuje a odkud čerpá informace. Dále jaký typ výukové opory používá a také jestli mají alespoň minimální znalosti z energetiky. Výsledky jsou takovéto: 1. Pohlaví
26 mužů což je 54%
22 žen což je 46%
2. Student nebo učitel (v případě, byl dotazovaný učitelem, který studoval je brán jako učitel)
11 učitelů což je 23%
37 studentů což je 77%
3. Na jakém stupni školy pracujete, resp. na jakém budete pracovat
Na ZŠ pracuje 1 učitel, což je 9% učitelů. Student, který chce v budoucnu studovat na ZŠ je 1, což představuje 1% studentů.
45
Na SŠ pracuje 10 učitelů, což je 91% učitelů. Studentů, kteří chtějí pracovat na SŠ je 34, což je 92% dotazovaných. Tento výsledek je očekávaný, neboť se výzkum týkal především budoucích učitelů na SŠ.
Na VŠ nepracuje žádný učitel. Ze studentů by chtěli pracovat na VŠ 2, což je 5% dotazovaných.
4. Jaká je Vaše aprobace, resp. Jaká bude vaše aprobace
Z dotazovaných učitelů mělo 8 (73%) aprobaci technického směru a 3 (27%) jinou.
U studentů se pro technickou vyslovilo 10 (27%), pro jinou 19 (51%) a zbývajících 8 (22%) učitelství praktického vyučování. Tento výsledek je ovlivněn především tím, že studenti oboru „Učitelství praktického vyučování“ jsou jak technického typu, tak služeb a zbývající uvedli jako aprobaci název svého studijního oboru.
5. Jaká je délka Vaší praxe, resp. v jakém ročníku studujete
Největší podíl učitelů má praxi v rozmezí 1-5 let jde o 6 (55%), pak následuje 1 (9%) s praxí 6-10 let, 3 (27%) s praxí 10-15 let a 1 (9%) s praxí delší než 15 let.
Mezi studenty se výzkumu účastnilo 5 (13%) studentů 1. ročníku, 11 (30%) studentů 2. ročníku a 21 (57%) studentů 3. ročníku.
6. Jak dlouho Vám trvalo si vytvořit výukovou oporu, resp. Jak dlouho si myslíte, že by vám trvalo vytvořit si vlastní výukovou oporu
Učitelé odpovídali nejčastěji dny, 4 (36%), a týdny, 5 (46%), dále také neustále a podle rozsahu, oba 1 (9%).
Studenti vyjadřovali podobně jako učitelé a nejčastější časový úsek udávali dny a týdny, oba 17 (46%). Někteří si určili určité datum, 2 (5%), a před každou hodinou, 1 (3%).
7. Jaký typ výukové opory využíváte, resp. jaký typ výukové opory byste využívali
Pokud jde o učitele, ti využívají učebnice, studijní texty a prezentace.
Pokud jde, ale o studenty, tak ti jednoznačně chtějí využívat prezentace, 27 (73%) z nich se proto vyslovilo, pro učebnici se vyslovil 1 (3%) a pro jiné formy se vyslovilo 9 (24%) studentů.
8. Jak často doplňujete, resp. byste doplňovali informace do výukové opory 46
Učitelé doplňují především podle aktuálnosti.
Studenti by doplňovali různě, není žádný konkrétní časový údaj, který by studenti preferovali. Nicméně se snaží mít nějaký časový rámec od týdně, měsíčně, čtvrtletně, pololetně a ročně.
9. Odkud čerpáte informace pro výukovou oporu, resp. byste čerpali
Učitelé se vyjádřili pro odbornou literaturu, 10 (91%), a pro časopis a internet, 1 (9%).
Studenti se spíše odklonili od trendu učitelů a nejvíce věří internetu, 20 (54%), pak následuje odborná literatura, 12 (32%), a nakonec konference, ze kterých by čerpalo 5 (14%) studentů. Tady je jasný posun od psané literatury k informacím sdíleným na internetu.
10. Vlastní poznámky ke tvorbě výukových opor
Učitelé se často sami sebe ptají, jestli to dělali účelně, jestli to mělo nějaký smysl. Uvádí také časovou náročnost.
Studenti většinou na tuto otázku neodpovídali, a pokud odpověděli, jejich odpověď byla většinou: nemám žádné poznámky nebo nevím. Je to nejspíše dáno tím, že nemají dostatečnou praxi v tvorbě těchto opor.
11. Dokážete popsat princip elektráren
Z dotazovaných znali princip tepelné elektrárny 33 (69%), princip jaderné elektrárny 28 (58%), větrnou 37 (77%), sluneční 34 (71%) a vodní 36 (75%). Z toho vyplývá, že většina studentů i učitelů má dostatečné znalosti pro výuku předmětů spojených s energetikou.
12. Znáte elektrárny v České republice
Všichni dotazovaní odpověděli na tuto otázku kladně (kromě jedné, ta odbornou část přeskočila). Je tedy vidět, že lidé jsou alespoň základně informovaní. Nejčastěji uváděli jaderné elektrárny ETE a EDU. Dále vodní elektrárnu Dlouhé stráně a další elektrárny jako Prunéřov, Slapy, Orlík, Tušimice.
13. Znáte jednotky výkonu v elektrárnách
Z celkového množství dotázaných polovina znala, 24 (50%), velká část odpověď neznala, 23 (48%) a jeden neodpověděl (2%).
47
Z výsledků je zřejmé, že mladí studenti se přiklání mnohem více k elektronické formě vzdělávání. Ať už jde o formu výukové opory, kde většina plánuje používat prezentace, či jde o zdroj informací, který se také posunuje do oblasti internetu. Studenti si nejsou jistí tím, jak často mají pracovat s výukovou oporou a doplňovat ji či aktualizovat je to dáno, jejich nezkušeností a minimální praxí.
48
ZÁVĚR Tato bakalářská práce se snaží poskytnout náhled na současnou situaci v energetice, seznamuje nás se základními principy výroby elektřiny. Poukazuje na klady i zápory ve výrobě elektřiny. Po prostudování bychom měli být schopni zvážit klady a zápory těchto zdrojů a to jsou cíle této práce, které jsou, jak doufám splněny. Spotřeba elektřiny v České republice i ve světě stoupá a je třeba zvolit co nejvhodnější řešení pro budoucnost. Alternativní zdroje jako jsou voda, vítr či sluneční záření jsou zdroji doplňkovými a nemohou vyřešit problematiku stále se zvyšující spotřeby. Je nutné vědět, že obnovitelné zdroje nevyrábí elektřinu zdarma, ale že mají velmi vysoké pořizovací náklady a relativně krátkou životnost. Vyřešením tohoto problému by mohlo být vyšší využití jaderné energie, které by přineslo i mnohem nižší environmentální zatížení. Bohužel v současné době panuje velký vliv médií, která ovlivňují veřejné mínění i v oblasti energetiky a společnost díky nim není nakloněna tomuto vývoji. Je tedy důležité, aby společnost měla dostatek informací k tomu se samostatně rozhodnout. A věřím, že tato výuková opora by mohla být přínosnou v této problematice. Především učitelům na technických středních školách. Například Střední škole průmyslové, hotelové a zdravotnické Uherské Hradiště, Střednímu odbornému učilišti Uherský Brod, Střední průmyslové škole a Obchodní akademii Uherský Brod, Střední škole MESIT, o.p.s., Střední škole – Centru odborné přípravy technické Uherský Brod. Především v době kdy se má rozhodovat o dostavbě bloků v ETE a EDU. V závěru práce jsem se rozhodl rozdíly mezi studenty a učiteli z praxe a jejich přístup k výukovým oporám. Učitelé jsou spíše konzervativní ve využívání nových technologií a drží se knih a fyzických předmětů, při výuce. Naopak studenti vidí možnost v použití technologií, ať už jde o opory ve formě prezentací, či zdrojům informací z internetu.
49
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY Knižní zdroje: [1]
KLIK, F. DALIBA, J. Jaderná energetika. ČVUT Praha, Praha: Fakulta strojní. 189s. 2002. ISBN 80-01-02550-0
[2]
MACKAY, D. Obnovitelné zdroje energie – s chladnou hlavou. TU Košice, Košice: Fakulta elektrotechniky a informatiky. 383s. 2010. ISBN 978-80-553-0417-5 (elektronická verze)
[3]
INES. Mezinárodní stupnice hodnocení závažnosti jaderných událostí, Uživatelská příručka. SÚJB, 85s. 2001. (elektronická verze)
[4]
RYBÁR, P. TAUŠ, P. RYBÁR, R. Alternatívne zdroje energie I., Slnečná energia. TU Košice, Košice: Fakulta banictva, ekologie, riadenia a geotechnológií. 81s. 2001. ISBN 80-89066-16-X
[5]
MURTINGER, K. BERANOVSKÝ, J. TOMEŠ, M. Fotovoltaika. Elektřina ze slunce. ERA, Brno. 81s. 2008. ISBN 978-80-7366-133-5
[6]
SOVADINA, M., DUFKOVÁ, M., Co se děje v palivu. Energie bez kouře. 1998, roč. 1, č. 2,
[7]
ČEZ. Uhelná elektrárna. Praha: ČEZ, 1997, 19s.
[8]
ČEZ. Provoz jaderných elektráren ČEZ, a.s. v roce 2008. Praha: ČEZ, 2008. 25s. (elektronická verze)
[9]
Státní úřad pro jadernou bezpečnost. Zpráva o výsledcích činnosti SÚJB při výkonu státního dozoru nad jadernou bezpečností jaderných zařízení a radiační ochranou za rok 2005. Praha: SÚJB, 2006 (elektronická verze)
[10]
VLČEK, T., ČERNOCH, F. Energetický sektor České republiky. 1. vyd. Brno: Masarykova univerzita, 2012, 501 s. ISBN 978-80-210-5982-5. 50
[11]
MIKULČÁK, J. a kol. Matematické, fyzikální a chemické tabulky & vzorce pro střední školy. 1. vyd. Praha: Prometheus, 2003, 278 s. ISBN 80-7196-264-3
Internetové zdroje: [12]
Jaderná energetika ve světě [online]. 2012 [cit. 2012-10-10]. Skupina ČEZ. Dostupné z <WWW: http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/jaderna-energetika/je-vesvete.html>
[13]
Energetika ve světě [online]. 2012 [cit. 2012-10-10]. Skupina ČEZ. Dostupné z <WWW: http://www.cez.cz/cs/pro-media/cisla-a-statistiky/energetika-ve-svete.html>
[14]
Energetika v ČR [online]. 2012 [cit. 2012-10-10]. Skupina ČEZ. Dostupné z <WWW: http://www.cez.cz/cs/pro-media/cisla-a-statistiky/energetika-v-cr.html>
[15]
Informace o uhelných elektrárnách [online]. 2012 [cit. 2012-11-03]. Skupina ČEZ. Dostupné z <WWW: http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/uhelneelektrarny/informace-o-uhelne-energetice.html>
[16]
Využití sluneční energie [online]. 2012 [cit. 2012-11-03]. Skupina ČEZ. Dostupné z <WWW: http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/obnovitelne-zdroje/slunce/informaceo-slunecni-energetice.html>
[17]
Exkluzivní fotoreportáž z modernizace jaderné elektrárny Temelín [online]. 2012 [cit. 2012-11-16]. Technet. Dostupné z <WWW: http://technet.idnes.cz/exkluzivnifotoreportaz-z-modernizace-jaderne-elektrarny-temelin-1fb/tec_reportaze.aspx?c=A070827_101055_tec_reportaze_rja>
[18]
Výroba elektrické energie [online]. 2012 [cit. 2012-11-16]. energyWeb. Dostupné z <WWW:http://www.energyweb.cz/web/index.php?display_page=2&subitem=1&ee_c hapter=2.5.3>
[19]
Návrhy systému, schémata [online]. 2012 [cit. 2012-11-16]. SEZ Zlín. Dostupné z <WWW: http://www.sez-zlin.cz/fotovoltaika.htm>
[20]
Vodní elektrárna [online]. 2012 [cit. 2012-11-16]. energyWeb. Dostupné z <WWW: http://www.energyweb.cz/web/index.php?display_page=2&subitem=2&slovnik_page =vodni_el.html>
[21]
Energie větru [online]. 2012 [cit. 2012-11-16]. KEA Olomouc. Dostupné z <WWW: http://www.kea-olomouc.cz/index.php?ca=zdroje&ar=05>
[22]
Jaderný reaktor [online]. 2012 [cit. 2012-11-17]. Skupina ČEZ. Dostupné z <WWW: http://www.cez.cz/edee/content/microsites/nuklearni/k35.htm#model> 51
[23]
Rozdělení [online]. 2012 [cit. 2012-12-7]. Jana Růžičková. Dostupné z <WWW: http://tezba-a-vyuziti-cerneho-uhli.webnode.cz/uhli/rozdeleni/>
[24]
Generace v jaderné energetice [online]. 2013 [cit. 2013-1-29]. Osel. Dostupné z<WWW: http://www.osel.cz/popisek.php?popisek=8870&img=1209887023.jpg>
[25]
WAGNER, V., Reaktory III. Generace [online]. 2013 [cit. 2013-1-29]. Osel. Dostupné z<WWW: http://www.osel.cz/index.php?clanek=3531>
[26]
Mezinárodní stupnice jaderných událostí [online]. 2013 [cit. 2013-1-30]. Wikipedia. Dostupné z <WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Mezin%C3%A1rodn%C3%AD_stupnice_jadern%C3%B Dch_ud%C3%A1lost%C3%AD>
[27]
Největší jaderné havárie na světě [online]. 2013 [cit. 2013-1-30]. Aktualne. Dostupné z <WWW: http://aktualne.centrum.cz/grafika/2011/04/12/nejvetsi-jaderne-havarie-nasvete/>
[28]
MAAE pravděpodobně přiřadí situaci na Fukušimě stupeň 4 podle INES – „lokální havárie“ [online]. 2011 [cit. 2013-1-30]. Atominfo. Dostupné z <WWW: http://atominfo.cz/2011/03/maae-pravdepodobne-priradi-situaci-na-fukusime-stupen4-podle-ines-lokalni-havarie/>
[29]
WAGNER, V., Reaktory IV. generace [online]. 2013 [cit. 2013-1-31]. Osel. Dostupné z<WWW: http://www.osel.cz/index.php?clanek=3568>
[30]
Aktivity a strategie Skupiny ČEZ [online]. 2013 [cit. 2013-4-1]. Skupina ČEZ. Dostupné z <WWW: http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/uhelneelektrarny/strategie-a-aktivity-cez-v-oblasti-ue.html>
[31]
Nuclear database WNA [online]. 2013 [cit. 2013-4-1]. WNA. Dostupné z <WWW: http://worldnuclear.org/NuclearDatabase/rdresults.aspx?id=27569&UserSearchID=3630>
[32]
ČEPS, a.s. [online]. 2013 [cit. 2013-4-1]. ČEPS. Dostupné z <WWW: http://www.ceps.cz/CZE/O-spolecnosti/Stranky/Default.aspx>
[33]
Větrná mapa [online]. 2013 [cit. 2013-4-1]. Akademie věd ČR. Dostupné z <WWW: http://www.ufa.cas.cz/imgs/DLouka/vetrna_mapa.gif>
[34]
Mapa slunečního svitu v Evropě [online]. 2013 [cit. 2013-4-1]. EU. Dostupné z <WWW:
52
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eu_cmsaf_opt/PVGIS_EU_201204_presentation .png> [35]
Technická infrastruktura [online]. 2013 [cit. 2013-4-1]. ČEPS. Dostupné z <WWW: http://www.ceps.cz/CZE/Cinnosti/Technicka-infrastruktura/Stranky/default.aspx>
[36]
Druhy rozvodných sítí [online]. 2013 [cit. 2013-4-1]. VŠB TUO. Dostupné z < WWW: http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/Bakalarske/prednasky/pred_ZEP/siteF.pdf >
[37]
Regulační tyče [online]. 2013 [cit. 2013-4-14]. ČEZ. Dostupné z <WWW: http://www.cez.cz/edee/content/file/static/encyklopedie/vykladovy-slovnikenergetiky/hesla/regul_tyce.html>
[38]
Přepěťové ochrany Minia v běžně používaných sítích nízkého napětí [online]. 2013 [cit. 2013-4-14]. OEZ. Dostupné z <WWW: http://www.oez.cz/modraplaneta/prepetove-ochrany-minia-v-bezne-pouzivanych-sitich-nizkeho>
[39]
Solární elektrárny zdraží elektřinu na příštích 15 let, soudí šéfka ERÚ [online]. středa 31. srpna 2011, [cit. 2012-4-15]. Dostupné z <WWW: http://www.novinky.cz/ekonomika /243303-solarni-elektrarny-zdrazi-elektrinu-napristich-15-let-soudi-sefka-eru.html?ref=boxE>
[40]
Vodné koleso [online]. 2013 [cit. 2013-4-15]. Heuréka. Dostupné z <WWW: http://www.gjar-po.sk/heureka/ucastnici/snezienky_z_kosic/vodne_koleso.htm>
[41]
Střední průmyslová škola Třebíč [online]. 2013 [cit. 2013-4-16]. SPŠT. Dostupné z <WWW: http://www.spst.cz/cze/>
[42]
Větrné elektrárny [online]. 2013 [cit. 2013-4-16]. Dostupné z <WWW: http://www.alternativní-zdroje.cz/>
[43]
Náklady a potenciál snižování emisí skleníkových plynů v České Republice[online]. 2013 [cit. 2013-4-16]. McKinsey.Dostupné z <WWW: http://www.mckinsey.com/locations/prague/work/probonoccreport/Report_czech_vers ion.pdf>
53
54
