MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra technické a informační výchovy

MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra technické a informační výchovy

František Adamec

Ekologické aspekty výroby elektrické energie Diplomová práce

Brno 2009 Vedoucí práce: Ing. Gabriela Štěpánová

1

Bibliografický záznam ADAMEC František. Ekologické aspekty výroby elektrické energie. Brno: Masarykova univerzita, Pedagogická fakulta, Katedra technické a informační výchovy, 2009. 66 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Gabriela Štěpánová

Anotace Diplomová práce na téma „Ekologické aspekty výroby elektrické energie“ se zabývá charakteristikou zdrojů elektrické energie, zejména pak zdrojů obnovitelných. Práce nabízí didaktickou pomůcku ve formě prezentace s obsahem učební látky o obnovitelných zdrojích elektrické energie. Součástí je i výzkum, který se zajímá o povědomí ţáků 2. stupně základní školy vzhledem k problematice výroby elektrické energie z hlediska ekologických dopadů.

Annotation The diploma thesis “Ecological aspects of the electric energy production” is dealing with the characteristic of various sources of energy, especially renewable ones. It offers a teaching aid in the form of presentation covering the subject matter about renewable sources of energy. Important part of the thesis is also a research investigating lower-secondary students´ awareness about the ecological aspects of electric energy production.

Klíčová slova Elektrická energie, obnovitelné zdroje, základní škola, elektrárna

Keywords Electrical energy, renewable energy sources, primary school, power plant 2

Prohlášení Prohlašuji, ţe jsem diplomovou práci zpracoval samostatně a pouţil jen prameny uvedené v seznamu literatury. Souhlasím, aby práce byla uloţena na Masarykově univerzitě v Brně v knihovně Pedagogické fakulty a zpřístupněna ke studijním účelům. v Brně dne 20. dubna 2009

....................................... František Adamec 3

Poděkování Děkuji paní Ing. Gabriele Štěpánové za odborné vedení, připomínky a rady, které mi poskytla při zpracování této práce.

4

Obsah ÚVOD..................................................................................................................................... 5 1.HISTORICKÉ OKÉNKO ........................................................................... 6 2.PŘEHLED ZDROJŮ ELEKRICKÉ ENERGIE A EKOLOGICKÉ ASPEKTY ........................................................................................................................... 9 2.1 ELAKTRÁRNY NA FOSILNÍ PALIVA............................................................................ 9 2.1.1 Uhelné elektrárny ................................................................................................. 13 2.1.2 Elektrárny spalující zemní plyn a ropné deriváty……………………….. .16 2.2 JADERNÉ ELEKTRÁRNY .............................................................................. 18 2.2.1 Princip činnosti jaderných elektráren ............................................................ 22 2.2.2 Principjaderné reakce .......................................................................... 24 2.3 VODNÍ ELEKTRÁRNY .................................................................................. 27 2.3.1 Typy vodních elektráren ..................................................................................... 28 2.3.2 Typy vodníchturbín ............................................................................... 32 2.4 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY................................................................................ 34 2.5 SLUNEČNÍ ELEKTRÁRNY............................................................................. 41 2.5.1 Typy slunečních elektráren ................................................................................ 41 2.6 VODÍK JAKO PALIVO BUDOUCNOSTI ...................................................................... 51 2.6.1 Palivový článek ..................................................................................... 52 2.7 GEOTERMÁLNÍ ELEKTRÁRNY ..................................................................... 54 2.8 POTENCIÁL ČR K VÝROBĚ ELEKTRICKÉ ENERGIE Z O.Z. ................................. 57 3.VÝZKUM .................................................................................................... 59 3.1 ANALÝZA ZÝSKANÝCH POZNATKŮ ............................................................ 59 3.1.1 Oázka č.1............................................................................................... 60 3.1.2 Oázka č.2............................................................................................... 61 3.1.3 Oázka č.3............................................................................................... 62 3.1.4 Oázka č.4............................................................................................... 63 3.1.5 Oázka č.5............................................................................................... 65 3.1.6 Oázka č.6............................................................................................... 66 3.2 ZHODNOCENÍ VÝZKUMU ............................................................................ 67 3

Diplomová práce 3.3 VZOR DOTAZNÍKU ...................................................................................... 67 ZÁVĚR ................................................................................................................................ 68 POUŢITÁ LITERATURA .......................................................................................... 69 RESUMÉ ............................................................................................................................ 74 SUMMARY ....................................................................................................................... 74

4

Diplomová práce

Úvod Téma své diplomové práce Ekologické aspekty výroby elektrické energie jsem si vybral především proto, ţe jde o palčivý problém dnešního světa a který bude muset být v co nejbliţší době vyřešen. Neustále rostoucí počet obyvatel planety přináší krom jiného stále větší nároky na spotřebu elektrické energie. Tato energie je v současnosti z většiny vyráběna v zařízeních spotřebovávajících fosilní paliva, kterých uţ se pomalu začíná nedostávat. Výroba v takovýchto zařízeních nepřináší problémy jen s nedostatkem paliva, ale především s poškozováním ţivotního prostředí ať uţ vlastním provozem (exhalace, odpady) nebo velice problematickým získáváním těchto fosilních paliv. Dnes uţ je jako fakt ve světě i u nás přijímán problém tak zvaného globálního oteplování, ke kterému výrazným podílem výroba elektřiny z fosilních paliv přispívá. Úkolem dnešního světa, pokud chce být zachován, je urychleně začít hledat řešení těchto problémů. I přes to, ţe do hledání východiska se zapojuje stále více států, jsme stále na začátku. Tento problém jistě nebude vyřešen v řádu let. Dozajista je to běh na dlouhou trať a proto je třeba seznamovat se s těmito problémy od útlého věku. K podání základního přehledu těm nejmladším by měla slouţit především škola, protoţe ne v kaţdé rodině si závaţnost tohoto tématu rodiče uvědomují. Proto, by ţáci měli být během své školní docházky seznámeni s těmito problémy, protoţe pojmenování problému je prvním krokem k nalezení východiska, bez kterého to nejde.

5

Diplomová práce

1.

Historické okénko

Dnes si uţ málokdo z nás, kdo ţijeme ve vyspělém světě, dokáţe představit svůj ţivot bez kaţdodenního vyuţívání elektrické energie. Během dne pouţíváme desítky zařízení, které ke svému provozu potřebují elektrickou energii. Ráno vstaneme, rozsvítíme si ţárovku, v rychlovarné konvici ohřejeme vodu, umyjeme se v teplé vodě ohřáté v elektrickém bojleru, jedeme tramvají do práce, kde pracujeme s počítačem a tak dále aţ po okamţik, kdy si před spaním pustíme z MP3 přehrávače oblíbenou hudbu. Bez mnoha těchto zařízení si nedokáţeme svůj ţivot představit. Není tomu ale tak dávno, kdy elektrická energie byla pouze objektem zkoumání několika odborníků a obyčejný smrtelník o ní neměl ani páru. Vţdyť teprve koncem 19. století, se začíná s postupnou elektrifikací ve velkých městech. Masovější elektrifikace venkova probíhala ještě později. V našich zemích k většímu rozvoji vyuţívání elektrické energie na venkově docházelo aţ po vzniku samostatného československého státu ve dvacátých letech. S rozvojem pouţívání elektrické energie a postupující elektrifikací se samozřejmě zvyšovaly i poţadavky na zdroje. Těţko můţeme elektřinu spotřebovávat, pokud není kde brát. První zdroje jak ve městech tak později na venkově byli spíše lokálního charakteru a vyuţívali k pohonu svých generátorů ponejvíce sílu vodního proudu a nebo generátory poháněné lokomobilou. S rozvojem ale docházelo především ve městech k budování centrálních elektráren, které uţ začínali vyuţívat k výrobě elektrické energie spalování uhlí. Například praţská centrální elektrárna v Holešovicích (Obr. 1), která byla uvedena do provozu 7. dubna 1900. [Průmyslová revoluce, počátky elektrizace v Českých zemích se zaměřením na oblast královského hlavního města Prahy do roku 1918, online] 6

Diplomová práce

Obr.1. Holešovická elektrárna na počátku století

Obr.2. Turbina s generátorem ve mlýně v Českém Krumlově z roku 1930

Na venkově se elektrifikace rozbíhala spíše z lokálních ohnisek, kdy se stavěli především malé vodní elektrárny, které byli schopny zásobovat jen nejbliţší okolí. Dodnes bychom naši na mnoha starých mlýnech, hamrech a podobně, pozůstatky a 7

Diplomová práce někdy i funkční zařízení na výrobu elektrické energie pro vlastní spotřebu, nebo pro zásobování nejbliţšího okolí. (Obr. 2) Postupem doby s rozvojem technologií a průmyslu, který měl čím dále větší energetické nároky, docházelo k budování velkých tepelných elektráren a k rozvoji dálkového zásobování elektřinou i na venkově.

8

Diplomová práce

2.

Přehled zdrojů elektrické energie a ekologické

aspekty V této kapitole se seznámíme s dnes vyuţívanými zdroji elektrické energie od klasických, jako jsou vodní, tepelné či jaderné aţ po ty méně rozšířené jako například fotovoltaické nebo geotermální. V tomto přehledu si popíšeme principy činnosti těchto zařízení a z toho plynoucí problémy s ekologickými dopady jejich provozu a také se pokusíme nastínit, jak by mohl vypadat jejich vývoj do budoucna.

2.1 Elektrárny na fosilní paliva Elektrárny vyuţívající k pohonu svých generátorů zařízení spalující fosilní paliva jsou jak ve světě tak u nás jedny z nejrozšířenějších. To s sebou přináší řadu negativních vlivů. Jejich provoz se projevuje na ţivotním prostředí negativně především poškozováním krajiny těţbou v případě uhelný elektráren, kde je spalováno především méně kvalitní hnědé uhlí těţené v povrchových dolech a v případě všech typů elektráren na fosilní paliva především vypouštění toxických škodlivin do ovzduší a produkcí CO2, coţ je sám o sobě neškodný plyn běţně se vyskytující v atmosféře, ale jeho nebezpečí se ukrývá v tom, ţe jeho uvolňování do atmosféry ve stéle větším mnoţství, se výrazně podílí na vzniku skleníkového efektu, který má pravděpodobně zásadní vliv na oteplování klimatu naší planety a z toho plynoucí jak ekologické tak i geopolitické a sociální problémy. Podíváme-li se do historie, první stroje schopné měnit energii uloţenou ve fosilních palivech se začali objevovat v 18. století. Tyto zařízení byli schopny měnit energii fosilních paliv na mechanickou energii a vyuţívali se k pohonu stojů v manufakturách, dolech atp. Později s rozvojem poznávání v oblasti elektřiny a 9

Diplomová práce magnetismu v 19. Století se samozřejmě začali vyuţívat i k pohonu generátorů elektrické energie. První, instalovaný, historicky doloţený, parní stroj byl v Čechách vyuţíván od roku 1823 v přádelně J.Kittla v Markvarticích [LIBRA, 2007, str.24].

Protoţe první parní stroje měli jen mizivou účinnost asi kolem 3%, byla tato zařízení i přes postupná vylepšení nahrazena na počátku 20. Století prvními parními turbínami, které mají mnohem vyšší účinnost a umoţňují tedy získat mnohem více energie v poměru ke spotřebě paliva. Tyto turbíny jsou dnes základním prvkem elektráren jak na fosilní paliva, tak i elektráren jaderných. Nyní se pokusme stručně podívat na jednotlivé druhy fosilních paliv, které se vyuţívají k výrobě elektrické energie. Fosilní paliva můţeme rozdělit na pevná, kapalná a plynná. Mezi pevná řadíme především uhlí a také rašelinu. Mezi plynné patří zemní plyn a ke kapalným řadíme ropu a její deriváty. Fosilní paliva vznikla v přírodě v zelených rostlinách z oxidu uhličitého a vody s přispěním slunečního záření.

Z organických látek biomasy se tedy za

příznivých podmínek, kdy se biomasa dostala geologickými pochody do zemských hloubek, kde byla bez přístupu vzduchu vystavena obrovským tlakům a teplotám, vytvořila během miliónů let fosilní paliva. Energie slunce tedy byla jako v obrovské konzervě po několikeré přeměně akumulována aţ do dnešních dnů. Otevření této obří konzervy dnes pravděpodobně způsobuje řadu změn v přírodních procesech Země a má za následek mnoho globálních ekologických problémů. Ale o tom ještě níţe.

10

Diplomová práce Fosilní paliva UHLÍ: Je pevná látka. Podle kvality ho můţeme rozdělit na uhlí hnědé, černé, antracit a lignit. Typické sloţení černého a hnědého uhlí ukazuje obrázek.(Obr. 3)

Obr. 3. Typické sloţení hnědého a černého uhlí

Největší zásoby uhlí jsou dnes v Severní Americe, Evropě, Rusku, Číně, indii, JAR a Austrálii. Uhlí je z fosilních paliv největší mnoţství. V roce 2006 celosvětově uhlí pokrývalo 23% primární spotřeby energie a 39% výroby energie elektrické. V České republice je uloţeno aţ 3791 miliónů tun hnědého uhlí a 2359 miliónů tun uhlí černého. Nejmenší zásoby uhlí v Evropě mají Francie, Švédsko a Belgie a to je také důvodem proč se jejich energetika orientuje především na jadernou energetiku.

11

Diplomová práce ROPA: Ropa je černá aţ ţlutá kapalina s hmotnostním obsahem uhlíku 8085%, vodíku 10-15% a se stopami síry, kyslíku apod. Jedná se sloţitou směs uhlovodíků. Největší zásoby ropy jsou na středním východě, v Americe, v Rusku, v Severním moři. Asie je dosud územím málo prozkoumaným. V České Republice se nacházejí malé zásoby na Jiţní Moravě, ale ty rozhodně nejsou schopny pokrýt celkovou spotřebu v ČR a proto k nám musí být ropa dováţena. Hlavní oblasti těţby ropy ukazuje obrázek níţe.(Obr. 4) Surová ropa je v rafinériích zpracovávána na své deriváty a ty se pak teprve vyuţívají jako palivo.

Obr. 4. Hlavní oblasti těţby ropy a zemního plynu ve světě

ZEMNÍ

PLYN:

Zemní plyn je obsaţen všude v zemi, vzniká hnilobnými

procesy. Ve vyuţitelném mnoţství pro těţbu bývá obvykle stlačen nad loţisky ropy. V hloubkách 200- 3000 metrů bývá pod tlakem 3-5 MPa, v hloubkách do 12

Diplomová práce 8000 metrů pod tlakem aţ 50 MPa. Zemní plyn se podle kvality svého sloţení dělí do několika kategorií. Suchý- obsahuje téměř pouze metan (95-98%) a malé mnoţství vyšších uhlovodíků. Vlhký- obsahuje kromě metanu větší mnoţství vyšších uhlovodíků. Kyselý- má vyšší obsah sirovodíků H2S, který se však na místě těţby musí odstranit. S vyšším obsahem meritů- má vyšší obsah dusíku a oxidu uhličitého, coţ způsobuje, ţe takovýto plyn má niţší výhřevnost. Elektrárny na fosilní paliva můţeme rozdělit do několika typů podle druhu paliva, které se v nich k výrobě elektrické energie vyuţívá. Jednotlivé typy se pokusíme popsat v následujících podkapitolách.

2.1.1

Uhelné elektrárny

Tento typ elektráren na fosilní paliva je jak u nás tak celosvětově nejrozšířenějším typem. Ke svému provozu vyuţívají jako palivo především méně kvalitní hnědé uhlí.Palivo je třeba před pouţitím nejdříve upravit, aby bylo moţno vyuţít co nejvíce z jeho energie. Proto se uhlí nejprve drtí a suší. Do práškových kotlů se poté vhání uhelný prach spolu s primárním vzduchem. Do roštových kotlů se uhlí sype na rošty. Spalováním uhlí se uvolňuje tepelná energie, kterou pak lze přeměnit na jinou, zde elektrickou. Práškové kotle jsou efektivnější. Zde se primární vzduch vhání turbodmychadlem do kotle pod tlakem do kotle, aby bylo více kyslíku pro rychlé spalování a uhelný prach se výří do celého objemu spalovacího prostoru. Sekundární vzduch podporuje hoření. Na rychlosti spalování závisí výkon kotle. Přiváděný vzduch se ohřívá odváděnými spalinami, aby 13

Diplomová práce zbytečně neochlazoval ohniště. Moderní kotle obsahují řadu speciálních čidel a celý proces spalování je řízen počítačem. Optimalizuje se tlak, mnoţství i směr přívodu vzduchu a paliva. Vzniklá pára se ještě přihřívá teplem odcházejících spalin. Pára je vedena na parní turbínu, se kterou je spojen generátor elektrické energie, která se přes trafostanice a rozvodny vede do rozvodné elektrické sítě. Pro efektivnější vyuţití páry se turbíny se stavují do stupňů. Obvykle se jedná o dva aţ tři stupně. U typické turbíny se pára přivádí doprostřed na vysokotlaký stupeň. Jak pára expanduje a sniţuje se její tlak, jde na další stupně s niţším tlakem. Obousměrná konstrukce zajišťuje kompenzaci síly ve směru rotace a sniţuje namáhání loţisek. Pára, která předala svou energii v turbíně je vedena do kondenzátoru, kde se

Obr.5. Schéma uhelné elektrárny

ochlazuje a vzniklá voda se ţene zpět do kotle. Tato voda je opět před vstupem do kotle předehřívána odcházejícími spalinami. V chladícím okruhu se voda z kondenzátoru vede do chladící věţe, kde se systémem sprch rozstřikuje a stéká do 14

Diplomová práce sběrného bazénu. Při tomto procesu se část vody nutně odpaří a musí být doplněna. Proto se všechny elektrárny s tímto systémem, tedy jak na fosilní paliva, tak jaderné staví v blízkosti vodních zdrojů. Schéma uhelné elektrárny je na obrázku výše. (Obr. 5) Hlavní problém těchto elektráren, co se ekologie týče, je ve spalinách. Nejde jen o emise CO2 , ale v neposlední řadě o pevné částice a další toxické látky. Spaliny jsou tedy v dnešních moderních zařízeních cestou z kotle do ovzduší v několika stupních čištěny. Spaliny se zbavují především popílku a oxidů síry. Popílek je odlučován ve dvou stupních První stupeň pracuje na principu cyklony a druhý na elektrostatickém zachytávání pevných částic. Odlučovač popílku je na obrázku níţe. (Obr. 6) Technologie odsíření je poněkud sloţitější. Existují dva přístupy. Jeden vede ke vzniku kyseliny sýrové a není příliš rozšířen. Při druhém způsobu odloučení síry je konečným

produktem

sádrovec.

V některých

elektrárnách, kde se spaluje uhlí s vyšším obsahem síry, se

pouţívá

spalování.

fluidní Fluidní

spalování spočívá v tom, ţe Obr.6. Elektrostatický odlučovač popílku

spolu s palivem se do kotle přidávají další příměsi jako

například CaO, CaCO3, MgO nebo MgCO3. Díky tomu vzniká v kotli fluidní vrstva roztavených vařících se, na které se síra ihned váţe a uniká jí jen asi 3-5%. Tento způsob spalování má také výhodu v tom, ţe oxidů dusíku uniká méně aţ o 75%. Účinnost těchto kotlů je aţ 95%. U nás jsou tyto kotle instalovány v elektrárnách

15

Diplomová práce Tisová, Poříčí, Hodonín, Ledvice. [LIBRA, 2007, str.37]. Dnešní moderní tepelné elektrárny obvykle pracují na principu kombinace paroplynové a plynové turbíny.

Obr.7. Schéma paroplynové elektrárny s fluidním spalováním

Plynová turbína v tomto případě vyuţívá energii odcházejících spalin a kromě generátoru elektrické energie pohání i kompresory přivádějící vzduch ke kotli. Na obrázku výše. (Obr. 7)

2.1.2

Elektrárny spalující zemní plyn a ropné deriváty

V zemích, které mají dostatečné zásoby ropy nebo zemního plynu se k výrobě elektrické energie vyuţívají tepelné elektrárny spalující kapalná nebo plynná paliva. V podstatě jde o podobný princip jako u výše popsaných tepelných elektráren, ale s tím rozdílem ţe kombinace paroplynové a plynové turbíny je opačná. Spaliny 16

Diplomová práce vzniklé hořením s teplotou 800-1200˚C se nejprve vedou do plynové turbíny a poté kdy jejich teplota klesne na 400-500˚C se vyuţívají pro generaci páry v druhém paroplynovém cyklu. Na závěr této podkapitoly je třeba uvést, ţe uhelná elektrárna o výkonu 1000MW zamoří atmosféru asi 1010Kg CO2 ročně a navíc dalšími plyny jako jsou SO2 nebo oxidy dusíku. [Kolektiv autorů, 1994, str.45] Do ovzduší se také, i přes veškeré vybavení kvalitními odlučovači a odsířením, dostává popílek, který je často mírně radioaktivní. Z těchto důvodů jsou elektrárny na fosilní paliva a především uhelné elektrárny ve vyspělém světě spíše na ústupu. Jinak je tomu ovšem ve státech jako je Indie nebo Čína, které zaţívají v současnosti velký průmyslový rozvoj a díky značným vlastním zásobám uhlí je pro ně výroba elektrické energie v tepelných elektrárnách z ekonomického hlediska velice výhodná. Pokud se ale na tento trend podíváme z hlediska ekologie, je to nebezpečné hazardování s osudem naší planety. Situace uhelných elektráren se má v České Republice tak, ţe společnost ČEZ zahájila v roce 2005 projekt na přebudování některých elektráren na modernější technologie a u dalších plánuje postupné uzavírání provozů, hlavně díky nedostatku uhlí. V letech 2035-2050 postupně v závislosti na vyčerpání vhodných zásob uhlí dojde výraznému utlumení provozu tepelných elektráren v ČR. V nejbliţší době hodlá ČEZ na přelomu let 2015 a 2016 zcela ukončit provoz Elektrárny Prunéřov I. Tato elektrárna by po roce 2015 bez zásadní rekonstrukce nevyhověla zpřísněným ekologickým parametrům podle nové legislativy. Navíc by pro ni na Dole Libouš, na potřebnou dobu provozu, nebyl dostatek uhlí. Dalším zařízením, které definitivně mezi léty 2015 a 2020 zastaví provoz (také především z důvodu nedostatku uhlí), je Elektrárna Mělník III. Podobný osud postihne i Elektrárnu

17

Diplomová práce Chvaletice, jejíţ ţivotnost je plánována jen do roku 2020. Tím pádem dnes vyvstává zásadní otázka jak tyto zdroje nahradit. Cesty je moţno hledat jak ve výstavbě nových bloků jaderných elektráren, tak v dalším rozvoji vyuţívání alternativních zdrojů elektrické energie, tak také v úsporách. Ve výsledku bude asi řešení kombinací všech tří výše zmíněných přístupů, protoţe k masivnímu nasazení větrných a fotovoltaických nebo geotermálních zdrojů u nás nejsou vhodné podmínky. Značně větší šanci na uplatnění má, ale nepochybně cesta úspor a hlavní tíha na zajištění dostatku elektrické energie u nás přejde na energetiku jadernou, o které se zmíníme v následující kapitole.

2.2

Jaderné elektrárny

První pokusný štěpný jaderný reaktor byl spuštěn ve Spojených Státech Amerických v roce 1942. Tento reaktor však slouţil pouze jako zdroj neutronů k vědeckým účelům. První reaktor, který se pouţíval ve výrobě elektřiny byl reaktor ACRO spuštěný v roce 1952 v USA. Slouţil však zatím pouze jako testovací zařízení. První elektrickou energii dodanou do veřejné sítě vyrobil jaderný reaktor v SSSR v Obinsku u Moskvy v červnu 1954. [LIBRA,2007, str.103]. V šedesátých letech se začala jaderná energetika postupně rozšiřovat a vyvíjely se různé typy jaderných reaktorů. Některé typy například pouţívali jako palivo koule namísto dnes běţných tyčí a jeden typ byl dokonce chlazen roztaveným sodíkem místo dnes obvyklou vodou. Nejvíce jaderných elektráren bylo postaveno ve Francii, kde jich bylo v roce 2005 v provozu na 50. V průběhu vývoje se jako nejlepší ukázali vysokotlaké reaktory chlazené vodou typu WWER. Problémem k většímu vyuţívání jaderné energetiky je dnes politizace tohoto problému a díky tomu odmítavý postoj části veřejnosti. V České Republice je situace taková, ţe

18

Diplomová práce pokud se nevybudují další kapacity na výrobu elektrické energie, bude třeba dováţet tuto komoditu ze zahraničí. Jako nejperspektivnější se vzhledem k podmínkám jeví vybudování dalších jaderných bloků. Jistá část veřejnosti to ale odmítá a poukazuje na nebezpečnost jaderné energetiky s odkazy na havárii v Černobylu atp. Mezinárodní stupnice pro hodnocení událostí v jaderných elektrárnách má 7 stupňů.

0-

UDÁLOST BEZ VÝZNAMU PRO BEZPEČNOST (běţné provozní

poruchy, bezpečně zvládnuté)

1-

ODCHYLKA

OD

NORMÁLNÍHO

PROVOZU

(poruchy

nepředstavující riziko, ale odhalující nedostatky bezpečnostních opatření)

2-

PORUCHA

(technické

poruchy,

které

neovlivní

bezpečnost

elektrárny přímo, ale mohou vést k přehodnocení bezpečnostních opatření)

3-

VÁŢNÁ PORUCHA (ozáření personálu nad normu, případný menší

únik radioaktivity do okolí)

4-

HAVÁRIE S ÚČINKY V JADERNÉM ZAŘÍZENÍ (částečné

poškození aktivní zóny, ozáření personálu, ozáření okolních obyvatel na hranici bezpečnostního limitu)

5-

HAVÁRIE S ÚČINKY NA OKOLÍ (váţnější poškození aktivní

zóny, únik 100-1000 TBq biologicky významných radioizotopů, nutnost evakuace okolí)

6-

ZÁVAŢNÁ HAVÁRIE (velký únik radioaktivních látek mimo

objekt, nutnost vyuţít havarijních plánů k ochraně okolí) 19

Diplomová práce

7-

VELKÁ HAVÁRIE (značný únik radioaktivních látek na velké

území, okamţité zdravotní následky, dlouhodobé ohroţení ţivotního prostředí) Za dobu provozu jaderných zařízení jsou známi pouze dva případy havárií vyššího stupně a to v roce 1979 havárie na elektrárně Three Mile Island v USA na stupni 5 a havárie v Černobylské jaderné elektrárně v roce 1986 kdy došlo k havárii stupně 7. SOUČASNOST A BUDOUCNOST JADERNÉ ENERGETIKY Můţeme předpokládat, ţe jaderná energetika bude mít v budoucnu stále rostoucí podíl n výrobě elektrické energie a bude jedním z hlavních zdrojů pro celé 21. Století. Nové rozvíjející se technologie dávají velkou naději do budoucna. Nové technologie dokáţou odstranit z odpadu nejdéle aktivní radioizotopy a díky tomu zjednoduší a zlevní úloţiště.

Moderní rychlé reaktory zvednou efektivnost

vyuţívání jaderného paliva, která dnes tvoří jen asi 4%. Pokusně uţ pracují reaktory s urychlovačem svazku neutronů, které mnohonásobně zvyšují vyuţitelnost jaderného paliva. Vyuţívání těchto reaktorů také znamená, ţe dnešní vyhořelé palivo v meziskladech není odpad, ale surovina a to velice cenná, k dalšímu vyuţití. Jak bude docházet k čerpání zásob přírodního uranu bude se zvyšovat jeho cena a to povede k hledání dalších levnějších zdrojů a to povede ke zlevňování těchto modernějších, ale také nákladnějších technologií.

Jak ze současných trendů

vyplývá, má před sebou jaderná energetika ještě velkou budoucnost. Nové jaderné programy připravují USA, Kanada, Japonsko, 4ína Korea, v Evropě Ukrajina, Rusko, Finsko, Polsko, Rumunsko, Finsko, Polsko a i Česká Republika. [LIBRA,2007, str.105].

20

Diplomová práce ARGUMENTY PRO A PROTI JADERNÉ ENERGETICE -Vysoká cena a dlouhá výstavba – Jaderná elektrárna je investičně náročnější, ale následně má levnější provoz. Dlouhá výstavba Jaderné elektrárny Temelín, kterou u nás mnozí argumentují, byla způsobena spíše politickými tahanicemi o její dokončení atd. - Obavy ze šíření jaderných zbraní - Vývoj jadrných zbraní obvykle jde mimo vývoj v jaderné energetice a současné reaktory nejsou k výrobě takovýchto zbraní vhodné. Dohoda o nešíření jaderných zbraní uţ sdruţuje na 185 států. - Dlouhodobě radioaktivní odpady – Blok jaderné elektrárny o výkonu 1000MW neemituje ţádné exhalace, produkuje pouze 35 tun radioaktivního odpadu, který obsahuje pouze asi 3% radioizotopů. Po přepracování jsou to asi 3m3, které lze bezpečně uloţit, nehledě na to, ţe s postupující technologií se bude dát i tento odpad vyuţít jako palivo v moderních zařízeních. Naproti tomu stejný blok severočeské uhelné elektrárny na hnědé uhlí spotřebuje ročně asi 5x106 tun uhlí, které je těţeno v povrchových dolech z čehoţ plyne další obrovská ekologická zátěţ. Déle se v takové tepelné elektrárně spotřebuje na 4,4x105 tun vápence, který je třeba také někde získat. Navíc takovýto blok uhelné elektrárny ročně vyprodukuje na 7700 tun SO2, 4000 tun těţkých kovů, 6,5x106 tun CO2 a do prostředí se dostává také 4-9g uranu s kaţdou tunou spáleného uhlí. (LIBRA,2007, str.106).

-Bezpečnost – Je třeba se poučit z havárií, ke kterým došlo. V Černobylu to byla chyba obsluhy, která během experimentů vyřadila z provozu jištění. Navíc šlo o zastaralý typ reaktoru, který by jinde uţ vůbec nebyl schválen do provozu. Navíc

21

Diplomová práce nedošlo k jadernému výbuchu, ale k přehřátí reaktoru coţ způsobilo roztrţení takové nádoby reaktoru a vyvrţení obsahu ven.

2.2.1

Princip činnosti jaderných elektráren

Princip činnosti jaderných elektráren je analogický s principem činnosti elektráren na fosilní paliva popsaných v předchozích kapitolách. Je zde ale jeden podstatný rozdíl a to ten, ţe v primárním okruhu se energie k pohonu generátorů elektrické energie nezískává spalováním, ale získáváme jí díky uvolňování energie při štěpení těţkých jader v jaderném reaktoru. Voda, která protéká přímo jaderným reaktorem, odvádí vzniklou tepelnou energii do tepelného výměníku. Tato voda primárního okruhu je radioaktivní a je tedy v uzavřeném okruhu pod vysokým tlakem, který zajišťuje, aby nevařila ani při teplotách kolem 300˚C. V tepelném

Obr.8. Schéma jaderné elektrárny Dukovany 22

Diplomová práce výměníku, tak zvaném parogenerátoru, předává tato primární voda teplo vodě v sekundárním okruhu tak, aniţ by se s ní mísila. V sekundárním okruhu jaderné elektrárny se tvoří pára o teplotě asi 300˚C, coţ je hodnota asi poloviční neţ u tepelných elektráren. Dále je sekundární okruh jaderné elektrárny shodný jako u elektráren uhelných. Pára jde na turbínu, která pohání generátor elektrické energie. Pára po té kondenzuje v kondenzátoru a vrací se zpět do parogenerátoru. V okruhu primárním a sekundárním se pouţívá destilovaná voda, aby nedocházelo k usazování nečisto z vody v potrubí. Kondenzátor je tedy nutné také chladit a to zajišťuje terciální okruh. V terciálním okruhu je koloběh vody následující, v kondenzátoru terciální voda přejme teplo vody sekundární a pak je vedena do chladící věţe, kde se rozstřikováním a vypařováním ochladí. Protoţe se část terciální vody odpaří do ovzduší, je třeba ji stále doplňovat, a proto se také jaderné elektrárny budují v blízkosti vodních zdrojů. Schéma jaderné elektrárny je na obrázku č. 8.(Obr. 8) Některé typy jaderných reaktorů pracují s chlazením na bázi tekutého sodíku.(Obr. 9)

Obr. 9. Schéma rychlého reaktoru se sodíkovým chlazením

23

Diplomová práce

2.2.2

Princip jadrné reakce

STAVBA

ATOMU:

atomy byly dlouho povaţovány za nedělitelné. Postupem

času se zjistilo, ţe mají jádro sloţené z protonů a neutronů a elektrovaný obal. Jaderná fyzika se zabývá ději na úrovni atomových jader. Protony mají jeden kladný elementární náboj, elektrony mají jeden záporný elementární náboj, neutrony jsou bez elektronického náboje. Počet protonů v jádře značíme Z a jednoznačně určuje u jaký chemický prvek se jedná. Počet neutronů v jádře značíme N, můţe se lišit u jednotlivých atomů, pak se jedná o různé izotopy téhoţ prvku. Součet protonů a neutronů značíme A a nazýváme ho hmotnostní či nukleové číslo. Schematicky značíme jádro prvku AZX. Počet elektronů v obalu je u elektricky neutrálního atomu roven počtu protonů v jádře. Průměry atomů jsou řádově někde kolem 10-10m, ale rozměry jádra jsou ještě mnohem menší. Stavbu atomu naznačuje obrázek č. 10. (Obr.10)

Obr.10. Rutherfordův model atomu

24

Diplomová práce PRINCIP ŠTĚPNÉ REKCE: První řízená řetězová štěpná reakce uranu se uskutečnila pod chicagským univerzitním stadionem Stagg Field 2. prosince 1942. V čtyřmetrové hromadě grafitu s uranem ji nastartoval Enrico Fermi. Štěpení jádra: (Obr. 11) Impulsem pro štěpní jádra atomu je interakce jádra s neutronem. Neutron nenese elektrický náboj a nemusí tedy překonávat bariéru elektrických sil. Štěpící se jádro se deformuje, protahuje, aţ odpudivé elektrické síly převáţí a kladná dceřiná jádra se od sebe rozletí (rychlostí asi 10 000 km/s). Tato jádra o obrovské kinetické energii se sráţejí s dalšími atomy, odebírají jim elektrony a tvoří si z nich nové elektronové obaly. Postupně se uklidňují a jejich kinetická energie přechází aţ na energii kmitů atomů a molekul. Tedy do formy tepelné energie, kterou lze vyuţít v jaderné elektrárně. Při štěpení jádra uranu, které se stalo základem jaderné energetiky, se vţdy uvolní i dva aţ tři neutrony; ty pak mohou narazit do dalších jader uranu a vyvolat další štěpení. Vzniká řetězová štěpná reakce jádra, kterou můţe obsluha elektrárny řídit zachycením přebytečných neutronů.3

Obr.11. Štěpná reakce

25

Diplomová práce Efektivita jaderného štěpení a palivo: Zatímco při klasickém hoření získáváme z hmoty jen zcela nepatrný zlomek v ní skryté energie, při jaderném štěpení je to aţ desetina procenta klidové energie štěpeného jádra. Po technickém zvládnutí jaderné fúze (opak technologie štěpení), bylo by moţné z klidové energie slučovaných částic získat téměř jedno procento energie. Palivem jaderných elektráren v České republice je oxid uraničitý UO2 s uranem mírně obohaceným o štěpitelný izotop 235 (na 2-4 % celkového mnoţství uranu; v přírodním uranu je jen asi 0,7 % izotopu 235). Podkritický stav: V podkritickém stavu je hustota látky absorbující neutrony tak vysoká, ţe neutrony vznikající při štěpné reakci jsou plně pohlcovány a nemohou vyvolávat štěpení dalších jader. Reakce zaniká. V praxi k tomuto stavu dochází, chceme-li sníţit výkon reaktoru nebo ho odstavit zavedením regulačních a havarijních tyčí s absorbérem do aktivní zóny reaktoru. Kritický stav: Nastane-li kritický stav, je hustota absorbéru a paliva taková, ţe ze dvou aţ tří neutronů vzniklých při štěpení paliva vţdy jen jeden vyvolá další štěpnou reakci. Tomuto stavu odpovídá běţný provoz reaktoru při stálém výkonu. Nadkritický stav: Dojde-li k nadkritickému stavu, štěpná reakce roste, protoţe roste i počet neutronů štěpících jádra. Takový stav je nutný pro zvýšení výkonu reaktoru.

26

Diplomová práce

2.3

Vodní elektrárny

Vodní elektrárny patří k obnovitelným zdrojům energie. Vodní kola se pouţívala uţ od starověku. Voda původně poháněla mlýny s kolem s vertikální osou přímo spojeným s mlýnským kamenem. Takové mlýny byly velice jednoduché zato však málo účinné. Později přišla kola s horizontální osou spojená přes převody s mlýnským kolem. V našich zemích se první zmínky o vodním kole datují do roku 718. První hodnověrně doloţené prameny ale o vodním kole mluví aţ v roce 1125 v Úněticích. Koncem 14. století měla většina měst své vodní mlýny. Účinnost vodních kol se pohybuje v rozmezí 20-65%, niţší je u kol se spodním náhonem, vyšší pak u kol s náhonem horním. Dnes

vyuţívané

turbíny

byly

vyvinuty

postupným

stále

větším

zdokonalováním vodních kol. Dnes mají účinnost kolem 90%. Konstrukčních typů turbín je známa celá řada. Dnes se však nejčastěji pouţívají tři základní typy. Peltonova turbína je vhodná tam, kde je velký rozdíl hladin a malý průtok. Voda zde pod tlakem stříká tryskou na lopatky turbíny a tím jí roztáčí. Francisova turbína je vhodná do míst, kde lze zajistit konstantní rozdíl hladin i průtok na který je turbína konstruována. Kaplanova turbína má zásadní výhodu v tom, ţe lze nastavovat polohu lopatek turbíny a proto je hojně vyuţívána tam, kde nelze zajistit konstantní průtok a rozdíl hladin. V České Republice jsou tyto turbíny nejrozšířenější. První elektrárna na Niagaře z konce 19. století, s tehdy nevětšími turbínami dodávala výkon 15000 koňských sil, jež se ve tvaru elektrické energie do kraje dodávají. Vodními koly pohánějí se dynamoelektrické motory soustavy Ferraintiovy a elektrický proud, jimi vyrobený, odvádí se hlavně do města Buffala, položeného 27

Diplomová práce 30km nad vodopádem, kdežto se ho užije na osvětlení města, na pohánění továren a za sílu pro dílny a domácnost. [KUNZ, 1889, str.89 ]

2.3.1

Typy vodních elektráren

Vodní elektrárny jako celek můţeme rozdělit na tři základní typy. Elektrárny klasické přehradní dále přečerpávací a slapové neboli přílivové. PŘEHRADNÍ

ELEKTRÁRNY:

Klasické přehradní vodní elektrárny můţeme dále

rozdělit na malé a velké. Malou vodní elektrárnou se u nás rozumí zařízení s výkonem do 10 MW. Takováto zařízení byla v minulosti hojně budována. Můţeme říci, ţe na kaţdém druhém jezu nebo mlýně. Během doby ale mnoho z těchto zařízení zaniklo. Na mnoha místech se opět, vzhledem k výhodným podmínkám pro výkup elektřiny z těchto ekologicky šetrných zařízení, začínají obnovovat. Velké vodní elektrárny jsou u nás především na přehradních nádrţích. Největší průtočnou elektrárnou u nás je hydroelektrárna na přehradní nádrţi Orlík s maximálním výkonem 364 MW. Obrázek na následující straně ukazuje přehled vybraných malých vodních elektráren v ČR, jejich výkony, provozu. (Obr. 12)

28

roky uvedení do

Diplomová práce

Obr. 12. Malé vodní elekrárny

PŘEČERPÁVACÍ

VODNÍ ELEKTRÁRNY:

tento typ vodní elektrárny slouţí

nejčastěji jako zásobárna elektrické energie, které se děje prostřednictvím gravitační potenciální energie vody. Takovéto skladování umoţňuje řešit problém rozdílné spotřeby elektrické energie během dne. Ráno a v podvečer bývají v odběru 29

Diplomová práce elektrické energie z elektrorozvodné sítě výkonové spotřební špičky, kdeţto v noci je odběr elektrické energie malý. Jaderné nebo uhelné elektrárny mají více méně pořád stejný výkon a tento nelze snadno zvyšovat a sniţovat. Například pokud je během noci malý odběr elektrické energie jaderná elektrárna vyrábí stále stejně, protoţe sníţení výkonu a po té následné zvýšení při ranní špičce by se nedalo provést, protoţe jde o časově i technologicky náročný proces. Právě k vykrývání těchto stavů, kdy je energie nedostatek nebo naopak přebytek, se výborně hodí přečerpávací vodní elektrárny. Schéma takovéto elektrárny ukazuje obrázek č. 13.(Obr. 13)

Obr.13. Schéma přečerpávací vodní elektrárny

Přečerpávací vodní elektrárna je tvořena systémem dvou nádrţí poloţených nad sebou. V době špičky elektrárna elektrickou energii vyrábí tím, ţe se voda z horní nádrţe pouští přes turbínu pohánějící generátor do spodní nádrţe. Naopak v době přebytku energie například během noci se voda ze spodní nádrţe čerpá zpět do horní nádrţe a tak se vytvoří zásoba vody pro výrobu ve špičce. Jedná se o doposud jediný technicky proveditelný způsob, pomocí něhoţ lze vyrobenou elektrickou energii ve velkém měřítku po delší dobu skladovat.

30

Diplomová práce V české republice jsou jako přečerpávací elektrárny vyuţívány tato vodní díla: Černé jezero s výkonem 1,5 MW uvedené do provozu v roce 1930, dále Štěchovice II s výkonem 45 MW spuštěné v roce 1948, následují Dalešice s výkonem 480 MW zprovozněné v roce 1978 a poslední je vodní dílo Dlouhé Stráně s výkonem 650

Obr.14 Hráz PVE Dlouhé Stráně a Dalešice

MW, které dodává elektrickou energii od roku 1996.(Obr. 14) Zajímavostí přečerpávací vodní elektrárna Dalešice (Obr. 14) je, ţe její sypaná hráz je největší stavbou svého druhu v Evropě. Toto vodní dílo slouţí jako zásobárna vody, k rekreaci, výrobě elektrické energii a hlavně jako zásobárna vody pro nedalekou jadernou elektrárnu Dukovany, které slouţí právě jako zařízení k vykrývání špiček ve spotřebě elektrické energie. SLAPOVÉ (PŘÍLIVOVÉ ELEKTRÁRNY): slapové vodní elektrárny vyuţívají změn výšky hladiny oceánu při střídání přílivu a odlivu. Obvykle jde o přehrazený záliv s turbínami v hrázy, které jsou roztáčeny přitékající vodou při přílivu a dotékající vodou při odlivu. Tento druh elektráren se zatím příliš nerozšířil. Například ve Francii bylo vybudováno několik pokusných zařízení. Největší se nachází u Saint Malo. Zde dochází k jednomu z největších rozdílů hladiny moře na světě, který 31

Diplomová práce dosahuje aţ 14 metrů. Ve Francii se nachází také slapové elektrárna v ústí řeky Rance, která má 24 turbín o průměru 5,8 metru a její maximální výkon je 240 MW. Další zařízení se nacházejí také v USA a Kanadě. Slapové elektrárny se zatím ukazují jako nepříliš efektivní a navíc často ničí unikátní části pobřeţí s mnoha vzácnými druhy ţivočichů.

2.3.2

Typy vodních turbín

Podle typu se vodní turbíny dělí do dvou skupin na přetlakové a rovnotlaké. Přetlakovým patří například turbína Francisova (Obr. 16) nebo Kaplanova (Obr. 17). Do druhé kategorie rovnotlakých řadíme turbíny Peltonovi.(Obr. 15)

Obr.15. Peltonova turbína a detail kola

32

Diplomová práce

Obr.16. Francisova turbína vřezu a s generátorem

Obr. 17. Kaplanova turbína 2x v řezu

33

Diplomová práce

2.4

Větrné elektrárny

Energie větru byla nejprve vyuţívána k pohonu plachetnic, později k pohonu větrných mlýnů a dnes k pohonu větrných turbín. První zmínky o větrných mlýnech v Evropě pocházejí z období kolem roku 833. První historicky doloţený mlýn na našem

území

se

nacházel

ve

Strahovském

klášteře.

V Čechách

bylo

zdokumentováno na 198 větrných mlýnů a na Moravě a ve Slezsku je toto číslo ještě vyšší. Zde se podařilo zdokumentovat na 681 větrných mlýnů. Největší počet jich fungoval v 19. století. První elektrický generátor poháněný větrem byl zkonstruován v roce 1890 v Dánsku. Ve čtyřicátých letech pracoval v USA ve Vermontu agregát s dvoulistou vrtulí o výkonu 1,25MW. V roce 1960 uţ na světě pracoval jeden milion zařízení na přeměnu větrné energie v elektrickou. Zásadní rozmach výstavby těchto zařízení započal v 70. letech hlavně ve spojitosti s ropnou krizí, kdy rapidně stoupala cena fosilních paliv. Například v Německu bylo v roce 2004 v provozu 16543 větrných elektráren o celkovém maximálním výkonu 16629MW coţ představuje 5,9% celkové německé spotřeby energie.[LBRA, 2007, str. 87] Je třeba si ale uvědomit, ţe zde operujeme s výkony maximálními, které se od skutečných zásadně liší. Například v České Republice je při ideálních podmínkách vyuţitelnost niţší neţ 20%. Je to dáno tím, ţe rentabilní lokality se v ČR vyskytují ve velice omezené míře a z velké části v chráněných lokalitách pohraničních hor. Proto je také třeba se střízlivým okem podívat na snahy některých firem o budování co nejvíce větrných elektráren, na které jsou vydávány státní dotace. Mnohdy jsou tato zařízení budována jen za jediným účelem, kterým je okamţitý zisk pozdější vyuţitelnost je mizivá. Je sice samozřejmě dobré 34

Diplomová práce podporovat ekologicky šetrné projekty na výrobu elektřiny, ale proč si nechat kaţdý druhý kopec „zkrášlit“ otáčejícím se monstrem, které zásadně naruší krajinný ráz. Globálně se vyuţitelný výkon větrné energie odhaduje na 3TW. Do roku 2000 byly na světě instalovány větrné turbíny s celkovým maximálním výkonem 6000MW [FOJTÍKOVÁ, 2008, str.28]. Započítáme-li koeficienty vyuţití, můţeme se dostat někam k číslu 1200MW trvalého výkonu. Za vyuţitelné se povaţují větry o rychlostech v rozmezí 3-26 m/s.

Obr.18 Větrná elektrárna s vrtulí a lopatkovým kolem

U větrných elektráren lze rozlišit dva základní typy, podle toho jak jsou konstruovány. Buď jde o konstrukce s horizontální osou (Obr. 19), které jsou rozšířenější a mají vyšší účinnost aţ kolem 48% nebo jde o konstrukce s osou vertikální, které mají maximální účinnost jen kolem 38%. Princip fungování větrných elektráren spočívá v tom, ţe podél rotorových listů vznikají aerodynamické síly; listy proto musejí mít speciálně tvarovaný profil, velmi podobný profilu křídel letadla. Se vzrůstající rychlostí vzdušného proudu 35

Diplomová práce rostou vztlakové síly s druhou mocninou rychlosti větru a energie vyprodukovaná generátorem s třetí mocninou. Je proto třeba zajistit efektivní a rychle pracující regulaci výkonu rotoru tak, aby se zabránilo mechanickému a elektrickému přetíţení věrné elektrárny. Obsluha větrné elektrárny je automatická. VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY S HORIZONTÁLNÍ OSOU: tento typ větrných elektráren je rozšířenější a má větší účinnost. Zařízení se obvykle skládá z nosného stoţáru gondoly, kde je umístěna strojovna a rotoru, který poháněn větrem roztáčí soustrojí elektrárny. U tohoto typu lze rozlišit ještě dva pod typy. Jedná se buď to o elektrárny poháněné vrtulí nebo lopatkovým kolem. V případě vrtule se jedná o rychloběţný typ větrného rotoru s horizontální osou rotace. Zde jde o princip přeměny tahu na rotační pohyb. Vrtule jsou u větrných elektráren tvořeny většinou dvěma nebo třemi listy. V případě lopatkového kola je konstrukce taková, ţe se jedná o pomaloběţný typ větrného motoru s horizontální osou rotace. Nevýhodou lopatkového kola je poměrně těţká nosná konstrukce rotoru. Jeho činnost se pohybuje aţ kolem 43%. Tento typ se pouţívá k výrobě elektrické energie především pro vlastní spotřebu v podobě malých zařízení. VĚTRNÉ

ELEKTRÁRNY S VERTIKÁLNÍ OSOU:

Tento typ větrných elektráren je

rozšířen méně. Jejich účinnost se pohybuje aţ kolem 38%. Nevýhodou těchto zařízení je jejich niţší schopnost rozběhu. I u tohoto typu větrných elektráren lze rozlišit dva podtypy. Jedná se o Darrierův motor a Savoiniův motor (Obr.19.). Darrierův motor byl patentován v roce 1931 a jedná se o rychloběţný typ rotoru. Skládá se z minimálně dvou křídel, která jsou na koncích upevněna a mohou rotovat kolem horizontální osy. Savoiniův motor byl patentován o dva roky dříve 36

Diplomová práce neţ Darrierův motor. U tohoto zařízení se jedná o pomaloběţný větrný motor s vertikální osou rotace. Je tvořen dvěma púlválcovými, v zájemně přesazenými plochami. Díky tomuto uspořádání lze vyuţít rozdílu tlaků působících na vypuklou a dutou plochu rotoru. Maximální účinnost tohoto typu větrného motoru je jen asi 23%. Oproti Darrierovu motoru má dobrou rozbíhavost.

Obr. 19 Darrierův motor a Savoinův motor

U typů větrných elektráren s vertikální osou rotace odpadá nutnost natáčení zařízení po směru větru. U typů s horizontální osou je natáčení po směru větru zajištěno budˇto směrovým kormidlem nebo umístěním rotoru za gondolu, kdy gondola funguje jako směrové kormidlo. Nejběţnějším typem větrných elektráren dnes vyuţívaných k výrobě elektrické energie je ale níţe na obrázku č. 20 (Obr.20) zobrazený typ větrné elektrárny s horizontální osou a vrtulí se třemi listy. Toto zařízení obvykle sestává 37

Diplomová práce z nosného stoţáru na kterém je umístěná otočná gondola, která slouţí také jako kormidlo k natáčení do směru větru. Za gondolou je umístěna vrtule. V gondole se nachází převodovka, brzda a samotný generátor elektrické energie. Brzda musí být schopná zastavit i elektrárnu roztočenou na maximální otáčky. Převodovka slouţí k přizpůsobení otáček rotoru potřebám generátoru. Výška stoţáru u dnešních velkých větrných elektráren bývá 100 aţ 120 metrů. Vrtule pak mívá průměr aţ kolem 150 metrů podle výšky stoţáru.

Obr. 20 Uspořádání běţného typu větrné elektrárny

38

Diplomová práce VÝHODY

A NEVÝHODY VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN:

z hlediska ekologie lze říci,

ţe podstatnou výhodou větrných elektráren, je vyuţívání nevyčerpatelné síly větru k pohonu zařízení na výrobu elektrického proudu. Větrná elektrárna také nevypouští ţádné škodliviny. Neprodukuje ţádný CO2 a odpadem je pouze samotná konstrukce větrné elektrárny po konci své ţivotnosti. Z tohoto pohledu by se mohli větrné elektrárny jevit jako téměř bezchybné zařízení pro výrobu elektrické energie. Podívejme se ale také na úskalí, která sebou provozování a výstavby těchto zařízení nese. Jako první problém můţeme zmínit nutnost zálohovat výkon větrných elektráren jiným zdrojem pro případ, ţe vítr fouká málo a elektrárny elektrickou energii nedodávají nebo v případě, ţe fouká příliš a elektrárny musí být odstaveny, aby nedošlo k jejich poškození. Představa, ţe větrné elektrárny jsou schopny nahradit například elektrárny uhelné je tedy scestná. Dalším problémem při provozu větrných elektráren je jejich hlučnost. Při provozu větrníku vznikají dva druhy hluku. Jedním je mechanický, jehoţ zdrojem je strojovna zařízení, druhým je hluk aerodynamický, který vzniká při obtékání vzduchu kolem listů rotoru a při procházení listů kolem stoţáru. Problém tohoto zvuku je jeho periodičnost, která můţe neblaze působit na psychiku obyvatel v okolí. Druhým problémem je potom široký rozsah frekvencí těchto zvuků. Zastánci větrných elektráren poukazují na fakt, ţe pro kolaudaci takového zařízení je nutné měření hluku, jehoţ úroveň musí splňovat hygienické podmínky. Problémem jsou však infrazvuky, lidskému uchu neslyšitelné, avšak mající také vliv na lidskou psychiku. Tyto zvuky ale nepůsobí jen na lidi ţijící v okolí, ale samozřejmě také na zvířata. Ty můţou rušit také periodicky se opakující světelné efekty vytvářené rotory elektráren v podobě odlesků nebo stínů způsobovaných listy rotorů.

39

Diplomová práce Stavba větrná elektrárny je také značným zásahem do krajinného rázu. Nejde jen o narušení horizontu čnícím stoţárem, ale je třeba si uvědomit, ţe stoţár musí být nějak kotven, coţ se děje kotvením do mohutné betonové desky, která musí být na místě stavby vybudována. Větrné elektrárny také svými rotory zahubí mnoho ptáků a netopýrů, kteří hynou po sráţkách s listy rotorů. Dalším problémem je, co s větrnou elektrárnou po skončení její ţivotnosti. Například jaderné elektrárny musí ze zákona spořit peníze na účet, ze kterého je po skončení jejich ţivotnosti financována jejich likvidace a "starost" o vyhořelé palivo. (O vyhořelém palivu se čím dál tím více mluví jako o cenné surovině, "vyhořelé palivo" obsahuje stále přes 95% nevyhořelého uranu). U větrných elektráren (většinou vlastněných společnostmi s ručením omezeným) tato povinnost neexistuje. Proto zde hrozí reálné nebezpečí, ţe zůstanou stát na svém místě "navěky". Ţelezné části nejpravděpodobněji skončí ve sběru, co ale s betonovým základem a kilometry kabelů v zemi? Také listy vrtule jsou vyrobeny z polyester/epoxidových pryskyřic, vyztuţených skelnými vlákny. Tudíţ dalších několik tun nebezpečného odpadu. Větrné elektrárny také kladou značné nároky na regulaci přenosové soustavy. V době kdy fouká a větrné elektrárny ve větším mnoţství dodávají elektrickou energii je třeba toto směrovat tak aby nedošlo k přetíţení rozvodné sítě, coţ by paradoxně mělo za následek zhroucení této sítě a nedostatek energie. Například Německo, kde je výrazný podíl elektřiny vyráběn větrnými elektrárnami často vyuţívá k transportu českou přenosovou soustavu, protoţe jejich síť není schopna tyto výkony uregulovat.

40

Diplomová práce Větrné elektrárny jsou jistě, i přes výše zmíněné, zajímavým alternativním řešením výroby elektrické energie bez škodlivých emisí, problémům s produkcí CO2 nebo nedostatkem paliva. Je ale třeba dobře zvaţovat, kde takové elektrárny stavět, aby nepřinášeli více problémů neţ uţitku.

2.5

Sluneční elektrárny

Slunce je nezvětší zdroj energie ve sluneční soustavě a veškerá energie snad jen s výjimkou energie jaderné má svůj původ právě ve slunci. V jádru slunce se uvolňuje energie zejména termonukleární syntézou jader vodíku na jádra hélia, po té řádově stovky tisíc let trvá, neţ se tato energie dostane na povrch Slunce, odkud se ve formě záření a nabytých částic vyzařuje. Výkon vyzařovaný sluncem je poměrně stabilní a kolísá jen nepatrně v závislosti na momentální sluneční aktivitě ve zhruba jedenáctiletých cyklech. Střední hodnota slunečního záření dopadajícího na naši planetu je tak zvaná Solární konstanta mající hodnotu 1367 W/m2. Protoţe se od atmosféry část záření odrazí a část se ho v atmosféře pohltí, dopadá na povrch planety zhruba záření o intenzitě 1100 W/m2. Tato hodnota je závislá na zeměpisné šířce, meteorologických podmínkách a roční, či denní době. Hodnota 1100 W/m2 je tedy východiskem pro uvaţování o vyuţití slunečního záření k výrobě elektrické energie.

2.5.1

Typy solárních elektráren

Přeměna solární energie na jinou formu má jiţ letitou tradici. Pomineme-li starověké aplikace i moderní kuriozity, můţeme zmínit ohřev různých médií (voda) a přímou výrobu ve fotovoltaických panelech, která je rozšířenější. 41

Diplomová práce V prvním výše zmíněném typu slunečních elektráren dochází k ohřívání nějakého přenosového média, které přenáší teplo do zařízení, kde je toto teplo vyuţito k výrobě páry. Kterou se následně pohání turbína, která roztáčí generátor elektrické energie. Protoţe sluneční záření nemá dostatečnou intenzitu, aby ohřálo přenosové médium na potřebnou teplotu vyuţívá se vţdy nějakého koncentrátoru slunečního záření. Podle uspořádání a typu těchto koncentrátorů můţeme rozlišit dva základní typy slunečních termických elektráren. Jde buď to o typ věţové elektrárny (Obr.21) nebo o typ sluneční farma.

Obr.21. Věţová solárně-termická elektrárna Almerii ve Španělsku

42

Diplomová práce VĚŢOVÉ

SLUNEČNÍ ELEKTRÁRNY:

tento typ funguje tak, ţe pole zrcadel, je

nasměrováno tak, aby všechny zrcadla odráţela záření do jednoho místa, ve kterém je umístěn kotel, kde se ohřívá médium slouţící k výrobě páry, která následně pohání turbínu roztáčející generátor elektrické energie. Jako médium můţe slouţit buďto voda, která se přímo mění na páru, nebo je zařízení víceokruhová a jako

Obr. 22 Schéma věţové sluneční elektrárny s přímou výrobou páry

primární médium se pouţívá například kapalný sodík, který má výhodné termodynamické vlastnosti. (Obr. 22) SOLÁRNĚ TERMICKÁ ELEKTRÁRNA TYPU FARMA: u tohoto typu funguje výroba elektřiny obdobně jako u výše zmíněného věţového typu. Opět jde o ohřívání přenosového média, které slouţí následně k výrobě páry pohánějící turbínu, která roztáčí generátor. Hlavní rozdíl je ale v ohřevu přenosového média. U tohoto typu nejsou koncentrátory orientovány do centrálního místa, ale jde o systém propojeného potrubí, kterým proudí médium, které je ohříváno zářením odráţeným

43

Diplomová práce koncentrátory, které jsou umístěné podél tohoto potrubí. Jako koncentrátory zde slouţí oblá zrcadla, kterými je uprostřed vedeno potrubí s médiem, které se ohřívá.(Obr.23)

Obr. 23 Solární koncentrátory sluneční termické elektrárny a schéma solárně termické elektrárny typu farma

Dva výše zmíněná typy elektráren pracují jako pokusná zařízení s výkony Pmax=10-30MW především v kalifornii a Novém Mexiku, našli bychom je také ve Španělsku. Systém především věţových elektráren se jevil z počátku velice slibně, dnes ale tato zařízení fungují víceméně jako pokusná zařízení, protoţe se doposud

44

Diplomová práce nepodařilo vyřešit problém s přesností směřování zrcadel do jednoho centrálního bodu. Navíc je zrcadla třeba čistit, aby byla zajištěna maximální moţná účinnost. Jako perspektivnější se dnes jeví vyuţití fotovoltaických panelů pro přímou přeměnu slunečního záření na elektrickou energii. FOTOVOLTAICKÉ PANELY: fotovoltaické panely, jsou zařízení, které slouţí pro přímou přeměnu slunečního záření na elektrickou energii. Sestavením a propojením více panelů vzniká tak zvaná fotovoltaická elektrárna. Solární elektrárny z fotovoltaických panelů se instalují po celém světě od malých systémů s výkony v řádech KW aţ po velká solární pole s výkony několika MW. Pro konstrukci fotovoltaických elektráren jsou dva rozdílné přístupy. Buď to jde o tak zvaný „Ostrovní systém“ nebo „Síťový systém“. Ostrovní systém funguje tak, ţe elektrická energie vyrobená fotovoltaickými panely slouţí buď ke přímé spotřebě nbo k dobíjení akumulátorů, které zajišťují zásobu elektřiny na dobu, kdy není dostatek slunečního záření pro práci fotovoltaických panelů. Oproti tomu Síťový systém vyrobenou elektrickou energii buďto spotřebovává nebo její přebytky dodává do rozvodné sítě, odkud jsou také připojené spotřebiče napájeny, pokud není dostatek sluneční záření pro práci vlastních fotovoltaických panelů. Protoţe fotovoltaické panely dodávají stejnosměrný proud, je třeba pro napájení spotřebičů nebo připojení do sítě provádět přes měniče stejnosměrného na střídavý proud. V případě ostrovního systému a nabájení baterií je třeba připojení přes regulátor nabíjení. Ostrovní systémy bývají také nazývány Grid-On (Obr. 24 ) a síťová systémy Grid-Off. (Obr. 25)

45

Diplomová práce

Obr. 24 Grid-On systém fotovoltaických panelů

Obr. 25 Grid-off systém (ostrovní) připojení fotovoltaických panelů

46

Diplomová práce Princip přímé přeměny slunečního záření na elektrickou energii: princip přímé přeměny slunečního záření na elektrickou energii ve fotovoltaických panelech spočívá ve fotovoltaickém jevu. Fotovoltaický jev objevil Alexandr Edmond Becquerel uţ v roce 1839. Jev vypadá tak, ţe vzájemným působením slunečního záření a hmoty povolodičového materiálu dochází k pohlcování fotonů a uvolňování elektronů, v polovodiči pak na P-N přechodu vznikají volné elektrické náboje, elektron-díra, které jsou uţ jako elektrická energie odváděny ze solárního článku k dalšímu vyuţití. Napětí generované jedním fotovoltaickým článkem (Obr. 26) na bázi křemíku se pohybuje kolem 0,5V. Dnešní podoba fotovoltaických panelů na polovodičovém základu vznikla v roce 1954 v Bell Laboratoriem v USA. K fotovoltaické přeměně elektromagnetického záření na elektrickou energii se vyuţívá fotovoltaických článků na bázi křemíku. Tyto články se vyrábějí jak z křemíku monokrystalického tak polykrystalického i amorfního, ale vţdy na bázi tenkých vrstev.

Výroba fotovoltaických článků: křemík má pro tuto výrobu řadu výhod. Je hojně zastoupen v zemské kůře, proto je relativně levný a snadno dostupný. Není jedovatý a je nejvíce prozkoumaným a pouţívaným polovodičem. V přírodě se vyskytuje nejčastěji ve formě křemene. V této formě je mechanicky odolný a chemicky stálý. Surový křemík se vyrábí z křemičitého písku redukcí v obloukových pecí za pomoci uhlíku. Do obloukové pece se ze shora kontinuálně přivádějí suroviny. Směrem dolů roste teplota nejníţe v zóně s teplotou asi 2000˚C se hromadí roztavený křemík, který se odsud pravidelně odlévá. Takto získaný křemík má čistotu kolem 99%. Pro výrobu polovodičů je třeba čistota ještě vyšší a proto se surovina dále čistí aţ na čistotu kdy příměsi tvoří jen asi 10-9%. Takto

47

Diplomová práce získaný monokrystalický nebo polykrystalický ingot se potom řeţe na tenké plátky, které tvoří základ fotovoltaických článků. Dnešní technologie umoţňuje řezat tyto destičky o tloušťkách jen kolem 100μm. Polovodičový fotovoltaický článek je ve své podstatě velkoplošná dioda s přechodem orientovaným kolmo k čelní ploše. Na přední stranu bývá nanesena antireflexní vrstva, kvůli zmenšení odrazu a tak vyuţití co nevětšího mnoţství dopadajícího slunečního záření. Přední kontakt je tvořen mříţkou nebo hřebínkem tak, aby zakrýval co nejmenší plochu a aby světlo mohlo

Obr. 26 Schéma fotovoltaického článku

dopadat na co největší plochu článku. Zadní kontakt bývá plošný. Kontakty se obvykle nanášejí sítotiskem nebo vakuovým napařování. Tloušťka takto vyráběných polovodičových fotovoltaických článků bývá kolem 0,2 mm. Účinnost kvalitních fotovoltaických článků na bázi monokrystalického křemíku se pohybuje kolem 20% u sériové výroby. V laboratorních podmínkách lze dosáhnout účinnost aţ kolem 30%. U článků z polykrystalických křemíků hranice zrn zhoršují transportní vlastnosti polovodičů a tím se účinnost sniţuje. Vyšší účinnost i u sériové výroby mají fotovoltaické články na bázi jiných polovodičů ( GaAs, InP),

48

Diplomová práce ale jejich cena je několikráte vyšší neţ u křemíkových a proto se uplatňují spíše v kosmických aplikacích. Ostatně fotovoltaika tvoří prakticky jediný zdroj elektrické energie pro umělé druţice země. Prvou druţicí s fotovoltaickými články byla sovětská druţice Sputnik 3 vypuštěná na oběţnou dráhu 15. května 1958. Fotovoltaické panely (Obr. 27): se vyrábějí skládání jednotlivých článků v sérioparalelní kombinaci, aby při definovaném osvětlení poskytovali ţádané napětí a výkon. Maximální výkon především

panelů na

závisí velikosti

celkové

plochy

fotovoltaických

článků.

Dnešní panely jsou obvykle konstruovány tak, ţe přední Obr. 27 Fotovoltaický panel

stranu tvoří temperované

sklo, které chrání panel před mechanickým poškozením. Na sklo je poloţena plastová fólie a na ni se skládají a propojují fotovoltaické články, přes které se opět poloţí fólie a zadní stěna je tvořena laminátem. Po té mezi vrstvami odsaje vzduch a celý panel se zahřeje, coţ způsobí roztavení folií a zalití článků. Pak se panely upevňují do rozličných konstrukcí. Ţivotnost takovýchto panelů je uváděna v rozsahu 20-30 let. Fotovoltaické elektrárny: fotoelektrické elektrárny se budují po celém světě. Ať uţ jde o zařízení pro prvovýrobu elektrické energie v odlehlých oblastech s výkony postačujícími jen k napájení několika prostorů, přes výkonnější systémy umoţňující zásobování jednotlivých obydlí aţ po výkonná zařízení s výkony řádově

49

Diplomová práce v desítkách MWp. (Wp-jednotka výkonu pouţívaná pro fotovoltaická zařízení vyjadřující špičkový výkon). Fotovoltaické elektrárny se budují z panelů umístěných buďto na pevných rámech nebo, coţ je efektivnější vzhledem k lepšímu vyuţití slunečního záření, na otočných stojanech, které jsou automaticky natáčeny za sluncem. Dosud největší fotovoltaická elektrárna byla spuštěna ve Španělsku v oblasti Castila La Macha a je shopna dodávat výkon 60MW. Největší velmocí fotovoltaické energie je však paradoxně Německo, kde je 47% světového instalovaného výkonu fotovoltaických zařízení. Situace v ČR je taková, ţe instalovaný výkon fotovolteických zařízení v naší republice nás řadí na 9. Místo v Evropě a stále budují nová zařízení.

Obr. 28 Fotovoltaická elektrárna Olmedilla Photovoltaic Park.

50

Diplomová práce

2.6

Vodík jako palivo budoucnosti

Vlastní Spalování fosilních paliv je zodpovědné za neustále se zvyšující podíl skleníkových plynů v atmosféře. I přes neustálý vývoj a zdokonalování energetických technologií se prognózy shodují v tom, ţe vyuţívání primárních zdrojů energie a emise skleníkových plynů porostou především v rozvojových zemích třetího světa. Zejména Čína a Indie jistě budou chtít na maximum vyuţít své značné zásoby uhlí pro svůj rychle se rozvíjející průmysl. Dnešní věda jiţ přišla s ekologicky šetrnějšími palivy, ale i ty se musí vyrábět přeměnou benzinu nafty, etanolu, metanolu nebo uhlí a na jejich výrobu se také značná energie spotřebuje. Jako nejperspektivnější se v tomto světle jeví vyuţívání vodíku, který je přirozeným a universálním nosičem energie a lze ho vyrobit z dostupných primárních zdrojů, ale i z vody pomocí elektrolýzy s vyuţitím elektrické energie z jaderných nebo solárních zařízení. Vyuţití vodíku jako paliva a jeho výroba elektrolýzou vody za pomoci elektrické energie z obnovitelných zdrojů představuje jednou z cest jak dospět k tak zvaně čistým palivovým technologiím. Výroba vodíku elektrolýzou vody za pomoci solární energie představuje vynikající moţnost ke sladování energie. Vyrobený vodík pak slouţí jako energetická konzerva, kterou lze v případě potřeby kdykoli spotřebovat. Takováto akumulace má výhodu v tom, ţe její účinnost je velmi vysoká. Zásoby vodíku pak mohou slouţit podobně jako přečerpávací elektrárny k vyrovnávání špičkových a mimošpičkových výkyvů ve spotřebě elektrické energie. Vodík lze vyuţívat jak k přímému spalování, jehoţ můţe být pouţito k výrobě elektrické energie ať uţ způsobem obdobným jako v tepelných elektrárnách, tak také jako paliva pro spalovací motory, které mohou slouţit jako pohon generátoru

51

Diplomová práce elektrické energie, nebo v podobě palivových článků k přímé výrobě elektrické energie.

2.6.1

Palivové články

Princip fungování palivových článků (Obr. 29) byl objeven uţ v roce 1838 německým chemikem Christianem Friedrichem Schönbeinem. První palivový článek vznikl jiţ v roce 1843, ale teprve o více neţ sto let později, v roce 1959, zkonstruoval britský fyzik Francis Thomas Bacon první prakticky vyuţitelný

Obr. 29 Schéma palivového článku

vodíkový palivový článek o výkonu 5 kW. Rozsáhlejší vyuţití palivových článků pak přišlo s vesmírným programem Apollo a dalšími projekty NASA. [HORČÍK, 2007, On-line]

52

Diplomová práce Energie získaná z palivových článků je produkována bez škodlivin, protoţe konečným produktem chemické reakce je pouze kyslík a voda. Tato chemická reakce probíhá podle rovnice: Chemické rovnice:

Oxidace / odevzdání elektronu

Redukce / přijmutí elektronu

Jak plyne z výše uvedené rovnice palivo, našem případě Vodík, je na anodě katalyticky přeměněno na kationty tedy H+. Uvolňované elektrony jsou vychytány anodou a vytváří elektrický proud, který teče přes elektrický spotřebič ke katodě. Na katodě se oxidační činidlo zde kyslík redukuje na anionty O2-, a ty pak reagují s H+ ionty na vodu. Vznikající elektrické napětí je teoreticky okolo 1,23 voltu a závisí na typu paliva a kvalitě článku. U dnes nejpouţívanějších článků dosahuje nejčastěji napětí 0,5 - 0,95 V. Aby se dosáhlo vyššího napětí, zařazuje se více palivových článků do série. Velikost proudu závisí na ploše článku, dnes komerčně dostupné články poskytuji přibliţně 0,5W/cm2.

53

Diplomová práce

2.7

Geotermální elektrárny

Geotermální energie je energie, kterou v sobě ukrývá horká jádro naší planety. Tuto energii Země získala uţ při svém vzniku. V podobě horkých gejzírů či erupcí sopek se tato energie dostává na povrch, kde si začali lidé všímat. Vyuţití této energie má dva přístupy. Jedním je vyuţití přímo výronů horké vody nebo páry, druhým pak ohřívání vody vháněné do hlubinných vrtů. Vyuţívání horké vody či páry přímo tryskající ze země je výrazně omezeno tím, ţe se tyto jevy objevují jen na několika místech naší planety. Zemí zaslíbenou tomuto způsobu je hlavně Island. Druhý způsob má mnohem větší potenciál k vyuţití a první projekty se začínají objevovat uţ i v České republice. První geotermální elektrárna však byla otevřena v Larderellou v Itálii uţ v roce 1904. [Wikipedie, otevřená encyklopedie, 2009, On-line] Technologie výroby elektrické energie z energie geotermální má tři přístupy. Jde o systémy na suchou páru, mokrou páru nebo binární systémy. Systém na suchou páru: tento způsob výroby elektrické energie z geotermální energie spočívá v přímém jímání páry vystupující ze země, která je přímo

pouţívána

k pohonu turbíny, která zajišťuje generátoru

pohon elektrické

energie. Vyuţitá pára je vyuţívána například

ještě k vytápění

nebo vypuštěna nebo je Obr.3O Schéma geotermální elektrárny na suchou páru 54

li to moţné vracena

Diplomová práce zpět do podzemí.(Obr. 30) Systém na mokrou páru: tohoto systému je horká voda přeměněna na páru a tou

je

následně

poháněna

turbína

roztáčející generátor elektrické

energie.

Vyuţitá

pára

je,

pokud

je

to

technicky

moţné,

vháněna Obr.31 Schéma geotermální elektrárny na mokrou páru

zpět

do

podzemí a opětovně vyuţívána.(Obr. 31)

Systém s binárním cyklem: tento způsob vyuţití geotermální energie se hodí pro vyuţití geotermální vody s niţší teplotou. Princip spočívá vtom, ţe zařízení má dva

okruhy,

přičemţ

primární

okruh, kde proudí teplá

geotermální

voda,

ohřívá

ve

výměníku médium sekundárního okruhu, Obr.32 Schéma geotermální elektrárny binárním cyklem

bývá s nízkým

55

kterým látka bodem

Diplomová práce varu. Takto vzniklá pára je teprve pouţita k roztáčení turbíny a pohonu generátoru elektrické energie.(Obr. 32) Geologické podmínky v České republice příliš nenahrávají k vyuţívání prvních dvou systémů. A však vyuţití binárního systému by mohlo najít v ČR uplatnění, protoţe ţulová hmota Českého masivu má značný potenciál k získávání tepla vyuţitelného k ohřevu vody nutné pro pouţití v binárním systému geotermální elektrárny. (Obr. 33) Jistě ale bude záleţet kolik prostředků, se vynaloţí na další průzkum a podporu výstavby. Dosáhla li by podpora podobné výše jako u solárních či větrných systémů, mohla by se stát elektrická energie vyráběná z geotermální energie dalším přírůstkem k diverzifikaci a zekologičtění výroby elektrické energie v České republice. První takovou vlaštovkou by mohla být geotermální elektrárna připravovaná v Litoměřicích. Tato elektrárna by měla pracovat na systému HDR (Hot Dry Rock- Horká Suchá Skála). Tento systém funguje tak, ţe do systému hlubinných vrtů se vhání voda, která se v hloubce ohřívá a vede na povrch. Na povrchu je ohřátá voda vyuţívána v binárním systému k výrobě elektrické energie. Úskalím tohoto projektu je, ţe je třeba takové podloţí kde se vháněná voda primárního okruhu neztrácí, nebo musí být nablízku dostatečně vydatný zdroj k jejímu doplňování. Teoretické studie podle prvních propočtů uvádějí, ţe ČR má potenciál minimálně 60 lokalit, v současné době vhodných pro výrobu elektřiny s celkovým výkonem cca 250 MW.[ www.sustainable.cz/gteltm02.htm, on-line] Geotermální elektrárny zaloţené na systému HDR jsou výhodné z několika hledisek. Jde o zdroje, které nejsou závislé na vnějších faktorech na klimatu, jako solární, větrná a vodní energie i energie z biomasy. Další výhodou HDR z technického hlediska je vybudovávání decentralizovaných zdrojů elektřiny a tepla, coţ se jeví jako velmi výhodné. Geotermální zdroje mohou dodávat tepelnou

56

Diplomová práce i elektrickou energii 24 hodin denně a celé roky a přitom jsou regulovatelné podle okamţitých potřeb. Tedy nekladou ţádné zvýšené poţadavky na přenosovou soustavu jako je tomu například u větných nebo slunečních elektráren. Svoji důleţitou roli mohou sehrát také při zajištění zvýšené bezpečnosti v zásobování území státu energií.

Obr. 33 Plošná klasifikace ČR z hlediska vhodnosti vyuţití geotermální energie

2.8

Potenciál České republiky k výrobě elektrické

energie z obnovitelných zdrojů Obnovitelné zdroje jsou v dlouhodobém časovém horizontu nevyčerpatelné, jedná se opět o přeměněnou formu solární energie. Vyčerpají se aţ s koncem ţivota slunce. K obnovitelným zdrojům energie patří vlastní síla a síla výřat, vodní, větrná, solární energie, dále energie akumulovaná v biomase a vodíku, energie geotermální a energie mořských proudů. Evropská unie v roce 2001 iniciovala přijetí zákonů o

57

Diplomová práce minimálních podílech obnovitelných zdrojů energie na celkové výrobě elektřiny. Od 1.8.2005 platí i České Republice zákon o obnovitelných zdrojích energie. Podle tohoto zákona má být v ČR do roku 2010 8% energie vyráběno z obnovitelných zdrojů. Kromě četných pozitivních dopadů, mají obnovitelné zdroje i svá negativa. Tato energie je draţší, neboť malovýroba je vţdy draţší neţ velkovýroba. Velké přehrady porušují ekologickou rovnováhu a zatopují území, větrné elektrárny mění ráz krajiny, odtěţují hlukem atd., kotle na biomasu mají mnohdy exhalace nebezpečnější neţ uhlí. Faktem však zůstává, ţe 1 kWh energie vyrobená z jaderných nebo obnovitelných zdrojů ušetří zatíţení atmosféry 5g prachu, 27g SO2, 4g NOx a v případě pouze obnovitelných zdrojů navíc 2kWh odpadního tepla. Z obnovitelných zdrojů energie by v České republice bylo moţno vyrobit 49,8 TWh elektřiny. Jde o dostupný potenciál, jehoţ čerpání bude nabíhat postupně několik desetiletí. Předpokladem je, ţe bude pokračovat rychlý technologický vývoj zařízení pro vyuţití obnovitelných zdrojů, zejména fotovoltaických materiálů a systémů skladování energií, dosavadním tempem, a rovněţ ţe se podaří osvojit si vyuţívání hlubinné geotermální energie aplikacemi HDR (energie horkých suchých hornin). V kratším horizontu do roku 2030 je dostupný potenciál pro výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů v České republice 22,5 TWh. Většinu z tohoto mnoţství můţeme získat díky biomase − v bioplynových stanicích a čistému spalování i spoluspalování v teplárnách. Výraznější nárůst navazující na dnešní trendy lze očekávat ve fotovoltaických a větrných elektrárnách. Nově by pak měly být zprovozněny první geotermální zdroje. [Zpráva Nezávislé odborné komise, 2008, str 32]

58

Diplomová práce

3.

Výzkum

Na základě vlastního uváţení jsem stanovil základní hypotézu takto: „Předpokládám, ţe ţáci druhého stupně základní školy mají základní znalosti o způsobech výroby elektrické energie jak z obnovitelných tak neobnovitelných zdrojů. Dále předpokládám, ţe během školní docházky své znalosti ţáci prohlubují.“

3.1

Analýza získaných poznatků

Pro svůj výzkum jsem zvolil pro fázi sběru dat vyuţití dotazníku, protoţe jeho konstrukce není náročná a lze rychle získat větší mnoţství dat. Pro sestavování dotazníku jsem pouţil otevřených, uzavřených a polozavřených otázek. Zadání dotazníku lze nalézt níţe. Jako respondenti ve výzkumu figurovali ţáci šesté, sedmé, osmé a deváté třídy druhého stupně základní školy Měšťanská v Brně-Tuřanech. Jedná se o menší školu s cca 200 ţáky druhého stupně. Na škole je rozšířena výuka Tělesné výchovy, protoţe ve škole fungují v kaţdém ročníku sportovní třídy pro malé fotbalisty FC Brno. Celkem se podařilo oslovit 72 ţáků napříč ročníky druhého stupně ZŠ. Vyplnění dotazníků ve třídách netrvalo ţákům déle neţ 10 minut. Pro vyhodnocení jsem pouţil matematicko – statistického způsobu zpracování dat. Sloţení respondentů 6.třída: celkem 15 z toho 5 chlapců a 10 dívek 7.třída: celkem 20 z toho 7 chlapců a 13 dívek 8.třída: celkem 20 z toho 7 chlapců a 13 dívek 9.třída: celkem 17 z toho 5 chlapců a 12 dívek 59

Diplomová práce

3.1.1 Otázka č. 1 „Jaké znáš typy zdrojů elektrické energie (elektráren“) Na tuto otázku odpovědělo celkem 60 respondentů. Dvanáct neodpovědělo vůbec. Nečastěji uváděné odpovědi byly vodní, jaderné, větrné, dále uhelné, sluneční, geotermální, termonukleární, slapové a energie blesku. Vyjádřeno procentně: Vodní - 33,84%, Jaderné - 30,96%, Větrné - 29,52%, Uhelné - 21,6%, Sluneční - 15,84%, Geotermální - 5,04%, Termonukleární - 0,72%, Slapové 0,72%, Energie blesku - 0,72%, ţádnou elektrárnu neuvedlo 8,4% respondentů. Výsledky ukazuje Graf 1.

Za povšimnutí stojí, ţe geotermální, termonukleární, slapové a energii blesku uváděli jen ţáci 9. Ročníku. To by mohlo poukazovat na to, ţe ţáci během školní docházky své znalosti o zdrojích elektrické energie prohlubují.

60

Diplomová práce

3.1.2 Otázka č. 2 „Vyjmenuj alespoň tři z obnovitelných zdrojů energie.“ Na tuto otázku odpovědělo 38 respondentů. Především ţáci sedmého a osmého ročníku nebyli schopni uvést alespoň tři z obnovitelných zdrojů energie. V sedmém ročníku na tuto otázku odpověděli pouze tři a v osmém ročníku jen sedm respondentů. Nejčastějšími odpověďmi byli: větrná energie, vodní energie a energie slunce dále byly uvedeny překvapivě fosilní paliva, jaderná energie a energie geotermální. Vyjádřeno procentně: Větrná energie-20,88%, Vodní energie-20,16%, Energie

slunce-11,52%,

Fosilní

paliva-5,04%,

Jadernou

energii-2,88%,

Geotermální energii-0,72%. Ţádnou odpověď uvedlo vysokých 25,2%. Výsledky zobrazuje Graf 2.

61

Diplomová práce Překvapivým zjištěním u této otázky bylo, ţe čtvrtina respondentů nebyla na tuto otázku schopna odpovědět a dále ţe 5,04% uvedlo fosilní paliva jako obnovitelný zdroj energie.

62

Diplomová práce

3.1.3 Otázka č. 3 „Jaké zdroje se k výrobě elektřiny používají v ČR.“ Na tuto otázku odpovědělo celkem 42 respondentů. Především ţáci sedmého ročníku nebyli na tuto otázku schopni odpovědět. Nejčastějšími odpověďmi byly větrná energie, vodní energie a jaderná energie. Dále respondenti uvedli tepelnou a sluneční energii. Vyjádřeno procentně: Větrná energie-18%, Vodní energie-17,28%, Jaderná energie-16,56%, Energie fosilních paliv-12,24%, Energie slunce-6,48%. Jaké zdroje se v ČR vyuţívají k výrobě elektrické energie neví vysokých 21,6%. Výsledky zobrazuje Graf 3. Překvapivým zjištěním u této otázky bylo, ţe tak málo respondentů ví, ţe v ČR se stále ještě vyuţívá k výrobě elektrické energie fosilních paliv. Dále pak, ţe v sedmé třídě bylo na tuto otázku schopno odpovědět pouze šest ţáků z dvaceti celkových.

63

Diplomová práce

3.1.4 Otázka č. 4 „Jak životní prostředí poškozují uhelné elektrárny.“ Na tuto otázku odpovědělo celkem 52 respondentů. Dvacet neuvedlo ţádnou odpověď.

Nejčastější odpovědí napříč ročníky byla odpověď kouřem, dále uvedli respondenti odpovědi prach, CO2, vůbec, sírou, kyselé deště, těžbou. Vyjádřeno procentně: Kouř-31,68%, Prach-5,04%, CO2-2,88%, Vůbec-1,44%, Sýra, Kyselé deště a Těţba-0,72%. Na tuto otázku neodpovědělo 14,4%. Výsledky zobrazuje Graf 4

Překvapivé zjištění u této otázky bylo, ţe pouze v jednom případě, byla zmíněna jako faktor poškozující ţivotní prostředí ve spojitosti s uhelnými elektrárnami, těţba. Většina ţáků také nerozlišuje jednotlivé sloţky zplodin vypouštěných tepelnými elektrárnami. 64

Diplomová práce

3.1.5 Otázka č. 5 „Kde jsi získal/a vědomosti o zdrojích elektrické energie.“ Na tuto otázku odpověděli všichni respondenti, to je 72 ţáků. U některých je to překvapivé, protoţe znalosti o této problematice neprokázali. Nejčastěji uváděli respondenti odpovědi ve škole, z televize, novin rádia, z internetu. Dále od rodičů a jinde. Vyjádřeno procentně: Ve škole-37,64%, Z televize, novin rádia-23,04%, Z internetu-21,24% 0d rodičů-12,24%, Jinde-3,6%. Výsledky zobrazuje Graf 5.

Ţáci, kteří vybrali odpověď jinde, v doplňujícím komentáři uvedli, ţe navštívili informační středisko Jaderné elektrárny Dukovany.

65

Diplomová práce

3.1.6 Otázka č. 6 „Myslíš si, že je důležité hledat nové zdroje elektrické energie, které nepoškozují životní prostředí.“ Na tuto otázku odpověděli krom jednoho ţáka všichni. Tedy odpovědělo 71 respondentů. Respondenti měli na výběr pět moţností na škále Ano, Spíše Ano, Nevím, Spíše Ne, Ne. Většina odpověděla Ano nebo Spíše Ano. Vyjádřeno procentně: Ano50%, Spíše Ano-33,3%, Nevím-13,8%, Spíše Ne-1,38%, Ne-1,38%.

Jeden z respondentů u odpovědi na tuto otázku připsal komentář, ţe uţ je stejně pozdě a planeta je ztracena.

66

Diplomová práce

3.2

Zhodnocení výzkumu

Po provedené analýze výsledků výzkumu lze konstatovat, ţe první část hypotézy se potvrdila pouze z části. Ţáci sice mají základní představu o zdrojích elektrické energie, ale uţ nejsou schopni zařadit zdroje obnovitelné a neobnovitelné. Co se druhé části hypotézy týče nelze ji po zhodnocení výsledků výzkumu potvrdit. Zjištěné výsledky sice částečně ukazují u ţáků devátého ročníku vyšší znalosti neţ u ostatních, ale v případě srovnání šesté a sedmé třídy se stoupající úroveň znalostí nepotvrzuje.

3.3

Vzor dotazníku

Třída: Chlapec /Dívka 1.

Jaké znáš zdroje elektrické energie (elektrárny)?

2.

Vyjmenuj alespoň tři z obnovitelných zdrojů elektrické energie

3.

Jaké zdroje se k výrobě elektřiny vyuţívají v ČR?

4.

Jak poškozují ţivotní prostředí uhelné elektrárny?

5. Kde jsi získal/a vědomosti o obnovitelných zdrojích elektrické energie.(zakrouţkuj) - Ve škole - Od rodičů - Z internetu - Z televize, novin, rádia, - Jinde (napiš kde) 6. Myslíš si, ţe je důleţité hledat nové zdroje elektrické energie, které nepoškozují ţivotní prostředí. (Zakrouţkuj) ANO

Spíše ANO

Nevím

67

Spíše NE

NE

Diplomová práce

Závěr Závěrečný V předchozích kapitolách jsem se pokusil proniknout do problematiky výroby elektrické energie z hlediska ekologických aspektů, které tuto lidskou činnost provázejí. Dále jsem se pokusil ve své práci zpracovat přehled dnes vyuţívaných zdrojů elektrické energie, ale také zdrojů ještě běţně nerozšířených, které ale podle mého mínění mají potenciál k dalšímu rozvoji. U kaţdé podkapitoly, které se zabývají jednotlivými typy zdrojů elektrické energie, jsem se také pokusil nastínit jejich výhodnost, nebo nevýhodnost z hlediska dopadu jejich provozu na ţivotní prostředí. Součástí práce bylo také vytvoření prezentace s přehledem zdrojů elektrické energie, která můţe pomoci při výkladu učitele seznamujícího své ţáky s touto problematikou. Součástí práce je také výzkum, který si klad za cíl zmapovat povědomí ţáků druhého stupně o problematice výroby elektrické energie. Předpokládané hypotézy se podařilo vzhledem k získaným datům potvrdit jen z části. Ţáci ZŠ Měšťanská v Brně-Tuřanech prokázali základní znalosti o zdrojích elektrické energie, ale co se týče výroby z obnovitelných zdrojů, jsou jejich znalosti vesměs nevalné, tedy by ve výuce měl být poloţen větší důraz na tuto problematiku. Protoţe jsem měl moţnost v této škole jeden rok na částečný úvazek externě vyučovat, viděl bych prostor pro zařazení této problematiky především v předmětech Pracovní činnosti, který je zde vyučován v 6. a 7. ročníku, kde by ţákům mohl být podán základní přehled, na který by v ročnících následujících bylo moţno navázat v předmětech Fyzika, kde by byly vysvětleny technické a fyzikální principy a v předmětech Přírodopis a Zeměpis atp. důvody, proč je třeba hledat nové, k přírodě šetrnější, zdroje elektrické energie. 68

Diplomová práce

Použitá literatura

AUGUSTA, P.; DUFKOVÁ, M.; HELEKAL, I. Velká kniha o energii. Praha: L.A.Consulting Agency, spol. s r.o., 2001. 383 s. ISBN 80-238-6578-1.

BERANOVSKÝ, J.; TRUXA, J. Alternativní energie pro váš dům. 2. vyd. Brno: EkoWATT: ERA group, 2004. 125s. ISBN 80-86517-89-6.

BROŢ, K. Zařízení pro vyuţití sluneční energie. Brno: Cech topenářů a instalatérů ČR, 2001. 66 s. ISBN 80-86208-06-0.

GAVORA, P. Úvod do pedagogického výzkumu. Brno: Paido, 2000. 207 s. ISBN 80-85931-79-6

KARAMANOLIS, Stratis. Sluneční energie. Praha : MAC s.r.o., 1996. 238 s. ISBN 80-86015-02-5.

KLENOVČANOVÁ, A.; IMRIŠ, I. Zdroje a prameny energie. 1. vyd. Prešov: ManaCon, 2006. 492 s. ISBN 80-89040-29-2.

KOLEKTIV AUTORŮ pod vedením časopisu Elektro. Obnovitelné zdroje energie. Praha: Nakladatelství FCC PUBLIC, s.r.o., 1994. 176 s.

69

Diplomová práce KUBÍN, M. Přenosy elektrické energie ČR v kontextu evropského vývoje. Praha: ČEPS, a.s., 2004. 567 s.

KURZ, Vilém. Elektřina v průmyslu v obecném ţivotě v domácnostidroje elektřiny a elektrické hybostroje. Praha : F.Šimáček, 1899. 115 s.

LENADRIC, Denis. Large-Scale Photovoltaic Power Plants : Cumulative and Annual Installed Power Output Capacity. [s.l.] : [s.n.], 2008. 16 s.

LIBRA, M.; POULEK, V. Zdroje a vyuţití energie. 1. vyd. Praha: Česká zemědělská univerzita, 2007. 141 s. ISBN 978-80-213-1647-8.

MOTLÍK, J. a kol. Obnovitelné zdroje energie a moţnosti jejich uplatnění v České republice. Praha: ČEZ, 2007. 181 s. ISBN 978-80-239-8823-9.

NEZÁVISLÁ ODBORNÁ KOMISE PRO POSOUZENÍ NERGETICKÝCH POTŘEB ČESKÉ REPUBLIKY. Zpráva Nezávislé odborné komise pro posouzení energetických potřeb České republiky v dlouhodobém časovém horizontu. [s.l.] : [s.n.], 2008. 276 s.

FOJTÍKOVÁ, Jana. Větrné elektrárny. [s.l.], 2008. 2008 s. MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra technické a informační výchovy. Vedoucí diplomové práce G. Štěpánová.

70

Diplomová práce Británie chce vyuţít příliv k výrobě elektřiny [online]. 2009 [cit. 2009-02-15]. Dostupný z WWW: .

BROŢA, Vojtěch. Tři soutěsky - čínská dimenze [online]. 2007 [cit. 2009-0106]. Dostupný z WWW: .

BUFKA, Aleš . Vyuţití obnovitelných zdrojů energie v roce 2006 z pohledu energetické statistiky [online]. 2007 [cit. 2009-01-26]. Dostupný z WWW: . ISSN ISSN 1801439.

CABICAROVÁ . Historie výroby elektrické energie [online]. [2007] [cit. 2009-03-13]. Dostupný z WWW: .

Fotovoltaický článek [online]. 2009 [cit. 2009-04-15]. Dostupný z WWW: .

HORČÍK, Jan . Hybrid.cz : Palivové články - historie [online].Chamanne s.r.o., 2007 [cit. 2010-04-20]. Hybrid.cz. Dostupné z WWW: . ISSN 1802-5323.

71

Diplomová práce KNÁPEK, Jaroslav, VAŠÍČEK, Jiří, HAVLÍČKOVÁ, Kamila. Obnovitelné zdroje energie - Cíle EU a ČR a legislativní aspekty jejich vyuţívání [online]. [2002] [cit. 2009-01-26]. Dostupný z WWW: .

Large-scale photovoltaic power plants range 1 - 50 [online]. 2009 [cit. 200904-13]. Dostupný z WWW: .

NOVÁ, Linda. Počátky elektrifikace města Prahy [online]. 2008 [cit. 200902-26]. Dostupný z WWW: .

Průmyslová revoluce, počátky elektrizace ... do roku 1918 [online]. 2008 [cit. 2009-03-15]. Dostupný z WWW: .

Simopt multimedia [online]. c2001-2003. Dostupné z World Wide Web: .

VALIŠ, Zdeněk. Získávání elektřiny z geotermálních zdrojů je u nás zatím drahé [online]. 2008. 2008 [cit. 2009-02-20]. Dostupný z WWW: .

72

Diplomová práce Významná data z historie české elektroenergetiky [online]. 2009 [cit. 200903-26]. Dostupný z WWW: .

Wikipedie, otevřená encyklopedie [online]. 2009 [cit. 2010-04-20]. Geotermální energie. Dostupné z WWW: .

73

Diplomová práce

Resumé Diplomová práce na téma „Ekologické aspekty výroby elektrické energie“ se zabývá charakteristikou zdrojů elektrické energie, zejména pak obnovitelných. A snaţí se zmapovat úskalí vyuţívání těchto zdrojů z pohledu dopadů na ţivotní prostředí. První část se zabývá základní charakteristikou zdrojů elektrické energie, jak v ČR, tak ve světě, a jejich dopady na ţivotní prostředí. Také se snaţí poukázat na moţná východiska z dnešní rýsující se energetické a ekologické krize. Druhá

část

poukazuje

na

moţnosti,

jak

problematiku

obnovitelných zdrojů energie přiblíţit ţákům na 2. stupni ZŠ. Tato část nabízí didaktikou pomůcku s obsahem učební látky o zdrojích elektrické energie, která je vyuţitelná pro práci učitele. Pomůcka je zpracována ve formě prezentace. V další části je výzkum, který se zajímá o rozsah vědomostí ţáků 2. stupně ZŠ z oblasti obnovitelných zdrojů elektrické energie. Který by měl napovědět, na co je třeba při výuce této problematiky klást zvýšený důraz.

Summary My diploma thesis “Ecological aspects of the electric energy production” is dealing with the characteristic of various sources of energy, especially renewable ones. It makes an effort to chart the

74

Diplomová práce obstacles in using these sources in the relation to impacts on the natural environment. The first part deals with the basic characteristics of electric energy sources both in the Czech Republic and in the world and their impacts on the environment. It tries to show possible ways out of today´s looming energetic and ecological crisis. The second part reveal possibilities how to outline the problem of renewable sources of energy to lower-secondary students. This part offers also a teaching aid covering the subject matter about renewable sources of energy which could be used by teachers. The teaching aid has a form of a presentation. In the following part there is a research that is interested in the scope of lower-secondary students´ knowledge in the area of the renewable sources of energy. The research should indicate what is necessary to put a special emphasis to when teaching this subject matter.

75