Energie Slunce. Typy slunečních kolektorů. Zhodnocení účinnosti teplovodních solárních kolektorů

OBSAH: Energie Slunce Typy slunečních kolektorů Zhodnocení účinnosti teplovodních solárních kolektorů Fotovoltaika Biomasa - využití obnovitelných zdrojů energie Biotechnologie řas a sinic Řasová biomasa Bioplyn - možnosti využití v ČR Energie vodních toků Krajina, voda, energie Stabilita energetických systémů nebo chaos

Registr.č.: 07/002/3310a/231/001457

Energie Slunce Zpracováno s použitím materiálů Envi s. r. o., Dukelská 145, Třeboň V solární technice přichází veškerá využitelná energie ze Slunce. Množství sluneční energie, která každoročně dopadne na povrch Země je 5000 krát větší, než veškerá potřeba světové energie, proto se vyplácí podle možností hledat, jak vyřešit alespoň část našich energetických problémů s použitím této nadměrné nabídky. Sluneční energie dopadá na Zemi ve značně zředěné formě. Na hranici zemské atmosféry je to 1350W na čtvereční metr = tzv. sluneční konstanta. Při průniku zemskou atmosférou se část této energie odrazí a pohltí, takže na povrch Země dopadne maximálně 1000W na čtvereční metr ve formě přímého a difúzního záření. Difúzní složka vzniká rozptylem přímého světla na oblacích a nečistotách v ovzduší a odrazem od terénu, difúzní složka slunečního záření mimo jiné způsobuje, že se nebe zdá modré. Mimo malé energetické hustoty se sluneční záření vyznačuje též značnou časovou a oblastní nerovnoměrností. V letním půlroce dopadne na zem přibližně 75% z celoročního globálního záření, navíc jsou velké rozdíly v závislosti na geografické poloze, dokonce i v rámci samotné České republiky jsou určité rozdíly mezi jednotlivými regiony. Průměrný počet hodin solárního svitu (bez oblačnosti) se v ČR pohybuje v rozmezí 1400h/rok až 1700h/rok. Nejmenší počet hodin má severo-západ území, směrem na jiho-východ počet hodin narůstá. Lokality se od sebe běžně liší v průměru o +-10%, v oblastech se silně znečištěnou atmosférou nebo v oblastech s vysokým výskytem inverzí je nutné počítat s poklesem globálního záření o 5-10%. Pro oblasti s nadmořskou výškou od 700 do 2000 m.n.m. je možné počítat s 5% nárůstem globálního záření. Na Zemi dopadne za rok v našich podmínkách průměrně 950kWh - 1100kWh energie. Sluneční energii lze použít pro účely výroby tepla (sluneční kolektory) nebo pro výrobu elektrické energie (fotovoltaika). U tepelných solárních soustav pak pro přípravu teplé užitkové vody (dále jen TUV), přitápění objektů a ohřev bazénové vody. Vyrábět elektřinu lze pro účely vlastní spotřeby v místech, kde není rozvodná síť, nebo ji za účelem zisku prodávat distributorům elektrické energie. Tepelná ztráta budovy a vytápění objektu Dimenzování výkonu solárního systému pro přitápění se provádí na základě tepelné ztráty objektu, jedná se o energetickou potřebu pro vytopení vnitřku objektu na 20°C při výpočtové venkovní teplotě –12°C. Pro místa s nadmořskou výškou nad 400 m n.m. se výpočtová venkovní teplota upravuje na –15°C a pro oblasti s nadmořskou výškou nad 600 m n. m. se výpočtová venkovní teplota upravuje na –18°C. Dimenzování výkonu solárního systému pro ohřev TUV Zjednodušeně se dá říci, že jeden kolektor ohřeje přibližně 100 litrů TUV na teplotu 65°C za jeden den při optimálních podmínkách (letní den, bezmračná obloha). Potřeba TUV vychází přibližně na 50 litrů na osobu za den. Při správném dimenzování solárního systému nemůže nastat přehřátí vody v zásobníku nebo jiný obdobný havarijní stav, a to ani při delší době bez odběru, například po dobu nepřítomnosti osob z důvodu dovolené a podobně.

1

Typy slunečních kolektorů Zpracováno s použitím materiálů Envi s. r. o., Dukelská 145, Třeboň 1.Ploché zasklené sluneční kolektory Základem plochých zasklených kolektorů je vana v podobě celistvého výlisku z nekorodujícího Al-Mg, do této nádoby je uložena minerální plsť a měděný trubkový meandr, ve kterém v průběhu provozu kolektoru proudí nemrznoucí směs, která je průtokem ohřívána. Přeměnu slunečního záření na teplo zajišťuje absorbér, což jsou tepelně vodivé desky nalisované na trubkovém meandru. Na svrchní straně absorbéru je nanesena tenká černá vysoce selektivní konverzní vrstva (AlOx – oxid hlinitý pigmentovaný koloidním niklem), která zajišťuje pohlcování záření do absorpční plochy a jeho maximální přeměnu na teplo a zároveň zabraňuje zpětnému vyzařování energie do okolního prostoru a tedy tepelným ztrátám. Nejsvrchnější vrstva kolektoru je speciální ochranné kalené solární sklo, které má výborné propustné vlastnosti a zároveň chrání vnitřek kolektoru před povětrnostními vlivy. Všechny části kolektoru jsou nerozebíratelně zalisovány do zasklívacího rámu z nekorodujících hliníkových profilů. Roční energetický zisk z jednoho kolektoru o rozměrech 2040mm x 1040mm dosahuje hodnot okolo 930kWh/rok. Jeden kolektor je při dobrých slunečních podmínkách schopný ohřát 100 litrů vody na teplotu až 65°C. Celková účinnost je asi 80%. Kolektory se pomocí přírub nebo pájecích měděných trubkových vývodů paralelně spojují do řad, ve vertikálním provedení (na výšku) maximálně po 10 kolektorech za sebou, v horizontálním provedení maximálně 5 kolektorů za sebou. Sluneční kolektory jsou dimenzovány pro celoroční provoz, všechny součásti systému jsou schopné pracovat při venkovních teplotách -32°C až 40°C. Kolektory jsou tepelně zaizolovaným potrubím spojené s dalšími součástmi systému v tzv. primárním okruhu. Konfigurace systému se liší dle účelu, pro který jsou kolektory montovány, kolektory nám mohou ušetřit náklady na energii při přípravě TUV, přitápění v objektu, temperování bazénové vody, případně libovolné kombinace těchto využití. V primárním okruhu koluje díky oběhovému čerpadlu teplonosná kapalina - nemrznoucí směs, která je průchodem kolektory ohřívána a při průchodu výměníkem v bojleru nebo akumulační nádrži předává teplo pro další využití, případně přes výměník ohřívá bazénovou vodu. Všechny části solárního systému, které nemusí být na střeše se umisťují do kotelny, resp. technologické místnosti, kde je umístěna akumulační nádrž (bojler), oběhové čerpadlo, expanzní nádoba, teploměry, zpětná klapka elektronická regulace atd. Spínání oběhového čerpadla solárního systému je řízeno dvoučidlovou elektronickou regulační jednotkou, která vyhodnocuje rozdíl teplot v zásobníku TUV a na kolektorech. Pokud je na kolektorech teplota vyšší než v zásobníku TUV, uvede do chodu oběhové čerpadlo a při poklesu teplotního rozdílu čerpadlo odstaví. Celý systém pracuje automaticky a vyžaduje pouze občasnou kontrolu stavu elektroniky a tlaku v kolektorovém okruhu. Umístění kolektorů je možné jak na plochou tak na šikmou střechu, na fasádu nebo na volný terén. Kolektory je možné instalovat nad střešní krytinu nebo integrovat do střešní krytiny, výrobce kolektorů dodává montážní prvky a podpůrné konstrukce pro všechny možnosti instalace a pro všechny druhy krytin. Kolektory je nejvýhodnější orientovat jižním směrem, při odchylkách mezi jiho-východem a jiho-západem jsou ztráty na vyrobené energii do 5%. Sklon kolektorů je možné přizpůsobit dle provozu systému nebo dle technických možností v místě instalace, při celoročním provozu je nejvýhodnější sklon 45°, ztráta ve výkonu kolektoru činí 10% u vodorovného a přibližně 30% u svislého umístění.

2

Životnost kolektorů a záruční doba Výrobce plochých kolektorů garantuje životnost 25 let, vzhledem k dlouhé tradici výroby jsou však registrovány instalace, které fungovaly přes 30 let. Standardní záruční doba na tyto kolektory je 12 let. Kolektory jsou dimenzovány tak, aby fungovaly i při velkých mrazech. Klidová teplota během letních měsíců může dosáhnout až 170°C, i tak vysokou teplotu tyto kolektory bez úhony zvládnou. 2.Ploché zasklené sluneční kolektory – vakuové Popis plochých vakuových kolektorů viz ploché zasklené sluneční kolektory. Vzhledem k izolačním schopnostem vakua se do těchto kolektorů nedává minerální plsť. Kolektory se po instalaci na střechu vyvakuují tak, aby byly zaručeny jejich tepelněizolační vlastnosti a účinnost. Roční energetický zisk z jednoho kolektoru o rozměrech 2040mm x 1040mm dosahuje hodnot okolo 1200kWh/rok, což je přibližně o 300kWh/rok více než u nevakuových kolektorů. Jeden kolektor je při dobrých slunečních podmínkách schopný vodu v zásobníku ohřát na teplotu dosahující až 100°C. Celková účinnost je asi 80%. Vakuové ploché kolektory se pomocí přírub paralelně spojují do řad ve vertikální poloze, maximálně po 10 kusech. Sluneční kolektory jsou dimenzovány pro celoroční provoz, všechny součásti systému jsou schopné pracovat při venkovních teplotách -32°C až 40°C. Klidová teplota tohoto vakuového kolektoru při optimálních podmínkách může dosáhnout až 219°C. Vakuové kolektory jsou nasazovány výhradně tam, kde je potřeba vyšší teplota připravované vody (nad 80°C), případně tam, kde je potřeba zvýšit výrobu tepla i při počasí při nízkých intenzitách slunečního záření. Vakuové kolektory jsou také účinnější při počasí s nižší intenzitou slunečního záření, například v zimních měsících, jsou proto velmi vhodné pro přitápěcí systémy. Vakuové kolektory lze instalovat na jižní střechu, fasádu nebo na terén, na všechny druhy střešních krytin. Vakuum v průběhu životnosti kolektoru Kolektory se vyvakuovávají po nainstalování na místo a po zapojení do primárního okruhu. Při samotném vyvakuování se provádějí zkoušky těsnosti a úniků, případně problémy je možné řešit na místě. Do kolektorů difúzně pronikají molekuly vzduchu a úroveň vakua se během let snižuje. Součástí systému je ukazatel úrovně vakua, které když klesne pod určitou úroveň, je nutné vakuum servisním zásahem obnovit. Cena vakuových kolektorů Vakuové kolektory dosahují vyšších účinností při zhoršených podmínkách, lze díky nim dosahovat vyšších teplot vody v akumulační nádrži. Za tento komfort je však nutné zaplatit daň v podobě přibližně dvojnásobné ceny oproti nevakukovaným kolektorům. Zbytek primárního okruhu solárního systému je obdobný a za obdobnou cenu, jako u klasických plochých kolektorů. Životnost kolektorů a záruční doba

3

Výrobce plochých kolektorů garantuje životnost 25 let, vzhledem k dlouhé tradici výroby jsou však registrovány instalace, které fungovaly přes 30 let. Standardní záruční doba na tyto kolektory je 12 let. Kolektory jsou dimenzovány tak, aby fungovaly i při velkých mrazech. 3.Trubicové vakuové kolektory Kolektory založené na systému vakuových trubic si můžeme představit jako skleněnou termosku - menší trubice je vložená do větší a mezi nimi je vytvořeno vakuum, které má ideální izolační schopnosti. Vakuum v trubicích zabraňuje ztrátám tepla do okolí. Válcový tvar trubic umožňuje absorbci slunečního záření i při neoptimální orientaci kolektoru nebo při východu a západu slunce. Uvnitř skleněných trubic je uložená tzv. "tepelná trubice" nebo "heat-pipe", tedy absorbér vyrobený z mědi s malým obsahem teplonosné kapaliny na bázi alkoholu, která se teplem odpařuje a tím z absorbéru odebírá teplo. Páry stoupají do horní části trubice a tam kondenzují, čímž předávají teplo do okolo proudící nemrznoucí směsi solárního okruhu. Kondenzát pak stéká zpět na dno trubice a koloběh se opakuje. Teplo z nemrznoucí směsi solárního okruhu je pak přes výměník v bojleru nebo v solárním zásobníku akumulováno do topné nebo do teplé užitkové vody. Vakuové trubice jsou oddělené od solárního okruhu měděným sběračem, při poškozené jedné nebo více trubic tak kolektor funguje dál. Při výměně trubic také není nutné vypouštět nemrznoucí směs ze solárního okruhu, výměna trubic je pak relativně jednoduchá. Některé typy vakuových trubicových kolektorů umožňují i přímý průtok nemrznoucí kapaliny ze solárního okruhu, výměna poškozených trubic je pak náročnější a neobejde se bez vypuštění solárního okruhu. Trubicové vakuové kolektory jsou díky výborným izolačním schopnostem (které zajišťuje právě vakuum) nezávislé na teplotě okolního prostředí. Kolektor je pak oproti klasickým nevakuovaným kolektorům účinnější v přechodných obdobích a je také účinnější při získávání energie z difúzního rozptýleného záření, energetický zisk může činit až 900kWh na čtvereční metr. V průběhu letních měsíců v období vyšších teplot je účinnost vakuových trubic přibližně shodná s ostaními typy kolektorů, výhoda vakua se projeví až během přechodných a zimních měsíců. Zásadní nevýhodou trubic je větší náchylnost k mechanickému poškození, které může způsobit například sněhová pokrývka a led v zimních měsících. Vakuové trubice jsou oproti nevakuovaným technologiím také 2 až 3 násobně dražší. Využití trubicových vakuových kolektorů Trubicové kolektory lze použít pro přípravu TUV, přitápění nebo ohřev bazénu. Přitápění v objektu je výhodnou variantou vzhledem k vyšším účinnostem kolektoru při zhoršených slunečních podmínkách v přechodných měsících a v zimě. Účinnost během teplých letních měsíců je u vakuových trubic srovnatelná s nevakuovanými kolektory. 4.Koncentrační kolektory na bázi lineární Fresnelovy čočky Koncentrační sluneční kolektor je víceúčelové zařízení, v němž jsou originálním způsobem skloubeny prvky aktivního i pasivního solárního systému. Základním konstrukčním prvkem je koncentrátor slunečního záření - lineární Fresnelova čočka, vyráběná ze skla metodou kontinuálního lití s koeficientem koncentrace cca 5. Dvojskla s lineární Fresnelovou čočkou osazená do hliníkových nebo dřevěných zasklívacích rámů jsou pak součástí střešního pláště a nahrazují střešní krytinu. Lineární Fresnelova čočka soustřeďuje přímou složku slunečního záření do lineárního ohniska, kde se nachází absorbér z hliníkového profilu s vyvložkovanou měděnou trubkou, na kterém dochází k přeměně koncentrovaného slunečního záření na teplo. To je z absorbérů

4

odváděno teplonosnou kapalinou, která jimi protéká do zásobníků TUV. Se změnou polohy Slunce na obloze se mění i poloha ohniska Fresnelových čoček. Z toho důvodu je rám s absorbéry pohyblivý a řídící elektronika kolektoru se stará o to, aby se absorbéry vždy nacházely v místě maximálního slunečního záření, tedy v ohnisku čoček. Osvětlovací funkce kolektoru - střešní plášť nad místností je transparentní (průsvitný) a do prostoru pod kolektorem tak prochází sluneční záření. Jeho energeticky významná část přímá složka je čočkou zkoncentrována a pohlcena na absorbérech. Interiér je tak rovnoměrně osvětlen pouze rozptýleným světlem bez kontrastních stínů a není vystaven světelným "šokům", které způsobuje proměnlivá oblačnost. Klimatizační funkce kolektoru - energeticky významná přímá složka slunečního záření je zkoncentrována Fresnelovou čočkou na pohyblivé absorbéry a na jejich černém povrchu je přeměněna na teplo. Ve formě ohřáté teplonosné kapaliny je pak zhruba 60% energie přímé složky slunečního záření odvedeno mimo prostor, nad kterým jsou nainstalovány kolektory. Tento jev významně přispívá ke snížení energetické zátěže interiéru pod kolektorem zejména v letních měsících. Sluneční záření se po průchodu běžným sklem změní uvnitř v místnosti na teplo, které je pak nutné energeticky náročnou klimatizací odvětrávat. V zimních měsících kolektor propouští rozptýlené sluneční záření do místnosti, kde se mění v teplo, které působením skleníkového efektu v místnosti zůstává a přispívá tak ke snížení nákladů na vytápění. Příprava teplé užitkové vody - teplo, které vzniká na černém povrchu absorbérů fototermální přeměnou koncentrovaného slunečního záření je odváděno protékající teplonosnou kapalinou a prostřednictvím výměníku tepla je předáváno do akumulační nádrže nebo do bojleru. Využití koncentračních kolektorů Koncentrační kolektor je v první řadě prosvětlovací stavební prvek, až sekundárně poskytuje funkci zachytávání tepla pro výrobu TUV nebo vytápění. Účinnost koncentračního kolektoru je oproti klasickým kolektorům přibližně třetinová (vztaženo na metr čtvereční plochy). Jeho nasazení přichází v úvahu tam, kde by použití klasických kolektorů nebylo možné, například v historických objektech nebo v historických jádrech měst. Koncentrační kolektory lze využít také tam, kde má prosvětlení prostoru přednost před výrobou tepelné energie, tedy do zimních zahrad nebo nad vnitřní bazény. 5.Plastové absorbéry pro přímé temperování bazénové vody Na černém solárním plastovém absorbéru dochází k přeměně dopadajícího slunečního záření na teplo. Teplo je využíváno především pro ohřev vody ve venkovních bazénech a nebo pro potřeby zahrádkářů, chalupářů a chovatelů. Účinnost plastových absorbérů Plastové absorbéry nejsou nijak zaizolovány proti vnějšímu prostředí. Jejich účinnost je tedy tím vyšší, čím vyšší je teplota okolního prostředí. Jakmile teplota vzduchu poklesne, nebo v případě, že fouká silnější vítr, účinnost kolektorů klesá. To může být nevýhodou v případě použití absorbéru v jarních a podzimních měsících. 6.Teplovzdušné kolektory Teplovzdušný kolektor je solární zařízení, které slouží k přitápění objektů v přechodném období. Je možné je používat nezávisle v kombinaci s klasickým ústředním vytápěním nebo společně s elektrickým přímotopným vytápěním konvektorovými otopnými tělesy. Jedná se o solární panel k přímému ohřevu vzduchu. Sluneční záření se při dopadu na absorbér mění na teplo a ohřívá vzduch uvnitř kolektoru. Při zahřátí vzduchu nad 33°C se automaticky uvádí do

5

provozu ventilátor, který ve spodní části kolektoru nasává chladný vzduch z objektu a vhání do místnosti vzduch ohřátý. Tento typ kolektoru je vhodný pro umístění na jižní stěnu nebo na jižní střechu objektu.

6

Zhodnocení účinnosti teplovodních solárních kolektorů Zpracovali: Mgr. Naděžda Štysová, RNDr. Jan Pokorný,CSc., RNDr. Dalibor Štys, CSc., Ing. Vladimír Kučeravý Úvod Firma ENVI s.r.o. z Třeboně nainstalovala solární zařízení, určené pro celoroční přípravu 9 325 litrů teplé vody, na střechách objektů domova důchodců a penzionu Hvízdal v Českých Budějovicích na přelomu let 2001 a 2002. Pro ohřev vody toto zařízení využívá fototermickou přeměnu slunečního záření, dopadajícího na absorbční vrstvu 72 plochých slunečních kolektorů (127 m2). Předpokládaný roční energetický zisk ze solárního zařízení by měl být 74 446 kWh/rok. Vzhledem k tomu, že denní průměrná potřeba teplé vody v domově důchodců a v penzionu je 12,7 m3 a roční spotřeba energie na její přípravu činí 242 725 kWh, měla by procentuální úspora energie pro přípravu teplé vody při použití solárního systému dosáhnout 30,6 %. V Českých Budějovicích se hodnota radiace v rovině 45° pohybuje kolem 1180 kWh/m2 za rok. Z toho usuzujeme, že účinnost solárního systému by mohla být až 50%. Popis solárního systému na přípravu teplé vody Použité ploché sluneční kolektory Heliostar 202N mají rozměr 75x1008x2008 mm, absorbční plocha činí 1,76 m2, hmotnost je 45 kg. Jsou vyrobeny z hlubokotažné korozivzdorné slitiny Al-Mg a izolovány 40 mm čedičové plsti. Solární absortivita je minimálně 0,93, tepelná emisivita činí maximálně 0,2. Pracovní teplota dosahuje hodnot menších než 100°C, maximální teplota na povrchu absorbéru při chodu naprázdno je 180°C. Při instalaci bylo použito 72 kolektorů Heliostar H202N s celkovou absorpční plochou 127 m2. Jednotlivé kolektory jsou mezi sebou propojeny paralelně do dílčích kolektorových polí po čtyřech a po osmi kolektorech. Počet kolektorů i jejich rozmístění jsou dány prostorovými možnostmi i vzájemným odstupem jednotlivých kolektorových polí tak, aby nedocházelo k zastínění ani v zimních měsících. Kolektory jsou orientovány na jih se sklonem 45°, což zaručuje optimální využití solárního systému v průběhu celého roku. Vstupy a výstupy dílčích kolektorových polí jsou napojeny na ocelové sběrací potrubí. Vzhledem k uspořádání technologické zástavby na střechách objektů jsou dílčí kolektorová pole řazena do dvou sekcí, jedna s 30 kolektory na střeše domova důchodců a druhá s 42 kolektory na střeše penzionu. Každá z těchto sekcí má vlastní sběrací potrubí. Po vstupu do objektu se obě sběrací potrubí spojují a do strojovny solárního zařízení v přízemí domova důchodců už pokračuje rozvod primárního okruhu pouze dvěma stoupacími trubkami pro přívod a odvod teplonosného média. Potrubní rozvody primárního okruhu solárního zařízení jsou za účelem minimalizace tepelných ztrát izolovány. Rozvody na střeše objektů, vystavené povětrnostním vlivům, jsou izolovány izolací z minerální plsti o tloušťce 30 až 40 mm a opláštěny 0,8 mm silným hliníkovým plechem, aby se zabránilo mechanickému poškození izolace a degradaci izolačního materiálu vlivem UV složky slunečního záření. Pro předávání tepla z teplonosného média do vody slouží deskový výměník Alfa Laval, umístěný ve strojovně solárního zařízení. Aby se zajistila účinná cirkulace teplonosného média v primárním okruhu solárního systému, používá se cirkulační čerpadlo Grundfos UPSD 32-120. Kvůli vyrovnání objemových změn teplonosného média při jeho ohřívání a chladnutí je do primárního okruhu vřazeno osm tlakových expanzních nádob. Aby se zajistil celoroční provoz solárního zařízení, je primární okruh vyplněn 600 l nemrznoucí směsi Solaren (voda s monopropylenglykolem).

7

Sekundární – zásobníkový okruh slouží k ukládání tepla, získaného fototermickou přeměnou sluneční energie na energii tepelnou na selektivní absorbční vrstvě plochých slunečních kolektorů, do čtyř solárních akumulačních nádrží. Nádrže, každá o objemu 1 865 l, jsou řazeny za sebou a umístěny v přízemí objektu. Vnitřní povrch nádrží je opatřen nátěrem Bisil, vnější strana je pak izolována vrstvou minerální plsti a opláštěna hliníkovou fólií s drátěným pletivem. Každá nádrž je vybavena teploměrem, aby se daly sledovat provozní stavy systému. Teplo z kolektorů je do akumulačních nádrží předáváno v deskovém výměníku tepla. I v sekundárním okruhu je osazeno cirkulační čerpadlo. Spouští se zároveň s oběhovým čerpadlem primárního okruhu. Zajišťuje cirkulaci teplé vody v akumulačních nádržích a tím jejich postupné nabíjení teplem, dodaným slunečními kolektory. Rozvody vody v sekundárním okruhu jsou vyrobeny z plastových trubek, izolovaných po celé délce izolací Mirelon. Aby se zajistily kontinuální dodávky teplé vody pro objekty domova důchodců a penzionu i v období s nízkou intenzitou slunečního svitu, byl solární systém pro přípravu teplé vody doplněn zařízením pro decentralizovanou přípravu teplé vody. Energie získaná ze slunečních kolektorů ohřívá vodu v nádržích č.1,2,3,4. Z nádrže č.4 je předehřátá voda vedena do nádrže č.5 a odtud pak k jednotlivým odběrným místům. Ohřátí nebo dohřátí vody na 60°C v této nádrži, pokud nestačí energie ze slunečních kolektorů, se provádí pomocí tepla z veřejného horkovodu. Měření výkonových parametrů Měření výkonových parametrů zajišťuje zařízení MT 500, které se skládá z průtokové části zabudované do potrubí a vyhodnocovací jednotky, jenž z velikosti průtoku a teplot, naměřených v přívodním a vratném potrubí, počítá aktuálně dodávané množství tepla. Aktuální hodnoty jsou pak zobrazovány na jednořádkovém LCD displeji. Dodatečně byl osazen modul archívu a hodin reálného času. Pro měření a archivaci meteorologických dat byly použity tyto přístroje a čidla: datalogger M 4216, pyranometr CG 420, anemometr W2t a teplotní čidla Pt 100. Monitorování systému se provádělo v průběhu dvou let od 1.1. 2003 do 31.12. 2004 a probíhá i nadále.Data se ukládají dvojím způsobem: jedním dataloggerem je meteostanice a druhý datalogger je ve strojovně solárního systému. Jednou měsíčně jsou data stahována do laptopu. V průběhu let 2003 a 2004 byly sledovány hodnoty radiace, teplot na vstupech a výstupech, velikost průtoku a zjišťován výkon slunečních kolektorů. Měřené veličiny jsou snímány třemi způsoby: v desetiminutových průměrech, v hodinových průměrech a v denních průměrech. Z grafu 1 lze vyvodit, že od března do srpna postupně rostl výkon kolektorů, protože v této době je úhel nastavení kolektorů nejblíže optimu a zároveň doba osvitu je již dostatečně dlouhá. Nejvyššího energetického zisku bylo dosaženo vždy v srpnu. V roce 2003 bylo dosaženo hodnoty 9 740,8 kWh, v roce 2004 hodnoty 9 050 kWh. Výsledky měření Tabulky 1 a 2 ukazují výsledky naměřených měsíčních hodnot za dva roky měření. Objevují se zde hodnoty sluneční radiace v rovině kolektorů 45°, hodnoty energetických zisků jednoho kolektoru i celého systému, hodnoty účinnosti systému a hodnoty nejvyššího tepelného výkonu systému. Všechna data, která se nacházejí v grafech a tabulkách, pro hodnoty globální radiace a energetického zisku jsou spočítána z hodinových nebo denních průměrů naměřených hodnot. Tabulka 1 Měsíční hodnoty radiace, energetický zisk jednoho kolektoru, energetický zisk celého systému, účinnost systému a nejvyšší tepelný výkon systému v roce 2003

8

Měsíc

Radiace (kWh/m2) v rovině kolektorů 45° leden 38,2 únor 72,4 březen 107,3 duben 134,5 květen 147,9 červen 154,2 červenec 142,7 srpen 158,2 září 131,0 říjen 75,6 listopad 52,3 prosinec 40,2 celkem 1 254

Radiace (kWh) v rovině kolektorů 45° 4 836,45 9 168,81 13 601,95 17 046,66 18 736,21 19 541,53 18 083,10 20 051,51 16 599,60 9 582,73 6 622,23 5 090,76 158961,54

Energetický zisk jednoho kolektoru (kWh/m2)

Energetický zisk systému (kWh)

9,7 21,7 41,3 56,1 67,0 72,5 64,0 76,9 58,3 23,2 16,7 7,4 514

1 226,9 2 750,8 5 232,2 6 103,3 8 489,7 9 181,4 8 104,4 9 740,8 7 392,8 2 933,9 2 117,8 941,4 65 216

Účinnost systému (%) 25 30 38 36 45 47 45 48 44 31 32 18

Nejvyšší tepelný výkon systému (kWh/den) 212,22 298,33 409,44 416,39 443,33 442,22 430,56 409,17 406,11 278,89 236,67 138,33

Tabulka 2 Měsíční hodnoty radiace, energetický zisk jednoho kolektoru, energetický zisk celého systému, účinnost systému a nejvyšší tepelný výkon systému v roce 2004 Měsíc Radiace Radiace Energetický Energetický Účinnost Nejvyšší (kWh/m2) (kWh) zisk jednoho zisk systému systému tepelný v rovině v rovině kolektoru (kWh) (%) výkon kolektorů kolektorů (kWh) systému 45° 45° (kWh/den) leden 72,13 9 140,42 22,21 1 599,44 17 190,83 únor 74,18 9 399,89 31,30 2 253,89 24 289,17 březen 116,18 14 722,83 65,86 4 742,22 32 389,44 duben 139,85 17 722,10 91,63 6 597,22 37 424,17 květen 135,88 17 218,52 84,67 6 096,39 35 418,61 červen 121,22 15 361,11 95,16 6 851,39 45 447,22 červenec 129,47 16 406,69 109,60 7 891,39 48 453,33 srpen 138,50 17 550,60 125,69 9 050,00 52 440,56 září 124,45 15 770,65 96,92 6 978,06 44 467,22 říjen 89,08 11 288,22 listopad 44,34 5 618,75 prosinec 55,55 7 039,72 celkem 1 240,83 157 239,5 723,10 52 060,00 Solární instalace fungovala stabilně po celou testovací dobu. Koroze částí systému nebyla pozorována. Kontrolní měření hodnot pH a hustoty kapaliny po roce činnosti ukázala, že Solaren má stabilní složení. Solární instalace vyžadovala pouze minimální množství údržby a kontrol.Údržba se prováděla v pravidelných intervalech a zahrnovala kontrolu provozních parametrů systému, kontrolu tlaku v primárním okruhu, kontrolu znečištění povrchu kolektorů, čištění filtrů v primárním a

9

sekundárním okruhu i systému decentralizované přípravy teplé vody, kontrolu tlaku v expanzních tlakových nádobách atd. Koncem roku 2004 došlo k poruše zařízení pro sběr a ukládání dat, a proto výsledky měření za měsíce říjen, listopad a prosinec chybějí. Firma ENVI s.r.o. provedla další instalaci solárního zařízení v Jindřichově Hradci na přelomu let 2002 a 2003. V tomto případě se jednalo o systém pro celoroční přípravu 400 litrů teplé užitkové vody a temperování bytu v bytovém domě v historickém jádru města. Instalace byla provedena při renovaci části objektu. Pro instlaci byly opět použity kolektory Heliostar H202N,tentokrát se instalovalo 5 kolektorů s celkovou absorpční plochou 8,8 m2. Na měření se použily stejné přístroje, jako u předešlého systému, navíc byl přidán datalogger M 4016G jako telemetrická stanice. Telemetrická stanice M 4016G je postavena na průmyslovém modulu M 35 od firmy Siemens, který s řídící mikroprocesorovou jednotkou tvoří celek pro samostatný sběr dat, jejich následnou archivaci a přenos prostřednictvím GSM sítě. Telemetrická stanice obsahuje 8 analogových vstupů, 8 digitálních vstupů, nastavitelných jako binární nebo pulsní vstupy, frekvenční vstup a datovou paměť. Telemetrická stanice využívá komunikační software MOST 32, což je základní programový produkt pro nastavení přístrojů a přenášení archivovaných dat včetně jejich zpracování. Program pracuje pod Win95 a výše. Verze MOST/G umožňuje i odesílání a příjem SMS. Data jsou nejdéle v týdenních intervalech stahována a archivována. Během let 2003 a 2004 se sledoval průběh radiace a výkon kolektorů v jednotlivých měsících. Z grafu 2 je možno vysledovat, že v březnu, dubnu, květnu a září se postupně zvyšoval výkon kolektorů, což samozřejmě souvisí s dostatečně dlouhou dobou osvitu i s úhlem nastavení kolektorů. V červnu a červenci došlo k propadu výkonu kolektorů z důvodu nízkého odběru vody. Tabulka 3 Jindřichův Hradec 2003 měsíc Radiace Radiace (kWh/m2) (kWh) v rovině v rovině kolektorů kolektorů 45° 45° leden 34,60 304,51 únor 87,74 772,14 březen 117,20 1031,30 duben 139,22 1225,11 květen 157,80 1388,62 červen 165,81 1459,17 červenec 139,54 1227,98 srpen 166,10 1461,64 září 133,05 1170,86 říjen 70,91 624,01 listopad 47,71 419,84 prosinec 32,40 285,16 celkem 1292,08 11370,34

Energetický zisk jednoho kolektoru (kWh/m2) 5,87 27,24 33,30 42,46 44,44 33,51 27,04 43,71 43,90 18,67 12,78 4,70 337,62

Energetický zisk systému (kWh) 51,69 239,70 293,00 373,63 391,09 294,89 237,95 384,61 386,35 164,33 112,46 41,33 2971,03



10

Tabulka 4 Jindřichův Hradec 2004 měsíc Radiace Radiace (kWh/m2) (kWh) v rovině v rovině kolektoru kolektoru 45° 45° leden 45,14 397,23 únor 62,71 551,83 březen 108,20 951,90 duben 126,34 1111,82 květen 129,63 1140,76 červen 130,84 1151,36 červenec 133,67 1176,32 srpen 142,11 1250,53 září 114,54 1007,98 říjen 84,86 746,78 listopad 30,89 271,87 prosinec 34,41 302,85 celkem 1143,34 10061,23

Energetický zisk jednoho kolektoru (kWh/m2) 7,48 14,05 30,46 38,78 38,04 26,47 19,95 23,36 24,00 25,68 6,40 7,16 261,83

Energetický zisk systému (kWh) 65,85 123,66 268,02 341,26 334,79 232,93 175,52 205,59 211,18 225,96 56,33 63,02 2304,11



Závěry Solární zařízení v Českých Budějovicích dosáhlo v roce 2003 energetického zisku 65 216 kWh/rok, v roce 2004 energetického zisku 52 060 kWh/rok. To znamená, že v prvním monitorovaném roce bylo dosaženo 87,6% předpokládaného energetického zisku, v druhém monitorovaném roce 69,9 % (z důvodu poruchy záznamu dat chybí hodnoty naměřené v měsících říjnu, listopadu a prosinci, a to je jeden z hlavních důvodů, proč je energetický zisk za rok 2004 nižší než v roce 2003). Účinnost systému od dubna do září 2003 se pohybovala mezi 36 a 48%. Účinnost systému od dubna do září 2004 se pohybovala od 35 do 52%. Použitím solárního systému se zabránilo vzniku 18 260,48 kg emisí CO2 za rok 2003 a nejméně 14 576,8 kg za rok 2004. Solární zařízení v Jindřichově Hradci dosáhlo v roce 2003 energetického zisku 2 971,03 kWh, v roce 2004 to bylo 2 304,11 kWh. Účinnost systému od března do května 2004 se pohybovala mezi 28% a 31%, od srpna do listopadu 2003 mezi 26% až 33%. Účinnost systému od března do května 2004 se blížila 31%, v letních měsících – z důvodu nízkého odběru vody – se snižovala až na 15%, od září do prosince se pohybovala mezi 21% a 30%. Díky solárnímu systému se zabránilo vzniku 831,89 kg emisí CO2 za rok 2003 a 645,15 kg emisí za rok 2004. Realizace obou systémů byly umožněny díky dotaci SFŽP.

11

Fotovoltaika Zpracováno s použitím materiálů Envi s. r. o., Dukelská 145, Třeboň Co je to fotovoltaický jev? Na rozhraní dvou polovodičových materiálů, na něž dopadá světlo, vzniká elektrické napětí. Světlo se skládá z nesčetných drobných nosičů energie, fotonů. Dopadnou-li tyto fotony na solární článek, budou uvolněny elektrony na n-vrstvě a přesouvat se k p-vrstvě křemíkového polovodiče. Tento přesun se nazývá průtok proudu a probíhá vždy od – do +. Jaký je rozdíl mezi fotovoltaickým článkem a panelem? Fotovoltaický článek je tenká (méně než 1mm) destička složená z křemíku a dalších materiálů o rozměrech přibližně 10 krát 10 centimetrů, napětí takového jednoho článku je při optimálních světelných podmínkách přibližně 0,5V. Fotovoltaický panel je sériově paralelní zapojení těchto článků, které jsou přilepeny na tedlarový podklad a uchyceny v hliníkové konstrukci pod solárním vysocepropustným sklem. Fotovoltaika je obvykle dodávána v podobě panelů, které se usazují do vhodných konstrukcí nad nebo do střešní krytiny, případně na terén. Co znamená jednotka výkonu Wp (Watt peak)? Nominální výkon fotovoltaických panelů je udáván v jednotkách Watt peak (Wp), jde o výkon vyrobený solárním panelem při standardizovaném výkonnostním testu, tedy při energetické hustotě záření 1000W/m2, 25°C a světelném spektru odpovídajícím slunečnímu záření po průchodu bezoblačnou atmosférou Země (Air Mass 1,5). Watt peak je jednotkou špičkového výkonu dodávaného solárním zařízením za ideálních podmínek, jde tedy přibližně o výkon dodávaný panelem nebo systémem za běžného bezoblačného letního dne. Jaké jsou typy fotovoltaických instalací? Fotovoltaika je využitelná v tzv. ostrovních systémech, tedy v místech bez elektrické přípojky. Takový systém slouží k výrobě elektřiny, která se uchovává v akumulátorech pro pozdější spotřebování. Fotovoltaický systém lze však vybudovat i tam, kde elektrická přípojka je, v takovém případě elektřinu buďto spotřebováváme a přebytky prodáváme, případně je fotovoltaický systém vybudován výhradně pro prodej vyrobené energie za výkupní cenu stanovenou Energetickým regulačním úřadem. Samostatnou kapitolou fotovoltaických systémů jsou FV elektrárny budované na k tomu vyhrazenému pozemku. Kolik energie vyrobí fotovoltaický panel? 1kWp nainstalovaného výkonu vyrobí za rok průměrně 900kWh elektrické energie. Tato hodnota může být vyšší až o 10% díky vyšší nadmořské výšce (nebo nižší, v nížinách bývají častěji mlhy a inverze), může však být nižší i díky nemožnosti umístit panely do optimální orientace. Vyrobený výkon se může lišit také v závislosti na geografickém umístění, statisticky nejvíce slunečních dnů je na Jižní Moravě a v Jižních Čechách, nejméně v Severních Čechách. Hodnota 900kWh/rok/1kWp je průměrná, závisí na počtu slunečních dnů v daném roce a to závisí na klimatických podmínkách, které jsou rok od roku různé. Do této hodnoty jsou započítány i ztráty na vodičích a měniči. Kolik metrů čtverečních je třeba na výkon 1kWp? 1kWp nainstalovaného výkonu obnáší přibližně 8 metrů čtverečních panelů. Pokud jsou panely instalovány na volný vodorovný terén do řad za sebou, je zapotřebí plocha přibližně

12

2,6x větší, než je plocha samotných kolektorů, protože řady musí být za sebou v takových rozestupech, aby si nestínily. Jaká je životnost fotovoltaických panelů? Většina výrobců udává životnost okolo 25 let. Záruční doba na panely a měniče je obvykle pět let, u měničů napětí se dá připlatit za prodlouženou záruku až na 7 až 20 let. Fotovoltaický panel však průběhu životnosti degraduje, výrobci obvykle garantují 90% účinnost po 12 letech a 80% účinnost panelu po 25 letech. Teoreticky lze provozovat fotovoltaický panel mnohem déle, například 30 let, otázkou je však výhodnost jeho provozování při neustále se snižující účinnosti a dále díky neustálému vývoji nových technologií může za 20 let (tedy po uplynutí doby garantované výkupní ceny) být výhodnější nakoupit nové, účinnější a levnější fotovoltaické panely. Jaký je optimální sklon a orientace panelů? Ideální orientace je přímo na jih, při orientaci v rozsahu jiho-východ až jiho-západ jsou maximální ztráty dosaženého výkonu přibližně 5%. Panely lze orientovat i vodorovně při ztrátě 10% nebo svisle při ztrátě 30%. Sklon panelů závisí na typu systému a způsobu jeho využívání, při celoročním provozu ostrovních systémů je lépe umístit panely více "nakolmo" (49°), protože sluneční kotouč je nízko v zimních měsících, naopak maximalizaci zisku u systémů pro výrobu elektřiny do sítě dosáhneme umístěním panelů více "naležato" (32°), protože během letních měsíců, kdy je nejvíce slunečních dnů a Slunce je vysoko na Zemi dopadá 75% ročního úhrnu globálního záření. Jak se vyrobená energie vykupuje a co je to zelený bonus? Fotovoltaický systém můžete mít na výrobu výhradně do sítě distributorské firmy, v takovém případě inkasujete výkupní cenu (13,46Kč/kWh bez DPH). Pokud část elektrické energie spotřebováváte, inkasujete zelený bonus (12,65Kč/kWh bez DPH) s tím, že spotřebovanou energii nemusíte nakupovat, čímž realizujete úsporu. Zelené bonusy lze inkasovat i za výrobu energie do akumulátorů u ostrovních systémů, vyrobená energie však musí být měřena. Zelený bonus je zkráceně "prémie za výrobu elektřiny čistým způsobem". Výkupní cena i zelený bonus jsou garantovány na 20 let od uvedení systému do provozu. Kolik stojí fotovoltaický systém? Cena fotovoltaických systémů se obvykle udává v ceně za instalovanou 1kW výkonu zařízení. Tato cena klesá s velikostí budovaného systému, protože můžeme realizovat množstevní slevy a podobně, reálné je instalovat velkou solární elektrárnu za cenu okolo 135.000Kč/kWp. Pokud však budeme poptávat fotovoltaický systém o výkonu pouhé 1kWp, je dost pravděpodobné, že nás vyjde na částku okolo 160.000Kč. U cenových nabídek je nutné rozlišovat, co vše je součástí ceny - některé firmy do ceny instalace nezahrnují asistenci při získání licence na výrobu elektřiny, při získání smlouvy o připojení s distribuční společností a asistenci při podávání žádosti o dotaci.

13

Biomasa - využití obnovitelných zdrojů energie Zpracoval: RNDr. Jan Pokorný, CSc. Biomasa je tradičním celosvětovým zdrojem energie. Její využívání je limitováno nízkou účinností přeměny slunečního záření při fotosyntéze a navazujících pochodech. Rostlinná biomasa vzniká přeměnou sluneční energie s účinností menší než 1%, nepočítaje v to náklady a energetické výdaje na její těžbu, zpracování a transport. Roční produkce biomasy se pohybuje okolo 0,5 kg sušiny na metr čtverečný. Jen v některých mokřadech, úrodných půdách, případně s další dodatkovou energií ve formě hnojiv a agrotechnických zásahů lze dosáhnout vyšší produkce. 0,5 kg sušiny na metr čtverečný odpovídá 5 tunám sušiny na hektar, což odpovídá energetickému obsahu 2-3 kWh (na metr čtverečný) respektive 20 - 30 MWh na ha za rok. Biomasa ovšem vzniká na rozsáhlých plochách a přes malou účinnost přeměny při růstu je v ní vázáno vysoké množství energie. Navrhujeme využívat biomasu ze záplavových území, jejichž hlavní funkcí je retence vody. Celospolečenský přínos takového území spočívá v tlumení povodňové vlny, váže se zde oxid uhličitý do biomasy a vznikající půdy (tlumení skleníkového efektu), váží se živiny do půdy a biomasy (zlepšení kvality vody, snížení eutrofizace), zvyšuje se biodiverzita. Mokřadní porosty vypařují vodu a přispívají tak k obnově krátkého vodního cyklu a zmírnění klimatu. Využitelné jsou jak dřeviny přizpůsobené zaplavení (duby, vrby, olše, topoly, jasany), tak byliny (rákos, chrastice, psárka, ostřice). Nabízí se využívání biomasy luk sečených s podporou MZe. Posečená tráva zůstává často ležet, nesklízí se nebo se mulčuje. Předpokládáme energetické využití této rostlinné biomasy přes bioplyn nebo pyrolýzu. Nabízí se možnost využít stávající bioplynové stanice u čistíren odpadních vod a adaptovat je tak, aby bylo možné přimíchávat rostlinnou biomasu (kofermentace). Bioplyn se potom využívá na výrobu elektrické energie a na vytápění.Takové postupy se ověřují v praxi. Lze tak využít i odpady městské zeleně. Náklady na instalovanou kW bioplynové stanice se počítají cca 3500 EUR, náklady na kW při instalaci 1MW jsou cca 2700 EUR (ČOV Třeboň). V rámci našich aktivit jsme schopni: a) zhodnotit potenciální produkci biomasy v nivách, v obnovených nivách a množství travní biomasy ze zemědělských ploch a zeleného odpadu. b) zhodnotit možnosti využití stávajících bioplynových stanic pro kofermentaci rostlinné a jiné biogenní biomasy se stávajícími substráty – kaly ČOV, odpady ze živočišné výroby Na zemědělských plochách doporučujeme zhodnotit možnost produkce plodin s dalším technologickým zpracováním, řepka (pro olej, metyl ester do bionafty), kukuřice a další obilniny pro etanol. Doporučujeme zhodnotit jak energetickou bilanci (energetické vstupy a výstupy), tak dlouhodobé aspekty vyčerpávání půdy a kvality odtékající vody. Existuje seznam povolených energetických rostlin, jejichž pěstování je v ČR podporováno dotacemi, do tohoto seznamu patří například: jednoleté: laskavec, konopí seté, sléz přeslenitý dvouleté: komonice bílá, pupalka dvouletá víceleté a vytrvalé: mužák prorostlý, topinambur, šťovík krmný, sveřep bezbranný, lesknice rákosovitá 14

Biomasa je vhodná pro lokální využití a je žádoucí, aby zde byl nastartován trh s produktu z biomasy jako jsou štěpky či pelety, ale pouze na lokální úrovni, abychom pracně „vyrostlou“ energii spolu se státními dotacemi nepromrhali v transportních nákladech. Navržené projekty, zejména ty, které předpokládají delší transportní vzdálenosti a manipulace s materiálem, by měly být podrobeny kritické analýze energetické bilance. Tepelná čerpadla – jsou někdy zavrhována z důvodu využívání a podpory centrálních rozvodných sítí a nízké účinnosti, dané účinností výroby elektrické energie. Tepelná čerpadla využívají geotermální energii (hluboké vrty) nebo využívají nepřímo energii sluneční z vody, půdy, vzduchu. Domníváme se, že mají své opodstatnění díky dobré regulovatelnosti, především tam, kde není jiný dostupný zdroj tepla (a používáno přímotopné vytápění elektřinou) nebo obsluha není schopná připravit si např. biomasu na otop. Jako ideální se jeví kombinace tepelného čerpadla s vodním zdrojem elektrické energie. Pro využívání obnovitelných zdrojů energie a tedy pro diversifikaci energetické soustavy hovoří velká zranitelnost současné centrální energetické soustavy. Všichni víme, co znamená zastavení dodávky elektrické energie, případně plynu v jakémkoliv ročním období. V moderních (zejména kancelářských) budovách ve městech je jedno, zda k výpadku dochází v zimě či v létě – objekty jsou „nefunkční“. Vesnice si dokáže poradit, ale používáním teplovodních topných systémů s nuceným oběhem se také projevují značné problémy při výpadcích el. energie. Proto jsme zastánci vytváření energetických systémů s částečnou autonomií, které dokáží byť v omezené míře fungovat nezávisle na velkých zranitelných rozvodných sítích. K vytváření takových systémů je vhodné využívat obnovitelných zdrojů energie, jako jsou solární soustavy v kombinaci s fotovoltaikou pro pohon oběhových čerpadel a nové úsporné energetické zdroje jako například kogenerační jednotky se Stirlingovými motory atd. Odkazy a literatura: Pastorek, Z., Kára, J., Jevič. P. 2004: Biomasa – obnovitelný zdroj energie, FCC Public, pp 288.

15

Biotechnologie řas a sinic Zpracoval: Ing.Vítězslav Březina, CSc. Primární otázkou, s níž se setkáváme na podobných setkáních je otázka po smyslu větších kultivací autotrofních mikroorganismů. Zatímco smysl hromadných kultivací heterotrofních mikroorganismů je zcela zřejmý a spočívá v celé řadě technologií, jejichž výsledkem je výroba léčiv, anebo konstrukce léčebných postupů, u podobných biotechnologií zelených mikrofyt je smysl poněkud skryt. Je to přesto, že Česká republika a zejména Třeboňsko je průkopníkem vývoje kultivačních zařízení netradičních konstrukcí, které umožnily racionální hromadné kultivace zejména druhu Chlorella a to i v oblasti klimaticky nepříliš výhodné. Navíc výzkumná základna Mikrobiologického ústavu AV podstatně přispěla v minulosti k rozvoji technické či technologické části biotechnologie autotrofních organismů. Biotechnologii je ovšem nutno chápat jako integrální součást současného života. Co vlastně tento pojem znamená? Definice Evropské biotechnologické federace je následující: INTEGROVANÉ VYUŽITÍ BIOCHEMIE, MIKROBIOLOGIE A INŽENÝRSKÝCH DISCIPLIN K DOSAŽENÍ PRŮMYSLOVÝCH APLIKACÍ MIKROORGANISMŮ, BUNĚK TKÁŇOVÝCH KULTUR A JEJICH SOUČÁSTÍ. V definici EFB chybí užití pro lékařství a zemědělství: tedy BIOTECHNOLOGIE JE KAŽDÁ TECHNOLOGIE, KTERÁ VYUŽÍVÁ ŽIVÉ ORGANISMY NEBO JEJICH ČÁSTI, K VÝROBĚ ČI MODIFIKACI PRODUKTŮ, KE ŠLECHTĚNÍ ROSTLIN, ŽIVOČICHŮ, NEBO MIKROORGANISMŮ PRO MYSLITELNÉ I NEMYSLITELNÉ VYUŽITÍ. Pro nás je pojmově významné, že biotechnologie je spojení biologie a technologie, přičemž biologie dává biotechnologiím k disposici dva svoje výstupy sice medicínu a zemědělství. Technologie dává k disposici své know-how, tedy znalost, jak to racionálně udělat. A tak, uvědomíme-li si dosah pojmů a jejich užití, poznáme, že s výstupy biotechnologie se setkáme všude. Od prostředků denní potřeby (hygiena, strava), přes farmacii (antibiotika), až po snad nejsložitější aplikace v medicíně (protinádorové buněčné postupy, hybridomy). Řasy a sinice se řadí k té nespočetné řadě organismů, které můžeme pro biotechnologie využít, obsahují nejenom řadu biologicky účinných látek, ale jsou schopny je produkovat řízenými kultivačními postupy. Smyslem biotechnologie řas a sinic není tedy nic nového, je to pouze řízená produkce biologicky cenných látek, které heterotrofní organismus produkovat neumí.

16

Řasová biomasa Zpracováno s použitím materiálů ÚFB JU V padesátých a šedesátých létech, kdy v různých zemích stoupal počet hladovějících obyvatel se začaly intenzivně hledat další zdroje bílkovin a zájem se soustředil i na buněčné mikroorganismy, řasy. Dalším neméně významným prvkem bylo to, že obyvatele všech sociálních vrstev trápí různá onemocnění, jako třeba dna a revmatické nemoci. Proto se mnoho vědců a lékařů začalo zajímat o další možnosti podpory lidské imunity. Tak koncem padesátých let vznikala po světě (USA, Japonsku, Německo, Izraeli, atd.) výzkumná pracoviště, jejichž úkolem bylo ověřit, zda by kultury řas bylo možné pěstovat a zda by byly významným přínosem pro společnost. Již v roce 1960 bylo založeno i odborné pracoviště tady u nás. Je jím současný "Sektor autotrofních mikroorganismů" mikrobiologického ústavu Akademie věd v Třeboni. Na tomto pracovišti byly a jsou zkoumány postupy související s řasovou biotechnologií a pěstováním řasové biomasy. Postupem času se vyvíjela další technologická zařízení na kultivaci speciálních kmenů, které jsou určeny k potravním, farmaceutickým, medicínským, krmivářským účelům. V současnosti je za tímto účelem sestaveno speciální pracoviště v Nových Hradech, kde je v nejnovější technologii kultivována řasová biomasa. Toto pracoviště splňuje všechny potřebné požadavky (SÚKL)a vyvíjí nové postupy a zkoumá další mikroorganismy hodící se společnosti. Technologické výroby • •

solární technologie - 4 reaktory v objemu cca 100l /jednotku solární fotobioreaktory jsou propojeny s rozvodem čisté vody, s formulačním kotlem na výrobu sterilního média a produktovody ze zpracovatelskou linkou

heterotrofní kultivace - reaktory objemu 20 litrů a 300 litrů (firma B-braun Biotech, Německo) jsou napojeny na rozvod čisté vody, technické páry, formulační kotel a zpracovatelskou linku Zpracovatelská linka • •

je napojena na autotrofní i heterotrofní kultivace sestává se z kontinuální centrifugy, chladících boxů, desintegrátoru biomasy a sprejové sušárny

vyústění ze sprejové sušárny je přímo v čistém prostoru pro zpracování biomasy Čistý prostor třídy C • • •

s odděleným Flowboxem zajištujícím třídu A čistý prostor rozměru 18,35 m2 je s technologickou halou propojen materiální a personální propustí, parním sterilizátorem a horkovzdušným sterilizátorem v prostoru je umístěn laboratorní stůl, flowbox Biohazard, chemická lednice a 2 bioinkubátory pro kultivaci a uchování vzorku

17

Bioplyn - možnosti využití v ČR Zpracoval: Ing. Miroslav Kajan Anaerobní fermentace je souborem několika dílčích, na sebe navazujících procesů, (hydrolýza, acidogeneze, acetogeneze, metanogeneze), při nichž směsná kultura mikroorganismů postupně rozkládá biologicky rozložitelnou organickou hmotu bez přístupu vzduchu. PRODUKTY směs plynů – bioplyn (CH4, CO2, H2, N2, H2S) nerozložený zbytek organické hmoty + původní minerální složky

Výhody anaerobní fermentace Produkce bioplynu (50% – 70% metanu) Produkce organického hnojiva Snížení zápachu produktu Snížení obsahů zvířecích patogenů a semen plevelů Pokles emisí skleníkových plynů v průběhu skladování a aplikace. Možnost kofermentace organických materiálů

Zdroje výroby bioplynu Skládky Komunální ČOV s anaerobní stabilizací kalu

Průmyslové ČOV s anaerobním čištěním 18

Zemědělské bioplynové stanice

Centralizované bioplynové stanice (ČR – koncentrovaná výroba) nižší jednotkové ceny investic efektivnější využití investic (cisterny, dopravní prostředky atd.) kvalifikovanější obsluha bioplynové stanice vzhledem k vyšší produkci bioplynu, možnost komplexnějšího uplatnění přebytků tepla a elektrické energie vyrovnanější kvalita anaerobně stabilizovaného odpadu úspora stavebních pozemkůn snazší dostupnost úvěrů a dotací Suchá fermentace Výhody : Podstatně nižší investiční náročnost. Vysoká spolehlivost – minimum točivých elektrických strojů. Nízké provozní náklady – nižší spotřeba elektřiny, servisní náklady, apod. Nižší vlastní spotřeba tepla (20-30%) = vyšší ekonomický přínos za přebytky tepla. Žádná/minimální spotřeba vody. Možnost efektivního řízení anaerobního procesu. Modulární systém výstavby = snadné rozšiřování kapacit. Možnost zpracovávat široký sortiment biomasy (obsah organické sušiny 25-60%) Nevýhody : Diskontinuelní provoz (omezení nevýhody členěním reakčního objemu do více reakčních komor). Neexistence tuzemského výrobce a tuzemských referencí.

19

Složení zemního plynu vs. bioplyn

Současné podmínky pro rozvoj bioplynových stanic v ČR Závazek ČR – 8 % elektřiny z OZE Zákon 180/2005 (připojení na el. síť, 15 let zaručená výkupní cena +/- 5%) ERÚ – 2,98 Kč/kWh (cca 0,1 Euro), + decentralizace, + teplo z KJ Investiční dotace OPPP - max. 46 %, max 30 mil. Kč

20

Energie vodních toků Jan Pokorný, ENKI, o.p.s. Bořivoj Šourek, ČVUT v Praze SOLab

Energie vodních toků je vlastně energií sluneční Sluneční energií se vypařuje voda, vodní pára stoupá vzhůru, sráží se a srážky sytí prameny

SOLab

Výhody a nevýhody vodních elektráren • • • • •

SOLab

energie vodních toků se počítá k obnovitelným zdrojům - nelze ji vyčerpat. Zároveň její provoz minimálně znečišťuje okolí. Vodní elektrárny vyžadují minimální obsluhu i údržbu a lze je ovládat na dálku. Mohou startovat během několika sekund. Lze je využít oj k pokrytí okamžitých nároků na výrobu elektrické energie. Nevýhodou je značná cena a čas výstavby a nutnost zatopení velkého území. Neopomenutelná je závislost na stabilním průtoku vody.

Výhody a nevýhody vodních elektráren • Přehradní hráz dokáže zabránit i menším povodním, velké katastrofální povodně však ovlivňuje velmi málo • Přehradní hráze a jezy brání běžnému lodnímu provozu na řece, je nutno vybudovat systém plavebních komor resp. zdymadel • Přehradní jezera mohou sloužit i pro jiné další účely, zejména jako zdroje pitné či užitkové vody. • Bariéra pro tažné rybyrybolov SOLab

Orientační výpočet výkonu • Uvádíme dva příklady pro základní představu: Při spádu 1,5 m a průtoku 1 m3/s lze očekávat výkon asi 7 kW. Při spádu 50 m a průtoku 10 l/s (0,01 m3/s) lze odhadnout výkon na 3 kW. • Výpočet: • Výška vodního sloupce (m) x průtok v m3 x gravitační zrychlení (9,8) x účinnost

SOLab

Práce a výkon Ai = V .ρ.g. ( hA -hB ) = V .ρ. ( E A -EB ) V=S.a (m3) kde S je průřez koryta (m2), a šířka vytknutého elementu (m).

Pi = kde

Ai

=

τ

τ M

V ⋅ρ

τ je

⋅ g ⋅ ( hA − hB ) = M ⋅ g ⋅ ( hA − hB )

doba průtoku z bodu A do bodu B (s), hmotnostní průtok kapaliny (kg/s).

Qz + Qk Pi = ⋅ ρ ⋅ g ⋅ ( H z − Hk ) 2 SOLab

Třídění malých vodních elektráren HLEDISKO: • Instalovaný výkon malé vodné elektrárny (do 10 MW): – – – –

•

průmyslové (nad 1 MW) minielektrárny, též drobné elektrárny (do 1 MW) mikrozdroje (do 100 kW) domácí (do 35 kW)

Možnosti hospodaření s vodou: – průtočné (průběžné) bez akumulace vody, využívající přirozený průtok až do maximální hltnosti turbin) – akumulační (s přirozenou nebo umělou akumulací, se schopností odběru vody podle potřeby energie po určitý čas)

•

Velikost spádu: – nízkotlaké (spád do 20 m) – středotlaké (spád do 100 m) – vysokotlaké (spád nad 100 m)

SOLab

Pomocné třídění • podle použitelného typu turbíny s: – přímoproudou turbínou, – kašnovou turbínou, – turbínou Bánki atd.

• podle použitelného typu generátoru: – synchronní, – asynchronní.

• podle stupně automatizace zdroje: – zdroje vyžadující obsluhu, – bezobslužné (s periodickou kontrolou). SOLab

•

Podle hydrologických podkladů se vypočítávají výkony pro dvě hodnoty průtoku: • Q50% - střední průtok s 50 % pravděpodobností překročení, • Q95% - minimální průtok s 95 % pravděpodobností překročení. Teoretická denní zásoba vodní energie toku pak je: n (J/den) A = 3600 ⋅ 24 ⋅ ∑ Pi 50% i =1

n

•

kde je ∑ P

•

Teoretická roční zásoba vodní energie toku se určí ze vztahu n (Wh, kWh, MWh/rok) Ar = 8760 ⋅ ∑ Pi 50%

i =1

i 50%

i =1

SOLab

(W) součet výkonů všech úseků vodního toku.

Základní typy vodních děl

Obr. 4.6 – Základní varianty řešení hydroenergetických děl a) přehradní,

b) jezová,

c) derivační

1 – koryto řeky, 2 – vzdouvací zařízení, 3 – elektrárna, 4 – derivační přiváděč

SOLab

SOLab

Přečerpávací vodní elektrárny • Jelikož se el. en.nedá nijak skladovat, používá se vody k její přeměně na energii elektrickou a naopak. • Pokud je spotřeba elektrické energie minimální (tj. je jí v napájecí soustavě přebytek), soustrojí plní horní nádrž přečerpávací elektrárny vodou z dolní nádrže, systém spotřebovává elektrickou energii z elektrorozvodné sítě. Spotřebovává tak obvykle elektrickou energii vyrobenou z jiných zdrojů, zpravidla se jedná o energi z tepelných či jaderných elektráren. elektráren. SOLab

Přečerpávací vodní elektrárny •

SOLab

Voda z horní nádrže je v tomto případě řízeně vypouštěna do dolní nádrže přes turbíny elektrárny.Akumulovaná potenciální energie vody je tím vlastně přeměňována zpět na energii elektrickou, která se tak opožděně vrací zpět do elektrorozvodné sítě.

Malé vodní elektrárny • Jako malé vodní elektrárny se označují vodní elektrárny s instalovaným výkonem maximálně do 10 MW. Malé vodní elektrárny se většinou budují v místě bývalých mlýnů a jezů.

SOLab

Zákon 180/2005 Sb • Zákon o podpoře výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů. • Energetický regulační úřad stanovuje každoročně minimální výkupní cenu elektrické energie z obnovitelných zdrojů • www.eru.cz • správní předpisy SOLab

KRAJINA , VODA ENERGIE

Jan POKORNÝ - ENKI, o.p.s., Třeboň

Lovec sběrač 2 miliony let

Domestikace zvířat: - pes (před 50 000 lety) - prase (před 10 000 lety) - koza (před 8 000 lety)

PRVNÍ PLODINY

Blízký a Stř. Východ pšenice a ječmen Čína a JV Ásie proso a rýže

SUMER a MEZOPOTÁMIE (Irák, Jordánsko, Sýrie)

Zavlažovací systémy Vyčerpání krajiny, zasolení Eridu (sídlo boha ENKI)

ODVODNĚNÍ KRAJINY

VODA V KRAJINĚ

SOLÁRNÍ KONSTANTA 1400 W.m-2

ATMOSFÉRA

Mírné pásmo: max. 1000 W.m-2 1000 – 1200 kWh. m-2.rok-1 6 – 8 kWh.m-2.den-1

ZEMSKÝ POVRCH

ÚČINNOST PŘEMĚNY SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ Přírodní systémy

Fotosyntéza……

Technické systémy

10 %

Fotovoltaika …… 15 %

2%

Fotothermal …… 40 %

1%

Fresnelovy č. …. 12 %

(ATP, NADPH)

Fotosyntéza…… (tvorba cukrů)

Fotosyntéza…… (tvorba biomasy)

Produkce………. biomasy

0,5 %

LATENTNÍ TEPLO

MODEL OBNOVY KOLOBĚHU VODY V POVODÍ

MODEL OBNOVY KOLOBĚHU VODY V POVODÍ

VELKÁ NADNÁRODNÍ ORGANIZACE poptává: - klimatizační systém, - plně automatický, solární, pro venkovní použití, tichý – pouze z plně recyklovatelného materiálu, - s kontinuální regulací, - minimální údržba, - výkon v desítkách kW, - požadovaná záruka minimálně 80 let.

Stabilita energetických systémů nebo chaos?

1

Stabilita energetických systémů nebo chaos? Ing. Ivan Beneš, CityPlan spol. s r.o. Technologie udržitelného rozvoje Nové Hrady, 10. července 2008

Obsah prezentace

Přesvědčivost argumentace ve prospěch OZE

• Přesvědčivost argumentace ve prospěch OZE

2

― Boření mýtů o OZE

• Nejistota v oblasti světové bezpečnosti • Adaptace na OZE je pro přežití evropské civilizace nezbytná • Jak na to?


3

Přesvědčivost argumentace ve prospěch OZE Boření mýtů o OZE


Nejdůležitější přírodní energetickou infrastrukturou je Slunce a Země

4

Jsme částečka Vesmíru, Země nám půjčuje atomy, Slunce nám dává energii

ilustrace naší hmotné závislosti na Zemi a energetické na Slunci (Josip Kleczek)

Teplo povrchu Země je pohlcená sluneční energie snímek z několika družic dne 26.1.1997 (NOAA)


Teploty moře, pevniny a oblaků: průměr je +18 °C Bez Slunce by teplota byla - 263 °C

5


Umělá energetická infrastruktura vytvořená lidmi

6

Sluneční energie je čistá jaderná energie

Rozhraním mezi obnovitelnými a neobnovitelnými zdroji energie je doba lidské civilizace obnovitelné zdroje

7 000 000 000 roků 85 roků

bydlení

elektrárny

jaderná energie

155 roků doprava

teplárny

neobnovitelné zdroje

uhlí

67 roků

terciér

zemní plyn

zemědělství

42 roků průmysl

rafinerie

ropa

potřeby lidí Ekonomický, sociální, environmentální a bezpečnostní rozměr ⇒ udržitelný rozvoj

Stará a znečištěná sluneční energie z pravěku

Energie, s kterou se obchoduje, činí zanedbatelné množství, ale znamená obrovskou finanční sílu Přesvědčivost argumentace ve prospěch OZE

Disponibilní primární energie

0,0075% činí komoditní byznys

Vojensky strategická surovina sluneční záření

99,9925%

0,0030%

ropa

0,0022%

uhlí

0,0018%

zemní plyn

0,0006%

Finanční síla: >100 x státní rozpočet ČR

7

jaderná energie

Současná bilance


uran

8

zemní plyn uhlí ropa spotřeba energie - svět energie z orné půdy není schopna pokrýt naši energetickou potřebu, navíc nás musí uživit

0

100

200

300

400

exajoule (miliard GJ) / rok

500

600

Elektřina nás bude odlišovat od pre-industriální společnosti


přechodné období levné fosilní energie

9

převažuje obchod převažuje hospodaření s energií -4000

-3500

-3000

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

cílem znovu hospodaření 1000

OZE, hospodárné zacházení se zdroji

Jaký je horizont cílů výzkumu? 30 let? 100 let?

1500

2000

2500

3000

3500

elektřina

4000 4500 5000

Kolik elektřiny lze získat z 1 m2 plochy Zisk elektřiny z 1 m2 plochy

350

biomasa, slunce - každoroční výtěžek elektřiny uhlí, uran - za dobu životnosti zásob

300

koncentrační sluneční elektrárny

250 kWh/m2


400

slunce

200

uhlí

150 100

fotovoltaické panely

uran

9 mld. tun 300 km2

50

10

biomasa

0 obdělávaná půda

lesy mírného povrchové doly pásma ČR

polopouště

uran v moři


S určitou nadsázkou lze říci, že těžba v povrchových dolech dělá ze zelené krajiny poušť a CSP naopak z pouště umělou oázu.

11

Za 200 let 120 kWh/m2

Každý rok 340 kWh/m2


12

Nejistota v oblasti světové bezpečnosti 3 otázky

1. Je pro světovou populaci …


SA

13

LA

Čína MENA

Indie

EU USA

Rusko

… a očekávaný růst HDP dost energie? Přesvědčivost argumentace ve prospěch OZE

Současných fosilních a jaderných zdrojů nikoliv

14

!

2. Mohou obyvatelé Země žít jako my v ČR či američané?


uran

Se současnými fosilními a jadernými zdroji nikoliv

zemní plyn uhlí ropa spotřeba energie - svět energie z orné půdy svět jako ČR svět jako USA 0

15

500

1 000

1 500

exajoule (miliard GJ) / rok

2 000

3. Převáží snaha řešit situaci silou?


Svět očekává odpověď od nového presidenta USA

16

Pramen: Int’l Herald Tribune


Energetické centrum světa, suverenita klíčových hráčů, Carterova doktrína

17

Rusko

USA Čína Indie

Let our position be absolutely clear: An attempt by any outside force to gain control of the Persian Gulf region will be regarded as an assault on the vital interests of the United States of America, and such an assault will be repelled by any means necessary, including military force. (J. Carter, 23.1.1980 )


Centrum konfliktu o ropu

18


19

Adaptace na OZE je pro přežití evropské civilizace nezbytná


V čem spočívá nejistota budoucnosti a v čem se liší pohled politiků a geologů

20

• Řada zemí v údajích o rezervách nerozlišuje mezi ověřenými, pravděpodobnými a možnými rezervami (3P = Proven + Probable + Possible) • Oficiální údaje jsou tedy mixem nesourodých údajů • Rozdíl mezi 3P a 2P je fatální

Víra v 3P = (Proven + Probable + Possible) umožňuje plánovat růstovou ekonomiku

Skepse 2P = (Proven + Probable) vyžaduje od ekonomiky adaptační opatření


Peak oil?

21 politici geologové


Peak gas?

politici

geologové

Investiční cyklus plynové elektrárny

5 + 15 let

22

Těžba uhlí v ČR

Peak coal?

100 90 80

mil.t/rok

70 60 50 40 30 20


10 0 1870

1890

1910

1930

černé uhlí

10 + 30 let

23

1950

Investiční cyklus uhelné elektrárny

1970

1990

hnědé uhlí

2010

2030

2050

Peak uranium?


politici

24

geologové

15 + 60 let Investiční cyklus jaderné elektrárny


Není jisté, jaký bude tvar konce uhlíkové energetiky, ani doba

25


Adaptace na post-karbonovou ekonomiku je pro Evropu nutností

Bezuhlíková ekonomika OZE & nové generace JE

Řízená transformace či chaos?

Business as usual

26

Source: Chalmers University

Pilotní projekt DESERTEC představen v parlamentu EU dne 28.11.2007


1% území pouští = elektřina pro 10 mld. obyvatel

Svět EU-27

.

ČR

13 x 13 km

27

http://www.desertec.org/


Situace našich dětí (a EU) je obtížná: Konfliktní zápas o zbývající ropu Spolupráce s arabskými zeměmi

28

40 let 7 000 000 000 let

Potřebujeme patrně nejen růstové ale i krizové scénáře politici Přesvědčivost argumentace ve prospěch OZE

geologové

29

?


Měli bychom připravit „žíněnku“ pro přežití možných krizových situací

30

ost n v i ekt ovách zace f e ká v bud ntrali c i t rge pory dece hlí e u n y s e ú E, ob s OZ á í z y ČR c í j va ní les ý b t z stá

31 Stabilita energetických systémů nebo chaos?

Jak na to ?

5 + 1 Globalní hrozby


1. Soupeření o zdroje

32

2. Klimatické změny 3. Marginalizace většiny obyvatel Země 4. Mezinárodní terorismus 5. Globální militarizace + (6) Potravinová krize

Globální nebezpečí a nejistoty Riziko mezinárodního napětí a násilných konfliktů


Příklad vzájemných vazeb

33

(Oxford Research Group, 2008)

Posilující vazby světové nestability


+ Hrozba klimatické změny Globální militarizace Zápas o zdroje

Globální růst: poptávka po ropě, vodě & a půdě

Mezinárodní terorismus Marginalizace světové majority

-

Čína & Indie ekonomický růst

Cena ropy & potravin

34

(Igor Matutinović, 2008)

Produkce biopaliv

Adaptační proces tažený cenou ropy


Vysoká tržní cena

35

+

+

Cena dopravy +

+

Omezení vládních dotací

Přesměrování daní na jiné společnské cíle Marginalizace chudých

60% spotřeby ropy

-

Globální obchod -

Veřejná doprava

Individuální doprava

Investice do nových technologií + -

Globální růst -

Emise sklen. plynů Poptávka po zdrojích Globální oteplení -

(Igor Matutinović, 2008)

Pro rozjetí zmírňovacího procesu je třeba 20 let! (Hirsch 2005)

Zdroje konfliktů


Snížení / stabilizace materiálové náročnosti Západu

36

Omezení energetických a materiálových vstupů

Omezení pracovního týdne

_

_ Snížení poptávky po spotřebním zboží

+

Snížená materiálové náročnosti, odpadů a emisí

Zprostředkování pomocí tržních sil DE-GROWTH Zmírnění lidského vlivu na globální ekosystémy a klima (Igor Matutinović, 2008)


Summary for an Orderly Descent

37

1. Make beneficial descent the collective purpose for this century. 2. Dedicate television drama, literature, and art to adventures about descent. 3. Accept a small annual decline in energy use. 4. Maintain a stable energy use per person by reducing populations in a humanitarian way. 5. Remove all incentives, dogma, and approval for excessive reproduction. 6. Reduce salaries and wages to maintain full employment. 7. Keep the energy/money ratio stable by adjusting the money in circulation.


Summary for an Orderly Descent

38

8. Borrow less and reduce high profit expectations from stock markets. 9. Develop economic incentives for reducing consumption. 10. Develop public opinion, laws, and taxes to discourage unproductive resource use. 11. Sustain the production of the environment. 12. Consolidate knowledge for long-term preservation. 13. Prioritize the concepts of international respect and cooperation for global sharing.

Energie Slunce. Typy slunečních kolektorů. Zhodnocení účinnosti teplovodních solárních kolektorů

Recommend Documents