FEL ČVUT a energetika prof. Pavel Ripka, děkan FEL ČVUT

FEL ČVUT a energetika prof. Pavel Ripka, děkan FEL ČVUT

Energie je pro Elektrotechnickou fakultu ČVUT v Praze tradičně jedním ze základních témat výzkumu, výuky a spolupráce s průmyslem. Zabýváme se všemi technickými i ekonomickými problémy výroby energie, její konverze, distribuce a efektivní spotřeby. Ostatní oblasti naší kompetence (zejména elektronika, komunikace, informatika a kybernetika) jsou s moderní energetikou úzce propojeny. Začnu tím, co je dnes podle mého názoru nejdůležitější: technologiemi, které pomáhají energii ušetřit. Na FEL se zabýváme výzkumem i vývojem v oblasti nových světelných zdrojů, moderních nízkoztrá-

Návrh moderních vysoce účinných elektrických strojů a elektronických systémů je nemyslitelný bez využití počítačových programů, které jsou založené na komplikované matematice a fyzice. Matematika se uplatní i při řízení energetických sítí a při obchodování s elektřinou. Naši absolventi získávají i v teoretických disciplínách solidní základ a zaměstnavatelé, kteří jsou zaměřeni na vývoj produktů s vysokou přidanou hodnotou, to oceňují. Studium na FEL nikdy nebylo lehké, nehodí se pro ty, kterým jde jen o titul. Ale v dnešní době samotný diplom jen nestačí, ten se někdy dá i koupit. Diplom FEL má vysokou hodnotu doma i ve světě a otvírá cestu k prestižním pozicím ve firmách i výzkumných institucích.

8 Scientific American České vydání, září–říjen 2013

tových polovodičových součástek pro výkonovou elektroniku, návrhem řídicích systémů pro pohony, i vývojem amorfních a nanokrystalických magnetických materiálů pro úspornější transformátory a elektrické stroje. Na FEL ČVUT vyvinul doc. Lukáš Ferkl algoritmy pro prediktivní regulaci budov. Nové metody řízení byly po několik topných sezon testovány na naší budově v Dejvicích, kde pracuji. Na vlastní kůži jsem pocítil, že pokročilými metodami řízení lze dosáhnou značných úspor i bez omezení uživatelského komfortu. Doc. Ferkl se stal ředitelem Univerzitního centra energeticky efektivních budov (http://www.uceeb.cz), kde naši výzkumníci spolupracují s odborníky z dalších pracovišť, především z fakulty stavební a strojní ČVUT. Zabýváme se i tím, jak vyrábět energii s co nejmenším vlivem na životní prostředí, jak ji účinně a bezpečně dopravit ke spotřebiteli a jak ji obchodovat. Energetika v těchto oblastech poskytuje našim absolventům řadu atraktivních pracovních příležitostí a našim zaměstnancům nabízí zajímavá výzkumná témata. Některé firmy již pochopily, že vlastní investice do výzkumu se vyplatí; věřím, že

FEL ČVUT Spojujeme elektrotechniku a informatiku

www.fel.cvut.cz časem o tom přesvědčíme i ČEZ. Česká republika se zavázala, že do roku 2020 věnuje na výzkum 1 % HDP z veřejných zdrojů a 2 % HDP ze zdrojů soukromých. Zatím jsme od tohoto cíle daleko a bez velkých státních firem to nepůjde. S energetikou úzce souvisí problematika ochrany sítí a kritické infrastruktury. V oblasti síťové bezpečnosti jsme na světové špičce: jsme jedna z 15 světových univerzit, se kterými na výzkumu spolupracuje americká firma Cisco, která na jaře koupila českou firmu Cognitive Security a transformovala ji na své celosvětové vývojové středisko pro oblast bezpečnostních technologií. Těší nás to zejména proto, že Cognitive založili dva naši učitelé Michal Pěchouček a Martin Rehák. Naše fakulta je také na světové špičce vývoje senzorů pro bezpečnostní aplikace. Vyvinuli jsme magnetické senzory, které hledají trhliny na trubkách ropovodů na Aljašce, jsou využívány v boji proti terorismu, pro hledání bludných proudů, skrytých kovových předmětů a pro navigaci. Pro našeho průmyslového partnera jsme vyřešili problém navigace při podzemním vrtání: tato technologie byla použita při likvidaci ekologické havarie v Mexickém zálivu – pomocným vrtem se tehdy podařilo „trefit“ unikající vrt v kilometrové hloubce. Podobnou technologií se podařilo najít čeljabinský meteorit. Předpokladem pro řízení výroby, distribuce a spotřeby elektrické energie je přesné měření a spolehlivý přenos informace. Jsme aktivní především v oblasti smart grids, inteligentních elektroměrů, senzorů elektrického proudu a napětí a přesného měření výkonu. Současné energetické sítě jsou ohroženy nejen teroristickými nebo kyberteroristickými útoky, ale také přetížením. Velké výkyvy ve výkonu solárních a větrných elektráren způsobují obrovské přetoky energií, na které nebyly sítě dimenzovány. Dalším faktorem je nebezpečí plynoucí ze stejnosměrných elektrických proudů v elektrických rozvodech.

Studijní programy Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze: t&MFLUSPUFDIOJLB FOFSHFUJLBBNBOBHFment (Bc., Ing.) t,PNVOJLBDF NVMUJNÏEJBBFMFLUSPOJLB (Bc., Ing.) t,ZCFSOFUJLBBSPCPUJLB #D *OH

t0UFWīFOÈJOGPSNBUJLB #D *OH

t4PGUXBSPWÏUFDIOPMPHJFBNBOBHFNFOU (Bc.) t0UFWīFOÏFMFLUSPOJDLÏTZTUÏNZ #D *OH

t*OUFMJHFOUOÓCVEPWZ *OH

t#JPNFEJDÓOTLÏJOäFOâSTUWÓBJOGPSNBUJLB (Ing.) Přijďte se podívat na dny otevřených dveří FEL v pátek 22. 11. 2013 a v úterý 11. 2. 2014.

7ÓDFJOGPSNBDÓOBXXXGFMDWVUD[

Jak se stejnosměrný proud může ve střídavé vysokonapěťové síti vůbec objevit? Donedávna byly jeho dominantním zdrojem magnetické bouře způsobené zvýšenou sluneční aktivitou. Při velkých změnách zemského magnetického pole se podle Faradayova zákona ve všech vodivých smyčkách indukují proměnné stejnosměrné proudy a platí to i pro elektrická vedení. Distribuční transformátory ovšem mohou být stejnosměrným proudem snadno přetíženy, dochází totiž k rychlé saturaci magnetického jádra. Magnetické bouře byly příčinou blackoutů, které postihly miliony obyvatel. Novým zdrojem stejnosměrných proudů jsou beztransformátorové střídače, které se používají zejména u solárních elektráren. Při konverzi vyrobeného stejnosměrného napětí na napětí střídavé, které elektrárna dodává do sítě, vždy dochází ke vzniku stejnosměrné složky vlivem nedokonalosti spínacích polovodičových prvků. Tu hlídá obvykle senzor, založený na Hallově jevu, tedy na měření magnetického pole vyvolaného měřeným proudem. Hallovy sondy ale mají zásadní nectnost: s časem a měnící se teplotou jejich hodnota „odcestuje“, čemuž se odborně říká drift. Vývojem přesnějších proudových senzorů se na FEL ČVUT zabýváme v rámci evropského projektu ve spolupráci s Českým metrologickým institutem. V této oblasti náš výzkum výrazně podporuje i americká firma Texas Instruments. Tento polovodičový obr si vybírá jen nejlepší: na výzkumu spolupracuje jen se 40 univerzitami, z toho je jen menší část mimo USA. V České republice jsme jediní.

září–říjen 2013, www.sciam.cz 9

Formula Student

CTU CarTech Electric Jakub Dražan ČVUT v Praze, Fakulta elektrotechnická Technická 2, 166 27 Praha 6 e-mail: [email protected], www.fel.cvut.cz

Tým CTU CarTech z pražských Dejvic se již druhým rokem se svojí elektroformulí účastní prestižních univerzitních závodů po celém světě. Podívejte se pod pokličku tohoto týmu a zjistěte, co obnáší být součástí světového gigantu. Vznik elektrické divize univerzitního týmu CTU CarTech na půdě Českého vysokého učení technického v Praze se datuje rokem 2011, kdy započala stavba prvního monopostu s elektrickým pohonem za účelem účasti v celosvětové konstrukční soutěži Formula Student/SAE. Tato soutěž, které se

v současné době účastní na 500 univerzit z celého světa, si klade za cíl vyvinout a vyrobit v rámci daných pravidel vůz, který nabízí závodní vlastnosti (hmotnost, zrychlení, ovladatelnost) úměrné ceně přepočítané na výrobní objem 1000 kusů těchto monopostů ročně.

Každou sezonu nový vůz Důležitou podmínkou soutěží Formula Student, kterých se během sezony koná po celém světě desítky, je nový monopost. Nutná podmínka pro účast týmu na soutěžích je, že v dané zemi může každý další rok soutěžit s monopostem, který je nový nebo za poslední rok prodělal podstatnou změnu v minimálním rozsahu 30 %, proto týmy již během aktuálních závodů připravují monopost na příští rok. Ne jinak tomu je i v týmu CTU CarTech Electric z FEL ČVUT v Praze.

Nabrat zkušenosti a zvítězit Členové týmu CTU CarTech mají společný cíl. Postavit nejlepší vůz a zvítězit. Mnoho z nich využije zkušenosti z návrhu formule v budoucí praxi, mnoho z bývalých členů díky Formuli Student dostalo lukrativní nabídky na zaměstnání. Odměnou času stráveného na projektu studentské formule je závod a co nejlepší umístění týmu.

VÝKON A STABILITA CTU CarTech Electric existuje společně se sesterskou divizí Combustion, která soutěží se spalovacím motorem. Základem úspěchu je správná koncepce vozu, o které tým musí mít jasno na začátku vývoje. Pro sezonu 2013 CTU CarTech Electric vsadil na ověřený trubkový rám (CrMo) ze sesterského spalovacího monopostu FS.04 a na pohon realizovaný dvojicí synchronních motorů s permanentními magnety přenášející sílu přímo na zadní kola bez dalších převodů. Použitý pohon dokáže na každé kolo přenášet krouticí moment až 450 Nm prakticky v celém otáčkovém spektru motoru. Pro představu, nejnovější generace ÀLPEZ0DUBWJF34OBCÓ[Ó/NWÞ[LÏNQÈTNVPUÈčFL QīJINPUOPTUJBVUPNPCJMV 1425 kg. Elektro formule FSE.02 nabízí 900 Nm při hmotnosti monopostu pouhých 270 kg. Motory jsou napájeny z kompaktního BatteryPacku umístěného za pilotem, od kterého je oddělen nehořlavou stěnou. Jednotlivé články baterie typu LiPol o celkovém napětí 400V, bylo zapotřebí opatřit balancovací elektronikou. Tu si bakalářští studenti FEL ČVUT vyrobili vlastní, společně s dalšími komponentami, jako je řídící jednotka formule či samotný BatteryPack. Většina světových týmů totiž tuto techniku nakupuje a pouze „používá“, což jde proti proudu původní myšlenky soutěže Formula Student.


BODOVÁNÍ SOUTĚŽE: Engeneering Design Report (150 bodů): známé osobnosti z průmyslu i závodů hodnotí vůz z hlediska použitých konstrukčních řešení a vyspělosti návrhu. Řešení je třeba doložit výpočty a simulacemi. Cost Report (100 bodů): hodnotí se cena prototypu, zanesení všech součástí monopostu do kalkulace s ohledem na sériovou výrobu 1000 kusů dle tabulek soutěže. Business Plan (75 bodů): před zástupci fiktivní firmy je zapotřebí obhájit marketignový plán na sériovou výrobu našeho vozu a získání investice. Akcelerace (75 bodů): zrychlení vozu na trati dlouhé 75 m s pevným startem. Jízda v osmičce (50 bodů): jízda na trati ve tvaru osmičky, dvě kola vlevo, dvě kola vpravo. Výsledný čas je průměr z lepších kol dané strany. Autokros (150 bodů): jízda na úzké technické trati pro hodnocení zrychlení, brždění a ovladatelnosti. Slouží zároveň jako kvalifikace do Endurance. Endurance & Fuel economy (350 + 50 bodů): vytrvalostní závod na 22 km ověřující všechny systémy vozu při okruhovém závodě s povinnou výměnou jezdců v polovině ujeté vzdálenosti. Hodnotí se též spotřeba paliva v závislosti od výsledku závodu.

Osvětlení pomocí LED Jiří Jakovenko

– průlom v osvětlovací technice

Katedra mikroelektroniky FEL ČVUT v Praze, Technická 2, 166 27 Praha 6, e-mail: [email protected], www.fel.cvut.cz Přestože osvětlení pomocí LED má velice krátkou historii, patří k tomu nejvyspělejšímu, co máme dnes v osvětlovací technice k dispozici. Díky rychlému vývoji a nesporným technickým výhodám se stává preferovanou technologií pro většinu osvětlovacích aplikací nejen v domácnostech, ale především v komerční sféře. Díky LED technologiím se naše životní prostředí stává lépe obyvatelné, mnohem zdravější a estetičtější.

Historie elektrického osvětlení sahá do poloviny 19. století. Dnes je již všeobecně známo, že T.A. Edison nevynalezl žárovku, ale zasloužil se o její rozšíření. První žárovku, v níž se žhavilo zuhelnatělé vlákno z bambusu, zkonstruoval v již roce 1854 Heinrich Göbel, německý hodinář žijící v USA.

REVOLUCE V OSVĚTLOVACÍ TECHNICE Vynález osvětlení založeného na LED technologii se dá bez nadsázky považovat za nejWâ[OBNOďKÝÓ QSĜMPN W PTWďUMPWBDÓN QSĜNZTMV PE WZOÈMF[V LMBTJDLÏ äÈSPWLZ 0TWďUMFOÓ pomocí LED nepřináší jen významnou úsporu elektrické energie díky lepší konverzní účinnosti, ale především zlepšuje celkovou kvalitu světla s bohatými možnostmi ovládání emitovaného spektra, které ovlivňuje naše vnímání, náladu a psychickou pohodu. Díky velmi malým rozměrům samotných LED čipů mohou být světelné zdroje navržené na míru různým aplikacím. Výrobcům a designerům nových osvětlovacích systémů se tak otevírají dříve nemyslitelné oblasti, v kterých mohou ovlivňovat tvar, barvu světla, vyzařovací úhel a mnoho dalších parametrů. Mezi největší přednosti LED systémů patří: vysoká energetická účinnost >100 lm/W, dlouhá životnost > 50 000 hodin, okamžitý start, efektivní stmívání, ekologická výroba (bez rtuti), nízká provozní teplota, nastavitelná barevná teplota. (Tab. 1) -&%TWďUFMOâ[ESPKOFFNJUVKF[ÈīFOÓW*3OFCP67PCMBTUJBOFQĜTPCÓUBLOFHBUJWOďOB naše zdraví.

VYPLATÍ SE LED ŽÁROVKY? Masovému rozšíření dnes brání celkem vysoká pořizovací cena. Zkusme porovnat žárovku, kompaktní zářivku a LED žárovku se světelným výkonem 800 lm za dobu provozu 50 000 hodin. (TAB 2) Díky extrémně dlouhé životnosti a úsporám elektrické energie jsou již dnes světelné zdroje LED nejlevnější.

Z ČEHO SE SKLÁDÁ LED SVĚTELNÝ ZDROJ? Světelné zdroje založené na technologii LED jsou poměrně složité systémy obsahující typicky několik polovodičových LED čipů, řídící elektroniku a proudový regulátor, luminofor pro konverzi vyzařovaného světelného spektra, systém pro chlazení LED čipů, případně další elektroniku řídící intenzitu a barevnou teplotu světla (obr. 1). Nejlepší účinnost mají LED čipy na bázi GaN, které v současnosti dosahují měrného světelného výkonu přes 200 lm/W a tím se stávají bezkonkurenčním vítězem v porovnání s ostatními světelnými zdroji (obr. 2). Tyto čipy však vyzařují světlo modré barvy, které musí být přeměněno pomocí luminoforu na teplotu chromatičnosti od klaTJDLÏ äÈSPWLZ , Bä QP CÓMÏ EFOOÓ TWďUMP , /ďLUFSÏ LED systémy mohou pomocí inteligentní elektroniky a kombinaci 3(#-&%čJQĜTQPKJUďNďOJUCBSWVTWďUFMOÏIP[ESPKF

VÝZKUM LED SVĚTELNÝCH ZDROJŮ NA FAKULTĚ ELEKTROTECHNICKÉ ČVUT. ,BUFESB NJLSPFMFLUSPOJLZ è765'&- TQPMVQSBDVKF T mSNPV 1IJlips, předním světovým výrobcem LED světelných zdrojů, na vývoji nových LED systémů v rámci projektu CSSL (Consumerising of Solid State Lighting), jehož hlavním cílem je koncepce nové 800 lm retrofit LED žárovky. Více informací o výzkumu najdete habilitační práci: J. Jakovenko: Thermo-Mechanical Design of Electronic Systems, ČVUT FEL, Praha 2012, https://dspace.cvut.cz/handle/10467/13661


Touha po energii Petr Kulhánek Katedra fyziky FEL ČVUT v Praze, Technická 2, 166 27 Praha 6 e-mail: [email protected], www.fel.cvut.cz

Compass D je největší tokamak v České republice. Komora má poloměr 0,6 metru.

Prolog Naše touha po energii započala už tehdy, když pračlověk poprvé využil oheň ke svému prospěchu. Bylo příjemné se u něho ohřát nebo opéct maso k obědu. Dnes spotřebuje

lidstvo za každou sekundu své existence přibližně 15 terajoulů energie. Většinu energie získáváme z fosilních paliv, menší část z jaderných a vodních elektráren a dalších zdro-

jů. Jaké máme rezervy? Bude možné pokrýt stále rostoucí spotřebu energie v budoucnosti? To jsou otázky, kterými se zabývají energetici, fyzikové a z různých důvodů i politici.

Odkud se bere energie?

Fúze a štěpení

Termojaderná fúze

Veškerá energie, kterou má Země k dispozici, pochází ze Slunce a ostatních hvězd. Sluneční energie přeměněná fotosyntézou do chemických vazeb je uschována v rostlinných tkáních, které byly po stovkách milionů let přeměněny na uhlí a ropu. Vodní cyklus je založen na odpařování, které umožňuje sluneční energie. Proto i vodní elektrárny zpracovávají energii uvolněnou ve Slunci. Na Zemi dopadá 180 000 TW sluneční energie, tedy mnohonásobně více, než lidstvo spotřebuje. Nedílnou součástí dnešní energetiky jsou jaderné elektrárny. Ty využívají energii uloženou ve velkých atomových jádrech. Tato jádra vznikají při explozích supernov a je v nich uskladněna energie dávno mrtvých hvězd. I jaderná energetika proto využívá energii vzniklou ve hvězdách.

Největší vazebnou energii mají atomová jádra v okolí železa. Energii lze proto získávat buď štěpením těžkých jader, nebo slučováním jader lehkých. Štěpení využívají jaderné elektrárny. Slučování jader neboli fúze probíhá po miliardy let v nitrech hvězd a je zdrojem jejich energie. Napodobit tyto reakce na Zemi není vůbec jednoduché. Ve hvězdách se nejprve sloučí dva protony na deuterium. Poté se v řetězci mnoha reakcí z deuteria vytvoří jádro hélia. Sloučení dvou protonů je pomalá reakce, kterou na Zemi napodobit neumíme, protože na ni nemáme dostatek času. Pokusy o napodobení termojaderného kotle hvězd proto začínají až u deuteria. Ke slučování lehkých prvků dochází v hustém plazmatu za vysokých teplot, proto hovoříme o termojaderné fúzi.

Největším problémem je udržení plazmatu. V tokamacích a stelarátorech je plazma drženo silným magnetickým polem. Největším tokamakem v České republice je Compass D umístěný v Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd. Ve Francii, v blízkosti hradu Cadarache, se staví největší tokamak na světě. Bude mít poloměr komory 6 metrů a stane se prototypem budoucích fúzních elektráren. K tomu povede ale ještě dlouhá cesta, analýza výsledků bude probíhat až na přelomu 20. a 30. let 21. století. Jiným směrem se vydala inerciální fúze, při které se laserovými paprsky prudce zahřeje malá peleta termojaderného paliva. Fúzní reakce proběhne rychleji, než se peleta rozprskne.

Závěrem

Termojaderná fúze by měla být čistým a bezpečným zdrojem energie budoucnosti. V České republice probíhá v ýzkum na tokamaku Compass D, v laserovém centru PALS a v současnosti u nás v blízkosti Dolních Břežan vzniká nejmodernější laserové centrum světa ELI Beamlines. Česká republika proto nebude při hledání nových energetických zdrojů pro budoucnost stát stranou.


Erupce zachycená na Slunci sondou SDO dne 12. května 2013.

ITER, největší tokamak světa, bude mít poloměr komory 6 metrů.

Mýty a fakta o fotovoltaice Ladislava Černá, Pavel Hrzina a Vítězslav Benda

Termogram poškozeného PV modulu Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů, Katedra elektrotechnologie ČVUT FEL, http://pasan.feld.cvut.cz Technická 2, 166 27 Praha 6, e-mail: [email protected], www.fel.cvut.cz Fotovoltaika se v posledních pěti letech stala nejrychleji rostoucím segmentem energetiky v Evropě, kde ke konci roku 2012 dosáhl celkový instalovaný výkon PV elektráren 63 GW. Rovněž v ČR došlo díky vysokým výkupním cenám k masivnímu nárůstu instalací fotovoltaických (PV) elektráren. Zejména v roce 2010, vzhledem k prudkému poklesu ceny PV modulů, se stala fotovoltaika výnosným byznysem pro mnoho spekulantů. Ruku v ruce s tím však narostlo také množství informací publikovaných v médiích, které mnohdy účelově zkreslují fakta. Zde jsou uvedeny jen některé z nich.

Mýtus 1. – PV elektrárny představují ekologickou zátěž a jejich likvidace je drahá Běžný PV modul je tvořen hliníkovým rámem, sklem, pouzdřící fólií, křemíkovým článkem se stříbrnými kontakty a propojovacími měděnými pásky. Těžké kovy jako např. kadmium se vyskytují pouze u malého procenta modulů, ale i ty je možné recyklovat. V případě běžných PV modulů je recyklace možná z více než 80 % a cena recyklace se zaplatí již jen extrakcí stříbra použitého na kontakty PV článků.

Mýtus 2. – Elektrická energie vynaložená na výrobu PV modulu je vyšší, než jakou PV modul vyrobí za dobu své plánované životnosti Dobu, za kterou PV modul vyrobí množství energie spotřebované pro jeho výrobu, vyjadřuje doba energetické návratnosti (EPBT – Energy payback time). EPBT PV modulů se liší podle lokality instalace a také podle technologie použité pro výrobu. V osmdesátých letech minulého století byla doba energetické návratnosti velmi dlouhá, ale vzhledem k technologickému pokroku je dnes EPBT PV modulů mnohonásobně nižší. V současné době se pohybuje mezi 1-2 roky v závislosti na energii dopadajícího slunečního záření v místě instalace, predikce do dalších let předpokládají pokles této hodnoty zhruba na polovinu. Doba životnosti modulů přitom přesahuje 25 let, takže PV moduly vyrobí za dobu životnosti minimálně desetinásobek energie, než je třeba na jejich výrobu.

Mýtus 3. – Výnosy PV elektrárny lze zvýšit nočním svícením halogenovými žárovkami

Flash tester PASAN Sun Simulator 3c, který v Laboratoři diagnostiky fotovoltaických systémů na ČVUT-FEL slouží pro ověřování štítkových hodnot PV modulů.

Pro výrobu elektrické energie je potřeba PV modul ozářit především rovnoměrně. Toto nelze provést jednoduchým ozářením halogenovou ani jinou žárovkou. I kdyby světelná účinnost záření halogenové žárovky byla 100 % (ve skutečnosti je okolo 3,5 %), bylo by vzhledem ke konverzní účinnosti fotovoltaiky (okolo 17 % u běžných PV modulů) zapotřebí mnoha halogenových žárovek a ani při vysokých výkupních cenách platných v ČR v roce 2010 a ceně elektrické energie v nočním tarifu by se toto nevyplatilo. Vylepšování množství vyrobené energie se děje, ale používají se k tomu jiné podvodné praktiky, které na rozdíl od svícení halogenovými žárovkami dávají fyzikální i ekonomický smysl.

Mýtus 4. – PV elektrárny nepotřebují údržbu Jedním z největších omylů provozovatelů fotovoltaických elektráren je představa, že uvedením elektrárny do provozu veškerá péče o ni končí. Bohužel to není pravda. Velký systém potřebuje kvalitní monitoring pro včasné odhalení poruch, menší systémy minimálně pravidelnou kontrolu pomocí dalších diagnostických prostředků (např. termodiagnostika, flash testy – viz obrázky na této stránce.). V zimě je potřeba, pokud je to ekonomicky výhodné, odklízet sníh, v létě sekat trávu. Navíc se zavedením dodatečného zdanění se mnoho systémů, jejichž předpokládané výnosy byly nastaveny příliš optimisticky, potýká s existenčními problémy a jejich provozovatelé hledají doslova každý Watt, který by mohli vyrobit navíc.


Nové trendy

v elektrizačních soustavách Jan Švec Katedra elektroenergetiky FEL ČVUT v Praze Technická 2, 166 27 Praha 6 e-mail: [email protected], www.fel.cvut.cz

Výroba a využívání elektrické energie se za posledních 100 let staly nedílnou součástí lidských životů. S pokrokem techniky a stále rostoucí závislostí každodenních činností na dodávkách elektrické energie si naše životy bez elektřiny již nedokážeme vůbec představit. Elektrizační soustavy v rozvinutých zemích jsou obvykle na tak vysoké úrovni bezpečnosti a spolehlivosti, že většina lidí vnímá dodávku elektřiny jako každodenní samozřejmost a vůbec si neuvědomuje složitost celého systému včetně nutnosti řešit řadu technických problémů. Mohli bychom říci – toto je ta pravá elektrizační soustava. Nicméně v důsledku vývoje společnosti, technologie a lidských potřeb se objevují další požadavky na rozvoj elektrických sítí. Na druhou stranu však stále rostoucí společenská omezení nedovolují dostatečná posilování sítí. Tím se mění řada vlastností sítí a v blízké budoucnosti budou muset být využívány nové technologie a přístupy. Často prezentované diskuze o nových primárních zdrojích energie (jaderné reaktory, fúze, břidlicový plyn, obnovitelné zdroje) a úsporách energie by měly být doplněny pohledem na nové trendy v přenosových a distribučních soustavách. FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems). Tato již známá kompenzační zařízení jsou většinou využívána v rozsáhlých přenosových soustavách. Jejich principy sériové či paralelní kompenzace založené na využití součástek výkonové elektroniky umožňují velmi rychlé, jemné a časté změny výstupních veličin, což je jejich obrovským přínosem ve srovnání s tradičními kompenzacemi, které využívají pevné spínané prvky nebo točivé stroje. Několik typů zařízení založených na principu tyristory řízené impedance (SVC, TCSC) nebo principu aktivního proudového či napěťového zdroje (STATCOM, SSSC, UPFC) a jejich pokročilé modifikace jsou postupně více a více instalovány v men-


ších přenosových i distribučních soustavách s cílem zvýšit stabilitu, flexibilitu a spolehlivost systému, zlepšit napěťové poměry a další kritéria kvality elektrické energie, řídit výkonové toky a maximalizovat využití současného zařízení sítí. HVDC (High Voltage Direct Current). Přenos elektrické energie stejnosměrným (DC) proudem zažívá v posledních letech obrovský rozvoj. I když střídavé (AC) soustavy a aplikace měly od dob svého vítězství nad stejnosměrnými systémy v raných dobách elektrifikace absolutní převahu, DC aplikace v průmyslu, dopravě nebo nabíjení baterií byly vždy velmi důležité. Stejnosměrné přenosy začaly být realizovány před několika desítkami let pro spojení vzdálených zdrojů s významnými regiony spotřeby, propojení asynchronních přenosových soustav nebo připojení ostrovních soustav pomocí kabelových vedení. Jejich současný a budoucí rozmach je dán rychlým rozvojem v rozlehlých zemích s přenosovými soustavami připravenými na velké investice a samozřejmě také vývojem technologie výkonové elektroniky. V případě technologie LCC (Line Commutated Converter) založené na tyristorech existují přenosy na hladině 800 kV DC (brzy i 1000 kV DC) s přenosovým potenciálem až 9 GW. Pokročilejší VSC technologie (Voltage Source Converter) využívající zejména tranzistory IGBT má dnes aplikace o napětí 320 kV DC s přenášeným výkonem až 900 MW, ale obě úrovně velmi rychle rostou. Její největší výhodou je snadné vytvoření uzlové soustavy s neměnnou polaritou napětí, což je velmi žádoucí pro možnost vybudování budoucích stejnosměrných sítí pro dlouhé a rozsáhlé přenosy přes celé kontinenty.

Supersítě (Super grids). Masivní rozvoj obnovitelných zdrojů energie (OZE) přináší výzvy, jak přenést velké množství elektrické energie od obvykle vzdálených oblastí OZE (v měřítku kontinentů v off-shore, pouštních nebo obecně neobydlených oblastech) do center spotřeby. Vizí budoucnosti je vybudovat „elektrické dálnice“ založené buď na technologii HVAC na napěťových hladinách 750 kV nebo vyšších podpořené zařízeními FACTS nebo pravděpodobněji na technologii HVDC. Protože skutečná supersíť by neměla být jen sestavou propojení dvou rozvoden, ale skutečnou uzlovou sítí s proměnlivými a flexibilními výkonovými toky respektujícími charakteristiky OZE a diagramy zatížení, právě technologie VSC se zdá být tím pravým řešením. Vybudování supersítě v následujících dekádách se jeví být velmi reálné vzhledem k očekávanému dalšímu rozmachu OZE a také faktu, že současné přenosové soustavy např. v evropských zemích již dosahují svých mezí pro mezinárodní spolupráci, která je dnes v elektroenergetickém odvětví nezbytná. Akumulace elektrické energie. Jak již bylo uvedeno, nastal velký rozmach OZE, který dle očekávání bude pokračovat i v budoucnu. Protože mnoho těchto zdrojů má kolísavý charakter (větrné, sluneční), může toto vyústit v další výzvy pro řízení činného výkonu obnovitelných i jiných zdrojů k pokrytí denních diagramů zatížení bez problémů se systémovou frekvencí. Nicméně existují požadavky využívat prioritně obnovitelnou energii z ekologických či ekonomických důvodů. Proto je stále častěji diskutována potřeba rozsáhlého, efektivního a dlouhodobého způsobu akumulace elektrické energie. Pak může být elektrická energie akumulována v případě přebytku obnovitelné energie nad poptávkou a vracena do soustavy v případě nedostatku energie. Jsou známé nejrůznější technologie (baterie, setrvačníky, superkondenzátory, vodík, stlačený vzduch), které jsou většinou využívány v mobilních nebo malých aplikacích. Nicméně velká výroba a přenos budou potřebovat akumulaci minimálně v řádu desítek až stovek MW po dobu desí-

tek minut až hodin. Existují předpoklady, že tyto požadavky by mohly naplnit přečerpávací vodní elektrárny, nové generace baterií nebo stanice se stlačeným vzduchem. V rámci rozsáhlých soustav by tyto provozovny měly být připojeny do zmiňovaných supersítí, aby celý systém pracoval spolehlivě. Plug-and-play. Jakákoliv elektrická síť budoucnosti s dlouhými a velkými přenosy, plná mnoha různých typů zdrojů umístěných v rozlehlých vzdálených oblastech výroby i zdrojů rozptýlených by měla být provozována bezpečně a spolehlivě. V případě tisíců zdrojů v celé soustavě musejí být tyto zdroje neoddělitelnou součástí systému. Jakékoliv individuální snahy prosadit jednu výrobnu nad druhou tedy nejsou přípustné. Proto je navrhováno řešení „plug-and-play“, které znamená, že žádný vlastník nebo provozovatel zdroje nemůže ovlivnit jeho výkon během provozu. Řízení zdroje musí vycházet z potřeb soustavy, aby ta byla udržována ve stabilním provozu. Jsou navrhovány různé nediskriminační přístupy a řídicí metody, jedno je však společné. V každém okamžiku by měla zatížení pokrývat určitá část stabilních zdrojů a měla by být implementována nějaká forma řízení rozptýlené výroby. Toto zajistí spolehlivý provoz soustavy se zdroji mnoha typů, velikostí a na různých napěťových hladinách. Byly zmíněny jen některé, i když významné, aspekty elektrických přenosových sítí budoucnosti. Ty by měly umožnit další nárůst výroby, přenosu a konečné spotřeby elektřiny při splnění řady environmentálních, ekonomických i společenských požadavků. Nicméně, stejně jako v jiných oblastech lidské činnosti, je i zde jedna překážka. Investiční náklady budou zcela jistě velmi vysoké, takže doba pro implementaci uvedených řešení je nejasná. Musíme ovšem věřit, že technický pokrok je nevyhnutelný.

Potenciály technologií akumulace elektrické energie [http://www.albertatechfutures.ca/RDSupport/EnvironmentandCarbonManagement/CarbonCaptureStorageandCleanEnergy/CleanEnergy/ElectricEnergyStorage.aspx]


Monitorování životního p v okolí jaderných elektráren Tomáš Čechák, Jaroslav Klusoň, Lenka Thinová FJFI ČVUT, Břehová 7, 115 19 Praha 1, kontaktní osoba: [email protected]

V současné době je dle údajů WNA (Word Nuclear Association) na světě v provozu 432 energetických jaderných reaktorů (údaj z konce roku 2112), o celkovém instalovaném výkonu 371 GWe, které zajišťují výrobu 11% elektrické energie. V zemích EU zajišťují JE okolo 30% výroby elektrické energie. Přestože je v některých zemích jaderná energetika dlouhodobě odmítána, např. v Rakousku, nebo je snaha nahradit stávající JE fosilními a obnovitelnými zdroji, třeba. v Německu a Švýcarsku, v jiných zemích se jaderná energetika stále rychle rozvíjí (např. v Číně se v současné době staví 27 jaderných reaktorů). Jaderná energetika představuje pro řadu zemí, v neposlední řadě

i pro Českou republiku, důležitou součást energetického mixu. V roce 2012 se vyrobilo v obou našich jaderných elektrárnách 30,3 TWh, což představuje 34,5 % z celkové výroby elektrické energie. Výroba el. energie v jaderných elektrárnách představuje velmi malou zátěž pro životní prostředí. Nevznikají skleníkové plyny, nespotřebovávají se fosilní paliva ani kyslík.

V prosinci roku 2000 došlo k jednání mezi ČR a Rakouskem v Melku, kde se česká strana zavázala k nadstandartnímu informování rakouské strany o událostech v JETE a k nadstandartnímu monitorování vlivu JETE na životní prostředí. Součástí uza-

vřeného protokolu bylo i 21 opatření, které se zavázala česká strana splnit. Předepsáno bylo mimo jiné i monitorování složek životního prostředí a v bodě 15 je přímo požadováno „Nadále zajišťovat sledování kumulace radionuklidů v biologickém materiálu.....“. Část úkolů, vyplývajícíh ze schváleného protokolu, plní i Katedra dozimetrie FJFI ČVUT v Praze, která se podílí na nezávislém monitorování životního prostředí na území o rozloze cca 100 km2 v okolí JETE. Monitorovací systém je tvořen 29ti body, ležícími na 8 profilech paprskovitě se rozbíhajících z místa JETE do vzdálenosti 20 km (měřící body jsou vzdáleny

Bezpečnost provozu každé jaderné elektrárny vyžaduje přijetí řady opatření a programů a sledování řady parametrů jak uvnitř JE, tak v jejím okolí. Programy monitorování a jejich obsah jsou přesně určeny legislativou, která vychází z mezinárodních doporučení a směrnic, připravených z části IAEA, z části orgány EU. Jde o dokumentaci schvalovanou SÚJB a jednotlivé referenční hodnoty v těchto programech zaručují regulaci efektivních dávek u pracovníků JE i u obyvatelstva tak, aby bylo rozumně dosaženo co nejnižších hodnot. Úspěšné uplatňování těchto programů a opatření na českých jaderných elektrárnách dokazuje skutečnost, že kolektivní efektivní dávky na obou našich jaderných elektrárnách patří k nejnižším na světě. V rámci těchto programů jsou monitorována pracoviště, jednotlivé osoby, plynné a kapalné výpusti a v neposlední řadě také životní prostředí v okolí elektráren. Radiační situaci na území ČR zajišťují organizace podílející se na provozu Radiační monitorovací sítě (RMS). Jsou to orgány státní správy, vybraných výzkumných ústavů a příslušných oddělení JE. Důležitá je i činnost mobilních skupin, existujících v rámci RMS. Výsledky monitorování jsou veřejné a jsou každoročně publikovány formou zpráv s názvem „Výsledky monitorování výpustí a radiační situace v okolí Jaderné elektrárny Temelín“.


o prostředí 2-5-10-20 km od elektrárny). Směry vedení transektů s monitorovacími body byly voleny s ohledem na lokalizaci lesů, jejich přístupnost a údajích o síle a směru převládajících větrů v okolí JETE, ve směrech a mezisměrech světových stran (Suchara, Sucharová, 1999). Podle Radiometrické mapy ČR (Matolín,

Manová 1995) se dávkové příkony od přírodního pozadí na sledovaném území pohybují v rozmezí 50–90 nGy/h, což odpovídá roční efektivní dávce 0,31–0,55 mSv. Tyto hodnoty lze porovnat s extrémy radioaktivity regionálních geologických těles na území ČR: pro radioaktivitu durbachitů středočeského plutonu v oblasti Milevska dosahuje dávkový příkon záření gama 200 nGy/h a odpovídající roční efektivní dávka je 1,23 mSv, pro nízkoradioaktivní metabazity mariánskolázeňského komplexu o hodnotách do 20 nGy/h je odpovídající roční efektivní dávka 0,12 mSv. Monitorování probíhá 14 let a jeho výsledkem je unikátní soubor dat měrných koncentrací 137Cs v lesním humusu (vrstvy litter a fermenton), kůře borovice Pinus sylvestris, houbách Boletus badius a mechu Pleurozium schreberi. Po 14 letech sledování se hodnoty měrných aktivit cesia137 dostávají na hranici detekovatelnosti laboratorní gama spektrometrické metody, používané k jejímu stanovení. Ubývání cesia137 z přírodního prostředí s průměrným efektivním poločasem 9 let můžeme sledovat přehledně na následujících mapkách koncentrací Cs v lesním nadložním humusu (pro názornost byl vybrán rok 2000 – předprovozní, roky 2005 a 2011).


Kromě odběru vzorků probíhá v okolí JE Temelín také gama spektrometrické měření in situ. Cílem měření je stanovit dozimetrické a spektrometrické charakteristiky fotonových polí (tj. stanovení referenčního pozadí) v 14-ti vybraných bodech sítě referenčních bodů. Pro sledování plošné aktivity jednotlivých radionuklidů z měření in situ byla vyvinuta metodika, umožňující na základě vypočtené matice odezvy použitého detektoru vypočíst primární spektrum, které na detektor v daném geometrickém uspořádání dopadá a z něho pak požadované dozimetrické veličiny, např. kermu ve vzduchu v referenční výšce 1 m nad terénem. Tento postup se používá nejen při monitorování radiační situace v okolí JE, ale např. i v letecké spektrometrii, kdy detektor umístěný na palubě letadla, letícího v konstantní výšce nad terénem, měří spektrum záření (relativní zastoupení jednotlivých energií) v příslušné letové výšce. První série měření byla provedena ve dnech 11.–12. 7. 2000 v rámci předprovozního monitorování, další v intervalu dvou let proběhlo v letech 2002–2012, včetně roku 2011, kdy došlo k havárii v JE Fukushima Daiichi. Byly zvoleny dvě metodiky a provedeny odpovídající dva typy měření: 18 Scientific American České vydání, září–říjen 2013

t T UBOPWFOÓ QƻÓLPOV LFSNZ WFʪ W[EVDIV QƻÓNâN NƩƻFOÓN a výpočtem ze spektrometrických dat), t NƩƻFOÓ GPUPOPWâDI TQFLUFS TDJOUJMBƦOÓN TQFLUSPNFUSFN viz foto na Obr. 1).

Obrázek 1: Ukázka měření terénním scintilačním spektrometrem v okolí JETE.

Experimental Pulse Height Distribution -1

(dN/dt = 674.7 s )

214-Bi

Th-series U-series

40-K

214-Bi

214-Bi

208-Tl

228-Ac 228-Ac 214-Bi

208-Tl 214-Bi 137-Cs

3

10

5 2

-1

-1

[counts s MeV ]

228-Ac 214-Pb

5 2

Všechna měření jsou prováděna v referenční výšce 1 metr nad povrchem terénu. Tato metodika umožňuje citlivě identifikovat jednotlivé kontaminanty a jejich příspěvky/zastoupení (resp. změny těchto příspěvků/zastoupení), a to i v rámci běžných fluktuací normálního přírodního pozadí. Výsledkem takového měření v každém bodě je spektrum (viz Obr. 2), které po dekonvoluci umožňuje spočítat příkon kermy resp. dávkový příkon v místě měření (kumulativní funkce). Výsledky gama spektrometrického měření in situ ukazují, že naměřené hodnoty odpovídají běžným hodnotám přírodního pozadí v rozsahu jejich lokálních změn, daných zejména geologickým podložím (složením půdy), koncentrací radonu v půdě/ vzduchu, apod.

2

10

5 2

10 5 2

2

d N / dE dt

1_12

4 212-Pb

10

1 5 2 -1

10

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Energy [MeV]

Differential Air Kerma Rate Distribution -1

(dKa/dt = 87.4 nGy h )

1_12.2kh

0.8

-1

[nGy h MeV ]

600

0.6

400

300

0.4

200

2

d Ka / dE dt

-1

500

0.2 100

0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Cumulative Air Kerma Rate Distribution

1.0

700

ZÁVĚR Pracovníci FJFI ČVUT v Praze provádějí od roku 2000 biomonitoring atmosférické depozice umělých radionuklidů v okolí JE Temelín stanovováním měrných koncentrací umělých radionuklidů přítomných v odebraných vzorcích v monitorovací síti bodů. Dále jsou měřena fotonová pole ve vybraných monitorovacích bodech v okolí JETE a to v letech 2000 (předprovozní monitorování), 2002–2012.

0.0 3.0

Energy [MeV]

Obrázek 2: Příklad spektra naměřeného scintilačním detektorem NaI(Tl) 3“ × 3“ (modrá barva), tohoto spektra po dekonvoluci (žlutá křivka) a kumulativní funkce (červená křivka) v okolí JETE (monitorovací bod 12). Z výsledků provedených měření úrovně přírodního pozadí lze učinit následující závěry: t O BNďīFOÏ IPEOPUZ PEQPWÓEBKÓ CďäOâN IPEOPUÈN QīÓSPEOÓIP pozadí v rozsahu jejich lokálních změn, daných zejména geologickým podložím (složením půdy), koncentrací radonu v půdě/vzduchu, apod. ; t TSPWOÈOÓ WâTMFELĜ NďīFOÓ QSPWFEFOâDI W SÈNDJ QīFEQSPWP[OÓIP monitorování a měření provedených do roku 2012 (po postupném spuštění obou bloků JETE) vykazují rozdíly, které jsou v mezích chyby měření resp. garantované přesnosti použitých zařízení/ metodik a v žádném případě nevybočují z běžných fluktuací přírodního pozadí ; t OB [ÈLMBEď UďDIUP [ÈWďSĜ M[F LPOTUBUPWBU äF OFCZM QSPLÈ[ÈO žádný vliv dosavadního provozu JETE na úroveň přírodního pozadí v proměřovaných referenčních bodech.

Z výsledků laboratorních gama spektrometrických měření bioindikátorů vyplývá: t W OBNďīFOâDI TQFLUSFDI WÝFDI BOBMZ[PWBOâDI W[PSLĜ OFCZMZ identifikovány žádné umělé radionuklidy, s výjimkou 137Cs, jehož měrné aktivity odpovídají v rámci chyby měření stavu před spuštěním JE s průměrným efektivním poločasem 9 let ubývání z životního prostředí.

Z hlediska identifikace případných kontaminantů, způsobených provozem JETE, pak lze konstatovat: t S P[EÓMZ W [BTUPVQFOÓ QīÓSPEOÓDI SBEJPOVLMJEĜ KFEOPUMJWâDI SP[QBdových řad (uranová, thoriová), draslíku 40K a kontaminantu 137Cs jsou dobře patrné z diferenciálních distribucí příkonů kermy ve vzduchu, vypočtených ze spektrometrických dat; t [ WZQPčUFOâDI EJGFSFODJÈMOÓDI EJTUSJCVDÓ KF OBQī NPäOÏ PEIBEnout zastoupení příspěvku 137Cs v celkovém příkonu kermy ve vzduchu v daném měřícím bodě a jeho změny na úrovni jednotek procent. Z toho je patrné, že spektrometrická metodika umožňuje citlivě identifikovat jednotlivé případné kontaminanty a jejich příspěvky/zastoupení (resp. jejich změny), a to i v rámci běžných fluktuací normálního přírodního pozadí; na základě toho lze konstatovat, že uváděné závěry je možno považovat za dostatečně průkazné; t WÝFDIOB OBNďīFOÈ TQFLUSB QīFETUBWVKÓ DIBSBLUFSJTUJDLÈ TQFLUSB přírodního pozadí a ve vypočtených energetických distribucích příkonu kermy ve vzduchu nelze identifikovat (s výjimkou již diskutovaného 137Cs, u kterého bylo prokázáno, že pochází již z doby před spuštěním JETE) příspěvek žádného umělého radionuklidu; to opět vede k závěru, že dosavadní provoz JETE nemá (na úrovni dosažitelné přesnosti měření) z tohoto hlediska žádný prokazatelný vliv na životní prostředí.

CHCETE-LI VĚDĚT VÍCE: Suchara, I., Sucharová, J. 1999. Biomonitoring atmosférické depozice radionuklidů pomocí analýzy mechu, humusu a borové kůry. Výzkumná zpráva VÚOZ. Praha 1999. Manová, M., Matolín, M. 1995. Radiometrická mapa ČR 1:500 000. ČGÚ, Praha, 1–20


UDRŽITELNÁ A SPOLEČENSKY AKCEPTOVATELNÁ JADERNÁ ENERGETIKA? ÚKOL PRO „CHYTRÉ MOLEKULY“ A REAKTORY IV. GENERACE Jan John a Petr Distler FJFI ČVUT v Praze, Katedra jaderné chemie Již řadu desetiletí představují jaderné elektrárny vysoce stabilní prvek energetických soustav mnoha zemí, v některých z nich dokonce produkují většinu energie (např. ve Francii tvoří podíl jaderné energie přibližně 80 %, v České republice pro srovnání 35 %). Přesto zůstává jaderná energetika velmi diskutovaným tématem. Hlavní důvody způsobující nedůvěru veřejnosti jsou zejména následující obavy: z důsledků závažných havárií jaderných reaktorů, z ovlivnění životního prostředí radioaktivními odpady. n

Prevence závažných havárií jaderných reaktorů není tématem tohoto příspěvku. Přesto na okraj poznamenejme, že důsledkům většiny z očekávatelných havárií, včetně těch spojených se ztrátou chlazení (jako při nedávné havárii v japonské Fukušimě), lze předejít zařazením prvků tzv. pasivní bezpečnosti. Tak je tomu u všech reaktorů generace III+, včetně těch, které jsou uvažovány pro dostavbu jaderné elektrárny Temelín.

n

Odpad nebo druhotná surovina? Obavy z radioaktivního odpadu pramení ve většině případů z nutnosti izolovat jej od životního prostředí a monitorovat po dobu, na kterou nejsme schopni zaručit plnou funkčnost inženýrských bariér. Dříve než se začneme věnovat řešení tohoto problému, podívejme se na jeho samotnou podstatu – co vlastně představují tyto často tak proklínané „odpady“. Účinnost využití jaderného paliva, např. štěpitelného uranu, v současných reaktorech je velmi nízká a v použitém jaderném palivu tak zůstává více než 90 % energie nevyužito. Proto použité jaderné palivo nepředstavuje radioaktivní odpad, ale cennou druhotnou surovinu. Stejně jako mluvíme o recyklaci běžného komunálního odpadu, mluvíme dnes i o recyklaci ozářeného jaderného paliva. Recyklace štěpných materiálů je zároveň i jedinou cestou k udržitelnosti jaderné energetiky – opakované použití jaderného paliva v reaktorech IV. generace je v současnosti jediným známým způsobem, jak zajistit očekávaný nárůst globální spotřeby energie. Při tomto způsobu využití vystačí známé zásoby štěpných materiálů pro zásobování lidstva energií po dobu nejméně několika tisíc let (pro srovnání – odhady zásob fosilních paliv kolísají mezi desítkami a jednotkami stovek let).

SEPAROVAT a monitorovat 300 let, nebo NERECYKLOVAT a doufat desítky až stovky tisíc let? Recyklace paliva a uzavření jaderného palivového cyklu umožňuje řešit problém bezpečného uložení radioaktivních odpadů. V jaderném reaktoru vzniká pouze několik radionuklidů, které jsou zodpovědné za dlouhodobou radioaktivitu odpadů. Nejvýznamnějším z nich je plutonium-239, které je sekundárním jaderným palivem, a může se proto vrátit do palivového cyklu. Další radionuklidy patří do skupiny tzv. minoritních aktinoidů, jejich hlavními představiteli jsou americium a curium – prvky s atomovými čísly 95 a 96. Pokud při recyklaci ozářeného paliva všechny tyto dlouhodobé radionuklidy odstraníme, zkrátí se doba nutná na to, aby aktivita radioaktivního odpadu poklesla na úroveň aktivity uranové rudy spotřebované na výrobu původního paliva, z několika desítek až stovek tisíc let až na přibližně 300 let. Separace a recyklace plutonia je technologicky zvládnuta a provádí se v závodech na průmyslové přepracování ozářeného jaderného paliva (např. v La Hague ve Francii či v Sellafieldu ve Velké Británii). Zbylé vysoce ak-


Doba potřebná pro monitorování radioaktivního odpadu tivní odpady se zpracovávají ke konečnému uložení tzv. vitrifikací (tavením do matrice skla). Množství takovéhoto radioaktivního odpadu vzniklého z produkce energie spotřebované jedním člověkem během celého jeho života je přibližně několik cm3.

Evropská cesta Evropská unie prostřednictvím EURATOMu podporuje výzkum v oblasti přepracování ozářeného jaderného paliva již od počátku 90. let minulého století. Po skromných začátcích se v posledním desetiletí zformovaly mohutné mezinárodní výzkumné týmy v projektech EUROPART a ACSEPT s účastí více než třiceti organizací a rozpočtem téměř 10 milionů eur ročně. Základní evropská strategie vychází ze tříkrokového systému: 1) separace uranu a plutonia z ozářeného paliva rozpuštěného v kyselině dusičné (proces PUREX), 2) společná extrakce aktinoidů a lanthanoidů ze zbylých vysoce aktivních odpadů (proces DIAMEX), 3) a separace minoritních aktinoidů od lanthanoidů (proces SANEX). Pro separace jsou studovány dvě odlišné strategie. Hydrochemické procesy vycházejí z postupů klasické chemie ve vodném prostředí. Díky tomu, že jsou budovány na základě znalostí získaných generacemi chemiků, jsou v podstatně pokročilejším stádiu vývoje. Druhou možnost představují pyrochemické procesy, které se provádějí při vysokých teplotách a probíhají obvykle v taveninách solí.

„Chytré molekuly“ pro proces SANEX Při úvahách o separaci minoritních aktinoidů a zkrácení doby monitorování odpadů k hranici 300 let je hlavním problémem jejich chemická podobnost s nejvýznamnějšími štěpnými produkty ze skupiny lanthanoidů. Pro jejich vzájemnou separaci je tedy potřeba jako extrakční činidla použit vysoce selektivní molekuly dostatečně „chytré“ na to, aby odkryly minimální rozdíly mezi jejich chemickými vlastnostmi. Pod prvním velkým počinem na poli vývoje těchto molekul je podepsán vědec českého původu Zdenek Kolarik, který v německém Karlsruhe syntetizoval a otestoval první takovéto molekuly – BTP. Později byly v rámci zmíněných evropských porojektů vyvinuty ještě účinnější molekuly se zkratkou BTBP. Díky rozdílům ve vazbě americia či curia a lanthanoidů na atomy dusíku v těchto molekulách se podařilo dosáhnout do té doby nevídaného vzájemného rozdělení.

)$ $)

)$ $)

/ /

/

/ /

/

/

/

)$ $)

)$

/

$)

Struktura extrakčního činidla CyMe4 -BTP

$)

/ /

)$ $)

/

$) /

$)

/

$)

/ )$

$)

Struktura extrakčního činidla CyMe4 -BTBP

Český podíl na společném díle V rámci projektu EUROPART byla na Katedře jaderné chemie FJFI ČVUT v Praze (KJCH) vyvíjena alternativní strategie – extrakčně-chromatografická separace s využitím pevných extrakčních činidel s pojivou matricí polyakrylonitrilu (PAN). Tyto materiály, vycházející z původního patentu doc. Ing. Ferdinanda Šebesty, CSc., nalezly a stále nacházejí řadu uplatnění v různých oblastech jaderného výzkumu (např. při stanovení kontaminace Tichého oceánu mezi Japonskem a Havají cesiem-137 po havárii jaderné elektrárny ve Fukušimě). Hlavním českým přínosem k výstupům navazujícího projektu ACSEPT bylo úspěšné testování a charakterizace extrakčních systémů pro separaci lanthanoidů a minoritních aktinoidů pomocí nových BTBP molekul. Kromě extrakčních postupů byla testována i konverze aktinoidů z vodných roztoku na pevné oxidy, použitelné pro výrobu pokročilých jaderných paliv. Pozornost byla věnována i ještě obtížnějšímu úkolu – možnosti vzájemné separace americia a curia. Tyto aktivity vyústily v návrh postupu s několikanásobně zvýšeným separačním faktorem, který je v současnosti předmětem připravované patentové přihlášky. Posledním projektem v této sérii je projekt SACSESS, který se zaměřuje na bezpečnost implementace separačních procesů do průmyslového měřítka.

Šance pro studenty Řešení velkých celoevropských projektů nabízí studentům KJCH možnost účastnit se zahraničních setkáni a konferencí, pracovních návštěv na spolupracujících pracovištích i dlouhodobějších pobytů jak na univerzitách, tak i v zařízeních, ve kterých se zabývají přepracováním jaderného odpadu.

O

/

Vzorec a průřez kuličkou PAN


Na cestě za bezpečnou a efektivní jadernou energií Výzkum a vzdělávání na Katedře jaderných reaktorů Na Katedře jaderných reaktorů FJFI ČVUT v Praze je řešena řada projektů souvisejících s provozem a bezpečností stávajících i nových jaderných reaktorů. Řešení vědeckých projektů je často spojeno s využíváním komplexních výpočetních kódů, které může být doplněno vhodným experimentem realizovaným na Školním reaktoru VR-1. Jeden z aktuálních projektů se zabývá možností nasazení malých modulárních reaktorů s výkonem do 300 MW, které se mohou stát novým trendem ve vývoji jaderné energetiky. Ačkoliv v současnosti se většina elektrické energie pocházející z jádra vyrábí v reaktorech velkého výkonu, je zastoupení takových zdrojů na celkovém počtu elektráren všech typů malé. Modulární reaktory se ve srovnání s velkými vyznačují integrálním uspořádáním, vysokou úrovní inherentní bezpečnosti a nižšími náklady v prů-

Školní reaktor VR-1 Školní jaderný reaktor VR-1, provozovaný na KJR, je jedno z nejdůležitějších experimentálních a vzdělávacích zařízení na ČVUT v Praze. Významně se podílí na vzdělávání odborníků pro český jaderný program a uplatnění našel i v celosvětovém měřítku. Jedná se o lehkovodní reaktor bazénového typu s palivovými články IRT-4M (obohacení 19,7 % 235U). K regulaci štěpné reakce se používají kadmiové absorpční tyče. Vzhledem k velmi malému výkonu reaktoru a způsobu jeho provozu je v aktivní zóně nahromaděno jen malé množství štěpných produktů a i při velice nepravděpodobné havárii spojené s roztavením paliva by byly účinky havárie omezeny pouze na halu, ve které je reaktor provozován. Školní reaktor VR-1 je nejaktivněji využíván právě v oblasti výuky a výcviku. To umožňuje studentům aplikovat experimentální metody neutronové a reaktorové fyziky na reálné jaderné zařízení a získat povědomí o práci v prostředí významného zdroje ionizujícího záření a aplikaci principů jaderné a radiační bezpečnosti. Nejpokročilejší experimenty jsou určeny pro studenty KJR, ale základní experimenty, které posluchačům přibližují způsob detekce neutronů, měření reaktivity, dynamické chování reaktoru a principy řízení reaktoru, jsou navštěvovány i studenty z ostatních fakult ČVUT v Praze, VUT v Brně a ZČU v Plzni. Kurzů se účastní také studenti zahraničních univerzit v Bratislavě, Cáchách, či Stockholmu. V poslední době se rozšiřuje i spolupráce s britskými universitami (Univerzita obrany UK, univerzita v Manchesteru) a nově jsou kurzy organizovány pro studenty university v Tennessee, USA. Speciální kurzy jsou určeny pro pracovníky českých a slovenských jaderných elektráren v rámci jejich periodického školení nebo pro budoucí inspektory Státního úřadu pro jadernou bezpečnost. Pro pracovníky ze zemí, které stojí na počátku využívání jaderné energie, jsou vytvořeny kurzy, při kterých podstupují výcvik hned na několika reaktorech patřících do koalice EERRI – Eastern European Research Reactor Initiative. Díky této spolupráci se mohli do výuky na reaktoru VR-1 zapojit účastníci například z Ázerbájdžánu, Chile, Jamajky, Jordánska, Malajsie, Ománu, Filipín, Saudské Arábie, Súdánu nebo Vietnamu.


běhu výstavby a uvádění do provozu. Náplní projektu je určení neutronově fyzikálních charakteristik těchto reaktorů a také posouzení ekonomické výhodnosti takového projektu na území České republiky. KJR je dále zapojena do řešení grantů zabývajících se návrhem a výpočty palivových vsázek jaderných reaktorů. První grant, řešený ve spolupráci s ÚJV Řež, a.s, se zaměřuje na posílení multioborového charakteru analýz aktivní zóny jaderných reaktorů. V současnosti jsou výpočty aktivních zón realizovány kombinací 2D a 3D výpočtů, kdy 2D výpočty slouží pro přípravu knihoven vybraných charakteristik jednotlivých typů palivových souborů. Data jsou připravena pro průměrný palivový soubor a neumožňují respektovat historii provozu konkrétního paliva, proto se počítá s jistou mírou neurčitosti takového výsledku. Cílem vývoje je eliminovat tento nedostatek, zpřesnit výsledky výpočtů a zapojit specializované výpočetní kódy přímo do posloupnosti výpočtu vyhořívání paliva v aktivní zóně. Pro každý palivový element tak bude dostupná unikátní historie, což umožní dosažení přesnějších výpočetních výstupů. Ve spolupráci se ZČU v Plzni je v rámci druhého projektu vyvíjen nový kód pro výpočty neutronově fyzikálních charak-

teristik aktivních zón, jejichž znalost je nezbytná před zavezením paliva do aktivní zóny. Tyto kódy se zároveň používají pro zhodnocení bezpečnostních a provozních limitů navržené palivové vsázky, takže je kladen vysoký důraz na jejich spolehlivost a přesnost. Projektem, kde se využívá Školní reaktor VR-1 je vývoj testovacího zařízení MONTE-1. Tento projekt, řešený ve spolupráci se Státním ústavem radiační ochrany, je zaměřen na vývoj unikátního a dosud v Evropě neexistujícího zařízení, které umožní pokročilé testování detekčních systémů a čidel sítí včasného zjištění v poli záření, které odpovídá reálnému směsnému poli záření radionuklidů z částečně vyhořelého jaderného paliva. V důsledku havárie dojde uvolnění až stovek radionuklidů a měření charakteristik záření pak může být obtížné, přičemž správná interpretace naměřených dat má mimořádnou důležitost pro rozhodnutí o ochranných a jiných opatřeních. Na problémy s interpretací dat z použitých detektorů poukázala i analýza zkušeností z havárie elektrárny Fukušima. Pole směsného záření budou vytvářena ozářením jaderného paliva v reaktoru VR-1 budou odpovídat různým úrovním dávkových příkonů analogických situacím v blízkosti jaderných zařízení po vážné nehodě.

Smyčka - Zařízení pro studium teplotních efektů Na velkých reaktorech dochází při dynamických procesech k současnému prolínání účinků mnoha fyzikálních procesů, experimentální zařízení na reaktoru nulového výkonu jakým je VR-1 umožňují zkoumat tyto jevy a jejich odezvy odděleně. Lze tak studovat účinek oscilací, vliv varu nebo změny teploty v různých oblastech aktivní zóny. Nejnovější experimentální zařízení, nazývané Smyčka, dokáže do vybrané oblasti aktivní zóny přivádět ohřátou vodu nebo v ní vytvářet vzduchové bublinky. Simulované stavy umožňují lépe pochopit chování reaktoru například v situaci, kdy vlivem náhlého převýšení výkonu dojde k nárůstu teploty paliva a chladiva, která může být doprovázena vznikem a rozšířením varu chladící vody v nejzatíženějších oblastech aktivní zóny. Pochopení této problematiky umožňuje konstruovat aktivní zóny reaktorů takovým způsobem, aby bylo docíleno inherentní stability provozu. Náhodné zvýšení výkonu reaktoru vyústí v působení fyzikálních procesů, které tento výkyv potlačí.


ROZVOJ EKOLOGICKY ŠETRNÉ

DECENTRALIZOVANÉ E Výzkumný záměr MSM6840770035 – Fakulta strojní, ČVUT v Praze řešitel: Prof. Ing. František Hrdlička, CSc.

Biomasa ve fluidním kotli s cizím inertním materiálem pro distribuovanou energetiku Vlastnosti materiálů fluidní vrstvy keramický materiál

uhelný popel

křemenný písek

ρ [kg/m3]

800

1 800

2 530

ρbulk [kg/m3]

530

974

1 408

Φs [-]

0,95

0,63

0,86

ε [-]

0,34

0,45

0,44

Pilotní FB jednotka 300 kW – foto a schéma


Výhody fluidních kotlů se stacionární fluidní vrstvou jsou především v efektivní možnosti snižování emisí při použití různorodých a méně kvalitních paliv, což jsou zásadní vlastnosti pro budoucí využití v distribuované energetice. Biomasa má však minimum vlastních popelovin, je proto nutné hledat cizí materiály vrstvy, přičemž křemenné písky nejsou pro biomasu nejvhodnější. Cílem prezentované práce bylo testování keramického materiálu vyrobeného zpracováním odpadních jílových vrstev uhelného nadloží. Keramický materiál vrstvy v porovnání s dvěma tradičně používanými materiály byl testován jak ve studeném stavu v modelovém reaktoru, tak při spalovacím procesu na fluidním kotli. Experimenty prokázaly vhodnost keramického materiálu pro spalování biomasy jak z hlediska fluidace, tak z hlediska vlastního spalovacího procesu. Tabulka shrnuje hlavní vlastnosti a obrázky porovnání z hlediska fluidace (mezní a úletové rychlosti fluidace ve srovnání s testovanými biopalivy) a výsledky testování keramického materiálu při spalovacím procesu s odpadní dřevní štěpkou z výroby nábytku a s palmovými slupkami.

Model fluidní vrstvy

ENERGETIKY

Vyhodnocení rychlostí fluidace

Výsledky spalovacích zkoušek

Pokročilé řízení malých kotlů na biomasu Jedním z řešených témat je tvorba nadstavbových algoritmů a aplikace inteligentních metod řízení pro minimalizaci emisí a maximalizaci účinnosti při zachování základní požadované regulace tepelného výkonu kotle. Jedná se softwarové řešení, které má za cíl maximálně využít dostupná data, která taková zařízení mohou poskytnout, bez nutnosti dalšího vybavování čidly. Motivací je nezvýšit náročnou instrumentací cenu kotlů a přitom získat maximální možné parametry. Jedním z příkladů dosažených výsledků je optimalizace posuvu roštu, jejíž efekt je znázorněn na následujícím obrázku, který ukazuje vliv této optimalizace na emise oxidu uhelnatého a na teplotu za první teplosměnnou plochou kotle.

Záznam experimentu s (vpravo) a bez (vlevo) optimalizace posunu roštu

Schéma experimentálního kotle na pelety z biomasy pro testování pokročilých metod řízení


Testování parametrů plynové mikroturbíny s ohledem na možnost účinné výroby elektrické energie a tepla Tato část projektu byla zaměřena na výzkum možností výroby elektrické energie, případně tepla (kogenerace), pomocí výhodného spojení plynové spalovací turbíny a vysokootáčkového generátoru. Použití spalovací turbíny místo klasického pístového motoru přináší několik výhod, přičemž tou nejvýznamnější je nízká náročnost na kvalitu použitého paliva. Tato skutečnost souvisí se spalovacím procesem. Zatímco v klasickém pístovém motoru je potřeba směs paliva a vzduchu při každém pracovním cyklu znovu zapálit, ve spalovací komoře plynové turbíny probíhá hoření kontinuálně při vysoké teplotě a tlaku. Tato přednost předurčuje moderní turbínové agregáty pro spalování méně vznětlivých biopaliv. Pro potřeby výzkumu byla použita spalovací mikroturbína JetCat SPT5 (Graupner, DE) v provedení se sekundární turbínou a reduktorem otáček – viz obrázek nahoře.

Fotografie mikroturbíny

Turbínová jednotka byla umístěna na stolici dynamometru s odsáváním výfukových plynů – vše je znázorněno na obrázku vpravo. V první fázi byly proměřeny zatěžovací charakteristiky turbíny s vyhodnocením optimálního pracovního bodu turbíny. Jako palivo bylo v základním měření použito kerosinu. Naměřené výkonové charakteristiky a vliv použití jiných paliv na výkon stroje ukazuje


Umístění mikroturbíny v laboratoři následující obrázek; vlevo – výkonové charakteristiky měřené turbíny SPT5, vpravo – vliv příměsí řepkového oleje a ethanolu na výkon.

Demonstrační jednotka mikro-ORC pro využití nízkopotenciálního tepla pro výrobu elektřiny V rámci řešení výzkumného záměru bylo vyvinuto ORC zařízení, jeho design vychází z myšlenky současné výroby tepelné a elektrické energie (tzv. kogenerace) v nízkém výkonu. Tento typ zařízení může být využit například v domácnostech, penzionech a malých podnicích. Pracovní látkou je kumen, k přeměně teplené energie na mechanickou bylo využito křídlového expandérů. Z pohledu světového state-of-the-art jde o zařízení zcela unikátní, křídlový expandér nebyl v cyklu s podobnou pracovní látkou doposud nasazen a praktické použití obdobné pracovní látky je zcela ojedinělé. Fotografie realizované ORC jednotky, kde je zdrojem tepla malý kotel na biomasu, je na obrázku vpravo.

Demonstrační mikro ORC jednotka v laboratoři

Pilotní jednotka technologie výroby bioplynu Tato pilotní jednotka byla vyvinuta za účelem hodnocení biologické rozložitelnosti tuhých substrátů v anaerobních podmínkách a k vyhodnocení tvorby metanu z těchto materiálů. Jednotka se skládá z více částí, první z nich je předúprava vstupního materiálu, poté následuje fermentor. Předúprava zahrnuje mechanickou dezintegraci materiálu (kulový mlýn, macerátor – MECH) a hydrotermální úpravu (TEH). Na následujícím obrázku je fotografie celého zařízení, tedy obou způsobů předúpravy a vlastního fermentoru, a na grafu je pak znázorněn výsledek experimentálních prací, kterým je vliv způsobu předúpravy na zisk metanu, v tomto konkrétním případě na fermentaci obilné slámy.

Všechny experimenty se zabývaly hodnocením vlivu způsobu předúpravy na výtěžek metanu a taktéž na energetickou náročnost. Použitá obilná sláma byla nejdříve rozemleta v kulovém mlýnu. Spotřeba energie byla v tomto případě 50 kWh/t materiálu a bylo zjištěno zvýšení výtěžku metanu o 25 %. Poté byla suspenze 5 % fermentovaného materiálu ve vodě upravena ve tepelně-expanzní jednotce při teplotě 185°C a době setrvání 40 min. Výtěžek metanu se zvýšil o 23 % pro původní a o 50 % pro rozemletou slámu. Bylo také zjištěno, že předúprava je vysoce energeticky náročná. Je proto nezbytné řešit využití odpadního tepla z tohoto procesu, které celkovou energetickou bilanci zlepší.


FEL ČVUT a energetika prof. Pavel Ripka, děkan FEL ČVUT

Recommend Documents