S W 23 X
Informačné a automatizačné technológie v riadení kvality produkcie
Vernár, 12.-14. 9. 2005
ENERGETIKA A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ NOVÁKOVÁ Helena ABSTRAKT Článek upozorňuje na globální problém snižování úrovně emisí oxidu uhličitého a na využívání obnovitelných zdrojů energie SUMMARY The paper points out global problem of decreasing level of carbon dioxide emissions and utilization renewable energy sources. KLÍČOVÁ SLOVA Obnovitelné zdroje energie, emise oxidu uhličitého, životní prostředí KEYWORDS Renewable energy sources, emissions of carbon dioxide, environment ÚVOD Energetika je považována za jednoho z největších znečišťovatelů životního prostředí,který ovlivňuje všechny jeho složky. Ztenčování ozónové vrstvy v horních vrstvách atmosféry, zesilování skleníkového efektu, kyselé deště, časté havárie mořských tankerů s ropou a mnoho dalších jevů názorně ukazují, jak jsou lidé schopni ničit své životní prostředí. Je proto samozřejmé, že vliv energetiky na životní prostředí a rostoucí zdravotní rizika jsou v popředí zájmu nejen odborníků, ale i široké veřejnosti. MATERIÁL A METODY Koncepci a rozvoj energetiky podmiňují zejména tyto faktory: - rostoucí spotřeba energie (zejména elektřiny a tepla) v důsledku růstu počtu obyvatel Země a zvyšující se životní úroveň ve vyspělých zemích - snižující se zásoby fosilních paliv (uhlí, ropy, zemního plynu) - zhoršení kvality ovzduší v důsledku škodlivých emisí z energetiky, průmyslu a dopravy Nejvíce diskutovaným problémem je nyní ohrožení životního prostředí globálním oteplováním, které je připisováno vysokým emisím skleníkových plynů do atmosféry, a to zejména emisím oxidu uhličitého (CO2) ze spalovacích procesů. Ke zvyšování koncentrace CO2 v atmosféře však nedochází jen v důsledku spalování fosilních paliv. Velmi nepříznivě se projevuje také úbytek lesů a znečišťování moří a oceánů. Jestliže ještě v polovině 20. stol. byly celkové emise CO2 5 – 6 mld tun, ke konci 20. stol. vzrostla tato hodnota na 22 – 25 mld tun. Problém zvyšování koncentrace CO2 v atmosféře ještě komplikuje skutečnost, že jde o aditivní proces, neboť tento plyn setrvává v ovzduší po velmi dlouhou dobu – až 150 let. Jeho koncentrace se proto bude ještě dlouhou dobu zvyšovat i při snížení jeho produkce ze spalování fosilních paliv. Některé očekávané důsledky zvýšení intenzity skleníkového efektu: - Zvýšení globální teploty povede k většímu odparu z řek, moří a oceánů, čímž vzroste koncentrace vodní páry v ovzduší, a tím dále zesílí intenzita skleníkového efektu. - Větší odpor proti vyzařování ze zemského povrchu do kosmu, způsobující zvýšení globální teploty Země, povede k větší nerovnoměrnosti v ohřívání zemského povrchu a ke
S W 24 X
Informačné a automatizačné technológie v riadení kvality produkcie
Vernár, 12.-14. 9. 2005
výšení intenzity koloběhu vody v přírodě, což bude příčinou extrémních meteorologických situací. - Zvýšení teploty zemského povrchu bude velmi nerovnoměrné a v některých oblastech paradoxně může dojít i k podstatnému ochlazení. Takovým místem by mohla být severozápadní Evropa (ochlazení až o 5 oC), dosud výrazně oteplovaná Golfským proudem, který by se pravděpodobně odklonil od Evropy. - Rozsáhlá území budou zaplavena moři a oceány. Do roku 2100 se očekává zvýšení hladiny o 0,88 m. - Změna klimatu způsobí velké změny v rostlinné a živočišné říši. - Analyzované mechanismy zvyšování teploty zemského povrchu ukazují, že tento proces bude rychlejší než zvyšování koncentrace CO2 v ovzduší. - Globální oteplování může vyvolat i větší intenzitu a četnost zemětřesení – tání ledovců spolu se změnami v rozloze a tvaru moří a oceánů způsobí změny v rozložení tlaků na zemské kry. - Na našem území lze očekávat střídavé projevy vlivu ochlazování a vlhka ze severozápadu Evropy a horka a sucha z jihu.V roce 2075 se očekává zvýšení teploty na našem území v létě asi o 6 oC a v zimě asi o 3 oC.Srážky budou v zimě o 20 až 30 % větší a v létě o 10% menší. Běžné budou letní teploty vyšší než 40 oC. Rovnováha na Zemi je tedy velmi křehká a člověk v poslední době uvolnil síly a způsobil změny, které ji mohou velmi silně narušit.To ovšem může mít pro život lidí na Zemi nedozírné následky. Možnosti, které se nabízejí k nižší produkci CO2 při zásobování energií, lze shrnout v zásadě do těchto bodů: - optimalizace výběru fosilních paliv z hlediska produkce CO2 - snížení energetické náročnosti - zvýšení účinnosti přeměn primární energie paliva na elektřinu a teplo - zvýšení podílu obnovitelných zdrojů energie v energetické bilanci - nové technologie přeměn energií - bezpečná jaderná energie Obnovitelné zdroje energie Jedním z velmi potřebných, ale také hodně diskutovaných opatření, je využívání obnovitelných zdrojů energie – tedy především energie slunečního záření, energie vody a větru a energie biomasy. V úvahu přichází také využívání geotermální a slapové energie. Při energetickém využívání těchto zdrojů je nutné hodnotit jejich hospodářsky využitelný potenciál, např. formou stanovení výkonové hustoty obnovitelných zdrojů – viz Tab.1 Tab.1. Účinnost obnovitelných zdrojů energie Výkonnová hustota Palivo vodní elektrárny energie vln energie větru energie slunečního záření energie proudění přílivu energie tepla získaného ze Země pro porovnání
108 kW/m2 při průtočné rychlosti 6 m/s 14,5 kW/m2 na m šířky vln o výšce vlny 1,5 m 0,13 kW/m2 při rychlosti průtoku 6 m/s 0,25 kW/m2 hustoty tepelného výkonu na trubkách kotle 0,12 kW/m2 0,002 kW/m2 0,00006 kW/m2
S W 25 X
Informačné a automatizačné technológie v riadení kvality produkcie uhelné elektrárny jaderné elektrárny
Vernár, 12.-14. 9. 2005
500 kW/m2 hustoty tepelného výkonu na trubkách kotle 650 kW/m2 hustoty tepelného výkonu na pokrytí palivových článků
Při posuzování jednotlivých obnovitelných zdrojů je nutné vzít v úvahu zejména tyto faktory: - kumulovanou spotřebu energie při výrobě a likvidaci zařízení a ukládání odpadu - emise CO2 a dalších škodlivin do ovzduší - specifickou spotřebu plochy - hustotu výkonu a energie - technicko-ekonomické ukazatele a konkurenceschopnost na trhu s elektřinou VÝSLEDKY A DISKUZE Vliv obnovitelných zdrojů energie na životní prostředí Panuje vcelku rozšířený názor, že obnovitelné zdroje energie patří mezi „čisté zdroje“, jejichž vliv na životní prostředí a přímý vliv na zdraví lidí lze zcela zanedbat. Tento názor patrně souvisí s tím, že při normálním používání obnovitelných zdrojů většinou nevznikají žádné znečišťující látky a že tyto zdroje nejsou koncentrovány na malé ploše. Zavádění nových technologií na bázi obnovitelných zdrojů je však náročné na práci i materiál a jejich působení na zdraví se projevuje nepřímo u pracovníků, kteří těží a zpracovávají potřebné materiály, nebo pracují na výstavbě energetických zařízení. Účinky obnovitelných zdrojů energie na životní prostředí se zejména u malých decentralizovaných zdrojů mohou jevit ve srovnání se znečišťováním prostředí spalováním fosilních paliv jako zcela podružné. Všeobecně však lze říci, že každá energetická technologie, rozvinutá ve velkém měřítku, přináší ekologické problémy. Mají-li obnovitelné zdroje významněji přispět k řešení energetického problému, je třeba pečlivě analyzovat jejich pozitivní i negativní vlivy na životní prostředí. Obnovitelné zdroje se svými účinky na životní prostředí značně liší. V následujícím krátkém výčtu bude uveden pouze přehled dlouhodobých ekologických účinků těch technologií, jejichž rozvoj by mohl v 21. stol. významněji ovlivnit energetickou bilanci.
Geotermální energie Tato energie se využívá v bezprostřední blízkosti svého zdroje, aby nedocházelo k nadměrným tepelným ztrátám při rozvodu teplé vody nebo páry. Negativní účinky na životní prostředí jsou do značné míry určovány geochemickými vlastnostmi geotermálních polí. Úbytkem geotermálních vod může v některých oblastech dojít k sedání půdy. S využitím geotermální energie je spojen únik znečisťujících látek do ovzduší. Jedná se o přímou exhalaci geotermální páry v průběhu otvírky a o únik nekondenzovatelných plynů během provozu energetického zařízení. Přehled o množství hlavních znečisťujících látek, vypuštěných v průběhu celoročního provozu u některých provozovaných geotermálních elektráren ve světě, udává tab.2.
S W 26 X
Informačné a automatizačné technológie v riadení kvality produkcie
Vernár, 12.-14. 9. 2005
Tab.2. Nejdůležitější plynné exhalace vybraných geotermálních elektráren Země
Instalovaný výkon (MWe)
Plynné exhalace v tunách na 1000 MWe/rok H2S NH3 CO2
Geotermální pole The Geyseers Lardarello Wairakei Cerro Prieto
USA Itálie Nový Zéland Mexiko
660 380 192 150
2 000 5 000 300 4 000
1 700 1 300 50 800
30 000 400 000 8 000 150 000
Elektrárna o výkonu 100 MWe zpracovává asi 107 tun geotermální páry ročně, v horkovodních polích je potřeba až desetinásobné množství horké vody. Největším problémem je únik sirovodíku H2S. Čichem lze zjistit sirovodík již při objemové koncentraci 0,002 ppm, úrovně pod 1 ppm však kromě nepříjemného zápachu nepředstavují zdravotní riziko. Kapalné odpady z geotermálních elektráren obsahují řadu chemických prvků v různých koncentracích, daných složením geotermálního pole.
Energie slunečního záření Sluneční energetická zařízení nevypouštějí žádné znečisťující látky, i z hlediska odpadního tepla se projevují víceméně neutrálně.Určitý vliv na změny mikroklimatu by mohlo mít rozsáhlé pole heliostatů, odrážejících sluneční záření do pracovní části elektrárny. Za hlavní nevýhodu slunečních elektráren jsou z ekologického hlediska považovány velké územní požadavky. Rozloha potřebná pro práci sluneční elektrárny je ale srovnatelná se záborem půdy pro uhelné či jaderné elektrárny. Spotřeba plochy vztažené na výkon 1 MWe sluneční elektrárny po celou dobu její životnosti je asi 2000 m2, u uhelné elektrárny je to přibližně 3000 m2.Navíc lze využít neplodné pouštní či horské oblasti. Lze konstatovat, že sluneční záření je čistý zdroj primární energie.
Energie větru Větrné elektrárny rovněž nevypouštějí znečisťující látky. Z hlediska účinků na životní prostředí a ohrožení zdraví představuje největší nebezpečí možnost havárie větrného generátoru.V podstatě je zde riziko utržení rotoru či zřícení věže při silném vichru. Dalším negativním aspektem je hluk, vyvolávaný obtékáním listu vrtule, či vznikající v převodové skříni a v generátoru.
Energie vodních toků Výstavba přehrady a vytvoření umělé vodní nádrže představují značnou lokální změnu životního prostředí. U již vybudovaného hydroenergetického díla představují důležitý problém změny fyzikálních, chemických a biologických vlastností vody. Rovněž nezanedbatelným aspektem je zanášení umělého jezera sedimenty. K negativním vlivům budování hydroenergetických děl patří i riziko ohrožení okolního obyvatelstva při případném protržení hráze. Přesto vodní díla s výrobou elektrické energie znamenají značný ekologický přínos.
S W 27 X
Informačné a automatizačné technológie v riadení kvality produkcie
Vernár, 12.-14. 9. 2005
Energie živé hmoty Hlavním ekologickým problémem při výrobě energie z biomasy je nerozvážná těžba dřeva. Samozřejmě že ekologické účinky výroby bioplynu ve velkém měřítku se liší od účinků malých systémů. Jedná se o zábor půdy, sběr a skladování odpadů a manipulace s nimi, manipulace s kaly atd. Rovněž systém distribuce bioplynu s sebou přináší jisté riziko jeho úniku, případně exploze.Kapalné odpady z této technologie lze recyklovat, pevné kaly se používají jako kvalitní hnojivo. Plynné exhalace jsou podstatně nižší než v případě použití topného oleje či ropy. Dostupný a využitelný potenciál obnovitelných zdrojů energie v ČR Rekapitulaci tohoto potenciálu v ČR naznačuje tab.3. Údaje pro její zpracování shromáždila Asociace pro využití OZE v závěru roku 2004. Všechny uváděné technologie jsou v ČR zvládnuté na komerční úrovni, s dobře odhadnutelnými investičními i provozními náklady. Tab.3. Rekapitulace dostupného a využitelného potenciálu obnovitelných zdrojů v ČR Technologie Obnovitelný zdroj
Dostupný potenciál 17 000 TJ
Technický potenciál 25 000 TJ
Současné využití
solární energie
sol. systémy s kapalin. kolektory
0,4 PJ
solární energie
fotovoltaické systémy
5 500 GWh
23 000 GWh
0,03 Wh
větrná energie
větrné elektrárny nad 60 kW
4 000 GWh
16 324 GWh
4 GWh
geotermální energie a energie prostředí energie vodních toků
tepelná čerpadla
elektřina teplo velké hydroelektrárny (>10 MW)
3 400 MW 25 MW 1 165 GWh
35 000 MW 250 MW 1 165 GWh
1 165 GWh
malé vodní elektrárny (<10 MW)
410 GWh
1 115 GWh
705 GWh
44,8 PJ
77,6 PJ
0,2 PJ
biomasa – spotřeba biopaliv biomasa
palivové a odpadní dřevo, ostatní tuhá biopaliva pěstovaná biomasa biopaliva a bioplyn
celkem teplo celkem elektřina
136 PJ 16 PJ/1 200 GWh
22 PJ/420 GWh
275 PJ 33 PJ
2,5 PJ 25,1 PJ 2 339 GWh
ZÁVĚR Rozvoj energetiky obecně není v rozporu s ochranou životního prostředí, je však potřebné udržet rovnováhu mezi nutností zachovat a zlepšit životní prostředí a mezi dalšími společenskými potřebami, jejichž uspokojování závisí na dostupnosti energie. Důležitá úloha zde připadne většímu uplatnění obnovitelných zdrojů energie. Podpora vývoje a využívání těchto zdrojů je v zájmu budoucích generací. LITERATURA 1. Beranovský, J.- Truxa, J.: Cíle rozvoje obnovitelných zdrojů energie v ČR a EU a možnosti jejich dosažení, Energetika 6 / 2004 , str. 193 2. Kadrnožka, J.: Vztah energetiky a životního prostředí v uplynulém půlstoletí a ve výhledu do budoucnosti, Energetika 3 / str. 87-88
S W 28 X
Informačné a automatizačné technológie v riadení kvality produkcie
Vernár, 12.-14. 9. 2005
3. Vlček, J.- Drkal, F.: Technika a životní prostředí, vydavatelství ČVUT, 1994, str.181-223 4. Škorpil, J.: Životní prostředí, fosilní energetika a obnovitelné zdroje, ELEKTRO 10/2001, str.10 - 11 Ing. Helena Nováková, Technická fakulta ČZU Praha, katedra elektrotechniky a automatizace, Kamýcká 872, 165 21 Praha 6, e-mail:
[email protected]
