INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
CZ.1.07/1.1.00/08.0010
FOSILNÍ PALIVA, JEJICH VYUŽITÍ V ENERGETICE A EKOLOGICKÉ DOPADY Ing. JAROSLAV BENEDIKT
TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady Ing. Jaroslav Benedikt
Vznik uhlí, Ložiska uhlí v ČR, Spalování uhlí v uhelných elektrárnách, Ropa, Těžba ropy, Složení ropy, Spotřeba ropy v ČR, Zemní plyn, Dovoz a distribuce zemního plynu, Vyrovnávání spotřeby zemního plynu a dodávky plynu plynovodem v sezónních zásobnících zp, Výpočet dodané energie v zemním plynu (účtování), Závislost na dovozu fosilních paliv, Spalování fosilních paliv a ekologické dopady spalování, Vliv oxidů síry, Vliv oxidů dusíku, Tvorba CO a CO2 a koloběh uhlíku, Skleníkový efekt a vliv CO2 Fosilní paliva jsou zbytky prehistorické organické hmoty. Tyto zbytky jsou tvořeny především uhlíkem popřípadě uhlovodíky. Fosilní paliva se v přírodě vyskytují v různých formách pevných, kapalných i plynných. Obsahují velké množství uhlíku a vodíku, které nejsou chemicky vázány na jiné prvky a proto mají poměrně velkou výhřevnost [17]. Jejich využití je především ve spalovaní v zařízeních (před spalováním předchází úprava surového fosilního paliva), které vyrábí teplo nebo přímo elektrickou energii. Využívají se i jinde například živice (zbytky po rafinaci ropy) se používá při stavbě silnic, s fosilních paliv se vyrábí plasty a některé léky. Jedná se stále o velice dostupný a levný zdroj energie. Bez fosilních paliv by energie byla mnohem dražší a méně dostupná a dnešní svět tak jak jej známe by zcela jistě vypadal jinak (především z pohledu ceny a množství úsilí vynakládané na získávaní energie pro uspokojování lidských potřeb). Pokud by jen ČR chtěla nahradit fosilní paliva například vodíkem vyráběný elektrolýzou v jaderných elektrárnách potřebovali bychom cca 47 temelínských bloků. Tj. Stavbou jedné jaderné elektrárny se závislost na dovozu fosilních paliv prakticky nezmění. Za jeden rok (2005) spotřebuje lidská civilizace takové množství fosilních paliv jaké se tvořilo po dobu 2 miliónů let. Význam fosilních paliv pro ČR, ale jiné rozvinuté země dokládá jejich energetický obsah.
Vznik uhlí Uhlí jsou zuhelnatělé zbytky převážně suchozemských rostlin. Převážná část uhlí pochází z období Karbonu, kdy byly pro vznik uhlí velice příhodné podmínky, který jsou kombinace velkých přírodních katastrof a horotvorná činnost. Postupem doby, kdy docházelo k úbytku přírodních katastrof vlivem stabilizace klimatu a ústupu horotvorné činnosti došlo k útlumu vzniku uhelných ložisek:
Obr. 1. Přírodní katastrofa v období Karbonu. Obrázek: Zdeněk Burian 1967. Podstata tvorby fosilních paliv spočívá v odříznutí odumřelé biomasy od vzduchu (například zakrytí vrstvou bahna o tloušťce přibližně 50 cm). Nejdříve probíhá biologický rozklad biomasy pomocí bakterií. V další fázi vzniku uhlí je nutný termický rozklad při vysokém tlaku, který může být způsoben poklesem vznikajícího ložiska do větších hloubek způsobený horotvornou činností v dané lokalitě. Během uhelnatění biomasy vznikají různé plyny (CH4, CO2) a voda, které bývají v ložisku přítomny: Vznik uhlí je i časově náročný a jednotlivé meziprodukty vzniku uhlí lze rozdělit obvykle na rašelinu→lignit→hnědéuhlí→černéuhlí→antracit:
Obr. 2. Výřez z časové osy Země zachycující období vzniku uhlí. PAL. Paleogén, NE. Neogén, KENOZ. Kenozoikum. Přibližně 56 % uhlí pochází z období Karbonu a Permu. 30 % z období Jury a Křídy. 14 % uhlí pochází z období Paleogénu a Neogénu. Rašelina Rašelina vzniká nejdříve aerobním a při poklesu do hloubek několika metrů anaerobních bakterií. V této fázi unikne do okolí i většina prchavých látek obsažených v biomase. Rašelina svou strukturou stele připomíná tvary původního materiálu. Lignit a hnědé uhlí Vzniká z ložiska rašeliny. Pro vznik hnědého uhlí je nutný významnější pokles ložiska biomasy (kombinací nahromaděných dalších vrstev biomasy nad původní a poklesu podloží ložiska do
větší hloubky). Za takových podmínek se zvyšoval tlak původní usazené vrstvy biomasy a teplota přibližně mezi 150 až 200°C. Přechodovou fází mezi rašelinou a hnědým uhlím je lignit, který obsahuje ještě větší množství vody než čistě hnědé uhlí. Ložisko lignitu a hnědého uhlí mají již charakter měkké horniny, ale lze v nich rozeznat otisky tvarů původního materiálu. Černé uhlí a antracit Pokud pokles ložiska hnědého uhlí postupoval dále do větších hloubek až se teplota ložiska pohybovala mezi 300 až 500°C a tlak byl dostatečný na to, aby uhlí prouhelnatělo ještě více vzniklo černé uhlí. Jestliže tyto podmínky trvaly dostatečně dlouho zvýšil se podíl uhlíku v ložisku více jak na 92 %, a takové uhlí nazýváme antracit. V extrémních případech došlo k regionální metamorfóze, kdy se organická hmota přeměnila na grafit [18]. Ložiska černého uhlí připomínají horninu a nelze v nich rozeznat stopy tvarů a otisky původního materiálu.
Výsledná hloubka ložiska uhlí se může občas lišit pokračující horotvornou činností v dané lokalitě. Například opětovným zdvižením ložiska nebo poklesem. Proto se například některá ložiska hnědého uhlí a lignitu mohou nacházet hlouběji než některá ložiska černého uhlí. Rozdíly mezi jednotlivými typy uhlí jsou dány jejich složením: C H O N S A w -----------------------------------------------------(a) 63,6 2,3 4,8 0,7 0,4 20,2 8 % (b) 44,7 3,5 11,3 0,5 1 10 29 %
Tab. 1. Prvkové složení uhlí v procentech hmotnostního podílu*. a černé uhlí–důl Dukla s výhřevností 27,3 MJ/kg, b hnědé uhlí–Mostecko 18,7 MJ/kg (na hnědé uhlí velmi dobrá výhřevnost obvykle 10 až 15 MJ/kg). C uhlík, H vodík, O kyslík, N dusík, S síra, A popelovina (anorganické prvky-minerály), W voda. Porovnejte složení se složením původního materiálu–rostlinné biomasy [1]. Obvyklá výhřevnost některých druhů uhlí je uvedena [1]. Zdroj dat pro tabulku [2]. *Poznámka Porovnáním tabulky složení uhlí s tabulkou se složením rostlinné biomasy [1] lze sledovat jak se měnilo prvkové složení ložiska na časové ose rozkladu.
Z kolika km2 se sklidí stejná energie obsažená v biomase (obilná sláma) a na jakou plochu dopadne za rok stejné množství sluneční energie, která byla obsažena ve veškerém uhlí vytěženém v ČR v roce 2005? Víme, že v roce 2005 se v ČR vytěžilo množství uhlí v energetickém objemu přibližně 790 883 709begin_of_the_skype_highlighting790 883 709end_of_the_skype_highlighting GJ. Víme také, že energetický výnos biomasy určená z její výhřevnosti je 63 GJ/ha a průměrná sluneční energie dopadající na 1 m2 plochy v našich geografických šířkách je 1000 kWh/rok. Úloha 1.
Ložiska uhlí v ČR Výskyt uhelných ložisek na území ČR je patrný z mapy:
Obr. 3. Geografické rozmístění hnědouhelných ložisek v ČR. Hnědé uhlí: 1 severočeská hnědouhelná pánev, 2 sokolovská pánev, 3 chebská pánev, 4 žitavská pánev, 5 ložisko Uhelná, 6 výskyty křídového uhlí v okolí Moravské Třebové, 7 jihomoravská lignitová pánev, 8 jihočeské pánve. Černé uhlí: Hornoslezká pánev, Kladenská pánev, Oslavanská pánev (vytěžena). Obrázek: [3]. Uhlí jako palivo pro ohniště bylo člověkem využíváno pravděpodobně již před 3 000 lety. V té době se ale účelově netěžilo a využívali se uhelné pánve, které byly vybíhají přímo k povrchu země (což byly i některé lokality severní Moravy). Uhlí se v ČR těží jak v povrchových dolech tak v dolech hlubinných (i v kilometrových hloubkách ve formě hloubení tunelů). Hlubinná těžba uhlí u nás odpovídá těžbě černého uhlí na Ostravsku. Většina uhlí u nás se těží v povrchových dolech:
Obr. 4. Těžba uhlí v ČR. vlevo Těžba hnědého uhlí v mosteckém revíru–Mostecká uhelná společnost [4], vpravo Spotřeba uhlí v ČR [5]. Rypadla pro povrchovou těžbu hnědého uhlí dosahují výkonů až 10 000 m3/hod vytěžené hmoty*. V roce 2005 se v ČR vytěžilo 9 099 284 tun černého uhlí a 45 234 890 tun hnědého uhlí. *Poznámka Vytěžená hmota neobsahuje pouze uhlí, ale i příměsi, které byly společně s biomasou v pánvi uvězněny. Například u severočeských povrchových ložiscích se musí vytěžit cca 4 až 7 m3 na
jednu tunu uhlí. Tomuto poměru se říká skrývkový poměr [m3/t]. Proto se před distribucí k odběratelům uhlí musí vytěžená hmota třídit a odstranit příměsi.
Největším spotřebitelem uhlí nejen v ČR je elektroenergetika a průmysl. Některé uhelné elektrárny (viz níže) jsou postaveny přímo v bezprostřední blízkosti ložiska uhlí potom se přímo z dolu dopravuje uhlí na dopravních pásech přímo do areálu elektrárny. Na větší vzdálenosti se dopravuje vlakem což vyžaduje obvykle posílenou železniční infrastrukturu v okolí elektrárny a speciální vykládkové zařízení schopné vyložit například i zamrzlé uhlí ve vagónech. Uhlí se dopravuje i mezi kontinenty po moři, říčními cestami například i po Labi k elektrárně Mělník.
Spalování uhlí v uhelných elektrárnách Uhlí se využívá k výrobě elektrické energie a tepla pomocí parního R-C tepelného oběhu [7], kde je uhlí zdrojem tepelné energie uvolňované při jeho spalování v ohništi parního kotle:
Obr. 5. Základní znaky uhelné elektrárny. a celkový pohled na areál uhelné elektrárny Dětmarovice–letecká fotografie se svolením autora [23], parametry [6], b čistá účinnost bloku uhelné elektrárny*–definice [2, str. 517], [22], c zjednodušený řez kotlem v Dětmarovické elektrárně dosahující účinnosti 91% [28] [schéma kotle poskytnul Bohumír Čech, VŠB–TU Ostrava], řezy dalšími velkými kotly u nás např. [25]. 1 skládka paliva a hmogenizace paliva, 2 kotelny, 3 strojovny, 4 chladící věže. Elektrárna obsahuje 4 bloky (čtyři nezávislé výrobní okruhy obsahující zařízení k realizace R–C oběhu [7]), tj. jsou zde 4 parní kotle s granulační spalovací komorou [9, str. 84] a čtyři turbosoustrojí s parními turbínami (princip parní turbíny je popsán v následujícím tématu [8]). Podrobnější technologické schéma bloku [24]. Více o typech kotlů na spalování uhlí např. [9]. *Čistá účinnost bloku uhelné elektrárny Čistá účinnost velké kondenzační elektrárny na spalování uhlí v ČR se pohybuje často od 30 % do 38 % ve světě i více.
Uhlí se nejdříve na skládce homogenizuje to znamená, že se mísí jednotlivé dodávky mezi sebou aby zajištěna stálá kvalita uhlí kvůli výhřevnosti odsíření atd. Černé uhlí už neobsahuje prakticky žádný prchavý podíl. Hoří už jen uhlík. Parní kotle na spalování uhlí jsou jsou mnohem výkonnější než kotle na biomasu, protože je k dispozici velké množství paliva s vyšší výhřevností. Jeden tah kotle může dosahovat i několik desítek metrů. Kotle na uhlí bývají vybaveny i dalším zařízením, které kotle na biomasu nemívají především kvůli vysoké míře popelovin, prašnosti (odprášení spalin) a škodlivých emisí, které se při spalovacím nebo těsně po spalovacím procesu musí ze spalin odstranit.
Při výpočtu spalování se postupuje stejně jako u biomasy [1] nebo [19], pouze složení se paliva se liší. Vypočítejte teplotu nechlazeného plamene při hoření černého uhlí. Předpokládejte stechiometrické spalování suchého vzduchu (α=1). Množství a složení spalin (viz. tabulka), Množství vzduchu potřebného ke spálení 1 kg paliva je 6,1039 m3n/kgpal. Výhřevnost Qir=27,3 MJ/kgpal. Úloha 2.
Tabulka k příkladu 2. Vypočítejte objem spalin a teplotu nechlazeného plamene při hoření uhlíku. Spalování probíhá za pomocí okysličovacího plynu o objemovém složení uvedeném v tabulce. Úloha 3.
Tabulka k příkladu 3. V uhelných elektrárnách se v ČR vyrábí více jak 60% elektřiny. Uhelné elektrárny jsou většinou vázaný nejen na blízkost uhelného dolu ale i většího zdroje vody (řeka nebo přehrada) potřebnou pro chlazení.
Ropa Tekuté či polotekuté (živičné usazeniny) byly známy již od středověku (především v jihovýchodní Asii) a byly zpracovávány jako stavební materiály, zdroje světla a farmaceutické produkty. Ve větším měřítku se postupně začala používat ropa a její produktu v
Americe v průběhu 19. století. K čemuž přispěl i objev hlubinné těžby ropy pomocí ropy v roce 1859 [20, str. 180]. Po vytěžení se ropa dále zpracovávala (formou destilace) na různé frakce. Nejdříve se využívaly středně těžké frakce (petrolej) pro spalování a svícení později lehčí (nafta, benzín) pro pohon motorů s vnitřním spalováním. Ropa se v průběhu 20. století stala dominantním energetickým zdrojem v současnosti stále bez alternativy především v dopravě.
Obr. 6. Ropné pole Signa Hill 1930 (dnes součást jižního Los Angeles). Autor nezjištěn obrázek publikován např. v [10]. Výhřevnost ropy se pohybuje od 40 až 45 MJ/kg [15].
Těžba ropy Těžba ropy probíhá na souši i pod hladinou oceánů. Na následujícím obrázku je ropné pole Gullfaks asi 135 km od břehu Norska. Ropné pole se nachází cca 100 až 130 m pod hladinou. Je těženo za pomocí tří ropných plošin Gullfaks A, B a C na betonových nohách vysokých až 150 m. Vytěžená ropa je shromažďována v zásobnících blízko plošin odkud se přečerpává do tankerů. Na plošinách také probíhá ihned čištění ropy (od vody a pod.). "Thisoilfieldreachedpeakproduction in 2001 at 180,000 barrels per day", což odpovídá přibližně 115 % roční spotřeby ČR (2006):
Obr. 7. Ropné pole Gullfaks s třemi ropnými plošinami Gullfaks A, B, C vzdálené 135 km od pobřeží Norska. Obrázek z [11].
Složení ropy Ropa je směsí především kapalných a plynných uhlovodíků a jiných organických sloučenin. Při těžbě se dostává do ropy voda a minerální příměsi. Jedná se o živičné látky, do které spadá zemní plyn (uhlovodíkový), asfalt a ozokerit (zemní vosk): Sloučenina Chem. vzorec poznámka -----------------------------------------------------------Alkany* CnH2n+2n=1..60 Cykloalkany CnH2n především C5H10 a C6H12 Aromatické uhlovodíky CnH2n-6 především C6H6 (benzén)
Tab. 2. Přibližné složení ropy. Ropa v malém množství obsahuje i další sloučeniny obsahující kromě vodíku a kyslíku i dusík a síru. Zdroj dat pro tabulku [12]. *Alkany v ropě Podle složení se může jednat o látky ve skupenství plynném ( CH4–metan až C4H10–), kapalném (C5H12 až C16H34) a ostatní alkany jsou v pevné podobě.
Složení ropy kolísá podle naleziště; některé druhy ropy obsahují převážně alkany (parafinické ropy), v jiných převládají cykloalkany (naftenické ropy) nebo aromatické uhlovodíky (aromatické ropy). Pro snadnější využití (skladování, spalování) se provádí krakování [20, str. 181], což je tepelné zpracování (450 až 900 °C) ropy při kterém dochází k rozpadu–rozštěpení uhlíkatých řetězců na lehčí řetězce. Vznik ropy není tak jednoznačně popsatelný jako vznik uhlí. Většina ropy má pravděpodobně původ v rozkladu biomasy v blízkosti pobřeží, které později kleslo do větších hloubek. Některé teorie předpokládají i nebiologický vznik ropy na základě především geologických procesů, při kterých dochází k separací organických sloučenin obsažených v neživé hornině.
Spotřeba ropy v ČR ČR nemá významné zásoby (naleziště) ropy. Ropu je nutné dovážet. Do ČR se dováží ropa především z Ruska ropovodem Družba. Menší přípojka je i z Německa (Ropa ze Severního moře). Sice v elektroenergetice nehraje ropa významnou roli (kotle na spalování oleje nebo jiných ropných produktů jsou pouze záložní), ale spotřeba pro jiné části průmyslu a dopravu je obrovská:
Obr. 8. Ropovod Družba se sítí ropovodů v ČR a dovoz ropy a ropných produktů do ČR. Obrázek sítě ropovodů z [13]; zdroj dat pro graf [5]. Protože ropa je pro ČR republiku strategická a nemá významné vlastní přírodní ložiska ropy disponuje zásobníky s kapacitou odpovídající přibližně devadesáti denní spotřebě (2007). Většina zásobníků je situována v lokalitě Nelahozeves [27].Mimo ropných zásobníků se jsou v ČR v provozu i zásobníky na pohonné hmoty.
Zemní plyn Zemní plyn z velké většiny tvořen pouze metanem CH4 často doprovází ložiska předchozích dvou fosilních paliv, především ropy. Zemní plyn se nahromadí i při rozkladu biomasy na uhlí či ropu nad ložiskem v případě, je mu znemožněno uniknout na povrch. Tlak zemního plynu v ložisku dosahuje až 100 MPa. Plyn [% obj.] ----------------------------------CH4 98,2 CmHn 0,94 CO2 0,10 N2 0,77 ----------------------------------S [mg/m3n] 0,20 Qir [MJ/m3n] 34,08 Qr [MJ/m3n] 37,82 ρ [kg/m3n] 0,69 zápalná teplota [°C] 650 ad. tep. plamene [°C] 1957
Tab. 3. Složení tranzitního plynu (zemní plyn v tranzitním plynovodu). Údaj z roku 2001. Zdroj [2].
Dovoz a distribuce zemního plynu Podobně jako ropu je nutné zemní plyn do ČR dovážet. Díky masivní podpoře plynofikace v první polovině minulého desetiletí se zvýšila spotřeba zemního plynu z cca 6 mld. m3 na 9,5
mld. m3. Na této úrovni se spotřeba zemního plynu pohybuje posledních 5 let. Svým odběrem se tak Česká republika podílí na celosvětové spotřebě zemního plynu 0,4%.
Obr. 9. Spotřeba zemního plynu v ČR (objem při 15°C) a trasa tranzitního plynovodu Tranzit přes území ČR. Světlost plynovodu: 5x Ø1 400 mm, průtok: 120 mil. m3/den (z toho odběr ČR 30 mil. m3/den), provozní tlak: 7,5 MPa. HPS hraniční předávací stanice, VPS vnitřní předávací stanice, KS konečná stanice, PZP podzemní zásobník plynu. Zdroj obrázku a dat [14]. Do ČR se dováží plyn z Ruska tranzitním plynovodem Tranzit. Malé množství zemního plynu se dováží přes Německo z Norska. Část plynu přecházejícího přes ČR jde do Německa a Francie. Celá Evropa je protkána poměrně hustou sítí plynovodů, které jsou zásobovány z východu (Rusko), z jihu a ze severu (v severním moři se nachází významné zásoby zemního plynu).
Vyrovnávání spotřeby zemního plynu a dodávky plynu plynovodem v sezónních zásobnících zp Na následujícím obrázku je znázorněna spotřeba zp během roku a množství zemního plynu, které si může ČR odebrat z Tranzitu (na obrázku je vyznačeno toto množství jako konstantní, ale ve skutečnosti se během roku mění a v létě může odebírat z Tranzitu ČR více zemního plynu než v zimě). Je zřejmé, že povolený odběr v zimě nedokáže pokrýt spotřebu a naopak v létě je povolený odběr větší než se spotřeba. Proto se na území ČR provozují podzemní zásobníky plynu, které se přes léto plní přebytky a v zimě se z nich odebírá potřebné množství zemního plynu pro pokrytí veškeré spotřeby:
Obr. 10. Spotřeba ZP a dovoz plynu pro ČR. Šrafování aktuální spotřeba ZP v daném měsíci, Fialová přebytek/nedostatek odebíraného zemního plynu z tranzitního plynovodu. Jak ukazuje graf. Protože plynovody jsou navrženy pro konstantní průtok během roku je v létě do těchto zásobníků plyn dodáván a v zimě z nich opět odčerpáván. Na rozdíl od skladování svítiplynu*, který se uskladňoval v nadzemních zásobnících je potřebné množství zemního plynu pro uskladnění tak velké, že se ukládá do obrovských podzemních prostor. Pro podzemní zásobník se využije buďto prostory po vytěžené ropě či zemním plynu, loužením solných ložisek, po odčerpání části nebo veškeré vody z podzemního jezera (aquifera) a nebo v jeskyni nějakého masivu. Hloubky takových skladových prostor jsou ve stovkách až tisících metrech. V Hájích na Příbramsku je podzemní zásobník vybudovaný v žulovém masivu v hloubce 1000 m:
Obr. 11. Podzemní zásobník plynu Dolní Dunajovice. 1cetrála zásobníku, 2 produkční kříž, 3 tlak plynu v zásobníku dosahuje několika MPa zde 1,5 MPa. *Svítiplyn Plyn vyrobený zplyňováním uhlí, používaný od 19. a značnou část 20. století místo zemního plynu, který v té době nebyl technicky dostupný.
Na větší vzdálenost (tam kde se nevyplatí vybudovat plynovod) se zemní plyn převáží ve zkapalněném stavu tzv. LNG (Liquid Natural Gas) pomocí tankerů. Například do Evropy se tímto způsobem přepravuje zemní plyn ze severní Afriky [29].
Výpočet dodané energie v zemním plynu (účtování) Odběr plynu je měřen plynoměrem v jednotkách m3. Platba je ovšem provedena za dodanou energie vypočítané ze spalného tepla dodávaného plynu. Spalné teplo plynu je naměřeno při určitém tlaku a teplotě plynu. Pokud je tedy plyn odebírán při jiné teplotě či tlaku nebo kombinací obou, potom se musí dodaný objem plynu nejdříve přepočítat na objem plynu při vztažných podmínkách. Tento přepočet se dělá pomocí stavových rovnic pro vztažné podmínky a provozní podmínky plynovodu v místě odběru. Vztažné podmínky jsou obvykle tv=15°C, pv=101,325 kPa:
Rov. 1. Energie dodaná v zemním plynu. QD [kWh] dodané teplo, Vv [m3] objem dodaného plynu při vztažných podmínkách, Qr [kWh/m3] spalné teplo dodaného plynu při vztažných podmínkách (měří se na odběrech v plynovodu několikrát za měsíc), Vp [m3] objem dodaného plynu (údaj z plynoměru), k [1] přepočtový koeficient, K [1] stupeň kompresibility (přibližně 1,0001), pp [kPa] tlak plynu v místě odběru, Tv [K] vztažná teplota odebraného plynu, Tp [K] teplota plynu v místě odběru, pv [kPa] vztažný tlak plynu, pb [kPa] atmosférický tlak v místě odběru, ppr [kPa] přetlak plynu v místě odběru, h [m] nadmořská výška místa odběru plynu. Ze vzorců je zřejmé, že odebrané množství tepla odpovídá vychlazením spalin na vztažnou teplotu tedy 15 oC. Ve skutečnosti pokud spotřebitel nedisponuje kotlem, který je schopen vychladit spaliny na co nejnižší teplotu (kondenzační kotel) bývá teplota spalin do komína cca 120 oC a část energie, které spotřebitel zaplatí není schopen využít. Vypočtěte množství dodané energie v zemním plynu pro dvě zeměpisně odlišná místa. Odběrnými místy jsou Brno (243 m n.m.) a (Třešť 545 m n.m.). Obě odběrová místa odebrala za rok stejné množství plynu 2500 m3 (údaj z plynoměru). Průměrná teplota dodávaného plynu byla 9°C. Průměrná hodnota přetlaku v plynu v místech odběrů 2 kPa. Střední spalné objemové teplo plynu ve sledovaný rok pro vztažné podmínky bylo Qr=10,5261 kWh/m3. Vztažné podmínky: pv=101,325 kPa, Tv=288,15 K. Výsledek uveďte v kWh i v MJ. Úloha 4. Vypočítejte objem spalin a teplotu nechlazeného plamene při stechiometrickém spalování zemního plynu. Předpokládejte spalování suchého vzduchu. Výhřevnost Qir= 34 080 kJ/m3n, pal. Složení vzduchu je stejné jako v případě příkladu 2, složení zemního plynu je uvedeno v tab. 3. Úloha 5.
Závislost na dovozu fosilních paliv ČR i většina zemí v EU nemá významné zásoby ropy a zemního plynu, výjimku tvoří uhlí. Tento fakt výrazně ovlivňuje závislost Evropy na dovozu paliv jak ukazuje tabulka: Země EU dovoz [%] ----------------------------------Británie 0 (čistý vývozce) Dánsko 0 (čistý vývozce) Polsko 11,3 ČR 26,6 Estonsko 29,2
Francie Německo Slovensko Itálie Lucembursko Kypr Malta
50,3 60,5 65,3 86,7 100 100 100
Tab. 4. Množství dovážených fosilních paliv/produktů. Údaj z roku 2004.
ČR z vlastních zdrojů pokrývá 73,4% spotřeby, import tvoří zbývajících 26,6 procenta. Což řadí ČR na čtvrté místo v EU. V případě uhlí je ČR čistým vývozcem, naopak přes 95 procent spotřeby ropy a zemního plynu pochází z dovozu.
Spalování fosilních paliv a ekologické dopady spalování Po spálení mají výstupní spaliny jiné složení než spalovací vzduch. Spaliny obsahují všechny prvky a sloučeniny co vzduch včetně kyslíku, protože neexistuje technické zařízení, které by spálilo veškerý kyslík. Navíc jsou ve spalinách další prvky sloučeniny, které byly obsaženy v palivu nebo vznikly při jeho hoření. Některé plyny jsou zdraví a přírodě škodlivé tzv. škodlivé emise. Pokud by nedošlo k jejich odstranění nebo přetvoření než budou vypuštěny do atmosféry mohly by uškodit jak člověku tak přírodě nejen v bezprostředním okolí zdroje. Některé sloučeniny dokonce v atmosféře dále reagují a přetvářejí se. Množství jednotlivých emisí ve spalinách se stanovuje v jednotkách ppm. Přičemž 1 ppm je miliontina objemu v daném objemu při normálných podmínkách (podle 309/91 Sb. a vyhláškou 117) [2]. Některé sloučeniny emitované do ovzduší mají vysokou rozpustnost ve vodě a jsou zpětně ukládány spolu s kapkami vody na zemský povrch. Některé sloučeniny unikají až do stratosféry, kde vlivem slunečního záření muže dojít k jejich rozkladu na jiné částice, které lépe reagují s okolím a opět vytváří další sloučeniny. Mimo níže uvedené sloučeniny mohou spaliny obsahovat v malé míře další sloučeniny a škodliviny, které vznikají v různých fázích spalovacího procesu podle druhu zařízení. Mohou vznikat halogeny-plynný chlorovodík HCL a fluorovodík HF, stopové prvky organických sloučenin uvolněné do plynné fáze během spalování. Obsahem spalin bývají i emise tuhých částic (prach). Uhlí může obsahovat i malé množství radioaktivních prvků a těžké kovy (jedná se materiál splavený při nahromadění biomasy během přírodních katastrof), které jsou vylučovány v tuhých částicích ve spalinách i v popelu.
Vliv oxidů síry Obsahuje-li palivo síru může při hoření vznikat SO2 (oxid siřičitý), přičemž některý SO2 (2 % až 3 %) reaguje ještě ve spalovacím zařízení na SO3 (oxid sírový). SO2 je odolný vůči UV záření a v atmosféře dochází k jeho oxidaci na SO3 a následně k tvorbě kyseliny sírové H2SO4, která se při vodních srážkách dostává na na zemský povrch kyselé deště. Odstraňování sloučenin síry ze spalin se nazývá odsířeni nebo-lidesulfidace a používá se k tomu několik metod. U fluidních ohnišť se síra obsažená v palivu odstraňuje částečně už ve fluidní vrstvě za pomocí vápna, což je jedna z výhod fluidního spalovaní. U automobilové dopravy se síra neuvolňuje protože automobilová paliva už síru neobsahují. Podrobnější popis [2, str. 444].
Obr. 12. Schématické znázornění působení oxidů síry uniklé při spalování do ovzduší na atmosféru. Podrobnější popis chemických reakcí síry vznikajících při hoření a v atmosféře je uveden v [2, str. 218].
Vliv oxidů dusíku Při spalování se hoření účastní i dusík obsažený v palivu a především dusík obsažený ve vzduchu. Tento dusík reaguje ve spalovacích zařízeních s kyslíkem přičemž vzniká NO (oxid dusnatý cca 95% z celkového množství oxidu dusíku) a NO2 (oxid dusičitý cca 5% z celkového množství oxidu dusíku), které se souhrnně nazývají NOx. Tvorba závisí především na koncentraci kyslíku, době pobytu a teplotě ve spalovacím prostoru, kde je přítomen kyslík. NOx a jejich produkty způsobuje redukci ozónu a tím přispívá ke vzniku skleníkového efektu a podílí se na změně klimatu. Za jistých podmínek může v atmosféře vznikat za pomocí sloučenin dusíku i kyselina dusičná. Více [2, str. 464].
Obr. 13. Schématické znázornění působení oxidů dusíku uniklého při spalování do ovzduší na atmosféru. Podrobnější popis chemických reakcí dusíku vznikajících při hoření a v atmosféře je uveden v [2, str. 219].
Tvorba CO a CO2 a koloběh uhlíku Při spalování fosilních paliv vzniká velké množství CO2 (oxid uhličitý), protože dominantním prvkem fosilních paliv je uhlík a velká většina spalného tepla je právě vázána na na uhlík. Spalování uhlíku je podstatou spalování fosilních paliv. CO (oxid uhelnatý) je produktem, nedokonalého spalování, kdy vlivem nedostatku kyslíku nedochází k úplné oxidaci palivového uhlíku. Uhlík a oxidy uhlíku jsou nenahraditelnou součástí biosféry a slouží jako základní stavební kámen živých organismů a rostlin. Na koloběhu uhlíku v přírodě je proto vlivem omezené životnosti biologické hmoty život naprosto závislý:
Obr. 14. Koloběh uhlíku. 1 fotosyntéza a vznik glukózy, 2 spalování biomasy, 3 využití glukózy při dýchání, 4 rozklad biomasy, 6 fosilizace biomasy (rašelina), 7 těžba fosilních paliv, 8 spalování fos. paliv (energetika, doprava, průmysl atd.), 9 vulkanická činnost (únik uhlíku do atmosféry), 10 sedimentace uhlíku v oceánu a v mořské funě a flóře, 11 neplynná část Země. Sedimenty obsahující uhlík se ze dna oceánů dostávají do atmosféry vulkanickou činností. Plocha oceánu respektive mořská vody je schopna některé uhlíkaté sloučeniny jímat i do svého objemu (za cenu zvýšení kyselosti) a postupně ho u dna vyloučit ve formě uhličitanů. Z obrázku je patrné, že koloběh uhlíku nemusí být v současnosti v rovnováze a do atmosféry je ho uvolňováno víc než je z ní spotřebováváno. Zatímco tvorba CO2 vlivem rozpadu či dalšího zpracování biomasy je kompenzováno přibližně stejnou spotřebou atmosférického CO2, tak vzniklé CO2 při spalování fosilních paliv zůstává v atmosféře (v malé míře je pohlcován oceány). Při spalování fosilních paliv uniká do atmosféry uhlík, který byl uložen před mnoha milióny let v zemi, což přispělo ke snížení koncentrace CO2. Spalováním fosilních paliv se tedy opět dávno uložený uhlík dostává do atmosféry a tím jeho koncentrace v atmosféře roste oproti stavu před masivním spalováním fosilních paliv. S jistou rezervou lze tvrdit, že spalováním fosilních paliv se koncentrace CO2 v atmosféře vrací v čase, přičemž koncentrace oxidů uhlíku v atmosféře má vliv na klima Země, protože se jedná o skleníkový plyn. Největší krátkodobé či dlouhodobé zásoby uhlíku ve formě různých sloučenin následující: (1) sedimenty na dně oceánů asi 40 000 Gt uhlíku, (2) fosilní paliva 5 000 až 10 000 Gt uhlíku, (3) odumřelá biomasa asi 2 000 Gt uhlíku, (4) ovzduší dnes 800 Gt uhlíku, (5) uhličitany, (6) živá biohmota.
Tab. 5. Krátkodobé či dlouhodobé zásoby uhlíku na zemském povrchu a atmosféře ve formě různých sloučenin. Zdroj dat [15].
Skleníkový efekt a vliv CO2 Sluneční záření dopadající na povrch Země má vlnovou délku nejčastěji odpovídající viditelnému světlu. Část tohoto záření je odražena na atmosférou nebo povrchem Země do vesmírného prostoru beze změny vlnové délky [21]. Větší část tohoto záření je pohlcena zemí a přeměněna na tepelnou energii Země odkud je vyzářena zpět do vesmírného prostoru v podobě záření o vlnové délce odpovídající teplotě látky, které jej vyzářilo. Vlnová délka
elektromagnetického záření odpovídající teplotě povrchu Země je mnohem větší 5 až 40 mm. Pro takové dlouhovlnné záření je mnohem těžší projít atmosférou než slunečnímu záření, které má vlnovou délku mnohem menší a je částečně absorbováno skleníkovými plyny v atmosféře [26]. Skleníkové plyny se zahřívají a vyzařují tepelné záření buď do vesmíru nebo zpět k zemi. Tím se část záření Zemí vyzářené vrací zpět k Zemi a ohřívají ji ještě více. Čím vyšší bude koncentrace skleníkových plynu v atmosféře tím vyšší bude i podíl zachyceného záření atmosférou teplota atmosféry a Země a obráceně. Záleží také na množství energie, které může atmosféra zachytit. Protože skleníkové plyny absorbují záření pouze o určitých vlnových délkách může zachytit pouze energii v této vlnových délkách vyzařované. Sálavé spektrum Země se dramaticky nemění ani při globálním oteplováním, proto se předpokládá, že od okamžiku kdy bude zachyceno veškeré možné záření vysálané Zemí nebude mít zvyšování koncentrace skleníkových plynů na množství zachycené energie vliv. Tato úvaha je chybná, protože skleníkových plynů je několik druhů a pokrývají svou absorpcí prakticky celé spektrum kromě spektra viditelného světla. Mezi velmi vlivné skleníkové plyny v atmosféře patří například H2O, CH4 a CO2. Především zvyšování koncentrace v atmosféře posledně zmiňovaného plynu je připisován velký podíl na změně klimatu vlivem globálního oteplování:
Obr. 15. Průběh změn počtu slunečních skvrn, koncentrací CO2 a teploty od roku 1850. a průběh teploty, b koncentrace CO2 z rozboru ledu z Law Dome v Antarktidě, c koncentrace CO2 z měření na observatoři MaunaLoa, d počet slunečních skvrn. Zdroj [16]. Z obrázku je patrný vliv koncentrace CO2 na globální teplotu. Jedním z příčin zvyšování koncentrace CO2 je spalovaní fosilních paliv. Proto jsou v některých zemích legislativně a dotacemi podporovány technologii, které mají co nejnižší produkci CO2 na množství získané energie. Například místo uhlí se podporuje spalování zemního plynu a pod, což je zřejmé z
následující tabulky. Také se některé státy pokouší omezovat produkci CO2 zpoplatněním jejich vypouštění do atmosféry tzv. povolenky CO2 a zkouší sei technologie na uskladňování CO2 ze spalin například v dutinách po těžbě a pod. účinnost elektrárny [%] 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 ---------------------------------------------------------palivo --------------------hnědé uhlí 1,13 0,97 0,85 0,75 0,68 černé uhlí 1,16 0,99 0,87 0,77 0,70 zemní plyn 0,72 0,61 0,54 0,48 0,43 0,43 0,36 ropa 0,91 0,78 0,68 0,61 0,55 0,50 0,46
Tab. 6. Měrná produkce CO2 při výrobě elektřiny [kgCO2/kWh] v závislosti na druhu paliva a účinnosti elektrárny. © Jiří Škorpík
