Projekt „Zlepšování podmínek pro výuku technických oborů na Střední škole informačních technologií a sociální péče, Brno, Purkyňova 97“ Číslo projektu: CZ.1.07/1.1.02/02.0158
Energie větru, vody, biomasy
Učebnice Průmyslové ekologie 3. Díl Zpracovali:
Ing. Jiří Studeník Mgr. Michal Svitavský Brno, únor 2012
Tato učebnice vznikla v rámci projektu „Zlepšování podmínek pro výuku technických oborů na Střední škole informačních technologií a sociální péče, Brno, Purkyňova 97“, číslo projektu CZ.1.07/1.1.02/02.0158.
2
Autoři učebnice Ing. Jiří Studeník, učitel elektroniky, výpočetní techniky a praktických cvičení zpracoval text : 1. „Využití větrné energie“ kap. 7 – 9 2. „Využití vodní energie“ kap. 10 – 15 Mgr. Michal Svitavský, učitel ekologie, biologie a tělesné výchovy zpracoval text : 1. „Využití větrné energie“ kap. 1 – 6 2. „Biomasa a její využití“ kap. 16 – 22
Údaje o škole Střední škola informačních technologií a sociální péče, Brno, Purkyňova 97 Purkyňova 97 612 00 Brno Internetové stránky www.sspbrno.cz
E-mail š
[email protected]
Telefon 541 649 111
© Střední škola informačních technologií a sociální péče, Brno, Purkyňova 97 3
Obsah „Využití větrné energie“ Úvod ...................................................................................................................................... 12 1 Vznik a rychlost větru ....................................................................................................... 13 2 Historie využití větrné energie ......................................................................................... 15 3 Větrné elektrárny .............................................................................................................. 16 3.1 Malé větrné elektrárny .............................................................................................. 16 3.2 Stavba malé větrné elektrárny .................................................................................. 16 3.3 Výkon ........................................................................................................................ 16 3.4 Využití získané energie.............................................................................................. 17 3.5 Legislativa pro provoz malé větrné elektrárny.......................................................... 17 4 Velké větrné elektrárny ..................................................................................................... 18
4.1 Charakteristika .......................................................................................................... 18 4.2 Větrné elektrárny ve světě ......................................................................................... 19 4.3 Větrné elektrárny v ČR ............................................................................................. 19 5 Větrné elektrárny a životní prostředí .............................................................................. 21
5.1 Hluk ........................................................................................................................... 21 5.2 Vliv na krajinu........................................................................................................... 22 5.3 Vliv na zvěř a ptactvo ............................................................................................... 22 5.4 Stroboskopický efekt ................................................................................................. 23 5.5 Vliv na televizní a radiový signál.............................................................................. 23 5.6 Vliv na klima ............................................................................................................. 23 6 Legislativa výstavby větrných elektráren ....................................................................... 24
4
7 Technická problematika větrných motorů ..................................................................... 25 7.1 Větrné motory ........................................................................................................... 26 7.1.1 Rozdělení větrných motorů ...................................................................... 26 7.1.2 Odporové větrné motory .......................................................................... 26 7.1.3 Vztlakové větrné motory .......................................................................... 27 8 Technická problematika větrných elektráren ................................................................. 34 8.1 Druhy větrných elektráren ........................................................................................ 34 8.1.1 Mikroelektrárny ....................................................................................... 34 8.1.2 Malé a střední elektrárny ........................................................................ 35 8.1.3 Velké elektrárny ....................................................................................... 36 8.2 Popis částí a funkce větrné elektrárny....................................................................... 37 8.2.1 Obecné schéma velké větrné elektrárny .................................................. 37 8.2.2 Schéma gondoly velké větrné elektrárny dánské firmy ............................ 38 8.2.3 Automatická regulace .............................................................................. 39 8.2.4 Integrovaný systém řízení ........................................................................ 39 9 Trendy v koncepci větrných elektráren ........................................................................... 40 9.1 Snižování nákladů na realizaci větrných elektráren .................................................. 40 9.2 Větrné věže................................................................................................................ 41 Závěr ...................................................................................................................................... 42 Použitá literatura a zdroje informací ................................................................................. 43
5
Obsah „Využití vodní energie“ Úvod ....................................................................................................................................... 46 10 Vodní motory ................................................................................................................... 48 10.1 Princip vodního motoru........................................................................................... 48 10.1.1 Rozdělení vodních motorů ..................................................................... 49 10.2 Vodní kola ............................................................................................................... 50 10.2.1 Všeobecná charakteristika vodních kol ................................................. 50 10.2.2 Rozdělení vodních kol ............................................................................ 50 10.2.3 Vodní kola lopatková ............................................................................. 54 10.2.4 Vodní kola korečková ............................................................................ 58 10.3 Vodní turbíny .......................................................................................................... 59 11 Technická problematika vodních motorů ..................................................................... 63 11.1 Vodní turbíny ......................................................................................................... 63 11.1.1 Úvod do vodních turbín ......................................................................... 63 11.1.2 Akční rovnotlaké turbíny ....................................................................... 63 11.1.3 Reakční přetlakové turbíny .................................................................... 64 11.1.4 Výkon vodních turbín ............................................................................. 64
6
12 Typy turbín ...................................................................................................................... 65 12.1 Francisova turbína ................................................................................................... 65 12.1.1 Historie Francisovy turbíny................................................................... 65 12.1.2 Princip činnosti Francisovy turbíny ...................................................... 66 12.1.3 Použití Francisovy turbíny .................................................................... 67 12.2 Kaplanova turbína ................................................................................................... 67 12.2.1 Historie Kaplanovy turbíny ................................................................... 67 12.2.2 Princip činnosti Kaplanovy turbíny ...................................................... 69 12.2.3 Použití Kaplanovy turbíny ..................................................................... 70 12.3 Peltonova turbína ................................................................................................... 70 12.3.1 Historie Peltonovy turbíny..................................................................... 70 12.3.2 Princip činnosti Peltonovy turbíny ........................................................ 71 12.3.3 Použití Peltonovy turbíny ...................................................................... 72 12.4 Bánkiho turbína ....................................................................................................... 72 12.4.1 Historie Bánkiho turbíny ....................................................................... 73 12.4.2 Princip činnosti Bánkiho turbíny .......................................................... 73 12.4.3 Použití Bánkiho turbíny ......................................................................... 73 12.5 Savoniova turbína.................................................................................................... 73 12.5.1Princip činnosti Savoniovy turbíny......................................................... 74 12.5.2Použití Savoniovy turbíny ...................................................................... 75
7
13 Vodní elektrárny ............................................................................................................. 77 13.1 Členění vodních elektráren .................................................................................... 77 13.2 Podle získaného spádu ............................................................................................ 77 13.3 Podle velikosti využívaného spádu ......................................................................... 78 13.4 Podle způsobu provozu ........................................................................................... 78 13.5 Podle velikosti měrné energie ................................................................................ 79 13.6 Podle velikosti instalovaného výkonu ..................................................................... 79 13.7 Podle obchodního označení..................................................................................... 79 14 Druhy vodních elektráren .............................................................................................. 80 14.1 Domácí mikroelektrárny ........................................................................................ 80 14.2 Mikroelektrárny....................................................................................................... 80 14.3 Minielektrárny ......................................................................................................... 80 14.4 Průmyslové elektrárny ............................................................................................ 80 15 Závěr ................................................................................................................................. 81 15.1 Srovnání vodních kol s turbínami ........................................................................... 81 15.2 Zhodnocení .............................................................................................................. 81 Použitá literatura, zdroje a obrázky ................................................................................... 82
8
Obsah „Biomasa a její využití“ Úvod ....................................................................................................................................... 84 16 Tok energie v biosféře ..................................................................................................... 84 16.1 Produkce biomasy ................................................................................................... 85 16.1.1 Primární produkce ................................................................................. 85 16.1.2 Sekundární produkce ............................................................................. 85 16.2 Produktivita biomasy .............................................................................................. 85 17 Využití biomasy ............................................................................................................... 86 17.1 Potravinářské využití biomasy ................................................................................ 86 17.2 Energetické využití biomasy ................................................................................... 86 17.3 Další využití biomasy.............................................................................................. 87 17.4 Zdroje biomasy........................................................................................................ 87 17.4.1 Zemědělská biomasa .............................................................................. 88 17.4.1.1 Rychle rostoucí dřeviny .......................................................... 88 17.4.1.2 Cíleně pěstované plodiny ........................................................ 88 17.4.1.3 Vedlejší zemědělské produkty .................................................. 89 17.4.2 Lesní biomasa – dendromasa ............................................................... 90 17.4.2.1 Palivové dřevo ......................................................................... 90 17.4.2.2 Zbytková lesní biomasa ........................................................... 91 17.4.3 Zbytková odpadní biomasa .................................................................... 92 17.4.4 Další biomasa k energetickému využití ................................................. 92 17.4.4.1 Řasy ......................................................................................... 92 17.5 Produkty z biomasy určené k vytápění ................................................................... 93 17.5.1 Polenové dřevo ...................................................................................... 93
9
17.5.2 Štěpka..................................................................................................... 94 17.5.2.1 Zelená štěpka ........................................................................... 94 17.5.2.2 Hnědá štěpka ........................................................................... 94 17.5.2.3 Bílá štěpka ............................................................................... 94 17.5.3 Piliny a hobliny ...................................................................................... 94 17.5.4 Brikety .................................................................................................... 94 17.5.5 Pelety ..................................................................................................... 95 17.5.6 Slámové balíky ....................................................................................... 95 17.5.7 Kapalná paliva .................................. Chyba! Záložka není definována. 17.6 Mechanizace pro pěstování, sklizeň, úpravu a přepravu biomasy .......................... 96 17.6.1 Prostředky pro pěstován ........................................................................ 96 17.6.2 Prostředky pro sklizeň ........................................................................... 96 17.6.3 Prostředky na úpravu biomasy .............................................................. 97 17.7 Výhody a nevýhody energetického využívání biomasy.......................................... 97 17.7.1 Výhody využívání biomasy ................................................................... 98 17.7.2 Nevýhody využívání biomasy ............................................................... 98 18 Výroba elektřiny z biomasy ............................................................................................ 99 18.1 Kogenerace .............................................................................................................. 99 18.2 Výroba a využití dřevoplynu ................................................................................... 99 19 Biotechnologické využití bioplynu............................................................................... 100 19.1 Charakteristika bioplynu ....................................................................................... 100 19.2 Zdroje na výrobu bioplynu .................................................................................... 100 19.3 Vznik bioplynu ..................................................................................................... 101 19.3.1 Chemické reakce vedoucí k tvorbě bioplynu ..................................... 101 19.3.2 Schéma bioplynové stanice ................................................................. 102 19.3.3 Technologie k výrobě bioplynu. .......................................................... 105
10
19.3.4 Faktory mající vliv na kvalitu bioplynu ............................................... 107 19.3.5 Úprava bioplynu .................................................................................. 108 19.4 Využití bioplynu ................................................................................................... 108 20 Výroba motorových paliv z biomasy ........................................................................... 110 20.1 Technologický postup pro výrobu motorových paliv II. Gene ............................. 110 20.2 Motorová paliva vyrobená z biomasy .................................................................. 111 21 Využití bioodpadu ......................................................................................................... 114 21.1Kompostování ........................................................................................................ 114 21.1.1 Humus a jeho význam ......................................................................... 114 21.1.2 Jednotlivé fáze kompostování .............................................................. 114 21.1.3 Způsoby kompostování ....................................................................... 115 21.1.3.1 Domácí kompostování .......................................................... 115 21.1.3.2 Komunitní kompostování ..................................................... 116 21.1.3.3 Komunální kompostování .................................................... 116 21.2Čistírenské kaly ...................................................................................................... 117 21.2.1 Způsoby likvidace a využití čistírenských kalů ................................... 117 21.2.2 Technické postupy umožňující lepší využití kalů ............................... 118 22 Legislativa pro využívání biomasy .............................................................................. 120 22.1 Hlavní zákony, vyhlášky a směrnice pro podnikání s biomasou ......................... 120 22.1.1 Zákony pro podnikání s biomasou ...................................................... 120 22.1.2 Vyhlášky a směrnice pro podnikání s biomasou .................................. 121 22.2 Možnosti čerpání státní podpory při výrobě elektřiny .......................................... 121 22.2.1 Zelený bonus ........................................................................................ 121 22.2.2 Podpora formou výkupních cen ........................................................... 122 22.3 Dokumenty potřebné k podnikání v oblasti energetiky z OZ ................................ 122 Závěr .................................................................................................................................... 122 Použitá literatura, zdroje a obrázky ................................................................................. 125
11
Využití větrné energie
Zdroj: Zeitschrift Mobil 05.2011
Úvod Větrná energie patří mezi obnovitelné zdroje energie, jejichž využití má značný význam pro energetickou strategii Země do budoucna. Ve větru na Zemi je obsaženo 35 krát více energie, než spotřebovává celé lidstvo. Část této obrovské energie může být využita ve větrných elektrárnách. Jen evropské větrné elektrárny ročně vyrábí zhruba 50 TWh elektřiny, což odpovídá 20 miliónům tun spáleného uhlí, které by bylo nutné převézt 800 000 nákladními automobily nebo 20 000 železničními vagóny. Navíc se tím ušetří zhruba 30 milionů tun CO2 ročně, které by tím uniklo do ovzduší. Provoz větrných elektráren je vhodný všude tam, kde roční průměrná rychlost větru je vyšší než 4 m/s.
12
1.
Vznik a rychlost větru Vítr je pohyb vzduchu, který vzniká při nerovnoměrném ohřívání zemského povrchu
v důsledku působení slunečního záření. Na jeho proudění má vliv rozdílná teplota ve dne v noci, v různých nadmořských výškách, nad lesem či polem, nad městem či volnou krajinou, nad pevninou či nad mořem. Na rozdílnou teplotu vzduchu, tedy i na jeho pohyb má vliv i zabarvení zemského povrchu. Beaufortova stupnice rychlosti větru na souši
Tabulka 1: Stupeň
Vítr
Rychlost m/s
km/h
Na souši
0
Bezvětří
< 0,5
<1
Kouř stoupá kolmo vzhůru
1
Vánek
1,25
1–5
Směr větru poznatelný podle pohybu kouře
2
Větřík
3
6–11
Listí stromů šelestí
3
Slabý vítr
5
12–19
Listy stromů a větvičky v trvalém pohybu
4
Mírný vítr
7
20–28
Zdvihá prach a útržky papíru
5
Čerstvý vítr
9,5
29–39
Listnaté keře se začínají hýbat
6
Silný vítr
12
40–49
7
Mírný vichr
14,5
50–61
8
Čerstvý vichr
17,5
62–74
9
Silný vichr
21
75–88
10
Plný vichr
24,5
89–102
11
Vichřice
29
103–114
Působí rozsáhlá pustošení
12–17
Orkán
30
> 117
Ničivé účinky (odnáší střechy, hýbe těžkými předměty)
13
Telegrafní dráty sviští, používání deštníků je nesnadné Chůze proti větru je nesnadná, celé stromy se pohybují Ulamují se větve, chůze proti větru je normálně nemožná Vítr strhává komíny, tašky a břidlice se střech Vyvrací stromy, působí škody na obydlích
Beaufortova stupnice rychlosti větru na moři
Tabulka 2: Stupeň
Rychlost m/s km/h
Vítr
Hladina moře
Výška vln [m]
0
Bezvětří
<1
<1
Zrcadlo
< 0,03
1
Vánek
1–3
1–5
Vlnky
0,03
2
Větřík
4–6
6–11
Světlejší hřbety vln
0,13
3
Slabý vítr
7–10
12–19
Lom vln
0,3–0,7
4
Mírný vítr
11–16
20–28
Místy bílé hřebeny
0,6–1,2
5
Čerstvý vítr
17–21
29–39
Nad vlnami vodní tříšť
1,2–2,4
6
Silný vítr
22–27
40–49
Silná vodní tříšť
2,4–4,0
7
Mírný vichr
28–33
50–61
Bílá pěna na vlnách
4–6
8
Čerstvý vichr 34–40
62–74
Bílá pěna na vlnách
4–6
9
Silný vichr
41–47
75–88
Vysoké rolující vlny
6
10
Plný vichr
48–55
89–102
Přepadající hřebenatky
6–9
11
Vichřice
56–62
103–114
Vlny pokryté pěnou
9–14
12–17
Orkán
> 62
> 117
Vlnobití, pěna ve vzduchu > 14
Pozn.:
Francis Beafort [boufért] – britský námořník, v roce 1935 sestavil jednoduchou tabulku síly větru, která doznala časem řadu úprav, z nichž byla formulována v roce 1946.
14
2.
Historie využití větrné energie Člověk využíval síly větru už v dávné minulosti. První zmínka o větrných mlýnech
sahá už do 1. století n. l. v Alexandrii. V Evropě je první zmínka z roku 1180 a v naší republice se poprvé objevily ve 13. století. Mlely obilí, čerpaly vodu, řezaly dřevo atd. V mořeplavbě se vítr opíral do plachet lodí a tím je popoháněl. Tato zařízení dnes patří do technického archívu, větrné mlýny jsou až na výjimky přestavěny na turistické atrakce, čerpadla pracují na elektřinu, lodní doprava není na větru závislá. Síla větru z přírody ale nevymizela a člověk ji začal využívat na výrobu elektřiny. První zařízení na výrobu elektřiny z větrné energie se začala objevovat už před sto lety. Větší větrné elektrárny vznikly ve Spojených státech v 80. letech minulého století a postupně se rozšířily do celého světa. Dnes je větrná energie využívána v tzv. malých větrných elektrárnách (mikroelektrárny) a ve větších větrných elektrárnách, jejichž uskupením vznikají větrné farmy (5 a více větrníků).
Zařadit studentům do výuky mediální ukázku historického využití větrné energie-větrné mlýny, plachetnice, (CD-disk,…). Seznámit studenty ukázkami, statistikami s ničivou sílou větru v přírodě(krajina, města po větrných kalamitách).
15
3.
Větrné elektrárny
3.1
Malé větrné elektrárny Malé větrné elektrárny se používají především jako doplňkový zdroj energie a také
tam, kde je obtížné přivézt rozvodnou elektrickou síť. Nejmenší stroje dosahují výkonů zhruba 60 – 1200 W. Elektrárna o výkonu 1000 W začíná pracovat při rychlosti větru cca 4 m/s a svého plného výkonu dosahuje při 10 m/s. Za rok při průměrných větrných podmínkách (4 m/s) vyrobí asi 2000 kWh. Tato zařízení lze využít např. na dobíjení akumulátoru, na práci vodního čerpadla či jiného mechanického stroje, ale lze je využít i pro dodávku vyrobené energie do rozvodné sítě. Výhodou pro instalaci malé větrné elektrárny je skutečnost, že její provoz může být efektivní i v menší nadmořské výšce než se doporučuje pro větší větrníky. Lokalitu je však potřeba vyhodnotit z dlouhodobého pozorování (minimálně roční měření síly větru), či z údajů tzv. "větrné mapy", zpracované Ústavem fyziky atmosféry Akademie věd České republiky. Nevýhodou těchto elektráren je, že jakožto rychloběžný stroj jsou při větší síle větru hlučnější.
3.2. Stavba malé větrné elektrárny Malá větrná elektrárna se skládá ze stojanu, který zpravidla nepřesahuje výšku 20 metrů, generátoru, turbíny, převodovky a elektrické regulace. Jelikož není její výkon stabilní, volí se zapojení, která umožňují maximální a časově nepodmíněné využití energie.
3.3
Výkon Výkon je závislý na zvolené lokalitě a počtu větrných dní. Je běžné, že v závislosti
na tom má kolísavý průběh. Tabulka 3:
Orientační hodnoty (v kW)
Výkon elektrárny 0,75 5 7
Roční produkce 1 000 až 2 500 14 000 až 22 000 17 000 až 28 000
Pozn.: Vyšší hodnoty odpovídají velmi příznivým větrným podmínkám – průměrné roční rychlosti větru cca 7 m/s (Polanecký, Bursa, 2002, str. 38).
16
3.4
Využití získané energie
I.
Bez připojení k síti
a)
zdroj nabíjení akumulátorů (cca 300 W – 5 kW) Využití: u nízkonapěťových spotřebičů, např. rádií, lamp, televize atd.
b)
zdroj pro ohřev (cca 3 kW a více) Využití: ohřev vody v bojleru, nabití akumulačních kamen.
II.
S připojením k síti
a)
doplňkový zdroj (cca 5 kW a více) Využití: ohřev vody, popř. teplo z akumulačních kamen Elektřina je při nadbytku dodávána do sítě, při nedostatku naopak čerpána ze sítě.
b)
odprodej do rozvodné sítě Majitel elektrárny prodává vyrobenou elektřinu do sítě za výhodnější cenu, než jakou
platí za elektřinu ze sítě odebranou. Využívá tzv. "zeleného bonusu" schváleného zákonem v roce 2005 na podporu rozvoje obnovitelných zdrojů.
3.5
Legislativa pro provoz malé větrné elektrárny
Zájemce o zřízení malé větrné elektrárny musí:
1.
zhodnotit výběr lokality z hlediska větrných podmínek;
2.
vyřešit majetkoprávní vztahy v dané lokalitě;
3.
oznámit stavbu stavebnímu úřadu, který vydá povolení;
4.
získat souhlas orgánu ochrany přírody a krajiny (v CHKO je Správa CHKO, jinde referát životního prostředí);
5.
podat žádost o udělení státní autorizace pro podnikání v energetických odvětvích (pouze při připojení k síti);
6.
uzavřít s regionálním energetickým závodem smlouvu o odkupu elektřiny (pouze při obchodu s elektřinou)
17
4.
Velké větrné elektrárny
4.1
Charakteristika Pro výrobu elektřiny z větru je nejdůležitějším parametrem jeho rychlost. Ta je ale
bržděna tzv. drsností povrchu země, ve které se promítají reliéf, porost, stavby, vodní hladina, sníh atd. Platí tedy, že ve větších výškách, kde těchto překážek ubývá, je rychlost větru větší. Rychlost větru roste logaritmicky s výškou nad terénem. Z tohoto důvodu se staví stále vyšší elektrárny. Dnes již existují stroje jejichž stojan převyšuje 100 metrů a listy jejich rotoru dosahují podobných rozměrů. Při práci tedy zaberou prostor jaký se nachází např. nad fotbalovým hřištěm a každou sekundu zachytí až 50 tun vzduchu. Dosažený výkon přesahuje 5 MW, ale existují i projekty na elektrárny s výkonem až 10 MW. Důvodem pro výstavbu stále mohutnějších elektráren je snaha o maximální využití větrné lokality a nižší náklady na výrobu elektřiny. Větrné elektrárny vyrábějí elektřinu 70–85 % dní v roce a v tyto dny ještě jejich výkon kolísá v závislosti na rychlosti větru. Z celoročního 100% výkonu se těmito skutečnostmi dostávají asi na 30 %. Tato hodnota, která udává skutečně vyrobenou elektřinu se nazývá kapacitní faktor. Tento údaj platí pro elektrárny s horizontální osou otáčení. Existují i zařízení s vertikálně orientovanou osou, která kapacitní faktor vyšší. Je to dáno tím, že jejich lopatky zabírají stejně bez ohledu na to, odkud fouká vítr. Vyšší výkon ale snižuje jejich životnost a ve světě se příliš neuplatnily. Větrníky, jak se větrným elektrárnám s horizontální osou často říká, začínají pracovat již při rychlosti větru 4 m/s a odstavují se z bezpečnostních důvodů při rychlosti 25–30 m/s (vichřice – viz Beaufort. stupnice rychlosti větru). Maximálního výkonu dosahují při rychlosti 10–15 m/s. Životnost větrníků se pohybuje kolem 20–25 let a častá údržba nebývá nutná. Dokáží pracovat nepřetržitě až 5 000 dní, tzn. téměř 14 let. V průměrné lokalitě vyrobí elektrárna s výkonem 2 MW okolo 4 500 000 kW elektřiny, což pokryje spotřebu asi 3 000 obyvatel.
Nechat studenty popsat rozdíl mezi malou a velkou větrnou elektrárnou(výkon, využití). Zopakovat legislativní kroky vedoucí k provozu malé větrné elektrárny. Ukázat studentům větrnou mapu České republiky.
18
4.2
Větrné elektrárny ve světě V průběhu minulého desetiletí se prudce navýšil trh s větrnou energií a od roku 2000
činil průměrný roční přírůstek nově zbudovaných elektráren 28 %. Moderní větrné elektrárny se nacházejí na celém světě, v lokalitách s různými klimatickými podmínkami. Jsou umístěny na pouštích, na horách, v polárních oblastech i na mořích. Instalace mořských větrníků je ale asi o 40 % dražší. Největšími celosvětovými producenty větrné energie jsou USA, Austrálie, Čína, v Evropě - Dánsko (20 % elektřiny z větru), Španělsko,(9 %), Německo (7 %). Celkově se na světě z větru vyrobí asi 1 % elektřiny, v Evropě 4 %. Celoroční kapacita větru na Zemi je ale taková, že při maximálním využití by několikanásobně pokryla elektrickou spotřebu veškerého lidstva. Proto existují předpoklady tuto energii více využívat a do roku 2020 z ní vyrábět 6 % z celkového množství elektřiny.
4.3
Větrné elektrárny v ČR Česká republika zaujímá v evropském měřítku asi 18. místo ve výrobě elektřiny
z větru. V současné době u nás větrná elektřina činí asi 0,4 % z celkové výroby. Je to dáno tím, že naše území není přímořským státem a není ani bohaté na otevřené pláně, které jsou pro stavbu větrníku vhodné. Naopak reliéf je poměrně členitý a k využití větrné energie je vhodných pouze asi 900 km2 (tedy něco málo přes 1 % území). Výstavba větrných elektráren navíc podléhá přísným legislativním předpisům (nesmí být instalovány v CHKO, NP, ani v lokalitách s ohroženými nebo vzácnými druhy ptáků). Pro efektivní využití se vybírají lokality s reliéfem nad 500 m nad mořem a z dlouhodobého meteorologického pozorování průměrnou rychlostí větru 5–6 m/s. Z těchto faktů vyplývá, že ČR nikdy nebude "Větrníkovou velmocí" jako např. Dánsko nebo Německo. Přesto se dá předpokládat, že výstavba větrníku bude i u nás na vzestupu. Hlavním důvodem pro tuto domněnku je skutečnost, že Česká republika se zapojila do programů zemí EU o posílení výroby energie z obnovitelných zdrojů, a do roku 2020 si dala za cíl vyrábět z těchto zdrojů 13 % elektřiny (z toho 3 % z větru). V souladu s tímto usnesením vláda učinila kroky, aby podpořila podnikání v oblasti obnovitelných zdrojů, přijetím zákona z roku 2005, kterým garantuje výrobcům "čisté energie" výhodné výkupní ceny po dobu 15 let (návratnost investice). Následkem toho jsme svědky mohutné expanze v obchodu s energií z obnovitelných zdrojů (především fotovoltaiky), ale i u větrné energie.
19
200 160 120 80 40 0
19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 06 20 07 20 08 20 09
Instalovaný výkon [MW]
Graf instalovaného výkonu větrných elektráren v ČR
Zdroj: EkoWATT
Tabulka 4:
Příklady větrných elektráren v ČR
Lokalita
Oblast
Výkon (v kW)
Rok stavby
Mravenečník
Jeseníky
220
1993
Ostružná
Jeseníky
6 x 500
1994
Nový Hrádek
Orlické hory
4 x 400
1995
Boží Dar
Krušné hory
315
2001
Protivanov I
Drahanská vrchovina
100
2002
Nová Ves
Krušné hory
2 x 1 500
2003, 2004
Loučná
Krušné hory
3 x 600
2004
Albrechtice
Jizerské hory
5 x 500
2004
Petrovice
Krušné hory
1 x 2 000
2005
Protivanov II
Drahanská vrchovina
2 x 1 500
2005
Pavlov
Vysočina
2 x 2 000
2006
Rusová
Podmilevská výšina
3 x 2 500
2006
Drahany
Drahanská vrchovina
1 x 2 000
2006
Zdroj: ÚFA AV ČR (Štekl, Hanslian)
20
Větrný atlas České republiky. Zdroj: ÚFA AV ČR
5.
Větrné elektrárny a životní prostředí INSTALACE VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN S VÝKONEM NAD 500 KW NEBO SE STOŽÁREM
VYŠŠÍM NEŽ
35
M MUSÍ PODLÉHAT POSOUZENÍ VLIVU NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ S OHLEDEM
NA PROCES EIA
(z anglického Environmental Impact Assessment). Proces EIA je popsán
v zákoně č. 100/2001 Sb., o posuzování vlivů na životní prostředí, v platném znění.
5.1
Hluk Technický vývoj postupně zásadně snížil hlučnost provozu větrných elektráren. Každý
výrobce navíc musí na základě závěrů měření akreditované zkušebny uvádět akustické hodnoty při plném provozu elektrárny. Moderní elektrárny dnes vykazují hodnoty 100–110 decibelů (dB) u paty stožáru a 50–70 dB v jeho okolí, v souvislosti na lokalitě a rychlosti větru. Hluk klesá s narůstající vzdáleností a za bezpečnou vzdálenost od nejbližšího obydlí se považuje 400 m. Přísné legislativní normy neumožní vydat stavební povolení pokud by nebyla dodržena tato vzdálenost a pokud by byly narušeny platné hygienické limity pro okolní obyvatele (50 dB ve dne a 40 dB v noci). Při malé síle větru turbína příliš nehlučí neboť pracuje na malý výkon, při větší rychlosti větru je její provoz přehlušen okolními faktory (šumění korun stromů, pohyb větru atd.). Při hodnotách překračující bezpečný provoz (25–35 m/s) se elektrárna odstavuje. U větrných farem hodnota hluku příliš nenarůstá, zvedá se pouze o několik decibelů, protože hluk vycházející z jednotlivých strojů se nesčítá. Rizikové hodnoty ultrazvuku či infrazvuku nebyly registrovány.
21
5.2
Vliv na krajinu Výběr vhodné lokality je zásadním problémem při zřizování větrných elektráren.
Především musí krajina, ve které má elektrárna stát, vyhovovat svými abiotickými podmínkami, tzn. skladbou podloží, větrnými podmínkami a dostupností pro zbudování rozvodné sítě a komunikací. V horských a polárních oblastech komplikují provoz elektráren námrazky, které snižují její výkon, mnohdy způsobí i odstávku celé elektrárny. Současně se větrné elektrárny nesmějí zřizovat v maloplošných chráněných územích, v 1. zónách národních parků a chráněných oblastí. Akustické limity již byly zmíněny v minulé kapitole. Pokud jsou tyto podmínky splněny, nastává posouzení změny krajinného rázu, které lze modelově vytvořit. Je jisté, že moderní stále vyšší větrníky se v krajině neschovají, naopak mnohdy se stávají její dominantou. Zde je potřeba posoudit užitek, který produkci své čisté energie přinášejí s negativy, které se promítnou v koloritu krajiny. K jejich hlavnímu významu (výroba elektřiny) se dají přidat i dílčí klady. Stojany se dají využít k instalaci různých vysílačů, mohou se popř. využít i k rozvoji turistického ruchu při rozšíření jejich funkce o rozhlednu (viz Rakousko – Lichteneg). Větrné elektrárny nijak nepoškozují krajinu, neprodukují žádný odpad, nevyžadují téměř žádnou údržbu a po vypršení své životnosti se snadno demontují.
5.3
Vliv na zvěř a ptactvo Podle četných studií a pozorování bylo zjištěno, že zvířata si na občasnou zvýšenou
hlučnost časem vzniknou a nedochází k jejich časté migraci. Stejné výsledky v pozorování byly dosaženy i u hospodářských zvířat. Podobně jako na zvěř i na ptactvo nebyl zjištěn zásadní negativní vliv. Při dodržení legislativních nařízení před stavbou elektrárny dochází ke střetům ptactva s lopatkami rotoru zcela výjimečně. Mezi takováto nařízení patří např., že se větrné elektrárny nebudou stavět v lokalitách, které patří k tranzitním trasám ptáků a k místům výskytu chráněných druhů. Zvýšené nebezpečí hrozí pouze za snížené viditelnosti (mlha, tma). Při normálních klimatických podmínkách ptáci vrtule zaznamenají opticky i mechanicky (tlaková vlna). Dokonce jsou zaznamenány případy, kdy si na stožárech větrníků ptáci udělali hnízda (ochrana proti dravcům).
22
5.4
Stroboskopický efekt Nastává zejména v zimních měsících, kdy je slunce nízko nad obzorem a při otáčení
listů vrtule dochází k rytmickému střídání světla a stínu. U větších elektráren je eliminován pomalým otáčením rotoru, jeho negativní vliv na okolní obyvatelstvo se dá eliminovat při instalaci s dostatečnou vzdáleností od zástavby. Diskoefekt – lesklý odraz od listů rotoru. Dnešní moderní technologie ho eliminují pomocí matných nátěrů celého zařízení.
5.5
Vliv na televizní a radiový signál Projevuje se pouze v blízké vzdálenosti elektrárny od antény. Při dodržení dostatečné
vzdálenosti okolní výstavby se odchylky v přijímačích automaticky vyrovnávají. Pro snížení rušivého efektu se vrtule turbín dnes vyrábějí z nevodivého materiálu.
5.6
Vliv na klima Větrná energie, podobně jako každý obnovitelný zdroj, výrazně přispívá k ochraně
životního prostředí a snížení emisí v ovzduší. Neprodukuje skleníkové plyny, toxické emise, radioaktivní látky ani sloučeniny, které jsou příčinou kyselých dešťů. Tím se jejich kladný význam rozšiřuje na zdraví obyvatelstva, živočichů i rostlin. Jejich zásluhou dochází ke snižování kyselých imisí, což se projevuje kladně na stavbách, sochách, konstrukcích a pod. Větrné elektrárny šetří energii. Energii, kterou člověk vloží do jejich výroby, instalace a likvidace, dokáží vrátit za 3–6 měsíců po spuštění do provozu. Někteří odpůrci větrníků a obnovitelných zdrojů argumentují tím, že vzhledem k nestálým povětrnostním podmínkám je potřeba tyto zdroje zálohovat a tím se prodražují. Je pravdou, že každá elektrárna nikdy nepracuje bez odstávky a je třeba ji zálohovat. Vzhledem k poměrně malému procentu z celkově vyrobené elektřiny které větrníky vyrobí, není zálohování tohoto zdroje problémem. Při instalaci většího počtu elektráren z obnovitelných zdrojů se navíc mohou zálohovat navzájem. Studie prokázaly, že finance ušetřené za likvidaci škod způsobené elektrárnami na fosilní paliva (elektrárny starého typu) podstatně převyšují náklady na zálohování elektráren z obnovitelných zdrojů, tudíž i elektráren větrných.
23
U větrných elektráren je také výhodou to, že vítr fouká častěji v zimě, kdy je elektřiny potřeba nejvíce. Dle dnešních meteorologických předpovědí se dají větrné či nevětrné dny předpovědět dopředu, tudíž s případným zálohováním není problém.
6.
Legislativa výstavby větrných elektráren Pokud se obec, společnost či právnická osoba rozhodnou pro výstavbu větrné
elektrárny musí udělat následující kroky: především zajistit soulad mezi zřizovatelem, investorem, majitelem vhodného pozemku a regionálním energetickým závodem. Pokud se tak stalo, musí autorizovaná osoba zpracovat dokumentaci hodnocení vlivu na životní prostředí podle EIA. Tato dokumentace je v určité lhůtě dostupná veřejnosti k připomínkování na krajském úřadě. Poté další pověřená osoba zpracuje oponentní posudek, který je opět přístupný veřejnosti na veřejném projednání svolaném krajským úřadem. Po celou dobu řízení může veřejnost písemně připomínkovat plánovaný záměr výstavby. Po vypršení zákonné lhůty vydá krajský stavební úřad na základě vyjádření krajského referátu životního prostředí stanovisko k plánované stavbě. Pokud je stavba povolena, probíhají konečná ujednání o odkupu elektřiny se zástupci energetiky a je také potřeba informovat úřad pro bezpečnost leteckého provozu (např. výstražné označení stavby).
Ujasnit studentům souvislost v dodržování pravidel podle EIA s mírou negativních
vlivů větrných elektráren na životní prostředí.
Seznámit studenty dle možností s odborným posouzením problematiky větrných
elektráren ekologickou organizací(exkurze, beseda, odborný tisk).
24
7.
Technická problematika větrných motorů Pro praktické využití síly větru je důležitá veličina, a to tlak, kterým působí vítr dané
rychlosti na 1 čtvereční metr plochy, kolmé na směr větru. Následující tabulka názorně ukazuje obrovské hodnoty vzdušných mas z energetického hlediska.
Tabulka 5:
Tlak proudícího vzduchu v závislosti na Beaufortově stupnici
Beaufortův stupeň
Rychlost větru [m/s]
Tlak vzduchu [kg/m2]
1
0,3-1,5
do 0,2
2
1,6-3,3
0,2-0,9
3
3,4-5,4
1,0-2,3
4
5,5-7,9
2,4-5,0
5
8,0-10,7
5,1-9,2
6
10,8-13,8
9,3-15,4
7
13,9-17,1
15,5-23,6
8
17,2-20,7
23,7-34,5
9
20,8-24,4
34,6-47,9
10
24,5-28,4
48,0-64,9
11
28,5-32,6
65,0-85,0
12
nad 32,6
nad 85,0
Zdroj: [ 4 ]
25
7.1
Větrné motory
7.1.1 Rozdělení větrných motorů Větrné motory lze dělit dle různých kriterií. Za nejdůležitější je třeba pokládat aerodynamický princip, který má pro činnost větrného motory největší význam. Z tohoto hlediska dělíme větrné motory na odporové a vztlakové.
7.1.2 Odporové větrné motory Využívají tlaku proudícího vzduchu na překážku. Jejich podstatou je, že plocha nastavená proti větru klade aerodynamický odpor, čímž se vyvozuje síla, která se přeměňuje obvykle na rotační pohyb. Tyto motory patří mezi nejstarší a mohou mít osu otáčení jak vodorovnou, tak i svislou. Miskový anemometr je nejpoužívanější odporový větrný motor. Polokoule orientovaná svojí dutinou proti větru klade zhruba 3,5 krát větší odpor než polokoule vypouklá, takže vzniklý moment síly způsobí roztočení rotoru. Tento větrný motor slouží jen k pohonu měřicího přístroje. Jeho účinnost je pro energetické účely velmi nízká.
Miskový anemometr Zdroj: [11]
Turbínkový anemometr Zdroj: [12]
26
Savonius je rotor pracující na podobném odporovém principu s tím rozdílem, že plochy kladoucí větru odpor nejsou kulové, nýbrž válcové. Zakřivením pracovních ploch lopatek tohoto motoru vznikne navíc tlakový spád, který o něco zvýší účinnost. Tyto motory lze vidět zpravidla jen u amatérských konstrukcí s půlenými barely nebo u různých samohybných reklamních poutačů. Velikost odporových ploch lze zakrývat žaluziemi a tím i regulovat otáčení rotoru.
Zdroj: [Wikipedia]
7.1.3 Vztlakové větrné motory Mezi tyto větrné motory patří vrtule. Obtékáním vzduchu podél listů vrtule vzniká vztlak, který podstatně zvyšuje účinnost motoru.
Zdroj: [ 2 ]
27
Působením aerodynamických sil na listy vrtule se převádí kinetická energie větru na rotační mechanickou energii. Vrtule se většinou konstruují ve dvou nebo třílistém provedení. Existují však i jednolisté vrtule, které musí mít protizávaží.
Zdroj: [ 5 ] Čtyřlisté vrtule se používají spíše z technologických důvodů v souvislosti s výrobou hlavy rotoru. Vrtulové listy se mohou také natáčet podél své podélné osy a tím zlepšit rozběh motoru, regulaci otáček a výkon. Byly vyvinuty i větrné motory s protiběžnými vrtulemi.
Zdroj: [ 5 ] Jedna vrtule se spojí s rotorem a druhá se statorem generátoru. Točí-li se pak tyto listy proti sobě, mají dvojnásobnou frekvenci než v případě pevného statoru. Natáčení osy vrtulového motoru do směru větru se děje samovolně, je-li vrtule umístěna za gondolou.
Zdroj: [ 5 ] 28
Je-li vrtule před gondolou, musí mít gondola orientační zařízení. U malých motorů pak větrné kormidlo.
Zdroj: [ 5 ] Výkon vrtule lze ještě zvýšit kapotáží jako
konfuzor
nebo
difuzor.
Zdroj: [ 5 ]
Taková provedení však nemají praktický význam, protože jejich cena, hmotnost a výrobní náročnost nevyrovnají přínos na výkonu větrného motoru, jehož lze dosáhnout jednodušeji zvětšením průměru vrtule.
Ujasnit studentům odporový a vztlakový větrný motor, výhody a nevýhody těchto řešení zvláště pro praktické použití.
29
Větrná kola mají místo vrtulových listů jednoduché lopatky, jejichž počet se pohybuje od čtyř do několika desítek podle velikosti průměru větrného kola a podle požadované rychloběžnosti.
Zdroj: [ 5 ] V zásadě platí, že frekvence otáčení při stejném průměru rotoru nepřímo závisí na počtu lopatek. Při větším počtu lopatek se větrný motor zase snadněji rozbíhá a má při rozběhu větší moment síly.
Zdroj: [ Wikipedia ]
30
Na principu vztlaku pracuje i větrný motor s vertikální osou, který patentoval francouzský inženýr Darrieus. Jejich rotor může mít podobu dvou, tří nebo čtyř lukovitě prohnutých velmi štíhlých lopatek s příčným profilem vytvořeným podle zákonů aerodynamiky.
Zdroj: [ 5 ]
Zdroj: [ Wikipedia ]
Vysvětlit studentům závislost frekvence otáčení a momentu síly větrného kola na počtu lopatek.Popsat větrný motor s vertikální osou otáčení.
31
Uložením aerodynamického profilu do společného rámu na vertikální ose vznikne větrný motor na podobném principu. S tímto způsobem pohonu se experimentuje především v USA.
Zdroj: [ Wikipedia ] Tyto větrné motory jsou levnější. Umožňují připojení generátoru přímo na osu do základů stavby, nevyžadují zařízení k natáčení rotoru proti větru, ale nerozbíhají se bez cizího zdroje. K odstranění tohoto nedostatku lze použít rotoru, jehož prismatické listy v průběhu otáčky rotoru ještě oscilují v rozsahu několika stupňů kolem své podélné osy. Tyto rotory se v literatuře označují jako giromili nebo cyklogiro. Ovládací mechanizmus natáčení listů je výrobně náročný, prodražuje cenu rotoru a má negativní vliv na životnost a dlouhodobou spolehlivost.
Zdroj: [ 5 ]
32
Existují i další bizardní návrhy na vztlakovém principu využívající k pohonu, například Magnusův efekt. Rotující válec v proudu vzduchu vyvolá zakřivení proudnic, čímž vznikne vztlaková síla, která při optimálním poměru rotační rychlost válce s rychlostí vzduchu, je i několikrát větší, než u nejlepšího aerodynamického profilu. Toto uspořádání však vyžaduje dvakrát změnit směr rotace válce při každém objezdu uzavřené dráhy.
Zdroj: [ 5 ] Rotující válec lze ale nahradit profilem ve tvaru křídla, nicméně toto provedení nedosahuje při stejné velikosti ploch srovnatelného výkonu s vrtulovými motory. Jako lineární generátor byla navržena kruhová dráha s elektronicky řízenými oplachtěnými vozíky, které by svým magnetickým polem při pohybu nad statorem budily v jeho vinutích elektrický proud.
Zdroj: [ Wikipedia ] Pro praktické použití u větrných elektráren tedy jednoznačně vycházejí nejlépe vrtulové motory. Z tohoto důvodu se budeme v následujících kapitolách zabývat jen jimi.
33
8.
Technická problematika větrných elektráren
8.1
Druhy větrných elektráren
8.1.1 Mikroelektrárny Mikroelektrárny se vyznačují malými rozměry a jsou vhodné pro napájení reklamních panelů, mobilních nebo měřicích stanic, osamělých chat nebo chalup. Často se využívají jako záložní alternativa k solárním panelům. K natáčení systému do směru větru slouží ocasní plocha, což je nejjednodušší mechanické řešení. Dávají na svém výstupu stejnosměrné napětí 12 V nebo 24 V, které se akumuluje do akumulátorů, pokrývajících spotřebu při špičkovém odběru nebo když nefouká vítr. Z hlediska výkonu jsou do výkonu 1 kW. Tato mikroelektrárna se většinou nereguluje ani nedodává energii do rozvodné sítě. Jejich masovému rozšíření brání zatím poměrně vysoká cena.
Zdroj: [ 3 ]
Zopakovat technické parametry mikroelektrárny jako záložního alternativního zdroje k solárním panelům.
34
8.1.2 Malé a střední elektrárny Malé elektrárny jsou schopny zásobovat elektrickou energií velká zařízení, farmy nebo stavení. Staví se v místech častého výskytu větru. K natáčení systému do směru větru slouží boční pomocné rotory. Většinou asynchronní generátor dává střídavé napětí 230 V, případně 400 V, s výkonem do 15 kW s pasivní (stall) nebo aktivní (pitch) regulací. Ani tyto elektrárny nedodávají energii do sítě. Dražší provedení malé větrné elektrárny však bývá už vybaveno synchronním generátorem, čímž se zvýší její účinnost. Z pohledu konstrukce mohou vypadat různě. Malé elektrárny s výkonem do 5 kW jsou podobné větším mikroelektrárnám.
Zdroj: [ 4 ]
Konstrukce pro výkony nad 10 kW již zase často vypadají jako zmenšeniny středních a velkých větrných elektráren. Mají již gondolu vybavenou převodovkou, brzdou a generátorem připojené přes hřídel na rotor vrtule s listy. Vše je pak připevněno na sloupu, kterým vedou výkonové a signálové kabely.
Vysvětlit studentům hlavní výhody malých a středních elektráren jako zdroje elektrické energie do rozvodné sítě.
35
8.1.3 Velké elektrárny Velké elektrárny slouží pro napájení celých vesnic a městských aglomerací. Výstupní napětí je v řádu kV s výkonem až několik jednotek MW na jednu věž. Systém natáčení do směru větru se řeší pomocnými motory. Elektrické generátory jsou většinou synchronní. Dodávající střídavé napětí 660 V a vyšší, a tudíž nemohou pracovat jako autonomní zdroje do rozvodné sítě. Existují i elektrárny se speciálními mnohapólovými systémy, které jsou schopny pracovat s velkým rozsahem rychlosti větru i bez převodovky. Většina těchto elektráren má konstantní otáčky, regulované natáčením listů a proměnným převodovým poměrem převodovky. Některé typy mají i dvě rychlosti otáčení. Mohou však mít i proměnné otáčky podle okamžité rychlosti větru. Regulace výkonu, využívající natáčení celého listu rotoru podle okamžité rychlosti větru tak, aby celkový náběh větrného proudu byl v daném okamžiku optimální, se nazývá regulace aktivní (pitch). Výhodou je vyšší účinnost i při nižších rychlostech větru. Nevýhodou jsou vysoké pořizovací náklady. Velké větrné elektrárny dodávají energii vždy do rozvodné sítě. V praxi se většinou používají elektrárny s horizontální osou rotace, mající průměr rotoru až 80 m a věž o výšce kolem 100 m. Zdroj: [ 8 ]
36
8.2
Popis částí a funkce velké větrné elektrárny
8.2.1 Obecné schéma velké větrné elektrárny
Zdroj: [ Wikipedia ]
1
– rotor s rotorovou hlavicí a listy
2
– brzda rotoru
3
– planetová převodovka
4
– spojka
5
– generátor
6
– servo-pohon natáčení strojovny
7
– brzda točny strojovny
8
– ložisko točny strojovny
9
– čidla rychlosti a směru větru
10
– několikadílná věž elektrárny
11
– betonový armovaný základ elektrárny
12
– elektrorozvaděče silnoproudého a řídicího obvodu
13
– elektrická spojka
Promítnout studentům řez gondolou a vysvětlit technické řešení základních funkčních celků.
37
8.2.2 Schéma gondoly velké větrné elektrárny dánské firmy Vestas V27-225 kW
Zdroj: [ Wikipedia ]
1
– tuhý rám strojovny
2
– hlavní hřídel
3
– hlava vrtule
4
– listy vrtule
5
– příruba listů umožňující jejich natáčení
6
– dvoustupňová převodovka
7
– nosník převodovky
8
– kotoučová brzda na vysokootáčkovém hřídeli převodovky
9
– elektrický generátor
10
– kardanový hřídel
11
– kluzná spojka
12
– hydraulická jednotka
13
– dvě převodovky pro natáčení gondoly
14
– natáčecí kolo
15
– řídicí jednotka natáčení
16
– centrální řídicí jednotka
Promítnout studentům řez gondolou a vysvětlit umístění základních funkčních celků.
38
8.2.3 Automatická regulace Individuální regulace natáčení listů rotoru zajišťuje dynamické nastavení optimálního úhlu jednotlivých listů pro maximální účinnost. Další fáze regulace je prováděna převodovkou, umožňující plynulou změnu převodového poměru k zajištění konstantních otáček synchronního generátoru v celém pracovním rozsahu. Funkce je zajištěna nastavitelným zdvihem hydraulické jednotky poháněné hřídelí generátoru. V případě, že poryvy větru způsobí nárůst přenášeného momentu ve vztahu k daným otáčkám, sníží se automaticky převodový poměr. Tím se umožní rychlejší otáčení rotoru v závislosti na síle a rychlosti větru. Toto řešení kompenzuje náhlé výkyvy větrných poryvů a chrání celé soustrojí před destrukcí.
8.2.4 Integrovaný systém řízení V dnešních moderních velkých elektrárnách se využívá vyspělé IT nejen pro automatickou regulaci. Jedná se o integrovaný systém řízení a regulace: při testování a servisu, při nabíhání elektrárny, při natáčení listů rotoru i celé gondoly v závislosti na rychlosti a směru větru v průběhu provozu, při odstavování. V neposlední řadě pro různé případy havárie, zásahu bleskem apod. Toto řešení poskytuje úplnou kontrolu nad přenosem energie získávané z vysoce proměnného prostředí.
Zdroj: [ 10 ]
39
9.
Trendy v koncepci větrných elektráren
9.1
Snižování nákladů na realizaci větrných elektráren Velké elektrárny se pro snížení nákladů sdružují do skupin. Většinou po pěti až třiceti
elektrárnách, tzv. větrných farem. Tím se zefektivní provoz, sníží náklady na projektování, sníží počet náhradních dílů i obsluhujícího personálu.
Zdroj: [ Wikipedia ] 40
9.2
Větrné věže Novinkou ve větrné energetice je větrná věž. Jedná se o ohromnou větrnou elektrárnu
s vertikální osou, tzv. Maglev Turbine, s maximálním výkonem 1 GW. Větrná věž připomíná výškovou budovu zabírající plochu 40 hektarů.
Zdroj: [ Wikipedia ]
Zdůraznit studentům ekonomický přínos větrných věží jak z hlediska investičního, tak i z hlediska energetického.
41
Závěr Větrné elektrárny úspěšně prošly mnoha vývojovými etapami. V poslední době významným konstrukčním a technickým vývojem. Ani v naší zemi nezůstal vývoj větrných elektráren pozadu. Například společnost Wikov Wind (patřící do české strojírenské skupiny Wikov Industry), zajišťuje komplexní dodávky větrných elektráren, jejich výstavbu i servis. Rovněž se zabývá finální montáží částí větrných elektráren – gondol a celého pohonu, včetně jejich odzkoušení. Využívá až 70 % komponent českých výrobků: veškeré výkovky a odlitky, převodovky, generátory, kabely, podpůrné stožáry aj. Tedy drtivá většina všech procesů spojených s výzkumem a výrobou tak vzniká v České republice a přispívá tím ke vzniku nových pracovních míst. Vzhledem k bouřlivému rozvoji celého oboru větrné energetiky jde o významný potenciál tuzemského průmyslu, který má nemalý přínos pro naši ekonomiku. Žijeme ve století, které charakterizuje boj o nerostné bohatství a energetické zdroje. V závislosti na dostupnosti k těmto komoditám se prohlubuje nevraživost mezi některými zeměmi a národy, která vede k nestabilitě, napětí a nejistotě v dlouhodobých vztazích. Současně při zvyšování nároků na spotřebu energetiky se jeví moudré i ekonomické zaměřit se na její výrobu z obnovitelných zdrojů. Zvláště Evropa je velký spotřebitel elektřiny a z 50 % svoje zdroje dováží. Je dobře, že její energetická strategie zahrnuje projekt na podporu využívání obnovitelných zdrojů energie a Česká republika se tohoto projektu účastní. Větrné elektrárny jsou při dodržení veškerých legislativních zásad dobrou alternativou.
Zdůraznit studentům, že obnovitelná energie bude v budoucnu strategický materiál. Čím dříve se začne s rozvojem obnovitelných zdrojů, tím lépe se ekonomika připraví na možné energetické krize.
42
Použitá literatura a zdroje informací „Využití větrné energie“ •
BERANOVSKÝ Jiří / TRUXA Jan: Alternativní energie pro váš dům, Brno 2004
• [ 1 ] CROME Horst: Technika využití energie větru. Svépomocná stavba větrných zařízení, Ostrava 2002 • [ 2 ] DOSEDLA Zdeněk / LECIÁN Zbyněk: Laboratoř průmyslové ekologie a netradičních zdrojů energie (studijní materiály). Střední škola informačních technologií a sociální péče, Brno •
GABRIELOVÁ Hana / RUMAN Michal: Výroba energie a její dopady na životní prostředí, České Budějovice 2010
• [ 3 ] HALLENGA Uwe: Malá větrná elektrárna. Návod ke stavbě, Ostrava 1998 •
JANEČEK Michal: Větrná energie současnosti, brožura ČSVE, 2008 ZDROJ: http://www.vetrnaelektrarna.cz/Documents/BrozuraCSVE.pdf (vyhledáno 1/2012)
•
JUCHELKOVÁ Dagmar / MÍKA J. / ŘEHA P. / VRTEK M.: Obnovitelné zdroje energie, Ostrava 2003
• [ 4 ] KOČ Břetislav: Šance pro vítr, Brno 1996 •
POLANECKÝ Karel / BURSA Jiří: Jak využívat obnovitelné zdroje energie, Brno 2002 ZDROJ: http://hnutiduha.cz/uploads/media/jak_vyuzivat_oze.pdf (vyhledáno 1/2012)
• [ 5 ] RYCHETNÍK Václav / PAVELKA Jiří / JANOUŠEK Josef: Větrné motory a elektrárny, Praha 1997
43
• [ 8 ] SEQUENS Edvard / HOLUB Petr: Větrné elektrárny: mýty a fakta, České Budějovice / Brno 2004 ZDROJ: http://hnutiduha.cz/uploads/media/vitr_2006.pdf ZDROJ: http://www.stop-vetrnikum.webz.cz/download/ve_mytyafakta.pdf (vyhledáno 1/2012) •
SRDEČNÝ Karel / TRUXA Jan / BERANOVSKÝ Jiří / KAŠPAROVÁ Monika: Obnovitelné zdroje energie: Větrné elektrárny, Vydalo Ministerstvo životního prostředí České republiky, Praha 2009 ZDROJ: http://www.mzp.cz/C1257458002F0DC7/cz/obnovitelne_zdroje_informacni_podpora/$FILE/oued-leporela-20100312.pdf (vyhledáno 1/2012)
•
ŠTĚKL Josef / MIKESKA M. / KOČ B.: Provoz větrných elektráren, In: Větrná energie: časopis pro zájemce o využití větrné energie, 13 1/2006, s. 7-17
• [ 6 ] Fólie č. 8, Větrná energie ZDROJ: http://amper.ped.muni.cz/jenik/solar/folie/folcomjenv.htm (vyhledáno 11/2010) • [ 7 ] Malá větrná elektrárna stačí pro dvě haly, in: Technický týdeník 26/2004 • [ 11 ] Miskový anemometr ZDROJ: http://www.e-pristroje.cz/pictures/meteo/m305.jpg (vyhledáno 11/2010) • [ 12 ] Turbínkový anemometr ZDROJ: http://www.meteostanice.cz/Fotografie/Zbozi/250px/m302-1.jpg (vyhledáno 11/2010) • [ 10 ] Větrná energie je šancí pro přírodu i obce, in: METRO 15. 5. 2007 • [ 9 ] Wikov Wind – větrné elektrárny nové generace, in: Technický týdeník 26/2007, 46 ZDROJ: http://www.techtydenik.cz/detail.php?action=show&id=3606&mark= (vyhledáno 11/2010) 44
45
Využití vodní energie Úvod Vodní energie je nejdéle technicky využívanou formou energie v přírodě. Je neoddělitelně spjata s vývojem civilizace. Vodní energie je zdrojem relativně dostupným, čistým a především obnovitelným. Voda je v přírodě nositelem energie chemické, tepelné a mechanické. Tato energie v přírodě zahrnuje: • mechanickou energii vodních srážek • mechanickou energii ledovců • mechanickou energii moří (vlny, proudy, příliv a odliv) • mechanickou energii vodních toků
Z hlediska technického využití je nejvýznamnější energie vodních toků. Proto se v této práci budeme zabývat jen mechanickou energií vodních toků. Využívá se její energie polohová a tlaková (potenciální), ale i rychlostní (kinetická). Zatímco například využívání mechanické energie moří je ve stádiu experimentů, lze energii vodních toků využívat již zvládnutým technologickým zařízením na poměrně vysoké úrovni, většinou ve vodních elektrárnách. Nutnou a podstatnou součástí každého vodního díla je vodní motor, tj. stroj, ve kterém dochází k přeměně (transformaci) energie vodního toku na energii mechanickou (hydraulickou). Každý vodní tok má potenciální energii Ep.
Zdůraznit studentům fakt, že vodní energie je z technického hlediska nejdéle používaná forma energie. Zopakovat dvě základní složky vodní energie: kinetická a potenciální.
46
Ep = m.g.H [ J ]
kde m …. hmotnost kapaliny
[ kg ]
g ….. gravitační zrychlení
[9,81 m/s2]
H …. Spád vodního toku
[m]
Pro praktické výpočty je výhodnější tuto potenciální energii vztáhnout na 1 kg kapaliny. Tato veličina se pak nazývá potenciální měrná energie Epm [J/kg]. Měrná energie vyplývá z vodohospodářského řešení vodní elektrárny. Je mírou energetického obsahu. Polohová a tlaková energie určuje celkovou potenciální energii.
Ep = Ez + Et V daném průtočném průřezu je celková měrná energie Em obecně určena součtem Ep a Ek. Tedy měrné energie polohové Ez, tlakové Et a kinetické Ek. Em = Ez + Et + Ek Pro vodní motor je určující jmenovitá měrná energie (při jmenovitých otáčkách a jmenovitém průtoku). Měrná energie vodního motoru Emvm je vždy menší než měrná energie vodního díla Emvd.
Emvm
Emvd
Vysvětlit studentům rozdíl mezi energií a měrnou energií. Zdůraznit výslednou celkovou měrnou energií jako součet tří složek.
47
10. Vodní motory 10.1 Princip vodního motoru Vodní motory dodávají energii z vodních zdrojů. Největší dosažitelná energie je dána množstvím vody Q, ze které můžeme tuto energii získat a spádem H, což je výškový rozdíl hladin nad a pod vodním dílem. Množství vody, jež protéká řečištěm, lze prakticky měřit buď tzv. přepadem, nebo určením z rychlosti vody a průřezu. Z těchto veličin se pak množství vody Q vypočítá. K přesnému určení rychlosti tekoucí vody se používá tzv. vodního křídla, pracujícího na principu vodní turbínky.
Zdroj: [ Wikipedia ]
Schéma vodní turbínky
Řez vodní turbínkou Zdroj: [ 1 ]
48
Zdroj: [ 4 ] Princip uspořádání vodní turbínky pro měření průtoku vody
Počet otáček turbínky je závislý na rychlosti proudící vody. Průtok vodním motorem udává zpravidla objemový průtok za jednotku času. Je to množství vody potřebné pro provoz motoru včetně ztrátového množství. Určující je jmenovitý průtok Qj (při jmenovitých otáčkách motoru a jmenovité měrné energii), kdy má motor maximální účinnost η.
10.1.1 Rozdělení vodních motorů Vodní motory využívají energii vody, tj. energii polohovou, tlakovou a kinetickou. Vodní motor mění mechanickou energii vody na mechanickou energii rotujícího hřídele (rotační motor) nebo pohybujícího se pístu ( pístový motor). Vodní motory jsou vodní hnací stroje. Lze je rozdělit do dvou základních skupin: vodní kola a vodní turbíny. Patří tedy mezi rotační vodní motory. V práci těchto dvou druhů strojů je podstatný rozdíl. U první skupiny, vodních kol, působí voda na kolo hlavně svou váhou, mění se tu tedy polohová energie vody v mechanickou práci. Vrcholem vývoje vodních kol bylo 19. století. U druhé skupiny, vodních turbín, se mění polohová energie v energii kinetickou (pohybovou) buď úplně, nebo z velké části, popřípadě se mění v energii tlakovou, která teprve koná mechanickou práci.
49
10.2
Vodní kola
10.2.1 Všeobecná charakteristika vodních kol I když jsou vodní kola z historického hlediska už překonaná, z hlediska problematiky mikrozdrojů se stávají opět atraktivní. Velká část hydroenergetického potenciálu, který je možné ještě technicky využít, se skrývá v nejmenších spádech 0,3 až 1,5 m. A právě na těchto spádech se vodní kola stávají výhodnější z těchto důvodů: 1) Pro velmi nízké spády se turbíny nevyrábí. Ty by musely být velmi rozměrné, aby měly dostatečnou hltnost, a tím by náklady na 1 kW instalovaného výkonu byly neúměrně vysoké. 2) Návrh a konstrukce vodního kola v současných podmínkách je poměrně jednodušší a finančně méně náročné než u turbíny. 3) Vodní kola se uplatňují i na relativně velkých vodních tocích. Tím, že využívají nízkých spádů, nevyžadují si stavbu vyšších vzdouvacích zařízení. 4) Nespornou výhodou vodních kol je, že provozu nebrání listí, tráva, ledová tříšť apod.
10.2.2 Rozdělení vodních kol
a)
podle místa nátoku vody na kolo • se svrchním nátokem • se středním nátokem • se spodním nátokem
Otestovat znalosti studentů, jakou mají představu, řekne-li se svrchní, střední a spodní nátok. Pak teprve ukázat následující obrázky.
50
Vodní kolo se svrchním nátokem
Vodní kolo se středním nátokem
Vodní kolo se spodním nátokem
Zdroj: [ 4 ]
51
b)
podle způsobu využívání vodní energie • lopatková (převážně využívají kinetickou energii vody) • korečková (převážně využívají potenciální energii vody)
Zdroj: [ 2 ] Vodní kola lopatková s různými nátoky
Vysvětlit studentům pojem lopatkové a korečkové vodní kolo s různými nátoky.
Zdroj: [ 2 ] Vodní kola korečková (s uzavřenými lopatky) a různými nátoky
52
c)
podle směru otáčení kola vzhledem k proudění spodní vody • s otáčením ve směru proudu dolní vody • s otáčením proti směru proudu dolní vody
Zdroj: [ Wikipedia ]
53
10.2.3 Vodní kola lopatková Stavěla se nejprve s rovnými, radiálně umístěnými lopatkami, na které voda natékala přibližně kolmo. Kolem kola byl vytvořen těsný žlab, aby voda přes hrany lopatek nepřetékala. Jednalo se hlavně o kola se spodním, popřípadě středním nátokem.
Zdroj: [ 2 ] Vodní kolo lopatkové se středním nátokem Vodní kola lopatková se stavěla pro spády H = 0,1 – 2,5 m, průtok Q = 1,5 – 5 m3/s a měla účinnost
při menším spádu od 0,2 do 0,65 při spádu větším.
Zdroj: [ 2 ] Vodní kolo s horním nátokem
54
Vodní kolo se spodním nátokem Zdroj: [ 2 ]
Vodní kolo se středním nátokem Zdroj: [ 2 ]
Různé konstrukce tvaru lopatek vodního kola
55
Nejlépe se osvědčilo tzv. Zuppingerovo kolo Zdroj: [ 7 ]
a
Zdroj: [ 9 ]
Typický příklad lopatkového vodního kola se spodním nátokem
56
26 kW (el.) vodní kolo s horním nátokem ve Freiburgu /SRN/, průměr 2.9 m, šířka 4 m (r.2000)
Zdroj: [ 8 ]
Promítnout studentům historická vodní kola a technické řešení na daném stupni vývoje.
57
10.2.4 Vodní kola korečková Tato kola využívají převážně potenciální energii, tedy tzv. střední a horní vodu. Voda vtéká do korečků (uzavřených lopatek) s jistou kinetickou energií a je třeba této složky energie také využít k dosažení co největší hydraulické účinnosti vodního kola. Proto se v praxi nejvíce osvědčily plynule zakřivené korečky s plechovými nebo litinovými lopatkami, u kterých se snížily ztráty způsobené vstupním nárazem vody. Aby přitékající voda měla určitou kinetickou energii a nedocházelo k brždění kola dopadající vodou, používá se pro nasměrování vodního paprsku kulisa. Pro optimální provoz se korečky plní z 1/3 až 1/2 své hloubky při obvodové rychlosti 1,5 až 2 m/s. Při větších obvodových rychlostech působí odstředivé síly a voda se předčasně vylévá. Účinnost se také zhoršuje, když vodní kolo brodí v dolní vodě, zejména u kol s rotací proti proudu dolní vody. Korečková vodní kola se stavěla pro spády 3 až 10 m a průtoky v rozmezí 0,3 až 1,5 m3/s. Jejich účinnost
byla až 80%. Zdroj: [ 11 ]
Významnou současnou konstrukci představuje Pedley vodní kolo, postavené na Srí Lance
58
10.3 Vodní turbíny Vodní turbíny jsou hydraulické stroje, které jsou z hlediska smyslu přeměny energie instalované na vodních elektrárnách. Na rozdíl od vodních kol se u vodní turbíny mění potenciální energie vody nejprve v energii pohybovou, která se pak v turbíně přeměňuje v mechanickou práci, a to mnohem složitěji než u vodních kol. Teoretické podklady týkající se proudění vody a funkce turbíny byly vypracovány desítky let dříve, než vůbec vznikla první turbína. Zasloužili se o to dva Švýcaři: Bernoulli odvodil teoretické principy proudění již roku 1730 a Euler položil základy teorie turbín ve třech spisech z let 1750, 1751 a 1754. Voda je prakticky nestlačitelná. Protéká-li určité množství vody za sekundu potrubím pod tlakem určitou rychlostí a průřez potrubí se změní, musí se změnit i rychlost vody. Například při zúžení průřezu se rychlost vody zvětší. Součin průřezů a rychlosti je stálý; to je vyjádřeno Eulerovou rovnicí kontinuity
v1 . S1 = v2 . S2
kde
v1 a v2 …
jsou rychlosti vody [m/s]
S1 a S2 …
jsou průřezy potrubí [cm2]
V téže době, roku 1750, sestrojil Segner přístroj známý jako "Segnerovo kolo", který se otáčel reakčním tlakem vytékající vody.
Princip vzniku rotačního pohybu reakcí na proud vody Zdroj: [ 1 ]
59
Segnerovo kolo se stalo základem přetlakových turbín. Následující obrázky jsou ukázkou strojů, vedoucích k vývoji prvních technicky využitelných vodních turbín.
Segnerovo kolo z roku 1750 Zdroj: [ 1 ] , [ 4 ]
Eulerův stroj z roku 1754
Zdroj: [ 1 ] , [ 4 ]
Připomenout studentům vývoj technického pokroku na základě nových fyzikálních poznatků a principů.
60
Teprve v roce 1827 postavil Fourneyron první prakticky použitelnou vodní turbínu, pravděpodobně dle inspirace Segnerova kola, pracující na principu vytékající vody. Silové působení si lze jednoduše představit následujícím pokusem. Naplníme-li kulatou nádobku vodou, síla vody uvnitř nádobky působí všemi směry vyrovnaně. Pokud uděláme v dolní části nádobky otvor, vodní síla se projeví na protilehlém místě k otvoru. Začne působit opačným směrem než proud vytékající vody. Pokud by tato nádobka stála na podložce na vodní hladině, vzniklá síla uvede nádobku do pohybu. Velikost této síly se rovná tlaku vody násobenému průřezem otvoru. Například nádobka naplněná vodou do výšky 0,1 m nad otvorem o průřezu 1 cm2 bude mít reakční sílu 0,1 N. Na tomto principu vodní turbínky pracují i dnes rotační postřikovače, které mají obvykle jen dvě hnací trysky. Můžeme si však dobře představit rotor opatřený několika desítkami trysek. Vyvinutá síla i kroutící moment budou pak úměrné jejich počtu.
Princip Fourneyronovy turbíny
Zdroj: [ 1 ]
61
Druhou turbínu postavil Fourneyron v roce 1834 pro spád 108 m a výkon 40 HP (koňských sil) při 2300 ot/min. Tato malá turbínka je dosud zachovaná, ale na tehdejší poměry to byl technický zázrak.
Schématický řez druhé Fourneyronovy turbíny Zdroj: [ 1 ] Základním znakem této turbíny je, že nevyužívá přímo potenciální energii, tj. váhy a tlaku vody. Tato celá potenciální energie, nebo její větší část, se napřed přemění v energii rychlostní. Proudem vody se v zužujícím potrubí urychlí a pak se v turbíně přemění na mechanickou práci. A to buď přímým (akčním) nebo nepřímým (reakčním) působením vody. Cesta vody je již zjednodušena. Nejprve je rovnoběžná s osou otáčení, pak směřuje od středu k obvodu. Pro průmyslovou turbínu je to nevhodné, poněvadž odstředivá síla urychluje pohyb vody, nikoliv však rotaci turbíny. Když se zatížení turbíny zmenší a turbína se poněkud rozběhne, zvětší se působením odstředivé síly i její výkon. U později vyvinutých turbín byl proto volen průtok vody směrem od obvodu ke středu, kde odstředivá síla působí na průtok vody v opačném smyslu a pomáhá udržet stálé otáčky turbíny. Tak se postupně přešlo na tvar, jímž se vyznačuje Francisova turbína, poprvé postavená v roce 1849 a která je aktuální dodnes .
62
11. Technická problematika vodních motorů Vodní kola jako zdroj energie ztratila svůj původní význam. Z tohoto důvodu se technickou problematikou vodních kol nebudeme zabývat.
11.1
Vodní turbíny
11.1.1 Úvod do vodních turbín Vodní turbína přeměňuje energii proudící vody na rotační pohyb své osy. Jejím předchůdcem bylo vodní kolo známé jako mlýnské kolo. Spolu s elektrickým generátorem je součástí vodních elektráren. Vodní turbíny nejsou vhodné pro malé spády a malé průtoky jak bylo řečeno v části, pojednávající o vodních kolech. Vodní turbíny dělíme do dvou skupin: • akční rovnotlaké • reakční přetlakové
11.1.2 Akční rovnotlaké turbíny Akční turbíny mění rychlost vodního proudu. Předtím než proud vody dopadne na lopatky turbíny, tlak vody (potenciální energie) se přemění na kinetickou energii zaměřenou tryskou na turbínu. Voda proudí bez tlaku a nevyplňuje ani celý průřez lopatek. Žádná tlaková změna u lopatek turbíny nenastává. Vodní proud naráží na turbínové lopatky pouze tlakem. Výsledná změna v hybnosti způsobí sílu na lopatkách turbíny a celý spád se přemění v rychlost. Tento přenos energie lze popsat druhým Newtonovým zákonem. Příkladem akční rovnotlaké turbíny je turbína Peltonova, Bánkiho, Savoniova, Teslova, SETUR apod.
63
11.1.3 Reakční přetlakové turbíny Voda má při vstupu do oběžného kola turbíny určitý tlak, který se teprve v oběžném kole přemění v rychlost a vodní proud pak působí na lopatky oběžného kola částečně tlakem z ohybu proudů a částečně reakcí proudů relativně zrychlovaných v kanále oběžného kola. V přetlakové turbíně se spotřebuje část statické přetlakové výšky na překonání tlaku vyvozeného rozdílnými odstředivými silami na různých poloměrech oběžného kola a další část se spotřebuje ke zrychlení vodního proudu ve zužujícím se lopatkovém kanále oběžného kola z relativní vtokové rychlosti w1 na relativní výstupní rychlost w2. U přetlakové turbíny se průřezy oběžných kanálů, zcela vyplněných vodou, dále zmenšují, voda se v nich ještě více urychluje, její absolutní rychlost se za současného odchylování proudů opět zmenšuje a hydraulická energie se tak mění v mechanickou práci. Na konci kanálů oběžného kola nemá voda v přetlakovém kole žádný přetlak a má jen minimální výstupní rychlost se kterou odchází do odpadového potrubí. Většina vodních turbín v praxi jsou reakční přetlakové turbíny (Francisova, Kaplanova). Jsou používány u nízko a středotlakých elektráren.
11.1.4 Výkon vodních turbín Dostupný výkon v proudu vody je:
kde: P = výkon turbíny [ J/s nebo W ] η = účinnost turbíny [ % ] ρ = hustota vody [ kg/m3 ] g = gravitační zrychlení [ 9.81 m/s2 ] h = dopravní výška se rovná tlaková výška plus rychlostní výška [ m ] = průtok množství [ m3/ s]
64
12. Typy turbín 12.1 Francisova turbína
Francisova turbína Zdroj: [ Wikipedia ]
12.1.1 Historie Francisovy turbíny Základem Francisovy turbíny je zdokonalená Fourneyronova turbína, kde průtok vody byl volen směrem od obvodu ke středu. Odstředivá síla působí na průtok vody v opačném smyslu a pomáhá udržet stálé otáčky turbíny. Tak se postupně přešlo na tvar, jímž se vyznačuje Francisova turbína, poprvé postavená v roce 1849 a která je aktuální dodnes. Jedná se o přetlakovou turbínu. Konstrukce vychází z teoretických základů významného matematika Leonarda Eulera. Francisova turbína má dvě podvarianty podle uložení hřídele: • Vertikální • Horizontální
Nechat si studenty popsat funkci Francisovy turbíny a popsat směr průtoku vody.
65
12.1.2 Princip činnosti Francisovy turbíny Francisova turbína je reakční přetlaková turbína, což znamená, že pracovní kapalina mění tlak během své cesty strojem. Přitom odevzdává svou energii. Pro udržení toku vody jsou nutné rozváděcí lopatky. Rotor turbíny se nachází mezi vysokotlakým přívodem a nízkotlakou savkou většinou v patě přehrady. Vstupní potrubí se postupně zužuje. Pomocí rozváděcích (automaticky stavěných regulátorem) lopatek je voda směrována na rotor takovým způsobem, aby ztráta vířením a narážením na lopatky oběžného kola byla co nejmenší. Jak voda prochází rotorem, její rotační rychlost se zmenšuje a zároveň odevzdává energii rotoru. Tento efekt (spolu s působením samotného vysokého tlaku vody) přispívá k efektivitě turbíny. Výstup z turbíny je tvarován tak, aby byla rychlost výstupní vody co nejnižší.
Zdroj: [ Wikipedia ]
Zopakovat opět popis činnosti Francisovy turbíny.
66
12.1.3 Použití Francisovy turbíny Francisovy turbíny se používají v energetice. Jsou určeny pro střední a větší průtoky a spády, zejména u přečerpávacích elektráren. Například největší evropská přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé Stráně, používá dvě Francisovy turbíny o výkonu 325 MW.
12.2 Kaplanova turbína
Kaplanova turbína Zdroj: [ Wikipedia ]
12.2.1 Historie Kaplanovy turbíny První Kaplanovu turbínu zkonstruoval, teoreticky propracoval a přihlásil k patentování brněnský profesor Viktor Kaplan (1876 – 1934). Studiem toku vody sací troubou dospěl názoru, že nejméně ztrát energie je tehdy, když všechna proudová vlákna mají stejný tvar a stejnou délku. Jako první vzal Kaplan při teoretickém návrhu turbíny v úvahu i vazkost vody. V letech 1910 – 1912 navrhl na základě svých úvah nový tvar oběžného kola. První prototyp Kaplanovy turbíny byl vyroben brněnskou firmou Ignác Storek v roce 1919. Po zkouškách se ukázalo, že turbína dosahuje vynikající mechanické účinnosti až 86 %. Další prototyp byl úspěšně vyzkoušen v poděbradské elektrárně. Ukázalo se však, že lopatky turbíny se nadměrně opotřebovávají. Tento jev se nazývá kavitace. To se podařilo vyřešit až Kaplanovým žákům. Tato turbína se stala nejvýznamnějším typem turbíny užívaným ve velkých vodních elektrárnách po celém světě. Začátkem jejího úspěchu byla úspěšná montáž tehdy největší turbíny světa ve Švédském Jlla Edet v roce 1925.
67
Kaplanova turbína, výrobek ČKD Blansko Zdroj: [ Wikipedia ]
68
12.2.2 Princip činnosti Kaplanovy turbíny Kaplanova turbína je reakční přetlaková axiální turbína s velmi dobrou možností regulace. Toho se využívá především v místech, kde není možné zajistit stálý průtok nebo spád. Od svého předchůdce, Francisovy turbíny, se liší především menším počtem lopatek, tvarem oběžného kola a především možností regulace náklonu lopatek u oběžného i rozváděcího kola. Má vyšší účinnost než Francisova turbína, je ale výrazně složitější a dražší. Oběžné kolo bez vnějšího věnce má oběžné lopatky upevněny natáčivě v náboji kola. Náboj má hydrodynamicky vhodný tvar (v prostoru lopatek je plocha náboje kulová). Lopatky jsou ovládané regulačním mechanizmem, osazeným uvnitř náboje kola. Osa čepů lopatek svírá s osou náboje úhel 90o. U standardních provedení se jejich plynulé natáčení provádí za provozu stroje. Rozváděč, který může být řešen jako radiální, diagonální až téměř axiální, má rovněž natáčivé lopatky, ovládané vlastním regulačním mechanizmem. Změna polohy oběžných a rozváděcích lopatek je prováděna současně, vázaně. U turbín větších výkonů je obvyklé provedení vertikální. Kaplanovy turbíny menších výkonů mohou být i horizontální nebo s mírně šikmou osou rotoru.
Nechat si od studentů zopakovat popis činnosti Kaplanovy turbíny.
Zdroj: [ Wikipedia ]
Řez Kaplanovou turbínou
Připojení generátoru na Kaplanovu turbínu
69
12.2.3 Použití Kaplanovy turbíny Kaplanovy turbíny se používají pro spády od 1 do 70,5 m (což je spád na vodní elektrárně na Orlíku) a průtoky 0,15 až několik desítek m3/s. Největší hltnost na světě mají Kaplanovy turbíny na vodní elektrárně Gabčíkovo na Dunaji a to až 636 m3/s, při spádu 12,88 až 24,20 m. Obecně se dá říci, že se používají především při velkých průtocích a malých spádech, které nejsou konstantní. V závislosti na rozdílu hladin může být instalována buď se svislou nebo s vodorovnou osou otáčení.
12.3 Peltonova turbína
Zdroj: [ Wikipedia ]
12.3.1 Historie Peltonovy turbíny Peltonova turbína byla vynalezena Lesterem Allanem Peltonem (1829 – 1908) v roce 1880.
Zdroj: [ Wikipedia ]
Zdroj: [ Wikipedia ] Originální Peltonův patent (říjen 1880)
Půdorys instalace Peltonovy turbíny (courtesy Voith Siemens Hydro Power Generation)
70
12.3.2 Princip činnosti Peltonovy turbíny Peltonova turbína je akční rovnotlaká tangenciální. Oběžné lopatky ve tvaru dvojitých korečků jsou pevné (neregulovatelné). Rozváděcí ústrojí tvoří 1 až 6 dýz, ze kterých vystupuje voda ve formě paprsku kruhového průřezu. Paprsek ostřikuje na roztečném průměru oběžné lopatky lžičkovitého tvaru. Každá z lopatek se postaví proti směru toku vody a tak otočí její směr. Výsledkem vzniklých sil je pohyb rotoru turbíny. Regulace výkonu změnou průtoku se provádí zavíráním nebo otevíráním výtokového otvoru dýzy přímočarým pohybem regulační jehly. K posuvu jehly se většinou používá servomotor. K rychlému odstavení z provozu, např. při výpadku generátoru ze sítě, se užívá zařízení na odklánění nebo odřezávání vodního paprsku, tzv. deviátoru nebo deflektoru, jehož pohyb je kombinován s pohybem regulační jehly. Uspořádání soustrojí bývá většinou horizontální, při více jak dvou dýzách je vertikální. Peltonova turbína je nejefektivnější v případě vysokého tlaku přívodní vody. Jelikož voda je jen obtížně stlačitelná, téměř všechna její energie je předána turbíně. Proto stačí pouze jediné oběžné kolo k převedení energie vody na energii rotoru.
Zdroj: [ Wikipedia ]
Nechat si od studentů zopakovat popis činnosti Peltonovy turbíny.
71
12.3.3 Použití Peltonovy turbíny Peltonovy turbíny se používají pro vysoký spád vody a malý průtok. Jsou vyráběny ve všech možných velikostech. Pro použití v energetice se využívá vertikální uložení a výkon až 200 MW. Nejmenší turbíny jsou veliké několik desítek centimetrů a používají se pro malé vodní elektrárny s velkým spádem. Rozsah použití je od 15 m až po 1800 m.
Peltonova turbína z Walchensee, Německo Zdroj: [ Wikipedia ]
12.4 Bánkiho turbína
Zdroj: [ Wikipedia ]
Schematické znázornění Bánkiho turbíny
72
12.4.1 Historie Bánkiho turbíny První teoretické výpočty provedl australský inženýr A. G. M. Mitchel v roce 1903. Využil teorii Ponceletova vodního kola a starší řešení parních turbín. S tímto typem turbíny prováděl v letech 1912 – 1919 intenzivní experimentální práce maďarský profesor Donát Bánki. Přidal vstupní těleso a vypracoval teorii jeho řešení. Její další vývoj je spojen zejména s firmami Ossberg, Cink a ČKD Turbo Technics s.r.o.
12.4.2 Princip činnosti Bánkiho turbíny Bánkiho turbína je jednoduchá, rovnotlaká radiální vodní turbína s dvojnásobným průtokem. Zvláštností je, že lopatky oběžného kola jsou obtékány ve dvou směrech. Oběžné kolo Bánkiho turbíny je tvořeno dvěma kruhovými deskami, mezi nimiž jsou jednoduché lopatky (připomíná mlýnské kolo). Kolo je uloženo ve skříni, z níž z jedné strany přitéká usměrněný proud vody. Voda přes lopatky vtéká dovnitř kola a odtud opět přes lopatky vytéká na druhé straně skříně ven. Při každém průtoku lopatkami odevzdává část své energie.
12.4.3 Použití Bánkiho turbíny Tento typ turbíny je pro svou konstrukční jednoduchost oblíben u malých vodních elektráren, kde by konstrukce dokonalejších (a tím i dražších) typů turbín nebyla ekonomická. Její energetická účinnost dosahuje 70 – 85 %.
Nechat si od studentů zopakovat popis činnosti Bánkiho turbíny.
12.5 Savoniova turbína O Savoniově motoru jsme se již zmínili v části týkající se větrných elektráren. Princip v případě vodní elektrárny je stejný. Jen pro připomenutí uvedeme základní technické konstrukční schéma.
73
Zdroj: [ Wikipedia ]
Savoniova větrná turbína
Princip Savoniova rotoru
12.5.1 Princip činnosti Savoniovy turbíny Savoniova turbína (někdy též Savoniusova turbína nebo Savoniův rotor) je typ vodní i větrné turbíny, pracující na odporovém principu. Turbína využívá rozdílného koeficientu odporu proudícího média, působícího na vydutou a vypuklou plochu. Rotor běžné Savoniovy turbíny je tvořen dvojicí nebo trojicí lopatek polokruhovitého nebo ledvinovitého tvaru. Vnitřní okraje lopatek zasahují až za střed rotoru, a tak umožňují průtok média mezi jejich zadními stranami. Osa otáčení je kolmá na směr proudění.
74
12.5.2 Použití Savoniovy turbíny Savoniova turbína pro vodní provedení má malou účinnost (pouze 15 – 20 %). Je však poměrně jednoduchá na výrobu, proto se občas používá. Nevýhodou dvoulopatkové Savoniovy turbíny je existence mrtvého úhlu. To se dá vyřešit spojením několika rotorů s různě natočenými lopatkami nebo šroubovitým tvarem lopatek.
Na základě znalostí probraných typů turbín jsou studenti vyzváni ke srovnání jak činnosti jednotlivých turbín, tak i ke zhodnocení jejich předností a nedostatků. Toto srovnání je nejlépe vhodné provést písemnou formou a po vyhodnocení pak výsledky prezentovat a konzultovat s ostatními studenty v pracovní skupině.
75
76
13. Vodní elektrárny Obrázky viz ilustrační foto Zdroj: DAMS in Czech Republic 2011 Czech National Committee on Large Dams
13.1 Členění vodních elektráren Vodní elektrárny lze členit dle různých hledisek: • podle získaného spádu • podle velikosti využívaného spádu • podle způsobu provozu • podle velikosti měrné energie • podle velikosti instalovaného výkonu • podle obchodního označení
13.2 Podle získaného spádu • přehradové – spád vytvořen přehradou • jezové • zdržové – spád je vytvořen jezem • derivační – využívá umělé vedení vody mimo vodní tok pomocí beztlakového nebo tlakového derivačního přivaděče jako je kanál, štola nebo potrubí • přehradně derivační – je to kombinace dvou výše uvedených způsobů
Zdroj: [ 4 ] Základní varianty řešení MVE 1 – koryto vodního toku, 2 – vzdouvací zařízení, 3 – strojovna, 4 – derivační přivaděč
77
13.3 Podle velikosti využívaného spádu Podle polohové energie vody dělíme vodní elektrárny na: • nízkotlaké – využívající spád do 20 m • středotlaké – využívají spád nad 20 m do 100 m • vysokotlaké – využívající spád nad 100 m
Zdroj: [ 4 ]
Třídění a koncepce MVE podle velikosti využívaného spádu; vysokotlaká MVE je s tlakovým derivačním přivaděčem, nízkotlaká je jezová, břehová
Nechat si od studentů zopakovat členění vodních elektráren.
13.4 Podle způsobu provozu Podle charakteru pracovního režimu rozdělujeme vodní elektrárny na: • průtočné – nemají akumulační nádrž a výrazně neovlivňují přirozený průtok toku • akumulační – jde o řízený odběr vody z akumulační nádrže vytvářející spád, k nimž patří i elektrárny přečerpávající Přečerpávající elektrárny mohou mimo špičku spotřeby energie přečerpat vodu zpět do přehradní nádrže a během špičky spotřeby energie tuto vodu hnát opět k turbíně.
78
13.5 Podle velikosti měrné energie Podle velikosti měrné energie dělíme vodní elektrárny na: • nízkotlaké
Epm < 200 J/kg
• středotlaké
Epm < 1000 J/kg
• vysokotlaké
Epm > 1000 J/kg
13.6 Podle velikosti instalovaného výkonu se vodní elektrárny dělí na: • velké – s instalovaným výkonem nad 200 MW • střední – s instalovaným výkonem od 10 MW do 200 MW • malé – s instalovaným výkonem do 10 MW Elektrárny s instalovaným výkonem nad 100MW bývají již někdy zařazovány mezi velké. Malé vodní elektrárny z výkonového hlediska nelze rozdělit jednoznačně. Někteří výrobci hranici 10MW posouvají v obou směrech.
13.7 Podle obchodního označení Můžeme je dělit na: • domácí mikroelektrárny – s instalovaným výkonem do 35 kW • mikroelektrárny – s instalovaným výkonem od 35 kW do 100 kW • minielektrárny – s instalovaným výkonem od 100 kW do 1 MW • průmyslové – s instalovaným výkonem od 1 MW do 10 MW
Nechat si od studentů vysvětlit předchozí pojmy a jakou mají o nich představu.
79
14. Druhy vodních elektráren Vodní elektrárny lze třídit podle různých hledisek, která se vzájemně prolínají.
14.1 Domácí mikroelektrárny Domácí mikroelektrárny lze již realizovat na větších tocích, ale investiční náklady jsou relativně vysoké.
14.2 Mikroelektrárny Mikroelektrárny jsou většinou představovány staršími rekonstruovanými malými vodními elektrárnami. Celospolečenské náklady jsou relativně nízké, pro jednotlivce ale značné.
14.3 Minielektrárny Minielektrárny jsou nejčetnější, díla jsou napojena do elektrizační sítě nízkého napětí. Investiční náklady jsou relativně velké.
14.4 Průmyslové elektrárny Průmyslové elektrárny jsou nejvýznamnější, díla jsou napojena do elektrizační sítě vysokého napětí. Investiční náklady jsou velké.
Nechat si od studentů vysvětlit hlavní výhody a nevýhody jednotlivých druhů elektráren.
80
15
Závěr
15.1 Srovnání vodních kol s turbínami Vodní kola pracují při větším i menším plnění (průtoku turbínou) takřka při stejném výkonu. Odtud vyplývá, že vodní kola jsou vhodná pro lokality s nízkým spádem (do 1,5 m) a možným proměnlivým průtokem. Vodní kola jsou méně náchylná na vyšší hladinu spodní vody při větším průtoku, protože dochází k většímu plnění vodního kola, čímž se ztráta vyrovná. Navíc se poměry na vtoku do vodního kola nezmění. Výhodou vodních kol je také to, že při provozu nevadí drobné nečistoty jako listí, ledová tříšť, tráva apod. Výhodou vodního kola je také velká setrvačnost, a díky převodům i stálost otáček při kolísání zatížení. A právě převody jsou velkým nedostatkem těchto strojů, protože při pohonu generátoru je třeba volit převod s vysokým převodovým stupněm. U turbín při menším plnění klesá výkon i účinnost. Dále při vyšší hladině spodní vody klesá hodnota spádu. Změní se rychlost proudění a turbínou prochází menší průtočné množství. Tím dochází ke snížení výkonu. Nejsou tedy vhodné pro malé spády a průtoky.
15.2 Zhodnocení Nové materiály a technologie daly však turbínám nové možnosti, takže v současné době pokrývají svými parametry prakticky všechny potřeby, kladené při realizaci využití vodních zdrojů energie. Tím byla tradiční vodní kola odsunuta do oblasti historie a estetiky architektury krajiny a ztratila svůj původní technický význam.
Zdroj: [ 12 ]
81
Použitá literatura, zdroje a obrázky „Využití vodní energie“ BŘEZINA Jan: [ 1 ] Vodní turbíny, Polytechnická knižnice, 35. svazek II. řady příručky, Praha 1963 HÁJEK Gustav: [ 2 ]Vodní motory, Praha 1951 JONES Zoë: [ 3 ] Domestic electricity generation using waterwheels on moored barge, School of the Built Environment, Heriot-Watt University 2005 ZDROJ: http://herehydro.weebly.com/uploads/9/3/9/1/93913/final_diss_2005.pdf (vyhledáno 06/2011) MELICHAR Jan: [ 4 ] Malé vodní turbíny, ČVUT 2000 MÜLLER Gerald:[ 5 ] Water Wheels as a Power Source, The Queen’s University of Belfast 2005 ZDROJ: http://web.sbe.hw.ac.uk/staffprofiles/bdgsa/shsg/Documents/2004sem/WATER%20WHEELS%20AS%20A%20POWER%20SOURCE.PDF (vyhledáno 06/2011) ŠKORPIL Jan / KASÁRNÍK Milan: [ 6 ] Obnovitelné zdroje energie I., Vodní elektrárny, Fakulta elektrotechnická Západočeské univerzity 1997 YouTube [ 7 ] Das Wasserrad der Ölmühle Walz ZDROJ: http://www.youtube.com/watch?v=XV0Atkaey6E (vyhledáno 06/2011) [ 8 ] Zuppinger-Wasserrad der Erlebnisbrauerei Wiesenmühle in Fulda ZDROJ: http://www.youtube.com/watch?v=LAiWJ0nXlEo (vyhledáno 06/2011) [ 9 ] Wassermühle Gollmitz / Brandenburg ZDROJ: http://www.youtube.com/watch?v=JpldWH05fKo (vyhledáno 06/2011) [ 10 ] Wassermühle Glienecke "Eulenmühle" in Brandenburg ZDROJ: http://www.youtube.com/watch?v=78DV3GIPk1I (vyhledáno 06/2011) WIKIPEDIA a jiné: [ 11 ] Overshot water wheel schematic ZDROJ: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Overshot_water_wheel_schematic.svg (vyhledáno 06/2011) [ 12 ] Pitchback water wheel schematic ZDROJ: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Pitchback_water_wheel_schematic.svg (vyhledáno 06/2011) Vodní elektrárny ZDROJ: http://cs.wikipedia.org/wiki/Kategorie:Vodní_elektrárny (vyhledáno 06/2011)
82
Malá vodní elektrárna ZDROJ: http://cs.wikipedia.org/wiki/Malá_vodní_elektrárna (vyhledáno 06/2011) Turbíny ZDROJ: http://cs.wikipedia.org/wiki/Kategorie:Turbíny (vyhledáno 06/2011) Francisova turbína ZDROJ: http://cs.wikipedia.org/wiki/Francisova_turbína (vyhledáno 06/2011) Kaplanova turbína ZDROJ: http://cs.wikipedia.org/wiki/Kaplanova_turbína ZDROJ: http://commons.wikimedia.org/wiki/Kaplan-Turbine?uselang=cs (vyhledáno 06/2011) Kaplanova S-turbína ZDROJ: http://mve.energetika.cz/pretlakoveturbiny/kaplan-s.htm (vyhledáno 06/2011) Peltonova turbína ZDROJ: http://cs.wikipedia.org/wiki/Peltonova_turbína (vyhledáno 06/2011) Bankiho turbína ZDROJ: http://cs.wikipedia.org/wiki/Bánkiho_turbína ZDROJ: http://mve.energetika.cz/primotlaketurbiny/banki.htm ZDROJ: http://www.vodni-elektrarny.cz/bankiho-turbina (vyhledáno 06/2011) Bánkiho trojčitá jezová turbína ZDROJ: http://www.mvestipsky.estranky.cz/clanky/zajimavosti-z-oblasti-budovani-a-provozu-mve/mve.html (vyhledáno 06/2011) Skupina ČEZ a obnovitelné zdroje energie ZDROJ: http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/obnovitelne-zdroje.html (vyhledáno 06/2011) Efektivita exkurze do vodní elektrárny Vír ZDROJ: http://is.muni.cz/th/209929/pedf_m/diplom_prace_hotova.txt ZDROJ: http://is.muni.cz/th/209929/pedf_m/diplom_prace_hotova.pdf (vyhledáno 06/2011)
83
Biomasa a její využití Úvod Za biomasu považujeme veškerou organickou hmotu na Zemi, na jejímž vzniku se podílela sluneční energie a chemická reakce zvaná fotosyntéza. Je to tedy hmota všech organizmů, včetně jejich živých i neživých produktů (sekrety, exkrety, obaly atd.). Oblast, ve které se biomasa nachází, se nazývá biosféra a hranice jejího rozmezí se pohybují okolo 10 km. To jsou ovšem limitní hodnoty pro život organizmů v extrémních podmínkách. Naprostá většina organizmů se nachází v biosférickém rozmezí kolem 3 kilometrů. Biomasa patří mezi tzv. obnovitelné zdroje, což vyplývá z jednoho ze znaků života – ze schopnosti reprodukce, tedy tvorby nových jedinců. Obnovitelnost biomasy může být ovlivněna řadou faktorů biotických i abiotických. Mezi biotické faktory patří potravní vztahy, stav natality a mortality, vztahy populací ve společenstvu. Abiotickými faktory jsou především klimatické podmínky, sluneční záření a koncentrace látek v prostředí. Tyto faktory jsou vzájemně provázané a jejich výslednicí jsou podmínky života.
16. Tok energie v biosféře Předpokladem toku energie v biosféře je schopnost tzv. producentů (zelené rostliny) vytvářet organické látky z látek anorganických. Tato reakce se nazývá fotosyntéza a dochází při ní ke vzniku potravinové základny pro všechny další organizmy v potravním řetězci – býložravce, všežravce a masožravce. Při fotosyntéze vzniká z oxidu uhličitého a vody jednoduchý cukr (glukóza) a kyslík. Reakce proběhne pouze za přítomnosti zeleného barviva chlorofylu. Může probíhat ve vodě i na souši, katalyzátorem, který celý děj urychluje je teplota. V uhlíkatých řetězcích glukózy je koncentrována energie slunečního záření, která se potravním řetězcem přelévá do dalších potravních článků. Tento způsob výživy charakteristický pro zelené rostliny se nazývá autotrofní. Nezelené rostliny (červené a hnědé řasy, živočichové) tuto schopnost nemají a musejí energii nutnou k tvorbě vlastních organických sloučenin přijímat ze svého prostředí potravou – způsob výživy heterotrofní.
84
16.1 Produkce biomasy 16.1.1 Primární produkce Primární produkce je až na výjimky (někteří prvoci) záležitostí zelených rostlin – autotrofních organizmů. Energie slunečních fotonů je při fotosyntéze využívána k syntéze jednoduchých organických vysokoenergetických molekul obsažených v glukóze. Energie zde vázaná je dále využívána k syntéze složitějších látek, růstu organizmu a zajištění všech jeho životních funkcí. Rychlost fotosyntézy (tedy současně obnovitelnost zdroje) je dána typem rostliny, teplotou a přítomností emisí v ovzduší. Vyšší teplota fotosyntézu urychluje (tropický les), nízká teplota tlumí (tundra). Přítomnost větší koncentrace emisí brání v průchodu dopadajícím fotonům, což fotosyntézu také zpomaluje (smog nad městy). Vzorec reakce fotosyntézy: 6 CO2 + 6H2O
chlorofyl+sl.záření → C6H12O6 + 6O2
16.1.2 Sekundární produkce Sekundárními producenty jsou heterotrofní organizmy – živočichové a nezelené rostliny. Přijímají již vytvořenou energii ve formě potravy. Část energie je uvolněna ve formě tepla, další část je využita k syntéze organických sloučenin (cukry, tuky, bílkoviny, nukleové kyseliny) a zbytek je spotřebován na životní procesy. Využití energie pro produkci nové biomasy je na různých stupních trofických vztahů odlišné. Zatímco rostliny využívají pouze jednotky procent dopadající sluneční energie, býložravci zhruba 10 % a masožravci dokonce 20 % energie přijaté v potravě. S vyšším stupněm v potravní pyramidě tedy narůstá i energetická využitelnost potravního zdroje.
16.2 Produktivita biomasy Různé ekosystémy Země se vyznačují různou produktivitou biomasy. Ta se vyjadřuje v gramech či kilogramech na jednotku plochy v suchém stavu. Příklady produktivity ekosystémů : 1)
Moře: 0 – 0,02 kg/m2
2)
Močál: 1 – 10 kg/m2
3)
Les: 20 – 50 kg/m2
85
17. Využití biomasy 17.1 Potravinářské využití biomasy Jak již bylo zmíněno, všechny heterotrofní organizmy jsou pro svou existenci odkázány na energii vázanou v biomase, kterou konzumují jako potravu. Energie v chemických vazbách, kterou sem transformovaly rostliny, se přelévá z jednoho článku pastevněkořistnického řetězce do dalšího, až je uvolněna zpět do prostředí z těla posledního konzumenta při rozkladném řetězci, který navazuje na poslední článek řetězce pastevněkořistnického. Neživý organizmus (nekromasa) se stává předmětem rozkladu, při kterém dochází k huminizaci a mineralizaci organické hmoty, která se rozkladem mění na humus, což je nejúrodnější složka půdy, ze které po dodání sluneční energie vyrostou noví producenti biomasy – zelené rostliny. Člověk využívá od pradávna biomasu jako potravu pro sebe i zvířata. Předchůdce člověka byl sběrač a živil se z velké části rostlinnou stravou, v průběhu evoluce se člověk naučil lovit, tepelně upravovat stravu, začal chovat domácí zvířata a pěstovat plodiny. S populační explozí se problematika potravin stává jedním z globálních problému Země. V posledních letech se objevují nové trendy v možnostech, jak využít biomasu jako potravu. Kromě různých opatření v rámci principů udržitelného rozvoje se zde otevírají možnosti především při využití mořských řas a hmyzu jakožto potravního zdroje.
17.2 Energetické využití biomasy V minulosti lidé získávali energii z biomasy především spalováním. Topilo se dřevem, rašelinou i sušeným trusem. Původně primitivní ohniště se zdokonalovala až po nynější moderní a vysoce efektivní topné soustavy. Do 18. století byla biomasa vůbec nejvyužívanějším zdrojem energie. S nástupem průmyslové revoluce a těžbou fosilních paliv se její význam ocitl v útlumu, ale v posledních 30 letech je její využívání opět na vzestupu. Stále slouží především jako zdroj tepla pro vaření, topení a ohřev vody, ale zvyšuje se i využití pro výrobu elektrické energie či pohonných hmot. Do biomasy, jakožto i do jiných obnovitelných zdrojů energie, jsou vkládány velké naděje do budoucna. Postupně by měla být podstatnou součástí energetických zdrojů, které by měly z části nahradit stále ubývající zásoby vyčerpatelných zdrojů (zemní plyn, uhlí, ropa).
86
V současné době energie vyrobená z biomasy představuje v ČR zhruba 2 % z celkového množství vyrobené energie. Ve Švédsku a Finsku je to kolem 18 %, v Rakousku a Irsku asi 13 %. Využívání biomasy má kromě ekonomického i ekologický aspekt (neprodukuje tolik emisí jako spalování fosilních paliv, řeší recyklaci biologického odpadu), takže je součástí souboru opatření udržitelného rozvoje planety pro 21. století. Dnes člověk využívá přibližně 5 % nově vzniklé biomasy. K výrobě potravin a krmiv 2 %, pro dřevařský průmysl 1 % a pro výrobu energie 2 %.
17.3 Další využití biomasy Biomasu jako surovinu pro výrobu využívá ke zpracování celá řada průmyslových odvětví. Jsou to například :
1)
Papírenství – výroba papíru, obalové techniky, vláknitého kartonu
2)
Stavebnictví – výroba stavebnin a izolačních materiálů
3)
Dřevozpracující průmysl – výroba nábytku, konstrukcí, bytových doplňků
4)
Chemický průmysl – výroba produktů náhradou za využívání ropy (umělé hmoty ...)
5)
Farmaceutický průmysl – výroba léčiv (mnoho rostl. i živ. druhů obsahuje léčivé látky)
6)
Loďařský průmysl – stavba lodí
7)
Ostatní – výroba dekorativních předmětů, tužek, košíků, smetáků, násad atd.
17.4 Zdroje biomasy Již v 1. kapitole bylo zmíněno rozdělení organizmů živé přírody podle způsobu výživy na organizmy autotrofní (rostliny) a heterotrofní (živočichové). Biomasa rostlinného původu se nazývá fytomasa, biomasa živočišného původu zoomasa. K energetickému využití se až na výjimky využívá fytomasa. Dále můžeme rozlišit biomasu cíleně pěstovanou, biomasu volně se nacházející v přírodě a biomasu odpadní. Pro energetické využití dělíme biomasu dle přílohy č. 1 a vyhlášky č. 482/2005 Sb. na:
1)
Zemědělskou biomasu
2)
Lesní biomasu
3)
Odpadní biomasu
87
17.4.1 Zemědělská biomasa Tvoří ji biomasa cíleně pěstovaná v agroekosystémech, jejíž hlavní produkt je primárně určen k energetickým účelům. Zahrnuje biomasu obilovin, olejnin, trvalé travní porosty, rychle rostoucí dřeviny pěstované na zemědělské půdě, rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny. Patří sem také fytomasa ze zahrad, sadů, vinic, chmelnic atd. Plodiny k energetickému využití vymezuje vyhláška č. 482/2005 Sb., sk. 1 a 2.
17.4.1.1
Rychle rostoucí dřeviny (vrba, topol, akát, olše, jasan, javor)
U rychle rostoucích dřevin dochází k 1. obmýtí (sklizeň dřevin) zhruba za 3 roky. Plantáže mají životnost cca 25 let. Míra ekonomického zisku je závislá na mnoha faktorech, jako je typ pěstované dřeviny, nároky na sklizeň (dostupnost lokality), nároky na transport, klimatické faktory, geografické faktory atd.
17.4.1.2
Cíleně pěstované plodiny
Tyto rostliny jsou pěstovány pro energetické využití jejich nadzemní části. Podle vegetačního cyklu je dělíme na jednoleté, víceleté a vytrvalé. •
jednoleté: hořčice sareptská, čirok, koriandr, laskavec, světlice, konopí seté, len setý, sléz krmný, řepka olejka, žito ozimé, lnička setá…
Jednoleté rostliny mají rychlou produkci, sklízejí se každý rok, mají nižší nároky na mechanizaci, ale i menší energetické výnosy. •
víceleté: křídlatka, šťovík krmný, komonice bílá, pupalka dvouletá, ozdobnice čínská, kostřava rákosovitá, psineček velký, chrastice rákosovitá, jestřabina východní…
Víceleté a vytrvalé byliny jsou energeticky bohaté, sklizeň nastává druhým rokem po satbě.
88
17.4.1.3
Vedlejší zemědělské produkty (sláma olejnin a obilovin, seno z luk
a pastvin…) Cíleně pěstované tzv. energetické byliny se po sklizni a následné úpravě (drcení, sušení, termické reakce…) používají k přímému spalování, výrobě briket a pelet, bioplynu, popř. motorových paliv (řepka – bionafta). Využívání zemědělské biomasy k energetickým účelům má samozřejmě své klady i zápory. Mezi pozitiva můžeme počítat zadržení vody v krajině, protierozní opatření, snižování emisí i nezaměstnanosti v regionu a efektivní nakládání se zemědělskými odpady. Určitými riziky je potom úbytek zemědělské půdy pro potravinářské využití, změna potravních vazeb v ekosystému, větší počáteční investice, velká spotřeba vody, komplikace s distribucí energetických přebytků. Obrázky některých energetických plodin
pupalka dvouletá
křídlatka
len setý
řepka olejka
komonice bílá
Výklad doplnit obrazovou přílohou různých typů rychle rostoucích dřevin
a energetických plodin (atlas rostlin).
89
konopí seté
17.4.2 Lesní biomasa – dendromasa Zahrnuje palivové dřevo, zbytky z dřevozpracujícího průmyslu, prořezávek a probírek a lesní těžařské zbytky. Při energetickém využívání je nutno přihlédnout k nákladům na těžbu a transport, jelikož lesní ekosystémy mohou být značně nedostupné. Současně je důležité dodržet princip šetrné těžby, aby nedošlo k rozsáhlejší destrukci nižších pater ekosystému. Pro udržení potravních vztahů je důležité provádět těžbu postupně a promyšleně, dbát na to, aby část odumřelých stromů a větví v lese zůstala, mají ochrannou i vyživovací funkci (cca 5 vzrostlých kmenů nekromasy na 1 ha lesa). Lesní biomasu vymezuje vyhláška č. 482/2005 Sb. sk. 3. Patří sem palivové dřevo a zbytková lesní biomasa.
17.4.2.1
Palivové dřevo
Je to snad nejstarší obnovitelný zdroj využívaný člověkem k získávání energie. Je poměrně snadno dostupný, dobře skladovatelný, lehce a rychle využitelný. Dřevo rozdělujeme podle tvrdosti (schopnost dřeva odporovat vtlačení tělesa daného tvaru do jeho struktury) na tvrdé a měkké. Tvrdost dřeva se uvádí v MPa (0,1 MPa = 1kg/cm2). Měkká dřeva pocházejí většinou z jehličnatých stromů, rychle hoří a při hoření z nich odlétávají jiskry (praskají). Patří sem dřevo ze smrku, borovice, modřínu, jedle, topolu, lípy. Tvrdá dřeva pocházejí většinou z listnatých stromů, hoří pomaleji a stabilní intenzitou, vytvářejí žhavé uhlíky o vysokém žáru. Tato dřeva pocházejí např. z buku, dubu, akátu, habru, tisu, jasanu, ořešáku atd. Pro dobré spalování dřeva je důležité jeho řádné vyschnutí. Palivové dřevo by se mělo spalovat při 25% vlhkosti a menší. V praxi to znamená, že by mělo na suchém, větraném místě vysychat minimálně 2 roky po obmýtí. Palivové dřevo se prodává v různých měrných jednotkách. Mohou to být: •
Plnometr dřeva (1 pm = 1m3) - krychle o straně 1 m plně vyskládaná dřevem bez skulin
•
Prostorový metr dřeva rovnaný (1 PRMr) – krychle o straně 1 m srovnaných polen dřeva s minimálními skulinami mezi poleny, cca 0,7 m3
90
•
Prostorový metr dřeva sypaný (1 PRMs) – krychle o straně 1 m poházených kusů dřeva s poměrně velkými škvírami, cca 0,4 m3
Důležitou vlastností palivového dřeva je jeho výhřevnost (množství uvolněné tepelné energie při hoření). Udává se v MJ/kg., popř. v MJ/pm. Obecně platí, že energeticky vydatnější je dřevo tvrdé, tedy akát, habr, dub, buk, jasan, bříza. Dle měrných jednotek, úpravy polen a míry výhřevnosti dřeva, se určuje i jeho cena. Přestože každým rokem cena palivového dřeva narůstá, stále patří při volbě optimálního topeniště topení dřevem v porovnání s elektřinou či plynem k nejlevnějším.
17.4.2.2 •
Zbytková lesní biomasa Lesní zbytky z probírek
Probírka se provádí na příliš hustých, mladých lesních porostech a vede ke zvýšené kvalitě dřeva ponechaných stromů. Může se provádět ručně, nebo pomocí různých technických zařízení, například štípací hlavice. •
Lesní zbytky z mýtní těžby, tzv. lesní klest
Jedná se o zbytky ponechané na zemi po těžbě. Tvoří ji větve, asimilační orgány, stromové vršky. Efektivní využití je pomocí techniky svazkování. •
Pařezy a kořeny
Tvoří více než pětinu suché biomasy stromu. Nejsou příliš využívány z důvodu vysokých nákladů při těžbě, manipulaci a přepravě. Jinak jsou ovšem energeticky velmi vydatné. Lesní těžební zbytky jsou kromě skandinávských zemí a Kanady stále málo využívaným obnovitelným zdrojem energie. Jejich využívání je ovlivněno řadou faktorů (ochrana přírody, nedostupnost terénu, ochrana ovzduší, ekonomické a sociální faktory regionu). Využití těžebních zbytků se v ČR omezuje hlavně na lesy hospodářské, ale při dodržení všech bezpečnostních předpisů a zachování hlavní funkce lesa lze k těžbě využít i lesy zvláštního významu i lesy ochranné.
91
Spalování dřeva pro zisk tepla a světla, je snad nejstarší způsob energetického využívání biomasy. Postupem času se jednoduchá topeniště modernizovala až po dnešní plně automatizované topné systémy, které kromě produkovaného tepla a světla dokáží vyrábět i elektřinu. O tomto způsobu využití je pojednáno v kapitole 3. Výroba energie z biomasy. 17.4.3 Zbytková odpadní biomasa •
Je vymezena vyhláškou č.482/2005 Sb., sk. 4 a 5.
Obsahuje vedlejší produkty a zbytky z papírenského, dřevozpracujícího, kožedělného, potravinářského, farmaceutického průmyslu. Dále sem patří odpady z jatek, lihovarů, cukrovarů, moštáren. Jedná se o biomasu, která vzniká sekundárně při zpracování primárních zdrojů. V posledních letech se sem výraznou měrou zařadily čistírenské kaly – odpadní složka z čističek odpadních vod. Důležitou součástí pro odpadové hospodářství zemědělské výroby jsou exkrementy z živočišné výroby, které jinak tvoří nebezpečný toxický odpad. Právě zemědělská výroba je velkým producentem odpadní biomasy, proto je žádoucí, aby jednotlivé zemědělské stanice a farmy byly vybaveny vlastním zařízením na její zpracování. Ušetří se tak náklady na přepravu a delší skladování.
17.4.4 Další biomasa k energetickému využití 17.4.4.1
Řasy
Řasy představují velkou a nesourodou skupinu jednoduchých vodních organizmů, které využívají energii slunečního záření. Žijí v mořích, sladkých vodách i na vlhkých místech souše. V symbióze s houbami tvoří lišejníky. Jednobuněčné řasy se volně vznášejí ve vodě jako součást planktonu, vícebuněčné se podobají vyšším rostlinám a žijí přisedle. Pro výrobu biopaliv jsou nejvhodnější řasy zelené, které obsahují chlorofyl. Některé druhy jsou velmi bohaté na tuk (60 % hmotnosti), takže se z nich dá snadno vyrobit bionafta. Další jejich výhodou je skutečnost, že rostou rychleji než polní energetické plodiny a nesklízejí se sezónně, nýbrž průběžně. Tím je zabezpečena plynulá výroba energie. Jejich pěstování nevyžaduje náročné metody, efektivní je jejich pěstování v bioreaktorech, které mohou být umístěny na jinak nevyužitelné zemědělské půdě a reakce v nich není
92
ovlivňována klikatíckými podmínkami. Problémem se jeví pouze skutečnost, že druhy, které se množí rychle, jsou méně energeticky vydatné a naopak. Touto problematikou se zabývá genetické inženýrství, v tuzemsku zejména Mikrobiologický ústav Akademie věd. Výhody při pěstování řas: •
vysoká produktivita (až 100 t suché hmoty/ha)
•
velká úspora vody (až 50%)
•
možnost řízeného procesu – kultivační činnost
•
znovuvyužití odpadního CO2
•
konstantní výnosy
Řasy se zatím využívají k produkci metanu, bioetanolu, bionafty. Představou do budoucna je využití řas k průmyslové výrobě vodíku.
mořská řasa
sladkovodní řasa
bioreaktor
17.5 Produkty z biomasy určené k vytápění 17.5.1 Polenové dřevo Je nejvíce využívanou formou biomasy, především v domácnostech. Pořídit se dá v různých cenových kategoriích v závislosti na typu dřeva a jeho úpravě (100–200,- Kč/ PRMr). Většinou se jedná o kusy dlouhé 30–50 cm, o tloušťce 10–20 cm. Spaluje se po ztrátě vlhkosti, musí se skladovat na suchém a větraném místě. Při spalování nedostatečně vyschlého dřeva se snižuje výhřevnost a zvyšuje se produkce emisí. Pevné emise také častěji zanášejí kouřovody a komíny. Ke spalování dochází v otevřených i uzavřených systémech, nejvyšší efektivita je při spalování ve zplyňovacích kotlích.
93
17.5.2 Štěpka Pod pojmem štěpka rozumíme malé kousky rozdrceného dřeva o velikosti cca 1–10 cm. K její výrobě se používají štěpkovače, obsluha je poměrně jednoduchá. Výhodou štěpky je snadná a rychlá příprava, nevýhodou vysoká vlhkost a nutnost řádného skladování. Druhy štěpky:
17.5.2.1
Zelená štěpka
Čerstvý klest z lesní těžby s jehličím a listím. Má velký obsah vody, spaluje se ve větších topeništích (např. elektrárnách), v domácích topeništích je po vyschnutí vhodná na podpal.
17.5.2.2
Hnědá štěpka
Starý klest z lesních těžeb s větším podílem kůry bez jehličí a listí. Má nižší podíl vlhkosti, větší výhřevnost. Vhodná do automatických kotlů.
17.5.2.3
Bílá štěpka
Odpad na pilách a dřevozpracujících provozech, vhodná na výrobu dřevotřísky, má vyšší podíl vody – až 60 %, vyžaduje sušení. V porovnání s předchozími má vyšší pořizovací cenu.
17.5.3 Piliny a hobliny Podobný drobný odpad jako bílá štěpka z pil, na rozdíl od ní mívá ale nízký obsah vlhkosti. Používají se na spalování ve speciálních kotlích, nebo k výrobě pelet a briket.
Výklad doplnit praktickou ukázkou různých typů dřevin dle tvrdosti a dalšími příklady energeticky využitelné dřevní hmoty.
94
17.5.4 Brikety Slisované dřevěné částice do válečků či různých mnohostěnů o průměru cca 40–100 mm a délce do 300 mm. Mají minimální podíl vody, jsou velmi výhřevné. V domácích topeništích můžou nahradit polenové dřevo. Nevýhodou je poměrně vysoká cena. Vedle dřevěných briket se vyrábějí i agrobrikety, které vznikají slisováním částic bylinného původu (stébelniny, sláma z řepky, výlisky z olejnin).
17.5.5 Pelety Pelety jsou slisované kostky rostlinné biomasy do vysoce výhřevných granulí. Podle charakteru materiálu, který byl slisován, rozlišujeme pelety dřevěné (piliny, hoblovačky), a agropelety (otruby, řepková sláma, obilná sláma, slupky slunečnicových semen, rašelina a jiné rostlinné zbytky). Granule mají v průměru 6–12 mm a délku do 50 mm. Používají se do automatických kotlů, je s nimi snadná manipulace. Jsou vydatným zdrojem tepla. 17.5.6 Slámové balíky Slámové balíky se spalují ve speciálních kotlích (např.v elektrárnách), pro domácí kotelny nejsou vhodné. Nevýhodou je jejich velký objem a vysoký obsah popelovin po hoření. 17.5.7 Kapalná paliva •
viz kapitola 5. Výroba motorových paliv z biomasy
Zopakovat se studenty rozdíl v potravinovém a energetickém využití biomasy. Zopakovat jednotlivé druhy biomasy k energetickému využití. Nechat studenty porovnat ekonomickou bilanci při energetickém využívání dendromasy. Nechat studenty charakterizovat výhody a nevýhody využívání různých druhů biomasy.
95
štěpka
dřevěné brikety
polenové dřevo
piliny a hobliny
slámové brikety
slámové balíky
17.6 Mechanizace pro pěstování, sklizeň, úpravu a přepravu biomasy 17.6.1 Prostředky pro pěstování Patří sem prostředky pro přípravu půdy – mulčovače, brány na orbu, kultivátory a prostředky pro sadbu a obdělávání rostoucí biomasy – sázecí stroje, postřikovače, traktory.
Pro lepší fixaci získaných vědomostí je vhodné navštívit se studenty jarní veletrh
Agrotech Brno, kde jednotlivé stroje uvidí naživo, popřípadě i v činnosti.
Nechat studenty vypracovat z odborné exkurze výstupní práci(např. popis některé
z mechanizací).
96
17.6.2 Prostředky pro sklizeň Sklizeň rychle rostoucích dřevin provádějí specializované stroje, harvestory, kombajny se zesíleným žacím a sekacím ústrojím. Většinou mají i fukar k přenosu štěpky na vlečku.
Mechanizace na sklizeň rychle rostoucích dřevin http://biom.cz/cz/odborne-clanky/nedostatek-biomasy
17.6.3 Prostředky na úpravu biomasy Slouží ke konečné úpravě biomasy. K úpravě velikosti a formy se používají různé štěpkovače, drtiče, štípače, třídiče, balíkovače, briketovací či peletovací lisy. K úpravě vlhkosti se používají sušárny či sklady, přepravu zajišťují dopravníky vzduchové, šnekové, pásové, vlečkové. S biomasou manipulují také různé jeřáby a nakladače.
Mobilní štěpkovač http://www.karlow-karlshof.com/zpracovani-biomasy.php?str=mobilni-stepkovace&podstr=hem360za
97
17.7 Výhody a nevýhody energetického využívání biomasy Při využívání biomasy jakožto zdroje energie musíme brát v úvahu aspekty ekonomické, ekologické a bezpečnostní. 17.7.1 Výhody využívání biomasy •
Jedná se o obnovitelný zdroj bez škodlivých emisí a těžkých kovů.
•
Při spalování dochází k neutrální bilanci CO2, neboť jeho uvolněné množství do ovzduší odpovídá množství, které rostlina do svého těla za život navázala. Vrací se tedy do atmosféry v přibližně stejném období, v jakém byl rostlinou asimilován. Jinak je tomu při spalování fosilních paliv, kde je tento plyn vázán z dávných dob a uvolňován v současnosti.
•
ochrana půdy proti erozi (kořenový systém zpevňuje půdu)
•
zachování biodiverzity (v daném ekosystému plní rostliny funkci potravní a ochrannou)
•
poměrně malé nároky na lokalitu (bioplynové stanice i rychle rostoucí dřeviny)
•
zadržování vody v krajině (rostlinný kryt zpomaluje odtok vody)
•
zefektivnění odpadového hospodářství dané lokality
•
ekonomický rozvoj regionu, nové pracovní příležitosti pro jeho obyvatele
17.7.2 Nevýhody využívání biomasy •
vyšší náklady, pokud nedochází ke zpracování v místě zdroje (transport)
•
v porovnání s fosilními palivy může dojít k menší spolehlivosti i energetické vydatnosti
•
sezónnost využití u polních plodin
•
nebezpečí úniku škodlivin a kontaminace při některých technologiích
•
při špatném technickém stavu zdroj zápachu
Zopakovat kontrolním testem celou kapitolu 17.
98
18. Výroba elektřiny z biomasy Na výrobu elektřiny se používají spalovací motory, protitlakové turbíny spojené s generátorem nebo parní stroje. Biomasa může být spalována v samostatných parních kotlích, kombinovaným spalováním s fosilními palivy nebo připojením zvláštních kotlů k jinému energetickému zařízení. Jednoduše lze princip výroby elektřiny popsat tak, že spalováním bioplynu se uvolňuje energie, která roztáčí generátor, čímž vzniká elektrická energie.
18.1 Kogenerace Kogenerace je výroba elektrické energie za využití zbytkového tepla vznikajícího při spalování jakéhokoliv paliva. Umožňuje zvýšení účinnosti využití energie paliv. Princip kogenerace spočívá v roztočení elektrického generátoru (cca 35% účinnost). Teplo, které se při tom uvolní, je prostřednictvím chlazení spalovacího motoru a výfukových plynů efektivně využito, což účinnost kogenerační jednotky zvyšuje až na 90 %. Toto odpadní teplo je využito např. k ohřevu teplé vody, k vytápění budov či k zahřívání fermentoru bioplynové stanice. Kogenerační jednotky jsou ideálním záložním zdrojem energie. V případě nadprodukce elektřiny je vhodné přebytky dodávat na základě smlouvy s distributorem do elektrické sítě.
18.2 Výroba a využití dřevoplynu Dřevoplyn se vyrábí rychlým anaerobním zplyňováním biomasy. Při tomto procesu reaguje uhlík za vysoké teploty (až 900 °C) s vodní párou nebo kyslíkem, čímž vzniká směs oxidu uhelnatého, vodíku, metanu a oxidu uhličitého. Vedlejšími produkty mohou být rakovinotvorné aromatické uhlovodíky (fenoly). Dřívější využití dřevoplynu spočívalo především ve vytápění a v době nedostatku pohonných hmot (2. světová válka) i jako paliva do spalovacích motorů, zvláště nákladních automobilů. Dnes se používá na vytápění a k výrobě elektřiny. Vedlejším produktem při výrobě dřevoplynu je dřevěné uhlí, které lze dále využít jako palivo nebo na výrobu grilovacích briket. Dřevoplyn se dnes vyrábí ve speciálních generátorech, od jednodušších až po fluidní, ve kterých probíhá termický proces za velmi vysokých teplot (až 950 °C).
99
19. Biotechnologické využití bioplynu 19.1 Charakteristika bioplynu Bioplyn je plynná směs, která vzniká anaerobním rozkladem biomasy za přítomnosti bakterií a enzymů. V přírodě vznikají tímto způsobem různé plyny (skládkový plyn, zemní plyn, důlní plyn či plyn v trávicích traktech přežvýkavců a termitů). Hlavní reakce, která vede ke vzniku bioplynu, se nazývá anaerobní fermentace nebo též metanogeneze, metanové kvašení, biometanizace. Hlavní a energeticky využitelnou složkou bioplynu je metan (CH4). Jeho podíl může činit až 75 %, druhou nejvíce zastoupenou složkou je oxid uhličitý (CO2) – až 50 %. Minoritními plyny jsou oxid uhelnatý, amoniak, sulfan atd. Pro další využití se tento "surový bioplyn" dále upravuje, aby jeho využití bylo co nejefektivnější. Metan je zdrojem dalšího využití, ale současně je třeba připomenout, že je to jeden z hlavních skleníkových plynů, podílejících se na změnách klimatu.
19.2 Zdroje na výrobu bioplynu Kromě dřeva se dá použít všechna biomasa, ale nejvhodnější je biomasa odpadní. Biomasu odpadní tvoří:
1)
Rostlinné zbytky ze zemědělské výroby (sláma, odpady ze sadů, vinic, pastvin a luk).
2)
Živočišné zbytky ze zemědělské výroby. Jedná se především o exkrementy z chovu hospodářských zvířat – zejména kejda (prasečí výkaly), která je klasifikována jako toxický zemědělský odpad, takže její energetické využití má užitek i z hlediska odpadového hospodářství. Dále sem patří jateční zbytky (např. vemena), které jsou jinak nevyužitelné a mohou tvořit až 50 % jateční hmotnosti zvířete.
3)
Komunální organické odpady (listí, tráva z veřejných ploch, zbytky jídel z veřejného stravování, kaly z čističek odpadních vod).
4)
Organické odpady z průmyslových závodů (moštárny, mlékárny, pálenice, lihovary, cukrovary, koželužny, papírny, konzervárny, textilky ...).
100
19.3 Vznik bioplynu Tvorba bioplynu a jeho energeticky bohaté sloučeniny metanu probíhá při katabolické anaerobní reakci, tedy reakci štěpné, kdy z látky složitější vzniká látka jednodušší za současného uvolnění energie.
1)
reakce - anaerobní fermentace ( vznik bioplynu) C6H12O6
→
3 CH4 + 3 CO2 + sušina + energie (teplo)
Organická sloučenina (glukóza) se rozkládá vlivem tepla, bez přístupu kyslíku a vzniká metan, oxid uhličitý, druhotná sušina a uvolňuje se energie ve formě tepla. Pokud dojde k rozkladné reakci za přístupu kyslíku, biomasa se mění v humus.
2)
reakce – aerobní rozklad organické látky (kompostování - vznik humusu) C6H12O6 + 6O2
→
6CO2 + 6H2O + humus + energie (teplo)
Organická sloučenina (glukóza), se rozkládá za přítomnosti kyslíku a vzniká oxid uhličitý, vypařuje se voda, uvolňuje se teplo do ovzduší a vzniká humus. 19.3.1 Chemické reakce vedoucí k tvorbě bioplynu Výroba metanu probíhá řízeně v bioplynových stanicích a k výslednému produktu vedou čtyři na sebe navazující reakce.
1)
Hydrolýza – reakce probíhající na vlhkém vstupujícím substrátu, během níž dojde štěpnou reakcí za pomocí enzymů k rozkladu polymerů na monomery (polysacharidy – sacharidy...).
2)
Acidogeneze – anaerobní reakce, při které přítomné bakterie odčerpají veškerý kyslík.
3)
Acetogeneze – další činností bakterií dojde k rozkladu organických kyselin na vodík, oxid uhličitý a kyselinu octovou (CH3COOH).
4)
Metanogeneze – činností bakterií vzniká žádoucí metan. Metenogenní bakterie ho vytvářejí z kyseliny octové, hydrogenotrofní bakterie z vodíku a oxidu uhličitého.
101
Metanogeneze (fermentace) je finální a hlavní reakcí pro tvorbu bioplynu. Podle charakteru vstupního substrátu a použité technologie se používá buď suchá, nebo mokrá fermentace. Obecně rozšířenější je mokrá fermentace (zvláště v zemědělství), která zpracovává mokrou biomasu (například kejdu), suchá fermentace je obvyklejší třeba při zpracovávání domovních a komunálních odpadů (sušina tvoří 30 a více procent). Po ukončení fermentace zůstává ve fermentoru kapalný či tuhý zbytek(digestát).Pevný je využitelný jako hnojivo, kapalný(fugát), např. jako očkovací látka pro nový substrát k fermentaci. Proces fermentace je řízeným procesem a lze ho částečně ovlivnit vytvořením vhodných podmínek. Pro zlepšení průběhu reakce se do fermentoru přidávají minerální látky, vitamíny, enzymy, biogenní prvky a živiny. Z fyzikálních faktorů je důležitá provozní teplota, pH hodnota substrátu a tlak v reaktoru. Řízená výroba bioplynu probíhá v bioplynových stanicích. 19.3.2 Schéma bioplynové stanice Bioplynové stanice se od sebe odlišují v závislosti na stáří, velikosti, charakteru substrátu který zpracovávají, typu technologie výroby a pořizovacích nákladech. Hlavní části bioplynové stanice:
1)
Skladovací nádrž
Jelikož přísun substrátu pro bioplynovou stanici nemusí být konstantní, je třeba ho při zvýšené dodávce někde skladovat. K tomuto slouží uskladňovací nádrže či jímky. Ty musí být odolné proti chemickým a fyzikálním vlivům z prostředí (tlak, teplota, voda …) a nesmí být zdrojem zápachu pro okolí.
2)
Přípravná nádrž
Již z názvu je patrné, že zde dochází k úpravě zpracovávaného substrátu před vlastní metanogenezí. Především se zde přijímaný substrát rozmělňuje a drtí, což vede ke zvýšení účinnosti bakteriálního působení a k urychlení rozkladu. V případě použití mokré fermentace zde dochází také k ředění substrátu, k čemuž se používá např. kejda, odpadní voda či kapalný digestát z předchozí výroby nebo z výroby motorových paliv.
102
Současně se v přípravné nádrži substrát tzv. hygienizuje – to znamená, že se pomocí mikroorganizmů zbavuje nežádoucích látek. Tato technologie vyžaduje vysoké odborné znalosti, aby nedošlo vlivem působení bakterií současně ke komplikacím (například ke zpomalení či zastavení rozkladného procesu).
3)
Reaktor (fermentor)
Je to nejdůležitější součást celé bioplynové stanice. Může mít různý tvar i velikost. Může být nadzemní, polozapuštěný, či podzemní. Může být orientován svisle, či horizontálně. Materiál, ze kterého je vyroben musí odolávat vlhkosti, tlaku, slunečnímu záření. Zpravidla se na výrobu reaktorů používá beton, plast, ušlechtilá nerezová ocel, železobeton. Pro snadné vyprazdňování musí být reaktor vybaven míchadly, které zamezují tvorbě usazenin. Moderní reaktory jsou také vybaveny monitorovacími prostředky pro kontrolu průběhu metanogeneze.
4)
Bioplynová koncovka
Jedná se o zařízení, které slouží k odvodu vyrobeného bioplynu do plynojemu. Vyrobený bioplyn se zde upravuje – viz kapitola 4.3.5. Úprava bioplynu.V bioplynové koncovce se kontroluje a reguluje výroba bioplynu.
5)
Kalová koncovka
Toto zařízení slouží k úpravě a čištění zbytků z reaktoru. Zbytkový substrát je zde za pomoci čerpadel, sít, lisů, filtrů oddělen na tuhý a tekutý. Tuhý zbytek, pokud je bez kontaminace těžkými kovy, se může dále použít jako hnojivo na pole, k výrobě pelet nebo jako podestýlka při chovu hospodářských zvířat. Bohužel pevný digestát bývá často zdrojem nežádoucích látek ( Cl, K, S ...), takže jeho využití pro spalování i jako hnojivo je problematické. Tekutý zbytek je využitelný na ředění (očkování) nově vstupujícího substrátu nebo se dá využít přímo na výrobu bioplynu, při nadbytku se dá po nějakou dobu skladovat ve zbudovaných jímkách.
Nakreslit na tabuli, nebo promítnout průsvitkou na meotaru schéma bioplynové stanice, tok substrátu a vznikajícího bioplynu.
103
6)
Plynojem
Plynojem je nádrž různého tvaru i velikosti, sloužící k uskladnění vyrobeného, přebytečného bioplynu. Z bezpečnostního hlediska musí plynojemy splňovat podobné požadavky, jako fermentory. Musí být tedy vyrobeny z materiálů odolávajícím vlhkosti (koroze), tlaku, teplotě, UV záření. Dle kapacity bioplynové stanice se vyrábějí plynojemy nízkotlaké, střednětlaké a vysokotlaké. Pro případ nadprodukce bioplynu, která by nešla skladovat, jsou plynojemy vybaveny řízenými hořáky, které přebytečný bioplyn spálí. Obsluha bioplynové stanice pravidelně kontroluje na měřících přístrojích při výstupu z bioplynové stanice řadu hodnot, dle kterých lze průběh rekcí vedoucích k výrobě bioplynu ovlivňovat. Patří sem například provozní teplota, tlak, stav naplnění fermentoru, pH hodnoty substrátu, množství vyrobeného bioplynu. K tomuto monitoringu slouží různé indikátory, od těch jednodušších až po moderní elektronické, infračervené aj.
Reaktor v Poběžovicích
Reaktor s plynojemem v Poběžovicích
http://www.fermgas.cz/bioplynove-stanice/detail-fotografie/12/foto_145.html
Bioplynová stanice v Olešné
http://www.agrifair.cz/component.php?cocode=article&acid=6
104
Schéma bioplynové stanice http://www.blacknbush.cz/cs/sluzby/energetika/bioplynove-stanice
19.3.3 Technologie k výrobě bioplynu Jak již bylo uvedeno, výroba bioplynu, tedy i metanu, probíhá řízeně v bioplynových stanicích, které mohou být různě odlišné (viz předchozí kapitola). Hlavní parametry, ve kterých se jednotlivé technologie liší:
1)
Teplota fermentace Podle typu zúčastněných bakterií rozlišujeme tři různá teplotní pásma:
a)
psychrofilní bakterie – 15–20 °C
b)
mezofilní bakterie – 32–40 °C
c)
termofilní bakterie – 42–55 °C
105
2)
3)
Počet procesních stupňů (fermentací)
a)
jednostupňové bioplynové stanice – jednotlivé fáze fermentace se prolínají
b)
dvoustupňové bioplynové stanice – 2 oddělené fermentační fáze
c)
třístupňové bioplynové stanice – 3 oddělené fermentační fáze
Způsob dávkování substrátu určeného ke zpracování
a)
Plynulé dávkování (kontinuální) – vysoce modernizovaná, zpravidla zautomatizovaná linka, zajišťující plynulé dávkování substrátu do fermentoru. Používá se především při zpracovávání tekutého substrátu.
b)
Poloplynulé dávkování (semikontinuální) – fermentor je průběžně doplňován novým substrátem, výroba bioplynu je konstantní. Linka není plně zautomatizovaná, obsluha kontroluje a reguluje dávkování. Používá se při zpracovávání polotekutých odpadů.
c)
Přerušované dávkování (diskontinuální) – tato metoda je používána u starších bioplynových stanic a také u stanic, které zpracovávají biomasu tzv. suchou fermentací. Fermentor je v určitých intervalech plněn substrátem, takže výroba bioplynu není konstantní. Do procesu musí aktivně zasahovat obsluha bioplynové stanice.
4)
Charakter vstupujícího substrátu
a)
Technologie na zpracování tekutých látek – touto metodou se zpracovávají substráty, které mají obsah sušiny do 3 %, (optimum se nachází v rozmezí 8–15 %). Vhodnou surovinou pro toto využití jsou exkrementy hospodářských zvířat a čistírenské kaly. Tekutý substrát vyžaduje při zpracovávání stálé míchání, jinak hrozí tvorba usazenin.
b)
Technologie na zpracování pevných látek – tyto technologie se používají na zpracovávání substrátu, který obsahuje do 30 % sušiny‚ optimum se nachází v rozmezí 20–25 %). Pro toto využití je vhodná například chlévská mrva, zbytky jídel, sláma, pevný odpad z jatek… Tato technologie poskytuje menší produktivitu bioplynu, než technologie předchozí. 106
c)
Kombinované technologie – pro svou univerzálnost jsou nejrozšířenějšími technologiemi. Výrobce může bioplynovou stanici využívat bez ohledu a omezení vzhledem k momentálnímu stavu a konzistenci vstupujícího substrátu.
19.3.4 Faktory mající vliv na kvalitu bioplynu Efektivita výroby bioplynu je odvislá od řady faktorů. Některé již zde byly zmíněny. Jedná se především o kvalitu vstupujícího substrátu a typ bioplynové stanice. V předchozí kapitole byly zmíněny odlišnosti v používaných technologiích dle typu bioplynové stanice, nyní pár faktů o vstupujícím substrátu, na jehož kvalitě je značně závislý výsledný efekt.
1)
Poměr uhlíkatých a dusíkatých sloučenin
Optimálním poměrem uhlíkatých a dusíkatých látek je 30 : 1. Bohaté na uhlík jsou rostlinné zbytky, hodně dusíku obsahují například exkrementy. Pro dodržení správného poměru těchto složek se vstupující substrát mnohdy mísí.
2)
Vysoký obsah organických sloučenin
Čím vyšší je obsah organické složky (tuky, cukry, bílkoviny), tím je lepší vytěžitelnost bioplynu.
3)
Hodnota pH vstupujícího substrátu
Přítomnost síry, způsobující kyselé hodnoty pH, zpomaluje výrobu bioplynu. Optimální hodnoty jsou kolem neutrálního pH (7).
4)
Přítomnost anorganické složky
Anorganické složky nemohou být zdrojem bioplynu. Nepodléhají biologickému rozkladu. Čím větší přítomnost písku, kamení atd., tím menší efektivita.
107
5)
Čistota vstupujícího substrátu
Pokud je vstupující surovina napadena mikroorganizmy (plíseň, sněť, hniloba…), výsledný efekt se snižuje.
6)
Přítomnost tlumících látek (inhibitorů)
Jako inhibitory se mohou projevit např. různé chemické sloučeniny pocházející z postřiků, emisí, mohou to být chemické sloučeniny (léky) z živočišných těl, popřípadě z jejich exkrementů. 19.3.5 Úprava bioplynu Bioplyn obsahuje po svém vzniku řadu nežádoucích látek, jejichž přítomnost snižují možnosti a efektivitu jeho využití. Je to především sulfan, který v reakci s vodní párou vytváří kyselinu sírovou, která působí korozivně na tělesa bioplynové stanice a zkracuje jejich životnost.. Proto se „surový“ bioplyn odsiřuje, suší a kondenzuje. Odsíření probíhá buď biologickou, nebo chemickou cestou, při které se přítomný sulfan mění pomocí bakterií, nebo chemických sloučenin na síru. Při sušení se bioplyn zbavuje nadbytku vodní páry vysokou teplotou a při chlazení se vlhkost snižuje prostřednictvím kondenzace v plynovodu. Tekutý kondenzát se potom odvádí do odlučovače.
19.4 Využití bioplynu Bioplyn je energetický zdroj a dá se tedy využít jako jakékoliv jiné palivo. Možnosti využití jsou následující:
1)
Přímé spalování
Jedná se o nejčastější a nejjednodušší využití. Vyrobený bioplyn (metan) se dá využít na svícení, ohřev či čerpání vody, vaření, sušení, chlazení... Toto použití vyžaduje úpravu bioplynu dle předchozí kapitoly, aby nedošlo k poškození spotřebiče.
108
2)
Výroba elektrické energie a tepla – kogenerace
O kogeneraci bylo pojednáno v kapitole 3.1. Na trhu se vyskytují různé typy kogeneračních jednotek. Při konečné produkci připadá cca 30 % využití na elektřinu a 60 % na teplo. Zbytek jsou ztráty.
3)
Výroba elektrické energie, tepla a chladu (trigenerace)
Kogenerační jednotka se propojí s chladící jednotkou. Tím je docíleno nejen využití tepla na topení v chladných dnech, ale i chlazení – například do klimatizačních jednotek v létě. Toto využití je zatím v ústraní.
4)
Pohonná hmota spalovacích motorů
Čistý bioplyn (až 90 % metanu) je velmi vydatné a ekologické palivo. Do spalovacích motorů se ale může použít až po důkladné úpravě syrového bioplynu, což může být finančně náročné. Motoristé znají toto palivo pod značkou CNG (compressed natural gas). V Evropě je takto bioplyn nejvíce využíván v severských zemích (Švédsko, Dánsko). Ve Švédsku uvedli do provozu na bioplyn dokonce i vlak.
5)
Bioplyn jako součást palivových článků (Sterlingův motor)
6)
Bioplyn jako zdroj vodíku
Vodík jako alternativní palivo je dlouhodobě diskutovaným tématem. Jednou z možností, jak ho vyrobit, je i úprava bioplynu. Tento vývoj probíhá především v USA, Japonsku a Německu. Negativním prvkem při možném využití vodíku je jeho těkavost (nebezpečí výbuchu) a nákladná výroba.
7)
Dodávka do sítě zemního plynu
Jde spíše o perspektivní využití přebytků při výrobě bioplynu. V současnosti se využívá málo pro technickou náročnost. Výhodou je pohotovostní řešení a okamžité finanční zhodnocení. Nevýhodou jsou nároky na technickou úpravu bioplynu a jeho transport. V současnosti se tato metoda využití zkouší ve Švédsku, Nizozemí a Německu. 109
20. Výroba motorových paliv z biomasy Rostoucí spotřeba fosilních paliv, způsobená jednak populační explozí a jednak stále konzumnějším způsobem života obyvatel vyspělých zemí, vede zákonitě k úbytku jejich zásob. Navíc je čerpání těchto zásob závislé na politické situaci daného regionu, mnohdy se stává nástrojem k uplatňování mocenských zájmů a zdrojem mezinárodních konfliktů. Připočteme-li k tomu i ekologický aspekt, je pochopitelné, že lidstvo se snaží hledat alternativní, nové zdroje ke svému konzumu, které by z velké části nahradily zdroje konzervativní – fosilní paliva. Jednou z nových technologií výroby pohonných hmot je FischerTropschova syntéza, kterou lze za pomoci nízkoteplotní pyrolýzy vyrobit tzv. motorová paliva II. generace. Surovinou pro tuto výrobu může být pěstovaná nepotravinářská biomasa, ale i organické zbytky z domovních či komunálních odpadů, zemědělské výroby. Takto využít lze například i zbytky obalové techniky, pryž, plasty atd. Biopaliva II. Generace mají konverzní poměr obvykle 5:1( tzn. z 5 t. biomasy se vyrobí 1t. bioplynu).
20.1 Technologický postup pro výrobu motorových paliv II. Generace 1)
Sběr odpadu
Netříděný odpad se shromáždí v příjmovém zásobníku.
2)
Vstupní úprava odpadu
Na třídící lince dojde k separaci organického a anorganického odpadu. Organický odpad pokračuje do drtiče, kde dojde k jeho rozmělnění, anorganický odpad je odstraněn.
3)
Ředění
Rozmělněný substrát se ředí procesní kapalinou, čímž vzniká organická emulze vhod-ná k fermentaci (cca 12 % sušiny). Z této emulze se následně opět na vibračních sítech oddělí částice větší než 6 mm, zbytek pokračuje k fermentaci.
110
4)
Sušení
Zachycené pevné částice se suší až do 15% obsahu vody. Usušený substrát se znovu rozmělňuje a pokračuje do fermentoru. Teplo se přivádí z bioplynové stanice nebo lze k zahřátí využít již vyrobený metan.
5)
Pyrolýza
Hlavní část celé technologie. Za vysokých teplot (350 °C), dochází k termické reakci, při které se zplyňováním a krakováním substrátu štěpí polymery na monomery a vzniká řada kapalných uhlovodíků s podobnými vlastnostmi, jako je benzin, kerosen či nafta. Tento proces se nazývá nízkomolekulární pyrolýza. Vznikají při ní i plynné uhlovodíky a tzv. pyrolýzní plyn (např. metan), který se dá dále použít např. jako palivo pro pohon generátoru. Biopaliva takto vyrobená se nazývají motorová paliva II. generace. Jejich výroba je vysoce ekologická, přispívá kladně i k otázce odpadového hospodářství. Proto se předpokládá, že bude v budoucnu na vzestupu.
20.2 Motorová paliva vyrobená z biomasy 1)
Bionafta
Bionafta se nejčastěji vyrábí z olejnatých rostlin, popřípadě i z živočišných tuků. Hlavní surovinou pro výrobu jsou semena řepky olejky, kafilerní tuky, popřípadě kuchyňské (fritovací oleje). Olej, který se získává lisováním, se vysokou teplotou a působením katalyzátoru mění na bionaftu I. generace. Tato reakce se nazývá katalytická esterifikace a biomasa se při ní mění na metylester, mastné kyseliny, glyceridy a další minoritní sloučeniny. Protože výroba metylesterů je finančně náročná, dochází k jejich mísení s lehkými ropnými produkty a tím vzniká tzv. bionafta II. generace (musí obsahovat aspoň 30 % metylesteru). Bionafta má trochu odlišné vlastnosti než nafta, proto její použití vyžaduje některé úpravy na spalovacích motorech. Její nevýhodou je vyšší spotřeba, nižší výkon, lepší vaznost vody (koroze) a agresivita na pryžové prvky. Pozitivem jsou lepší mazací schopnosti, rozložitelnost, bezemisní spalování.
111
2)
Bioetanol
Bioetanol vzniká biologickou fermentací cukrů. Hlavní surovinou na jeho výrobu je fytomasa s vysokým obsahem sacharidů např. cukrová řepa (v Brazílii třtina), brambory, ovoce, kukuřice, zelenina. Surovina obsahující škrob se nejprve hydrolizuje na glukózu. ( C6H10O5)n
+
H2O
→
škrob
n(C6H12O6) glukóza
Surovina s glukózou se alkoholovým kvašením mění na etanol. C6H12O6
+
2CO2 →
glukóza
2C2H5OH etanol
Vzniklý etanol je oddělen destilací, následuje rafinace a dehydratace. Vedlejšími produkty jsou aldehydy, kyseliny a estery. Významným pevným vedlejším produktem jsou výpalky. Je to suchý zbytek bohatý na bílkoviny, minerály a vitamíny. Pokud není kontaminován, je výborným hnojivem. Bioetanol se dá použít jako samostatné palivo, nebo se přimíchává do ropného benzínu – E 85 je směs obsahující 85 % etanolu a 15 % benzinu. Jeho nevýhodou je podobně jako u bionafty působení korozí a agresivita na kovové prvky, výhodou ekologický provoz, antidetonační vlastnosti, vyšší oktanové číslo pohonné směsi.
3)
Metanol
Metanol je bezbarvá, hořlavá, těkavá, toxická kapalina. V přírodě vzniká bakteriálním rozkladem organických látek. Metanol měl velký význam při větším využívání dřevoplynu, jehož je hlavní součástí. Vyráběl se suchou destilací dřeva (bukového), dnes se vyrábí průmyslově z oxidu uhelnatého. Při vysoké teplotě a tlaku, za účasti katalyzátorů vzniká katalytickou reakcí..
CO
+
2H2
→
CH3OH
Metanol se používá jako rozpouštědlo, samostatné palivo, přísada do pohonných hmot či jako surovina k výrobě organických sloučenin. 112
4)
Butanol Jedovatý plyn, vyráběný fermentací z biomasy. Používá se jako ředidlo, přísada
do spalovacích motorů, brzd, parfémů, k výrobě organických sloučenin.
5)
a)
Bio – ETB - přísada do paliva s obsahem bioetanolu (47 %)
b)
Bio – MTB - přísada do paliva s obsahem biometanolu (36 %)
Biooleje Rostlinné oleje se nacházejí v semenech různých olejnatých rostlin, ze kterých se
získávají lisováním. U nás se nejvíce využívá řepkový a slunečnicový olej, ale ve světě je to dále olej palmový, ricinový, bavlníkový, sojový, hořčičný či sezamový. Velkým zdrojem oleje jsou i řasy (viz. kap. 2.4.4.1). Nevýhodou rostlinných olejů je jejich velká viskozita – nedají se použít přímo, ale pouze po úpravě palivové soustavy a malá těkavost, která omezuje jejich použití pouze na dieslové motory. Jejich kladem je netoxicita a úplná rozložitelnost.
Zopakovat se studenty rozdíl v motorových palivech I. a II. Generace. Nechat si od studentů popsat jednotlivé typy motorových paliv, jejich výhody i nevýhody. Nechat studenty charakterizovat zdroje na výrobu motorových paliv, zdůraznit význam pro odpadové hospodářství v případě využití odpadů.
113
21. Využití bioodpadu 21.1 Kompostování Kompostování je aerobní, biologický rozklad biomasy. Dochází při něm ke štěpení organických sloučenin na elementární hmotu, která se nazývá humus. Humus je směsí živin, které jsou organického původu a vznikly tzv. humifikací a minerálních prvků, které jsou anorganického původu a vznikly tzv. mineralizací. Proces tvorby humusu je v podstatě procesem rozkladného řetězce, kterým se do přírody navracejí látky, které se v organizmech nahromadily v řetězci pastevně – kořistnickém. Je vyjádřením stálého koloběhu látek mezi přírodou živou a neživou. Z environmentálního hlediska jde o významnou recyklaci organické hmoty. 21.1.1 Humus a jeho význam Na správnou tvorbu humusu má vliv více faktorů. Především je důležitý charakter rozložitelné suroviny. Stejně jako v případě substrátu pro bioplynovou stanici i zde je důležitý správný poměr uhlíkatých a dusíkatých látek. Jelikož exkrementy a zelené rostliny jsou větším zdrojem dusíku, doporučuje se kombinovat surovinu v poměru 2–3:1 ve prospěch hnědé biomasy, tzn. starší, suché. Pro činnost rozkladačů je důležitá dostatečná vlhkost (50– 60%), přítomnost kyslíku a rozmělnění substrátu. Proto je vhodné kompostovanou biomasu nejdřív rozmělnit (různé drtiče) a zásobník, ve kterém ke kompostování dochází (kompostér), zbudovat s bočními průduchy. V obdobích sucha je možné kompost prolévat vodou. Výsledkem tohoto snažení by měl být cca za rok „zralý kompost“. Ten se rozváží na záhony, jelikož má řadu kladných funkcí. Především dodává půdě (rostlinám) živiny a minerály, snižuje kyselost půdy, podporuje tvorbu půdního edafonu (živá složka půdy), provzdušňuje půdu, čímž zvyšuje i její absorpční vlastnosti.
Zdůraznit studentům význam rozkladačů pro koloběh látek v přírodě.
114
21.1.2 Jednotlivé fáze kompostování Při kompostování můžeme odlišit 3 fáze: 1. fáze: Počáteční fáze, ve které se začínají štěpit lehce rozložitelné látky, množí se rozkladači a dochází k uvolňování tepla, které má za následek zahřátí kompostu až na 60 °C. Doba trvání je odvislá od teploty, vlhkosti atd. a trvá zhruba 1–6 měsíců. 2. fáze: Dochází k rozkladu ostatních sloučenin, kompost se už nezahřívá, konečným produktem je humus. Fáze trvá 6–12 měsíců. 3. fáze: Dokončení rozkladu, stabilizace hotového kompostu. 21.1.3 Způsoby kompostování Ve světě jsou rozšířeny celkem 3 způsoby, jak kompostovat biomasu:
21.1.3.1
Domácí kompostování
Jedná se o nejrozšířenější způsob kompostování. Rozšířený je zejména na venkově, kde lze kompostér snadno umístit na dvůr či zahradu a kromě zúrodňujícího substrátu získáváme i možnost snadného způsobu likvidace biologického odpadu. V domácích kompostérech, které jsou vyrobeny z různých materiálů (nejčastěji dřeva), se zpracovávají zbytky jídel, tráva, listí, piliny, posekané větve, popel ze dřeva aj. Nevhodnými zbytky jsou takové, které mají vysoký obsah anorganické složky (skořápky od vajec, kosti), zbytky mléčných a masových výrobků. Kompostér se zpravidla lokalizuje do stínu (důležitá vlhkost) mimo hranice se sousedy.
115
21.1.3.2
Komunitní kompostování
Je to kompostování, na kterém se podílí skupina lidí (komunita). Takovouto skupinou mohou být zahrádkáři, sousedé, zaměstnanci podniku, školy, žáci atd. Výhodou tohoto kompostování je pracovní podíl více jedinců, nevýhodou může být rozmělněná odpovědnost (je to všech a nikoho). Proto je dobré, je-li pověřen správce nad kompostováním. V legislativě odpadového hospodářství se na tento způsob nakládání s odpady pamatuje v zákoně 314/2006 Sb. Komunitní kompostování je oblíbená metoda např. ve Velké Británii či Švýcarsku.
21.1.3.3
Komunální kompostování
Komunální kompostování zajišťují firmy, které mají k tomuto účelu uzavřené smlouvy a disponují náležitým technickým vybavením. Svážejí a zpracovávají komunální biologicky rozložitelný odpad (BRO). Jsou to například zbytky jídel z veřejného stravování, zeleň z úpravy parků, zahrad, sadů, čistírenské kaly z čističek odpadních vod. Komunální kompostování je vzhledem ke kvantitě zpracovávaného substrátu náročným procesem, vyžadujícím odborné znalosti obsluhy a dokonalé technické zabezpečení, aby nedošlo ke zpracování nežádoucích (např. kontaminovaných) surovin. Samozřejmostí je proto důkladné třídění a příprava odpadu. Vyprodukovaný kompost se dodává k zahradnickému použití. Metoda tohoto kompostování je rozšířená např. ve Švédsku, Německu, Nizozemí.
domácí kompostér
komunitní kompostér
www.puruplast.cz/kompostery
www.ekonakup.cz/kompostery
116
Komunální, velkokapacitní kompostér http://www.agrointeg.cz
21.2 Čistírenské kaly Čistírenské kaly jsou obtížným, toxickým, ale nevyhnutelným odpadem při čištění vody. Jedná se o suspenzi pevných částic a koloidních roztoků, které se separují ze znečištěné vody v čističce odpadních vod. Většinou bývají směsí organických a anorganických látek a jejich koncentrace se uvádí v g/l, nebo v procentech. Tyto látky jsou hlavním zdrojem znečištění (50–80%). Energetické využití tohoto odpadu má tedy velký environmentální význam. 21.2.1 Způsoby likvidace a využití čistírenských kalů
1)
Recyklace
Vytěžené kaly z odpadní vody se pouze hygienizují – tzn. zbaví se choroboplodných či patogenních zárodků a použijí se okamžitě na pole jako hnojivo.
2)
Termická úprava
Kaly projdou termickým procesem (spalování, pyrolýza, metanogeneze…), při kterém se z nich dá vyrobit bioplyn (metan), nebo chemickými reakcemi získat minerální prvky, na které bývají kaly bohaté (Pb, Zn,Hg,Cd, P, As…). Při spalování kalu lze uvolněné teplo
117
dále využít například k ohřevu teplé vody, vytápění, sušení. Popel po spálení kalu (neobsahuje-li těžké kovy) lze dále využít jako hnojivo. 3)
Uložení kalů na skládku
Provádí se po důkladné hygienizaci kalu, aby nedošlo ke kontaminaci půdy, vody. Po čase mohou být kaly zdrojem těžby skládkového plynu. 21.2.2 Technické postupy umožňující lepší využití kalů
1)
Zlepšení kvality kalu
Kvalitu kalu ovlivňuje jejich různorodost. Oddělení přítoku průmyslových a domovních kalů do ČOV, by vedlo k jejich snadnějšímu využití. Další zlepšení by nastalo zpřísněním legislativy pro vypouštění odpadních vod do kanalizace (přítomnost toxinů, léků, chemikálií).
2)
Maximální energetické využití
Při termické úpravě vzniká řada produktů, které lze energeticky využít (metan, topné oleje,…). 3) Maximální využití kalu jako zdroje surovin Kaly jsou bohatým zdrojem minerálů, zejména těžkých kovů, které lze z kalu získat pomocí chemických reakcí, nebo separátory z popela po jejich spálení.
4)
Omezení tvorby kalu Toto opatření vyžaduje nové technologie ve způsobu čištění odpadních vod.
Nechat studenty vysvětlit rozdíly mezi jednotlivými typy kompostování. Poukázat na význam ekologické likvidace čistírenských kalů vzhledem k ochraně životního prostředí.
118
Čistírenský kal se získává ze sedimentačních nádrží čističek odpadních vod http://ferdamravenec.rajce.idnes.cz/Cisticka_odpadnich_vod_Modrice_22.5.2008/#IMG_1070.JPG
Sedimentační nádrže pražské čistírny odpadních vod http://aktualne.centrum.cz/domaci/kauzy/fotogalerie/foto/50844/?cid=730148
Nakládka vytěženého odpadního kalu http://biom.cz/cz/odborne-clanky/cistirenske-kaly-proklete-nebo-zivotodarne
119
22. Legislativa pro využívání biomasy 22.1 Hlavní zákony, vyhlášky a směrnice pro podnikání s biomasou V současné době je v rámci odpadového hospodářství nejrozšířenějším způsobem likvidace odpadu skládkování. Tento způsob likvidace odpadu s sebou nese celou řadu negativních jevů a pro budoucí generace se jeví jako neudržitelný. Proto jsou stále vyvíjeny nové technologie a způsoby, jak co nejlépe využít odpad. Dnes končí na skládkách téměř 90 % domovního a komunálního odpadu. V roce 2020 už by to mělo být pouze okolo 35 % odpadu. Odpad, který neskončí na skládce by měl být vytříděn a připraven k dalšímu využití (recyklace). 22.1.1 Zákony pro podnikání s biomasou
1)
Energetický zákon č. 458/2004 Sb.
2)
Zákon o hospodaření s energiemi č. 406/2000 Sb.
3)
Zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů č. 180/2005 Sb.
4)
Živnostenský zákon č 374/2004 Sb.
5)
Stavební zákon č. 422/2002 Sb.
6)
Zákon o posouzení vlivů na životní prostředí (EIA)
Dalšími složkovými zákony jsou: •
Zákon o ochraně přírody a krajiny z r. 1992
•
Zákon o obalech z r. 2001
•
Zákon o odpadech z r. 2002
•
Zákon o ochraně ovzduší z r. 2002
•
Zákon o ochraně spotřebitele z r. 2003
•
Zákon o ochraně vody z r. 2004
•
Zákon o ochraně lesa z r. 2004
120
22.1.2 Vyhlášky a směrnice pro podnikání s biomasou
1)
Vyhláška MPO (Ministerstvo průmyslu a obchodu) č. 252/2001 Sb. o způsobu výkupu elektřiny z obnovitelných zdrojů.
2)
Směrnice 75/442/EC vymezuje možnosti nakládání s odpady.
3)
Směrnice 94/67/EC vymezuje podmínky pro spalování nebezpečného odpadu
Zákonů a směrnic pro ty, kteří by se rozhodli podnikat v této sféře je daleko víc. Toto byl jen příklad některých legislativních vymezení, jejichž znalost je pro podnikání v tomto odvětví nezbytná.
22.2 Možnosti čerpání státní podpory při výrobě elektřiny z obnovitelných zdrojů (OZ) Na základě získání licence na odboru energetického regulačního úřadu(ERÚ), lze pro výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů čerpat tyto podpory: 22.2.1 Zelený bonus Po uzavření smlouvy s regionálním distributorem elektrické energie vyrábí určitý subjekt elektrickou energii, kterou dodává do veřejné sítě. Stát mu za tento odběr vyplácí tzv. „zelený bonus“, což je finanční dorovnání do tržní ceny elektrické energie. Tato částka je samozřejmě odvislá od typu obnovitelného zdroje a momentálního energetického stavu regionu. Výrobce elektřiny si musí sám najít odběratele a dotaci od státu má vždy garantovanou pouze na 1 rok.
121
22.2.2 Podpora formou výkupních cen Na rozdíl od předchozího způsobu, má výrobce garantován 100% odběr vyrobené elektřiny regionálním distributorem. Tato jistota je vykoupena menším ziskem za jednotku vyrobené elektřiny, ale je nastavena tak, aby po odhadní dobu životnosti zařízení (cca 20 let), poskytovala dodavateli elektřiny zisk Výkupní cena se každým rokem valorizuje o míru inflace (cca 3 – 4 %). Podmínky podnikání vymezuje zákon č. 180/2005 Sb.
22.3 Dokumenty potřebné k podnikání v oblasti energetiky z OZ Každý výrobce elektřiny z obnovitelných zdrojů , musí dle vyhlášky ERÚ č. 404/2005 vyplnit a odevzdat na ERÚ tyto výkaz:
1)
Regulační výkaz pro držitele licence na výrobu elektřiny
2)
Výkaz nákladů pro provoz zařízení
3)
Výkaz nákladů pro licenci s technickými údaji a zajištění bezpečnosti provozu.
Nechat si od studentů vysvětlit význam legislativních norem pro nakládání s biomasou. Zopakovat se studenty hlavní zákony týkající se biomasy a životního prostředí. Seznámit studenty s názvy některých vládních institucí na ochranu životního prostředí. Provést u studentů anketu, zda by v budoucnu za stávajících podmínek podstoupili podnikatelské riziko.
Zopakovat se studenty formou testu celý učební celek biomasa.
122
Závěr V biomase jako i v jiných obnovitelných zdrojích Země se nachází obrovský energetický potenciál, který lidé ještě neumí plně využít. Člověk se během své evoluce díky výjimečnému a dominantnímu postavení v biosféře odklonil od přírody i od jejích trvale poskytovaných možností. V posledních několika desetiletích ale dochází v jeho myšlení k postupnému návratu k přírodním hodnotám a ke snaze využívat přírodní zdroje bez vedlejších devastujících vlivů na planetu. Tato skutečnost má více důvodů, jedním z hlavních je samozřejmě vzhledem k rostoucím cenám nerostných neobnovitelných zdrojů, důvod ekonomický. Po něm následují aspekty ekologické, sociální a technické. Energetické využívání biomasy můžeme rozdělit do dvou kategorií.
1)
Využívání pro svou vlastní potřebu (topení dřevem, kompostování, tepelné izolace u nízkoenergetických domů, zbudování malé bioplynové stanice pro vlastní dům – např. farmáři). V každém případě šetrný a ekologický přístup.
2)
Využívání biomasy pro podnikatelský záměr (průmyslová výroba bioplynu, motorových paliv, plantáže s energetickými plodinami, výroba briket a pelet, elektřiny, komunální kompostování). Šetrný a pozitivní krok při dodržení určitých principů.
V současné době se podnikání s obnovitelnými zdroji energie za účelem zisku značně rozmohlo a stává se z něho výhodný byznys. Každý, kdo ale hodlá s biomasou obchodovat, by si měl nejprve udělat ekonomickou rozvahu, ve které zváží všechny výhody, ale i rizika. Jedná se především o otázky týkající se pořizovacích nákladů, typu zařízení, jeho životnosti a způsobu likvidace, lokality, infrastruktury regionu, nákladů na obsluhu, výši úvěru a způsobu jeho splácení, výši ročního zisku a strategie do budoucnosti. V současné době existuje v České republice několik programů na podporu podnikání s OZ, jejich přesné citace lze najít na webových stránkách Ministerstva průmyslu a obchodu, Ministerstva zemědělství, Ministerstva životního prostředí. Mezi nejznámější program patří „Státní program na podporu úspor energie a využívání obnovitelných zdrojů energie“.
123
Prudký nárůst zájmu o podnikání s energetickými obnovitelnými zdroji ale vedl i k utlumení některých státních podpůrných programů, např. „Zelená úsporám“. Přes veškeré potíže, které mohou při zpracovávání biomasy nastat ale platí, že využívání tohoto zdroje je na vzestupu a při správně zvolených technologiích je i ekonomicky výhodné.
124
Použitá literatura, zdroje a obrázky „Biomasa a její využití“ •
Česká technická norma ČSN EN 14961-1 (838202.) Tuhá biopaliva – Specifikace a třídy paliv - Část 1: Obecné požadavky.
•
Česká technická norma ČSN P CEN/TS 14588 (838200). Tuhá biopaliva – Terminologie, definice, popis.
•
Energie a životní prostředí; Soubor 10výukových karet pro Střední odborné školy a Gymnázia
•
MURTINGER, K. / BERANOVSKÝ, J.: Energie z biomasy. 1. vydání. Computer Press, EkoWATT. Brno 2011. ISBN 978-80-251-2916-6.
•
EkoWATT: Energie biomasy. Centrum pro obnovitelní zdroje a úspory energie 2007.
•
HORVÁTH, M.: Energetické využití biomasy. Brno, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2008, vedoucí bakalářské práce Ing. Zdeněk Procházka
•
HRALA, P.: Biomasa – šance pro zemědělství a krajinu?. Brno, Masarykovy univerzita Brno, Fakulta environmentálních studií, Vedoucí magisterské práce Mgr. Radim Lokoč
•
KADRNOŽKA, J.: Biomasa prosazovaná i odmítaná, Vesmír 2008/9
•
MALAŤÁK, J. / VACULÍK, P.: Biomasa pro výrobu energie. VÚZT Praha, 2008. ISBN 978-80-213-1810-6
125
•
Návrh akčního plánu pro biomasu pro ČR na období 2009 – 2011
•
PASTOREK, Z. / KÁRA, J. / JEVIŠ, P.: Biomasa obnovitelných zdroj energie. FCC PUBLIC s. r. o., Praha 2007. ISBN 80-86534-06-5.
•
PETŘÍKOVÁ. V.: Rostliny pro energetické účely. Praha: ČEA. www.ceacr.cz
•
QUASCHNING, V.: Obnovitelné zdroje energií, Praha 7, 2010, str. 231 – 238
•
Seminář Energie z biomasy IX. r. 2008; Renesance zplyňovacích generátorů typu Imbert v České republice; Beňo, Skoblja, Buryan, Malecha
•
Sborník přednášek. Zemědělská technika a biomasa 2005. VÚZT Praha, 2005. ISBN 80-86884-07-4
•
SLADKÝ, V. / DVOŘÁK, J. / ANDERT D.: Obnovitelné zdroje energie – fytopaliva. Praha, 2002. ISBN 80-238-9952-X
•
Technika životního prostředí pro školu a praxi; Gregor Häberle a kol.; EuropaSobotáles Praha 2003; ISBN 80-86706-05-2
•
Topení dřevem ve všech druzích kamen; Hans-Peter Erbert; HEL 2007; ISBN 978-8086167-29-9
•
Vyhláška č. 482/2005 Sb., o stanovení druhů, způsobů využití a parametrů biomasy při podpoře výroby elektřiny z biomasy ve znění pozdějších předpisů.
126
http://aktualne.centrum.cz/domaci/kauzy/fotogalerie/foto/50844/?cid=730148 http://biom.cz/cz/odborne-clanky/cistirenske-kaly-proklete-nebo-zivotodarne http://biom.cz/cz/odborne-clanky/moznosti-vyuziti-anaerobni-fermentace-pro-zpracovani-zbytkove-biomasy
http://biom.cz/cz/odborne-clanky/nedostatek-biomasy http://biom.cz/cz/odborne-clanky/vodni-rasy-pro-energetiku-zkusenosti-z-nizozemska http://biom.cz/cz/odborne-clanky/vyrobu-biopaliv-z-odpadu-spalovny-umi-jenom-rasy-ii http://ferdamravenec.rajce.idnes.cz/Cisticka_odpadnich_vod_Modrice_22.5.2008/#IMG_1070.JPG
http://fld.czu.cz/vyzkum/Nauka_o_lp/ekologie/ekosystemy.html http://hostetin.veronica.cz/dokumenty/OPAK/ucebni%20materialy/blok%204/2_Rozptylena_zelen_Trnka.pdf - prezentace
http://kfrserver.natur.cuni.cz/lide/zelen/U3V_fr/index.html http://vytapeni.tzb-info.cz/tabulky-a-vypocty/12-vyhrevnosti-a-merne-jednotky-palivoveho-dreva
http://www.agrifair.cz/component.php?cocode=article&acid=6 http://www.agrointeg.cz http://www.alen.cz http://www.biom.cz/cz/odb.-clanky/efektivni-vyuziti-a-likvidace http://www.biom.cz/cz/odb.-clanky/premena-org.-odp/ http://www.blacknbush.cz/cs/sluzby/energetika/bioplynove-stanice http://www.bleskubus.cz/cs/sluzby/energetika/bioplyn-stanice http://www.bohemia-bioenergy.cz/biomasa.html http://www.britishcouncil.org/czechrepublic-projects-challenge-europe-tules.pdf http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/obnovitelne-zdroje/biomasa.html http://www.czbiom.cz/data/Upload/PDF/Rostliny%20pro%20energeticke%20ucely.pdf http://www.enviweb.cz/clanek/energie/81002/rasy-jsou-palivem-budoucnosti http://www.fermgas.cz/bioplynove-stanice/detail-fotografie/12/foto_145.html http://www.google.cz/imghp?hl=cs&tab=wi http://www.ineedcoffee.com/05/ecodynamic/ http://www.karlow-karlshof.com/zpracovani-biomasy.php?str=mobilni-stepkovace&podstr=hem360za
127
http://www.kompostery.cz/kategorie/kompostování.aspx http://www.kompostuj.cz/vime-jak/komunitni http://www.mpo.cz/dokument33817.html http://www.mpo-efekt.cz/upload/7799f3fd595eeee1fa66875530f33e8a/Prirucka_zpracovani_lesnich_zbytku.pdf
http://www.nazeleno.cz/energeticke-plodiny.dic http://www.stary.biom.cz/sborniky/bioodp99/03 http://www.suntanzer.cz/suntanzer/2-ENERGETICKE-ZDROJE/66-Biomasa http://www.uake.cz/frvs1269/index.html http://www.vuzt.cz/?menuid=76 http://www2.zf.jcu.cz/~moudry/skripta/4/energeticke_byliny.html http://www3.czu.cz/php/skripta/kapitola.php?titul_key=64&idkapitola=147 http://www3.czu.cz/php/skripta/kapitola.php?titul_key=4&idkapitola=259 www.biom.cz www.ekonakup.cz/kompostery www.puruplast.cz/kompostery
128
