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
ČLOVĚK A ENERGIE
VYBRANÉ POJMY Z ENERGETIKY ING. JAROSLAV BENEDIKT
TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Člověk a energie, vybrané pojmy z energetiky Ing. Jaroslav Benedikt
Oheň, Živá síla, Vítr, Voda, Vodní pára, Elektřina, Jaderná energetika, Sluneční energie, Na závěr
Oheň Obvykle je takto nazývána forma hoření, kdy se uvolňuje teplo a světlo. Hoření je každá chemická reakce, při které vzniká světlo a teplo. Jedná se tedy o transformaci chemické energie na energii tepelnou a na záření. V tomto článku je hořením myšlena rychlá oxidační exotermická reakce respektive reakce kyslíku s jinou látkou (nejčastěji se využívá reakcí kyslíku s uhlíkem, CO, vodíkem, sírou, chlórem, sodíkem...):
Rov. 1. Některé exotermické chemické reakce, které se nazývají hoření. Více o oxidačních reakcí například v [19]. Pravděpodobně první vlastnost hoření, která způsobila zájem člověka o oheň bylo světlo, respektive jeho odstrašující účinek na šelmy, které ohrožovali spící lidi. Člověk ač živočich bojící se ohně se sžil s ohněm natolik, že na něj působí uklidňujícím dojmem pokud je pod kontrolou. Rozdělávání a udržování ohně je jedna z nejstarších lidských dovedností. V současnosti lidstvo převážně využívá jiné efektivnější zdroje světla a hoření využívá pouze k výrobě tepla. Teplo z hoření je dnes dominantním uměle vyráběným teplem.
Obr. 1. Oheň využívali již předchůdci člověka. Poprvé začali předchůdci člověka (člověk pekingský-Homo erectus pekinensis) využívat oheň ve svůj prospěch přibližně před 0,5 mil lety jako ochranu před šelmami [1]. V té době ještě dokázal oheň pouze udržovat nikoliv rozdělávat o čemž svědčí mnohametrová nepřerušená vrstva popela v objevených pravěkých ohnišť. Rozdělávat oheň se člověk naučil někdy mezi 9 až 40 tis. lety před n. l. Obrázek: Zdeněk Burian. Tepelná energie se při hoření odvádí ve formě tepelného záření–sálavá složka a ve formě zvýšení teploty produktu hoření–zvýšení entalpie produktu hoření (spaliny, popel, tuhé zbytky) [19]. U otevřeného topeniště (ohniště) mohlo být využito pouze sálavé teplo plamene a spalin. Tento způsob je velice neefektivní a nepřispívá příliš k tepelné pohodě člověka (pokud toto teplo používá k vytápění), protože je zahříván pouze ze strany ohniště. To se poněkud zlepšilo přenesením ohně do krytých prostor (jeskyně, obydlí) kde oheň ohříval sáláním i prouděním spalin po stěnách i stěny obydlí. Zároveň byl ohříván efektivněji i vzduch kolem ohniště spalinami, což také přispělo k tepelné pohodě. Později se oheň přenesl do uzavřených ohnišť např. krb. Oheň a spaliny tedy přímo zahřívaly tělo krbu, který ohříval okolní vzduch. Pro vyšší efektivitu využití energie v palivu (menší spotřeba paliva) je nejlépe zachytit veškeré sálavé teplo a co nejvíce vychladit spaliny. Proto se odvod spalin od krbu co nejvíce protahoval (spalinovod-komín). Tento princip lze ještě dnes spatřit u některých typů kamen. Také se zvětšovala teplosměnná plocha mezi spalinovodem a vzduchem. Ještě větší efektivitu a možnosti využití nabízel ohřev vody. Tato ohřátá voda může být rozváděna do potřebných prostor. Zařízení, ve kterém dochází k ohřevu vody se nazývá kotel. Vynálezem parního stroje (viz. jedna z následujících kapitol) na přelomu sedmnáctého a osmnáctého století vznikala potřeba vyrábět vodní páru. Nejdříve se pro tyto účely používal žárotrubný kotel určený pro výrobu syté páry. Pojem žárotrubný souvisí s konstrukčním uspořádání kotle, ve kterém je ohniště a spalinovod obklopen druhým pláštěm a objem mezi plášti je vyplněn vodou (oheň uvnitř, voda okolo):
Obr. 2 Smeatonsův žáro-trubný kotel pro výrobu syté páry 1765. Zdroj [2]. Tento typ kotlů byl ve své době velice nebezpečný (materiálové hledisko, úroveň zpracování) často docházelo k výbuchům, proto byl nahrazován na konci 18. století mnohem bezpečnějšími vodotrubnými kotly, ve kterých horké spaliny proudí spalinovody vyplněné potrubím (i žebrované) s ohřívanou vodou/párou:
Obr. 3 Barlowův vodo-trubný kotel 1793. Lze ho považovat za jednoho z předchůdců velkých elektrárenských kotlů dnešní doby. Zdroj [2]. Velký rozvoj žárotrubných kotlů nastal s prudkým příchodem parních lokomotiv–mobilní aplikace parního kotle. Zásadním impulsem byla Stevensonova lokomotiva s žárotrubným kotlem. Tato koncepce kotle se u parních lokomotiv používala po celou dobu jejich historie a obecně lokomotivní kotel se stal postupem času jedním z nejpropracovanějších technických zařízení vůbec:
Obr. 4 Koncepce moderních parních lokomotiv zůstala po celou dobu jejich historie prakticky nezměněna. vlevo Stevensonova lokomotiva z roku 1829, vpravo pouze parní motor nebyl v další fázi vývoje umisťován šikmo dozadu ale vodorovně dopředu. Dobový obrázek [2]
Obr. 5 Pohled do útrob kotle parní lokomotivy přes otevřenou dýmnici. Lze spatřit vyústění žárového potrubí a v horních řadách potrubí jsou umístěny přehříváky páry. Fotografie je kopií z díla "1922 Locomotive Cyclopedia of American Practice" vydané při "Simmons-Boardman" [3]. Kolte vodotrubné obr. 3 se prosadily především u stacionárních aplikací. Na rozdíl od žárotrubných kotlů jsou bezpečnější, menší a účinnější. Mají pouze stížené možnosti čištění než kotle žárotrubné. Ve 20. století s příchodem velkých kotlů pro energetiku se začaly používat i nové typy ohnišť (granulační kotle [20], práškové kotle s fluidním topeništěm...). Pro výrobu páry v elektrárnách se používají nejčastěji dvoutahové kotle s jednotlivými sekcemi teplosměnných ploch:
Obr. 6 Schéma konstrukce elektrárenského dvoutahového kotle na kapalné palivo pro výrobu přehřáté páry. Nejdříve se jako palivo využívala biomasa (dřevo, tráva....) [19] později člověk objevil rašelinu a uhlí následoval objev využívání ropy ve velkém měřítku (19. století) a zemní plyn tj. fosilní paliva [20]. Tyto zdroje se někdy souhrnně označují jako přírodní zdroje paliva. Zejména v posledních letech se začaly spalovat i různé druhy odpadů a různé zdroje umělých paliv tzv. druhotné zdroje paliva. Obecně jsou palivem látky obsahující vysoký podíl uhlíku (např. uhlí), vodíku nebo oba. Při zvyšování efektivity hoření a řízení procesu hoření je nutné dokonale znát děje, které při hoření probíhají. Ještě v 18. století bylo pro lidstvo proces hoření spíše záhadou. Vědělo se pouze, že když se omezí ohni přísun vzduchu oheň zhasne. Proč tomu tak bylo se nevědělo až do roku 1772 respektive 1774, kdy byl objeven kyslík (nezávisle na sobě Carle Wilhelme Scheele–1772 zveřejněno 1777 a Joseph Priestley–1774). To byl počátek studia statiky hoření [21], což umožňovalo daleko lépe regulovat samotný proces hoření. V současné době vrchol možnosti dokonalého spalování vidíme například u spalovacích komor plynových turbín. Ve vzduchu reaguje na svém povrchu prakticky každá hořlavá hmota se vzdušným kyslíkem (dřevo, lidská pokožka a pod.), ale vzhledem k nízké teplotě okolí se jedná o velmi pomalou oxidaci. Aby začalo hoření, což je naopak rychlá oxidace musí se k předmětu, který má hořet, přiložit např. hořící zápalka. Ani zápalka se však nezažehne sama, musí se zapálit o krabičku třecím teplem. Důvod je celkem pochopitelný: oxidace je chemická reakce, při které dochází k přetvoření molekuly. K tomu je potřeba, aby její atomy vykonávaly energický tepelný pohyb–dosáhli aktivační energie. Proto rychlost chemické reakce závisí na teplotě. Jestliže se například rychlost reakce zvyšuje 3x při zvýšení teploty o 10°C, potom zvýšení teploty o 100°C zvýší rychlost hoření asi 60 000krát. Reakce, která probíhá normální rychlostí např. při 500°C, při pokojové teplotě nenastane. Je nutné počátečním ohřátím vytvořit teplotu potřebnou k reakci. Vysokou teplotu pak už udržuje teplo uvolňované při reakci. Počáteční místní ohřátí musí stačit na to, aby teplo, které se uvolní při reakci, převyšovalo teplo unikající do okolního prostoru. Proto má každá reakce svoji zápalnou teplotu. Hoření začíná jen tehdy, je-li počáteční teplota rovna nebo vyšší než zápalná teplota. Zápalná teplota dřeva je např. 610°C, benzínu asi 200°C. Sloupec hořících plynných látek (největší teplotu má na svém povrchu) se nazývá plamen.
Při hoření vznikají produkty hoření nazývané spaliny. Spaliny jsou velice horké obsahuji velké množství tepelné energie uvolněné při hoření (tu část, která při hoření nevysálala do okolí). Proto se spaliny vychlazují v tepelných výměnících a jejich teplem ohřívá pracovní médium (kapalná voda, vodní pára, vzduch, olej...). Pro návrh teplosměnných ploch především jejich velikost je tedy třeba znát jaké množství spalin se při hoření paliva uvolní a jakou mají teplotu. Toto množství se liší podle druhu paliva: látka objem spalin [m3n/kg] (0°C) --------------------------------------Dřevo 7,5...8,0 Černé uhlí 7,5...8,0 CO 2,88 CH4 10,52 H2 2,88
Tabulka 1 Množství spalin vzniklých při stechiometrickém spalování* některých paliv. α [1] součinitel přebytku vzduchu (poměr množství přiváděného vzduchu ku stechiometrickému množství vzduchu). *Stechiometrické spalování Z příslušných chemických reakcí hoření lze přesně vypočítat spotřebu kyslíku pro spálení určitého množství paliva. Pokud při spalování shoří požadované množství paliva a přitom se do spalovacího procesu přivedlo přesně spočítané množství kyslíku hovoříme a stechiometrickém spalování. Při podstechiometrickém spalování je zřejmé, že nemůže shořet veškeré palivo. Při nadstechiometrickém spalování se do spalovacího procesu přivádí více kyslíku než odpovídá výpočtu, ale z technických důvodů nemusí ani tak veškeré palivo shořet. Nejčastěji se pro hoření používá vzdušný kyslík respketive se do spalovacího zařízení přivádí vzduch a nikoliv pouze kyslík. Pokud je do spalovacího procesu přiváděno tolik vzduchu, že obsahuje právě stechiometrické množství kyslíku, potom tomuto množství říkáme stechiometrické množství vzduchu. Hoření začíná na povrchu paliva a pokud neshoří povrchová vrstva, nemůže hořet další [19]. Tím se vysvětluje relativně pomalý průběh hoření. Zvýšení výkonu při hoření tj. množství hořící látky na jednotku objemu je možné, když se zvýší plocha paliva (např. drcené/rozemleté uhlí, které má mnohokrát větší povrch než uhlí kusové, štěpka namísto kusového dříví apod). Palivo tak lépe i prohoří tím se zmenší i nedopal a sníží obsah škodlivých emisí ve spalinách. Pro plynná a kapalná paliva je pro rychlé a účinné hoření nutné důkladné promíchání s kyslíkem. Podstatně jiná je situace tehdy, když není při takovéto reakci potřebný vzdušný kyslík a všechno potřebné je uvnitř palivové směsi. Příkladem takové směsi může být směs vodíku a kyslíku, tzv. třaskavá směs. Reakce zde neprobíhá na povrchu látky, ale uvnitř směsi. Na rozdíl od hoření se v tomto případě veškerá energie uvolňuje prakticky okamžitě. Tím se zvýší tlak a nastává výbuch. Existují také pevné výbušné látky. Bohatá zápalná směs a následná prudká oxidace se používá u spalovacích (výbušných) motorů atd. Při spálení 1 kg paliva se může uvolnit určité množství energie toto množství se nazývá spalné teplo nebo výhřevnost paliva. Spalné teplo je energie, která se uvolní dokonalým spálením, to znamená oxidačním převedením ve finální produkty, kterými jsou oxid uhličitý, voda, oxid siřičitý a dusík. I v teoretickém případě, kdy dokonale shoří veškeré palivo obsahující vodík budou spaliny obsahovat vodní páru. Proto se definuje ještě výhřevnost paliva*–teplo uvolněné spálením určitého množství paliva, přičemž spaliny se vychladí pouze do teploty rosného bodu vody ve spalinách při atmosférickém tlaku. *Poznámka
Ideální je vychladit spaliny pod teplotu rosného bodu a získat ze spalin výparné teplo, které se při kondenzaci par uvolni. Většina tepelných výměníků nedokáže technicky vychladit spaliny pod teplotu rosného bodu právě kvůli vzniklému kondenzátu (poškození výměníku korozí, odvod kondenzátu apod.). Množství energie uvolněné při dokonalém spalování za jednotku času z dodávaného množství paliva se nazývá tepelný výkon:
Rov. 2 Výkon při dokonalém spalování. mpal [kg/s] dodávané množství paliva, Qir [J/kg] výhřevnost paliva– představuje energii, která se uvolní při spálení 1 kg paliva. Při skutečném spalování paliva nedochází k dokonalému hoření (palivo neshoří všechnonedopal). Např. reakce C s O skončí u tvorby CO a nevznikne tedy CO2. Což je podle rov. 1 přibližně ztráta 283,2 kJ/mol. Další ztráty vznikají při využití vzniklého tepla. Míru dokonalosti využití tepla v daném zařízení se nazývá účinnost. Například u kotle je účinnost vyjádřena podílem vyrobeného tepla Q a energie dodané do ohniště kotle v palivu Qir. Účinnost takového zařízení právě velice ovlivňuje efektivita samotného procesu hoření. U špičkových parních kotlů dosahuje účinnost využití tepla v palivu i více jak 95% podle typu paliva.
Živá síla Přibližně 3,5 tisíci let př. n. l. vynalezl člověk postroje pro zvířata, tím je mohl zapřahat i do strojů, které do té doby poháněli lidé. To se využívalo především v dopravě, u stacionárních strojů (mlýny...) se stále používala levnější otrocká práce. Později se, ale stala zvířecí síla hlavní silou, kterou člověk využíval prakticky až do první poloviny 19. století.
Obr. 7 Olivový mlýn pohaněný oslem–Maroko, 2007. Foto: Jerzy Strzelecki [3]. Mechanický výkon zvířat (velikosti člověka) a lidí se pohybují pouze v desítkách až několika málo stovkách wattů. Jamese Watta, který se jako první problémem definice
mechanického výkonu zabýval spočítal výkony koní, kteří poháněli pumpy v dolech a zjistil, že kůň dokáže průměrně za jednu sekundu vyčerpat 500 liber (~226,8 kg) vody do výšky jedné stopy (0,3048 m), což odpovídá výkonu 678,14 W. Watt se snažil sestrojit parní stroj, který by měl přesně stejný výkon tj. výkon jednoho koně. Nakonec se mu podařilo sestrojit stroj, který dokázal vyčerpat 550 liber vody za jednu sekundu do výšky 1 stopy, což je přibližně 745 W. Tato jednotka se na dlouhou dobu stala jednotkou výkonu pod názvem kůň. Výkon jednoho koně je mezinárodně definován 735 W (Britský kůň vychází z definic liber což v přepočtu dělá cca 745 W). Mechanický výkon člověka nepřesahuje 350 W (výkon špičkového cyklisty). Přeměna tepelné energie na jinou formu se v živém organismu nemůže dít, tak jako u tepelných strojů [4, str. 168], [9]. Živé buňky existují jen v určitém malém rozsahu teplot a proto chybí v těle velké gradienty teplot a účinnost klasických tepelných oběhů by byla velice nízká. Pro klasickou oxidaci jako třeba u hoření je potřeba nejdříve dosáhnout teploty hoření. To se také neslučuje s životem buňky. Ovšem potřebnou teplotu oxidace lze snížit použitím katalyzátoru v živé buňce to jsou enzymy [4, str. 168] (druh bílkoviny, která podstatně urychluje chemickou reakci například oxidaci při mezi 20°C až 40°C i o několik řádů [17, str. 136]). Nejčastěji živý organismus nezískává energii přímo ze "surové potravy", ale potravu nejdříve zpracuje do energeticky bohaté sloučeniny ATP (adenozintrifosfát: makroergická sloučenina-energeticky bohatá sloučenina vzniklá ze stravy-cukry, tuky, bílkoviny). Samotná přeměna energie uložená v ATP probíhá za přítomnosti enzymů v buňce procesem, při kterém se přímo vyrobí potřebný druh energie (tepelná, elektrická, mechanická). Jedná se tedy o ekvivalent procesu při přímé výrobě elektřiny a tepla. ATP reaguje s kyslíkem za vzniků spalin CO2 (anaerobní respirace). Kyslík se do těla dostává při dýchání vzduchu, který obsahuje cca 21% kyslíku z celkového objemu. V těle se část kyslíku spotřebuje při reakci s uhlíkem a vodíkem za vzniku CO2 a vodní páry, takže vydechovaný vzduch obsahuje už jen 15% kyslíku ve prospěch zvýšení podílu CO2 a vodní páry:
Obr. 8. Přeměna energie v živé buňce. Člověk získává energii z potravy. V dnešní době je velice jednoduché si zjistit možný energetický přínos jednotlivých druhů potravin. Na obalech bývá energetická hodnota na jednotku hmotnosti nebo objemu popřípadě lze využít obecných tabulek např. [4, str. 496]. Uvedená hodnota je množství energie, které je člověk schopen získat z dané potraviny. Je tam uvedena i výživová hodnota, což je hodnota potraviny, která udává, kolik bílkovin, tuků, sacharidů, cholesterolu, vlákniny nebo vitaminů či minerálních látek obsahuje. Existují tedy potraviny z výživového hlediska hodnotné (například jogurt, který je zdrojem kvalitních bílkovin, vitamínů a vápníku) a přitom dodávající jen málo energie (kJ). Na druhé straně jsou potraviny s vysokou energetickou hodnotou, ale malým nebo žádným přínosem pro zdraví. O těch se mluví jako o potravinách, které poskytují prázdné kalorie. Typickými představiteli jsou sladkosti, koncentrované lihoviny, smažené brambůrky a podobně. Každý člověk musí v potravě přijmout tolik energie kolik spotřebuje "spálí", pokud dojde k nerovnováze mezi dodávkou a příjmem energie, potom musí být případný nedostatek hrazen z rezerv těla (tuky) nebo je naopak přebytečná energie v těle formou tuků ukládána. Přičemž
postup spalování jednotlivých typů energetických zásob v lidském těle je u špičkového závodníka následující: Zásoby ATP vystačí cca na 10s intenzivní svalové práce. Pokud tělo dále pokračuje v intenzivní činnosti, musí již přistoupit k odbourávaní cukrů (sacharidů), které jsou ve svalech a játrech (glukóza a glykogen). S cukernými substráty vydrží asi hodinu svalové činnosti podmaximální intenzity. Po vyčerpání těchto zdrojů již jako zdroj energie převažují tuky (spotřeba vzduchu vyšší než u cukrů). V krajním případě-dlouhodobý nedostatek tuků dochází ke spalování bílkoviny-hmota svalů (velká spotřeba kyslíku). Ve skutečnosti probíhá spalování (cukrů, tuků a bílkovin) současně, ale vždy s velkou převahou jednoho z uvedených typů [5, str. 93]. Velice tedy záleží na energetických výdajích člověka. Průměrný podíl základních složek v potravy z pohledu zpracování energie by měl přibližně být 60% sacharidů, 28% tuky, 15% bílkoviny [4, str. 493]. Se zvyšujícím se fyzickou zátěží se zvyšuje podíl tuků na úkor sacharidů.
Obr. 9 Porovnání spotřeby energie při spánku a jízdě na kole. a spánek 80 W, 300 kJ/hod, b cca 1,5 kW, 6038 kJ/hod. Minimální přísun potravy pro člověk v klidu je cca 2 kWh denně, což je asi 7200 kJ. Práce člověka za jeden rok je cca 250 kWh což odpovídá asi 110 W mechanického výkonu během pracovní doby. Ovšem průměrný obyvatel ČR spotřebuje pro své žití tj. bydlení dopravu vaření zábavu až 150 kWh denně. Tuto spotřebu lidstvo ve velké většině kryje fosilními palivy [20]. Např. moderní zemědělec spotřebuje více energie než vypěstuje. To vše umožňuje nahromaděná energie během miliónů let ve fosilních palivech. Jednou z posledních zemí, kde zemědělec více energie vypěstuje než spotřebuje je Indie, protože se v této zemi používá mechanizaci založená na spotřebě fosilních paliv daleko v menší míře než například v Evropě. Množství energie za rok přijímané v potravě jednoho člověka lze vypěstovat přibližně na 0,2 ha půdy. To odpovídá při 10 mil. obyvatel ploše 20 tis. km2. V ČR je 25 tis. km2 zemědělské plochy to znamená, že na zbylých 5 tis. km2 je možné využít na pěstování potravin na vývoz nebo pro pěstování biopaliv. Z poměru spotřebované energie k vykonané mechanické práce člověka se dá stanovit i mechanická účinnost lidského těla, která je do 10...15...20%. Zbylá energie se musí odvést ve formě tepla. Největší část tohoto tepla se odvádí přestupem tepla mezi plochou člověka do okolí. Na povrch těla se teplo dostává pomocí krevního oběhu a vedením tepla v těla. Z povrchu těla se teplo odvádí sáláním, vedením (kondukcí) do okolního prostředí (vzduch, oblečení, voda..), prouděním (konvekcí) prostředí kolem lidského těla a vypařováním. Velice důležitá je schopnost termoregulace lidského těla udržet si stálou teplotu cca 37°C v prostředí, ve kterém je teplota vyšší. To je možné jen pokud se jedná o prostředí, kde parciální tlak vodní páry ve vzduchu je menší než odpovídá tlaku syté páry při dané teplotě prostředí. Potom probíhá vypařování vody na lidské pokožce při teplotě odpovídající teplotě varu parciálního tlaku páry okolí. Například i při tropickém dni, kdy je teplota vzduchu 35°C, ale parciální tlak respektive vlhkost vzduchu odpovídá 25°C bude teplota potu na pokožce oněch 25°C*.
*Poznámka Na podobné principu fungují chladící věže tepelných elektráren. Největší vlhkost vzduchu je na podzim, proto je teplota chladící vody někdy i větší než v létě, protože se chladí pouze ohřevem okolního vzduchu. Naproti tomu v létě, kdy je vzduch suchý dochází i k vypařování vody z chladící věže při teplotě parciálního tlaku páry ve vzduchu, který může být velice nízký a chladící voda se může vychladit na teplotu nižší než teplota vzduchu v okolí chladící věže.
Obr. 10. Stanovení teploty kapky potu na pokožce z teploty vlhkého vzduchu jeho relativní vlhkosti a tlaku. tvz [°C] teplota vzduchu, p"p [Pa] tlak, při kterém dojde k varu vody již při teplotě tvz, pat [Pa] atmosférický tlak, pvz [Pa] parciální tlak suchého vzduchu, pp [Pa] parciální tlak vodní páry ve vzduchu, φ [1] relativní vlhkost vzduchu, tv [°C] teplota vodní kapky.
Vítr Větrné mlýny se v Evropě objevují poprvé na přelomu 1. a 2. tisíciletí našeho letopočtu. Nejstarší zmínka využití větru (lodní plachta) pochází přibližně 1000 let př. n. l.) [6]. V 19. století se větrné turbíny používaly i pro čerpání vody ze studní a v druhé polovině 20. století se začaly používat i pro výrobu elektřiny [22].
Obr. 11 Větrný mlýn u Ruprechtova s Halladayvou turbínou. Moderní větrná elektrárna je tvořena vysokým sloupem na jehož vrcholu je větrná turbína a gondola s el. generátorem a dalším příslušenstvím.
Obr. 12 Jedna z větrných elektráren umístěných v Břežanech na Znojemsku. 5xVestas V52 inst. Výkon 5x850 kW, Výška sloupu 74 m průměr rotoru 52 m. Větrná elektrárna přeměňuje část kinetické energie větru na energii mechanickou (ve formě otáčení rotoru) a poté pomocí elektrického generátoru na energii elektrickou. Část energie se přeměňuje i na teplo–ztráty.
Obr. 13 Přibližný výkon větrné turbíny. Pt [W] elektrický výkon větrné turbíny teoretický, ρ [kg/m3] hustota vzduchu, A [m2] průtočný průřez, ci [m/s] rychlost proudu vzduchu před turbínou, ηrotor [-] účinnost rotoru. V současnosti největší větrné turbíny mohou dosahovat účinnosti rotoru kolem 45%. Vhodnou oblasti pro stavbu větrných elektráren jsou místa s průměrnou rychlostí větru nad 5 m/s nejlépe však až 15 m/s. Je ale nutné při výběru lokality zohledňovat i další kritéria (vizuální znečištění, zásah do přírody, infrastruktura apod.).
Obr. 14 Lokality v ČR vhodné pro stavbu vysokých větrných elektráren s ohledem na průměrnou rychlost větru a přírodu. Zdroj [18].
Voda Poprvé se energie vody pro vykonání práce pomocí vodního kola používalo v Mezopotámii v 6. století př. n. l. k zavlažování. Vodní kola pro pohon mlýnů a hamrů se začaly používat na území ČR přibližně ve 12. století. Mlýny byly jedny z mála technických zařízení a mlynáři a sekernící (tesaři) byly po tisíciletí nositeli technického umu a pokroku na našem území.
Obr. 15 Vodní kolo na spodní vodu Velkopřerovského mlýna na Čertovce. Foto [7]. V současnosti se pro svou malou efektivnost a výkon nevyužívají vodní kola, ale turbíny především Peltonovy, Francisovy a Kaplanovy [23]. Každá z uvedených turbín je vhodná pro konkretní rozsah spádů a průtoků. Velké vodní turbíny dosahují účinností větší jak 95%
a z tohoto hlediska patří mezi nejen nejdokonalejší lopatkové stroje [24] ale i motory obecně.
Obr. 16. Současnost: Turbosoustrojí s Kaplanovou turbínou (průměr oběžného kola 9,5 m, elektrárna Yacyretá, Argentina). Obrázek: Voith Siemens Hydro Power Generation [3]. U klasických vodních elektráren bývá turbína a generátor na jedné hřídeli (turbosoustrojí) obr. 16. U přečerpávacích elektráren [23] se často používá tzv. reverzní soustrojí. Takto se nazývá soustrojí, které je schopné pracovat jak v generátorovém režimu (výroba elektřiny) tak v turbočerpadlovém režimu (spotřeba elektřiny). Reverzní soustrojí má na jedné hřídeli generátor turbínu i turbočerpadlo. V generátorovém režimu turbína pohání generátor a v turbočerpadlovém režimu pohání generátor turbočerpadlo. Jednu z prvních vodních elektráren postavil T. A. Edison roku 1882 v Appletonu a krátce nato pod Niagárskými vodopády. K výrobě elektřiny se začalo používat v 19. století a 30 letech 20 století začaly vznikat vodní elektrárny velkých výkonů a spádů. Vodní elektrárny co do požadované plochy pro svou funkci jsou jedny z nejnáročnějších typů elektráren. Nejvýkonnější vodní elektrárna v ČR má výkon 650 MW. Jedná se o přečerpávací vodní elektrárnu Dlouhé stráně v Jeseníkách [23]. V ČR se vodní elektrárny, používají především ke krytí špiček spotřeby elektřiny. Je tedy využita jejich okamžitá možnost náběhu, podobně jako u plynových turbín [24]. Vodní elektrárny využívají rozdílu potenciální energie mezi hladinou horní nádrže a spodní nádrže (odtok). U dna nádrže vodní sloupec vyvolává vysoký tlak. V rozvodových ústrojích a kanálech turbíny se tato tlaková energie transformuje podle Bernoulliho rovnice na energii kinetickou (proud vody). Vzniklá kinetická energie proudu se v turbíně přeměňuje na energii mechanickou v podobě otáčejícího se hřídele turbíny.
Obr. 17 Přibližný výkon vodní elektrárny. η [-] účinnost turbosoustrojí, V [m3/s] průtok, h [m] spád, ρ [kg/m3] hustota vody, g [m/s2] gravitační zrychlení, T umístění turbíny. Výroba elektřiny pomocí vodních elektráren je jedna z nejčistších vzhledem k produkci škodlivých látek do okolí (spaliny, záření, odpad...). Za negativní lze považovat vliv na vodní režim řeky, na které jsou postaveny, uvolňování metanu ze dna nádrží, který se uvolňuje v důsledku hnilobných procesů.
Vodní pára Vodní pára (dále jen pára) je v energetice nejrozšířenější pracovní médium. Pára se pro parní motory (parní turbína, Pístový parní motor [8]...) vyrábí v parním kotli. Odtud je potrubím přiváděna k příslušnému parnímu motoru. Její expanzí v parním motoru se koná mechanická práce, která je z motoru odváděna otáčející se hřídelí. Pára je z motoru nejčastěji odváděna do kondenzátoru. Poté se turbočerpadlem přivádí do parního kotle a celý oběh se opakuje. Takový oběh se nazývá parním oběhem nebo také Rankine–Clausiův [9]. Za první plnohodnotný parní stroj lze považovat parní turbočerpadlo Thomase Saveryho. Thomas Savery si patentoval v roce 1698 stroj s názvem "Stroj k čerpání vody ohněm". Takový stroj se dnes nikde nepoužívá a parním turbočerpadlem je obvykle myšleno turbočerpadlo poháněné pístovým parní motorem. Jedná se o typ turbočerpadla, který neobsahuje pohyblivé díly (kromě přepouštěcích kohoutů). Voda je čerpána střídavě atmosférickým tlakem a párou:
Obr. 18. Bezpístové parní turbočerpadlo. Hlavní částí Saveryho turbočerpadla byla tlaková nádoba, která měla nahoře přívod páry z kotle a dole sací a výtlačné potrubí. Zařízení fungovalo tak, že přívodním potrubím se do
nádoby přivedla pára a pak se přívod uzavřel kohoutem 1. Následně se na tuto kovovou nádobu pustila studená vodní sprcha otevřením kohoutu 4, čímž pára uvnitř kondenzovala. Kondenzací páry se velmi snížil tlak páry (téměř do vakua podle teploty a množství chladící vody). Pak se otevřel sací kohout 2 a do nádoby se sacím potrubím nasála voda. Sací kohout se uzavřel a otevřel ventil ve výtlačném potrubí 3. Poté se do nádoby pustila pára otevřením kohoutu 1, která vodu vytlačila do výtlačného potrubí. Pak se celý cyklus opakoval. Pro čerpací výšku menší než cca 8 m postačil tlak páry atmosférický. V roce 1705 Angličané T. Savary a Thomas Newcomen poprvé představili parní motor schopný konat mechanickou práci. Jednalo se o atmosférický parní motor, který rozvinuli z myšlenky Saveryho turbočerpadla. U tohoto typu parního motoru koná práci atmosférický tlak působící na plochu pístu v okamžiku, kdy pod pístem kondenzuje pára a využívá tak vznikající podtlak vyvolaný zmenšováním objemu kondenzující páry. U prvních motorů způsobovalo kondenzaci páry odvod tepla pomocí chladící vody proudící kolem válce, ovšem za několik let tento sytém kondenzace Newcomen zdokonalil (urychlil) a studenou vodu přímo vstřikoval do válce motoru:
Obr. 19. Atmosférický parní stroj angličanů T. Newcomen a T. Savary. 1, 2, 3 ventily, které jsou střídavě otvírány a zavírány. pat [Pa] tlak atmosférický (tlak okolních vzduchu), p [Pa] tlak páry ve válci, A [m2] plocha pístu, Fat [N] síla působící na píst od rozdílu mezi atmosférickým tlakem a tlakem páry ve válci, m [kg] hmotnost závaží, g [m·s-2] gravitační zrychlení, Fg [N] síla, kterou působí závaží. Dobová kresba vlevo [12]. Ke konci 18. století James Watt Newcomenův parní motor podstatně zdokonalil. Válec již nebyl nad kotlem, ale mimo kotel. Zjistil také, že vstříknutím studené vody do válce ochladí nejen páru ale i válec, což způsobí, že na jeho ochlazených stěnách v dalším cyklu zbytečně kondenzuje čerstvě vstříknutá pára. Jeho úsilí tento problém vyřešit vedlo k vynálezu kondenzátoru. Kondenzátor byl umístěn zcela mimo válec. Dalším jeho velkým vylepšením bylo zavedení přivádění páry i pod píst, čímž parní motor velice zefektivnil a vznikl dvojčinný parní motor. Poprvé také tímto zlepšením byl zvýšen tlak na 1,5 at, tedy
vyšší než je atmosférický tlak. Tento tlak zvýšil pomocí dalšího pístu, který vháněl vodu do kotle–napájecí turbočerpadlo kotle. Také zmechanizoval regulaci výkonu tzv. odstředivým regulátorem dnes známý jako Wattův regulátor. Watt mimo jiné vynalezl planetovou předovku pomocí, které převáděl posuvný přímočarý pohyb pístu na pohyb rotační. Kliková hřídel byla již tehdy sice známa, ale patentovaná Nicolasem Cugnotem a proto ji Watt nemohl použít:
Obr. 20 Dvojčinný parní stroj Jamesa Watta. vlevo verze z roku 1774–samočinným ovládání uzávěrů odvodu páry, kondenzátor a vývěva, vpravo verze z roku 1781–Watt přidává samočinný regulátor (odstředivý regulátor) otáček. Obrázky [2]. Parní stroj byl ještě na začátku 20. století nejvíce využívaný stacionární motor. Ale postupně byl zcela nahrazen parními turbínami. Dnes se k němu, některé firmy vrací kvůli jeho výhodám při malých výkonech (cca pod 100 kW) oproti turbínám (vyšší termodynamická účinnost). Nejprve v roce 1882 Gustaf Laval sestrojil rovnotlakou turbínu:
Obr. 21 Schématické znázornění rovnotlaké (Lavalovy) vysokootáčkové turbíny s konvergentně-divergentní dýzami s nadzvukovou rychlostí výstupního proudu páry. U této turbíny probíhá nejdříve expanze páry z vysokého tlaku ve statoru (v tomto případě se jedná o čtyři dýzy [25]). Po expanzi má pára vysokou rychlost a prouděním v kanálech rotoru ho roztáčí (kanály jsou tvořeny lopatkami [24]). Když v roce 1888 Gustav Laval představil světu svou turbínu dosahovala díky divergentní části vstupních dýzy neuvěřitelných 30 000 ot. za minutu*. Autor obrázku pravděpodobně Charles A. Parsons [13]. *Poznámka Turbíny se začaly nejdříve prosazovat díky svým vyšším otáčkám oproti parním strojům (<1000 ot/min). Až později s nástupem přetlakových turbín začaly překonávat parní stroje i výkonem. V roce 1892 Brit Charles Parsons postavil přetlakovou turbínu (oproti Lavalově typu probíhala expanze páry ve statoru i v rotoru–popis rozdílu např. [26]):
Obr. 22. Turbínia 1897, Charles Parsons demonstroval na námořní přehlídce v Portsmouthu revoluční plavidlo poháněné třítělesovou parní turbínou (vysokotlaké, středotlaké a nízkotlaké) s přetlakovým lopatkováním. Každé těleso mělo svůj vlastní rotor, na němž byly tři lodní šrouby. Turbína v lodi umožňovala větší otáčky lodního šroubu a výkon. V době spuštění Turbínie se lodě pohybovaly maximální rychlostí do 27 uzlů ovšem Turbínia dosahovala rychlosti 34 uzlů. To byl také důvod rychlého zavádění turbín u vojenských plavidel. Autor fotografie: Alfred John West, River Tyne, 1897 [3]. V současnosti jsou parní turbíny nejvýkonnější zdroje mechanické práce a dosahují výkonu až 1500 MW.
Elektřina Elektřina je forma energie neomezeně transformovatelná. Lze ji beze zbytku přeměnit na teplo nebo práci a proto ji považujeme za jednu z nejušlechtilejších energií. 1800 A. Volta sestrojil první galvanický článek. 1867 Ernst Werner von Siemens zkonstruoval dynamo–poprvé bylo možno vyrobit elektřinu točivým strojem. 4. září 1882 spuštěna Edisonem první komerční elektrická síť v New Yorku.
Obr. 23. Elektrický generátor za parní stroj–začátek 20. století. Pro sítě 50 Hz se používají generátory pro 3000 ot./min (dvoupólový generátor), 1500 ot./min (čtyřpólový) případně 750 ot/min (osmipólový) u turbosoustrojí vodních elektráren i více póĺové generátory pro nižší otáčky. Foto: Tetris L. 2008 (Melle-Německo) [3]. Za první elektrárnu na území Česka je považována instalace dynama v Žižkovské plynárně v Praze za přispění Františka Křižíka v roce 1888 (spuštěna 1889). Vyrobená elektřina byla využívána k osvětlení. 7. dubna 1900 byla spuštěna první elektrárna na našem území– elektrárna Holešovice 5x800 kWe.
Obr. 24. Strojovna Budapešťské elektrárny 1895. Obrázek [14]. K přenosu elektřiny z místa výroby do místa spotřeby se využívá především střídavý proud. V raném začátku elektrifikace se využíval stejnosměrný proud prosazovaný Edisonem. Zakrátko se ale prosadil proud střídavý, kvůli tomu, že jej bylo možno distribuovat o vysokém napětí. Pro dálkový přenos elektřiny se vyplácí vysoké napětí
vzhledem k menšímu poměru ztrát k přenesenému množství elektřiny. Stejnosměrný proud bylo také možné vyrábět o vysokém napětí kvůli účinnějšímu přenosu jenže konečný spotřebič musel být také konstruovaný na vysoké napětí–v té době nebylo možné efektivně transformovat stejnosměrný proud na nižší napětí*. *Poznámka Proto se zpočátku elektrofikace používal pro přenos stejnosměrný proud o nízkém napětí, což měl za následek ztráty v přenosové soustavě až 80%. Podobně jako za oceánem, tak i u nás byly zastánci jak stejnosměrného přenosu (František Křižík) tak střídavého (Emil Kolben). V současnosti se elektřina (ve velkých elektrárnách) vyrábí v rotační generátorech v rozmezí 6,3 kV ...20 kV potom se v trafostanici zvyšuje na 400 kV k dálkovému přenosu. Ztráty v přenosu jsou až 6% (závisí na hustotě zdrojů). Přenosová soustava na našem území je velice hustá, ale i přesto se občas nějaké vedení vysokého napětí ještě staví např. kvůli nové elektrárně nebo k posílení tranzitní kapacity přes naše území.
Obr. 25. Schéma distribučních a přenosových sítí ČR 110 až 400 kV, stav k 1.1. 2007. Mapa [10] Vysoké napětí je většinou realizováno jako nadzemní zavěšené na sloupech, v některých případech je vedeno podzemím. Výhodou nadzemního vedení je, že je levnější než podzemní. Nevýhodou je narušení rázu krajiny a vodič je neustále vystaven přírodním vlivům. Především námrazy v posledních letech trápí rozvodné závody. Běžně bývá navrženo na nosnost do 3 kg/m námrazy. Ale například v zimě 2005 dosahovala námraza až 18,9 kg/m, což poškodilo zejména v Německu mnoho kilometrů vedení. Dokonce pokud nedojde k přetržení lana může dojít k deformaci sloupu. Naopak podzemní vedení je před přírodními živly obvykle dobře chráněno, ale je velice nákladné a realizuje se pouze v husté zástavbě ve městech a obvykle je ve společném tunelu s dalšími inženýrskými sítěmi. Elektrické spotřebiče (alespoň ty domácí) nejsou konstruovány na vysoké napětí (technické řešení, cena, bezpečnost). Proto je nutné v cílové oblasti vysoké napětí snížit na požadované napětí, pro případ domácností a běžné zástavby se jedná o nízké napětí 400 V s třemi vodiči.
Jaderná energetika V jaderné energetice je využíváno exotermických procesů v jádrech atomů. V energetice se využívá energie uvolňované při štěpení těžkých jader. Energetické využití energie uvolňované při slučování (syntéze, termonukleární reakce) lehkých jader je v současnosti pouze předmětem výzkumu. Uvolňování velkého množství energie při slučování lehký jader se uplatnilo v neřízené podobě u termonukleárních zbraní:
Rov. 3. Příklady jaderných reakcí, při kterých se uvolňuje energie. a štěpná reakce [27], b syntéza lehkých jader [27]. Řízená štěpná reakce probíhá v palivu umístěného v jaderném reaktoru. První štěpný reaktor byl spuštěn 2 prosince 1942 v Chicagu, projekt řídil Enrico Fermi. Reaktor měl výkon přibližně necelý kilowatt:
Obr. 26. 2 prosinec 1942 Chicago–kresba zachycuje spouštění prvního jaderného reaktoru. Autor: Gary Sheehan (1957) [3]. První komerční jaderné elektrárny se začaly uvádět do provozu v padesátých letech dvacátého století. První jaderná elektrárna spuštěná v ČSSR byly Jaslovské Bohunice v roce 1972 (Slovensko, blok A1, palivo: přírodní uran).
Obr. 27. Příklad tlakovodního reaktoru (VVER 1000). Obrázek [11]. Tepelný výkon reaktorů se pohybuje od několik kilowatttů (experimentální) přes několik desítek megawattů (lodě, ponorky) až po jednotky GW (elektrárny). Čerstvé palivo pro reaktory bývá obohacený přírodní uran, který není příliš nebezpečný (velmi nízká radioaktivita [28]). Ale při štěpení vznikají radioaktivní produkty, které palivo "znečišťují" a jeho objem dělají nebezpečným radioaktivním odpadem. Tento odpad je nutné skladovat bezpečně i po dobu několika stovek tisíc let. Proto posledním vývojovým stupněm reaktorů založených na štěpení jader jsou rychlé reaktory schopné udržovat štěpnou reakci i v použitém palivu (tento typ jaderného reaktoru je zatím v provozu v Rusku–BN 600 a Francii–Superphénix). Tímto se podstatně snižuje objem nebezpečných látek nutné k dlouhodobému uskladnění. V současnosti se také intenzivně se pracuje na vývoji termonukleárního reaktoru. V červnu 2005 podepsali zástupci Evropské unie, USA, Japonska, Číny, Ruska a Jižní Koreje smlouvu o společné spolupráci na budování jaderného reaktoru založeného na principu jaderné syntézy pod pracovním názvem ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) o výkonu 500 MW:
Obr. 28. Termonukleární reaktor typu TOKAMAK. Obrázek [15]. V ČR jsou dvě jaderné elektrárny Dukovany s výkonem 4x440 MW a Temelín 2x1000 MW. Což představuje 22% celkového instalovaného výkonu a cca 30% procent netto vyrobené elektřiny v ČR (data platná k pololetí roku 2005).
Sluneční energie Sluneční energii využívá člověk nejdéle. Je to hlavní a nezbytný zdroj energie, který se vyskytuje celoplanetárně. Vyjma jaderné, geotermální a slapové energie je to jediný zdroj energie, která je přeměňována přírodními procesy na další druhy energií, které člověk dále využívá (fosilní paliva, biomasa, vodní energie..). Energie ze slunce se na Zemi dostává ve formě elektromagnetického záření o vlnové délce odpovídající viditelnému spektru. Na hranici atmosféry Země dopadá přibližně 1350 W/m2 [29]. Sluneční energii lze pomocí technologií využívat i přímo a nespoléhat se tedy pouze na přírodní procesy (růst energetických plodin a pod.). Například ohřev vody pomocí slunečních kolektorů už není výjimkou ani v našich zeměpisných šířkách. Možnou konstrukci stroje, který by využíval přímo sluneční energii na energii mechanickou představil John Ericsson v roce 1872. Jednalo se o sluneční parabolu v jejíž ohnisku byl Stirlingův motor. Realizace se tato koncepce dočkala v roce 1901 s tím rozdílem, že Stirlingův motor byl nahrazen parogenerátorem na výrobu páry pro parní stroj. Velice rychle se rozšiřuje i výroba elektřiny pomocí fotovoltaických panelů (přímá přeměna elektromagnetického vlnění na energii elektrickou):
Obr. 29. První sluneční parobola, USA, Pasadena, Calif 1901. V ohnisku paraboly je umístě parogenerátor na výrobu páry pro parní stroj. Obrázek [16]. V současnosti přímá výroba energií ze sluneční energie netvoří podstatný podíl na celkové energetické výrobě, ale lze očekávat významný růst v této oblasti.
Na závěr Mimo uvedené zdroje energií a nástroje k jejich transformaci existuje i mnoho dalších. Například vodíková energetika, geotermální energie a pod. Pro zajištění spolehlivých dodávek energie s ohledem na hospodářské, politické a ekologické dopady není důležité nalézt jeden dominantní universální zdroj, ale hledat rovnováhu mezi využíváním jednotlivých zdrojů a technologií tzv. energetický mix. V současnosti se toto potvrzuje především z geopolitického hlediska.
