MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

BRNO 2010

JIŘÍ PINK

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky

Výroba a rozvody elektrické energie v České republice Bakalářská práce

Vedoucí práce: doc. Ing. Jan Škyřík, Csc.

Vypracoval: Jiří Pink

Brno 2010

PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Výroba a rozvody elektrické energie v České republice“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v seznamu použitých zdrojů. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem autora, vedoucího bakalářské práce a děkana AF Mendelovy univerzity v Brně.

Dne ……………………………… Podpis ……………………………

Děkuji doc. Ing. Janu Škyříkovi, Csc. za odborné vedení a cenné rady, které mi vždy ochotně poskytl. Děkuji rodině za podporu ve studiu.

ABSTRAKT Výroba elektřiny zaujímá hlavní místo v průmyslovém hospodářství každé země a má v něm dominantní postavení. Práce popisuje výrobu elektrické energie v kondenzační elektrárně a upozorňuje na kombinovanou výrobu elektřiny a tepla v teplárnách a kogeneračních jednotkách. Zmiňuje hlavní zdroje energie pro tepelné elektrárny a také se stručně zaměřuje na technologie snižování emisí. Poslední část práce je věnována souměrné trojfázové soustavě.

Klíčová slova: elektrárna, fosilní zdroje, elektřina, přenosová soustava, účiník

ABSTRACT Production of power takes the major position in industrial economy of every country and has a dominant post in it. The publication describes making of electricity in devaporative power plant and points to combinative making of power and heat in heating plants and cogeneration units. It mentions main sources of power for heating power plants and also shortly mentions technology of bucking emissions. The final part of the publication is dedicated to symetrical three-phase system.

Key words: Power plant, fossil sources, power, transmissive system, power factor

OBSAH 1 Úvod............................................................................................................................... 8 2 Cíl práce......................................................................................................................... 9 3 Zdroje energie .............................................................................................................. 10 3.1 Fosilní paliva......................................................................................................... 10 3.1.1 Uhlí ................................................................................................................ 10 3.1.2 Ropa ............................................................................................................... 10 3.1.3 Zemní plyn ..................................................................................................... 11 3.2 Jaderná paliva ....................................................................................................... 11 3.3 Obnovitelné zdroje................................................................................................ 11 4 Trendy ve výrobě elektrické energie ........................................................................... 13 4.1 Výroba ve světě .................................................................................................... 13 4.2 Výroba v České republice..................................................................................... 13 5 Tepelné elektrárny ....................................................................................................... 15 5.1 Princip výroby elektrické energie ......................................................................... 15 5.2 Kondenzační elektrárna ........................................................................................ 16 5.2.1 Princip funkce ................................................................................................ 16 5.3 Účinnost ................................................................................................................ 17 5.4 Teplárny a výtopny ............................................................................................... 18 5.4.1 Teplárny s protitlakovými turbínami ............................................................. 19 5.4.2 Teplárny s kondenzačními odběrovými turbínami ........................................ 20 5.4.3 Kogenerační jednotky .................................................................................... 20 6 Technický a ekologický rozbor výroby ....................................................................... 21 6.1 Technologie pro snížení emisí .............................................................................. 21 6.2 Technologie pro zlepšení spalování...................................................................... 22 7 Rozvody elektrické energie ......................................................................................... 24 7.1 Přenos elektrické energie ...................................................................................... 24 7.1.1 Česká elektrizační přenosová soustava (ČEPS)............................................. 24 7.1.2 Vodiče dálkového vedení............................................................................... 25 7.2 Trojfázová soustava .............................................................................................. 25 7.2.1 Souměrná trojfázová soustava ....................................................................... 25 7.2.2 Výkon v souměrné trojfázové soustavě ......................................................... 28 7.2.3 Kompenzace jalového výkonu v trojfázové síti............................................. 29

8 Závěr ............................................................................................................................ 30 Seznam použitých zdrojů................................................................................................ 31 Seznam obrázků.............................................................................................................. 32 Přílohy

1 ÚVOD Primárním zdrojem energie pro lidstvo je příroda. Zde jsou shromážděny zdroje, z nichž některé lze využít přímo a jiné je potřeba převést na jiný druh energie. Elektrickou energii, v takové formě jak ji známe, v přírodě nenajdeme. Musíme ji převést z jiných vhodných druhů energie, a to i několikafázovou přeměnou. Počátek praktického užití poznatků o elektřině sahá do druhé poloviny 19. století. První výrobní jednotkou byla dynama vynalezena E. W. Siemensem. Umožňovala výrobu stejnosměrného proudu a odtud se také datuje vznik prvních elektráren ve světě. Za krátkou dobu je však nahradily generátory vyrábějící střídavou energii. Hlavním důvodem byl růst spotřeby a možnost vysokonapěťových rozvodů.

První výrobní

jednotky byly poháněny parními stroji a vodními turbinami. Vývoj v České republice probíhal téměř současně jako ve světě. První zdroje byly stejnosměrné a byly stavěny pouze pro potřebu velkých továren. První veřejnou elektrárnou u nás byla elektrárna v Praze na Žižkově. Dodávala městu stejnosměrný proud o napětí 120 V. Popsání fyzikálních zákonů elektřiny patří mezi významné mezníky lidstva, protože technický růst společnosti závisí na zdrojích energie, které jsou v konkrétní době k dispozici. Dnes je elektroenergetika významnou součástí hospodářství každého státu a nikdo si život bez ní nedovede představit. .

8

2 CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce je přiblížit světové trendy ve výrobě elektrické energie a popsat výrobu v tepelných elektrárnách v ČR. Poslední dvě části se zabývají technickým, ekonomickým a ekologickým rozborem výroby elektrické energie a jejím rozvodem v ČR. V práci je stručně popsána kondenzační elektrárna, způsoby snižování emisí a technologie pro zlepšení spalování. Závěr práce je věnován souměrné trojfázové soustavě a jsou uvedené jednotlivé vztahy související s výkonem v této soustavě.

9

3 ZDROJE ENERGIE

3.1 Fosilní paliva

Jedná se o zdroje energie, která vznikala na Zemi miliony let. Patří sem především uhlí, ropa a zemní plyn. Tyto suroviny v sobě ukrývají poměrně snadno uvolnitelnou energii, kterou získáme chemickým procesem spalování vhodného paliva. 3.1.1 Uhlí

Uhlí bylo, a určitě ještě nějaký čas bude, jedno z nejdůležitějších fosilních zdrojů energie. Jako zdroj energie pro získávání tepla se používá od poloviny 19. století, přičemž na počátku 20. století mělo dominantní postavení mezi fosilními palivy. [5] U nás se používá pro výrobu především hnědé uhlí, jehož jsou v ČR velké zásoby. Má asi o polovinu nižší výhřevnost než černé uhlí a zároveň vysoký obsah škodlivin, který v minulých letech vedl k omezení spotřeby tohoto paliva. Jde především o tvorbu oxidu uhličitého, jenž je řazen mezi tzv. „skleníkové plyny“, ale také další škodliviny vznikající v průběhu spalování. Již mnoho let je ve světě věnováno úsilí snížení negativních vlivů používání uhlí na ekologické prostředí. [7] 3.1.2 Ropa

Ropa patří, z energetického pohledu, mezi nejdůležitější suroviny na světě. Jejím zpracováním vznikají další produkty, které jsou důležité pro světový průmysl. Donedávna měla velký význam pro svou nízkou cenu a snadnou těžitelnost. Pro výrobu elektrické energie se používají především lehké topné oleje, mazut a nafta. U nás se ložiska ropy nachází hlavně na Jižní Moravě, ale vzhledem k celkové světové produkci je toto množství zanedbatelné.

10

3.1.3 Zemní plyn

Je to přijatelný zdroj energie jak z ekologického hlediska, tak i z hlediska snížení závislosti na ropě. Mezi jeho hlavní výhody patří snadná dosažitelnost a ekologičnost. Spalováním plynu vzniká výrazně méně škodlivin než např. při spalování uhlí. Velký význam má zejména při kombinované výrobě tepla a elektřiny v teplárnách nebo tzv. kogeneračních jednotkách. V těchto zařízeních se dosahuje vysoké celkové účinnosti, což má vliv na ekonomiku provozu. U nás se nenachází žádná významná ložiska a těžba na jižní Moravě je z celkového pohledu zanedbatelná. Plyn musíme dovážet a jedním z hlavních dodavatelů pro Českou republiku je Rusko.

3.2 Jaderná paliva

Jaderná energetika má v dnešní době velký význam v mnoha státech na světě. První pokusy s uranem probíhaly ve 40. letech minulého století a od té doby se tato problematika značně vyvinula. Mezi hlavní důvody jeho použití pro výrobu elektřiny patří to, že uran v sobě nese mnohonásobně vyšší energii, než jakou získáme z fosilních paliv. Dalším důvodem je velká šetrnost k životnímu prostředí. Je tak daleko přijatelnější než uhlí, kde je potřeba vynakládat nemalé finanční prostředky na splnění ekologických norem. Navíc nerovnoměrnost rozložení fosilních zdrojů, a jejich neustále rostoucí cena, mnohdy nenabízejí jinou možnost získání energie než právě z uranu.

3.3 Obnovitelné zdroje

Fakt, že zásoby z fosilních paliv jsou konečné, vede k neustálému hledání a zdokonalování technologií, které nám umožňují získat energii z tzv. obnovitelných zdrojů. Tyto zdroje jsou však zpravidla velmi úzce vázané na místo výskytu a ve formě, v jaké se nacházejí, nejsou schopné přepravy do místa spotřeby. V místě jejich výskytu musí dojít k přeměně na jiný - vhodnější druh energie. [5] Mezi obnovitelné zdroje energie řadíme vodní toky, vítr, slunce, biomasa a další.

11

Tyto zdroje nabývají na významu s klesajícími zásobami ropy, uhlí a zemního plynu. A už nyní hraje velkou roli to, jaké množství užitečné energie z nich dokážeme získat.

12

4 TRENDY VE VÝROBĚ ELEKTRICKÉ ENERGIE

4.1 Výroba ve světě

Výsadní postavení v elektroenergetice zaujímají stále ještě fosilní zdroje. A to navzdory tomu, že jejich zásoby jsou velmi omezené. V současné době se ve světě vyrábí z uhlí více než 44 % veškeré spotřebované elektrické energie, z toho v Evropě přibližně jedna třetina. [8] Největší tepelné elektrárny se nachází v Africe konkrétně v Jihoafrické republice, kde jsou velké zásoby černého uhlí, které také vyvážejí. Celosvětovým zájmem je zlepšení energetické účinnosti výrobních zdrojů a snižování emisí při spalování zejména uhelného paliva. Z ekonomického hlediska má význam kombinovaná výroba elektrické energie a tepla v tzv. kogeneračních jednotkách. Dalším velmi významným zdrojem energie jsou jaderné elektrárny, které se podílejí na celosvětové výrobě více jak 16 %. Mezi země, kde se tyto elektrárny vyskytují nejvíce, patří Japonsko, Francie, USA, Rusko a Velká Británie. Tento způsob výroby elektřiny je významný i v EU, kde pokrývá přibližně jednu třetinu spotřeby. [8] Stále většího celosvětového významu nabývají nevyčerpatelné zdroje energie. Jejich hlavní výhodou jsou nízké náklady na provoz a šetrnost k prostředí. Současný trend v energetické politice prosazuje vyrovnaný „energetický mix“ jednotlivých druhů zdrojů. [9] V EU by mělo být do roku 2020 dosaženo 20 % podílu obnovitelných zdrojů na hrubé konečné spotřebě.1

4.2 Výroba v České republice

Primárním zdrojem energie u nás je, jak již bylo uvedeno, hnědé uhlí. Uhelné elektrárny se na celkové výrobě elektrické energie podílejí přibližně polovičním podílem.

1

Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/28/ES ze dne 23.dubna 2009

13

Současné údaje o reálně vytěžitelných zásobách hnědého uhlí na činných dolech ČR hovoří o možnosti přibližně 3.109 t. Roční těžba hnědého uhlí u nás se pohybuje kolem 48.106 t. [5] Převážná část uhelných elektráren se z praktických důvodů nachází v severních a severozápadních Čechách ve velké blízkosti uhelných dolů např. Počerady, Chvaletice, Ledvice a další. Největší klasickou elektrárnou na Moravě jsou Dětmarovice, která spaluje černé uhlí. [8] V České republice se nachází i dvě elektrárny na jaderné palivo, a sice v Dukovanech a v Temelíně. Obě se významně podílejí na spotřebě. Na základě směrnice2 se klade velký důraz na zvyšování podílu obnovitelných energetických zdrojů v celkové výrobě.

2

Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/28/ES ze dne 23.dubna 2009

14

5 TEPELNÉ ELEKTRÁRNY

5.1 Princip výroby elektrické energie

Výroba elektrické energie je založena na fyzikálním jevu elektromagnetické indukce, který popsal Michael Faraday. Tento jev je důsledkem vzájemného silového působení elektrického a magnetického pole a říká: „otáčí–li se smyčka v magnetickém poli, bude na koncích smyčky vznikat indukované elektrické napětí.“

Obr. 1: Princip vzniku elektrické energie [8]

Základní princip fungování tepelné elektrárny je založen na přeměně tepelné energie na mechanickou a mechanické na elektrickou. Teplo uvolněné v kotli ohřívá vodu, která prochází trubkami a mění ji v páru. Pára proudí do turbíny, předá lopatkám pohybovou energii a dojde k roztočení turbíny. Turbína je pevně spojena s elektromagnetem a ten přeměňuje mechanickou energii na elektrickou. Pára je vedena z turbíny do kondenzátoru, kde dojde k ochlazení, z něj se vrací zpět do kotle a celý cyklus začíná znovu. [8] Většina elektráren je uspořádána do výrobních bloků skládajících se z kotle, turbíny, generátoru, odlučovačů popílku, chladící věže, odsiřovací věže a blokového transformátoru. Dále jsou to zařízení, které mohou být společné několika blokům jako např. zauhlování nebo vodní hospodářství. [8] Páru vyrobenou v kotli lze dále využít také k vytápění přilehlých obcí. Hovoříme o tzv. kombinované výrobě elektřiny a tepla. 15

5.2 Kondenzační elektrárna

Kondenzační elektrárny mají stále významné postavení mezi zdroji elektrické energie a patří mezi nejvíce provozované elektrárny v České republice. Pracují podle tepelného Rankin – Clausiova cyklu.

Obr. 2: Rankin – Clausiuv cyklus v T – s diagramu [15]

Tento cyklus je přímý tepelný oběh, který je možné realizovat s médiem, jež při použitých

teplotách

a

tlacích

prochází

plynným

a

kapalným

skupenstvím.

Nejpoužívanější pracovní látkou je voda. [4] 5.2.1 Princip funkce

Voda v kotli 1 přejímá výparné teplo za stálého tlaku. Vznikne sytá pára a ta se přehřívá na vyšší teplotu v přehřívači 2. Tím získáme přehřátou páru, která je vedena do turbíny 3, a která je spojena s rotorem generátoru 4 a vykoná práci. Pára, která vykonala práci, vstupuje do kondenzátoru 5, kde je velmi nízký tlak a ten je udržován vývěvou 6. Pára zde kondenzuje na vodu. Čerpadla 7, 8, a11 dopravují vodu zpět do kotle. [5]

16

V kondenzátoru vzniká velká ztráta tepelné energie. Teplo odevzdané chladící vodě představuje až 60 % tepelné energie paliva. Důsledkem je, že část chladicí vody se odpaří.

Obr. 3: Schéma kondenzační elektrárny s regeneračním ohřevem vody 1-kotel, 2-přehřívač, 3-turbína, 4-rotor generátoru, 5-kondenzátor, 6vývěva, 7-čerpadlo, 8-čerpadlo, 9-vysokotlaký ohřívač, 10- nízkotlaký ohřívač, 11-čerpadlo

Aby se zvětšila účinnost výroby, používá se pára vystupující z turbíny na ohřev napájecí vody – regenerační ohřev. To se děje pomocí nízkotlakého 10 a vysokotlakého 9 ohřívače, mezi kterými se nachází odplyňovač. Počet stupňů regeneračního ohřevu je v rozmezí 6 – 9. Nejlepší účinnosti tepelného oběhu se dosáhne ohřeje–li se voda v každém stupni o stejný přírůstek. [4]

5.3 Účinnost

Oběh v tepelné elektrárně není bezztrátový. Jeho účinnost je snižována ztrátami, které vznikají v jednotlivých částech. Znalost velikostí těchto ztrát vede k jejich minimalizaci a také ke zvyšování účinnosti zařízení. Ke ztrátám dochází v kotli, potrubí, turbíně, generátoru, kondenzátoru.

17

Účinnost klasických kondenzačních bloků spalující uhlí se pohybuje v rozmezí 34–35%. Díky použití moderních technologií se daří dosahovat až 45% čisté účinnosti a do budoucna se očekává další její zvyšování. [13] Účinnost patří mezi významné ukazatele provozu elektrárny.

Celková tepelná účinnost (čistá účinnost)

η el =

Kde:

k .Pe Qn. .M u

( 1)

Mu - spotřeba paliva za hodinu

[kg.h-1]

Qn - výhřevnost paliva

[kJ.kg-1]

Pe -

[kW]

výkon na svorkách generátoru

k – převodní koeficient jednotek el. Energie na jednotky tepla (1 kWh = 3600kJ)

K hlavním způsobům zvyšování účinnosti v tepelných elektrárnách patří přihřívání páry. Přihřátím rozumíme dodání energie páře, která již část tepla přeměnila na mechanickou práci ohřátím této páry. [5]

5.4 Teplárny a výtopny

Teplárny jsou zdroje, které jsou určené pro výrobu a dodávku tepla odběratelům k vytápění a ohřívání užitkové vody, ale současně také pro výrobu elektrické energie. Výtopny jsou jednotky určené pouze pro výrobu tepla. Kombinovaná výroba tepla a elektřiny přináší především ekonomické výhody. Dosahuje se zde značných úspor paliva, a to snížením měrné spotřeby tepla na výrobu elektrické energie. [2] U tepláren se dosahuje větší celkové účinnosti než u kondenzačních elektráren. Je to dáno tím, že teplo získané při kondenzaci je dále využito právě v teplárenském průmyslu. Rozhodnutí, zda postavit teplárnu nebo výtopnu, záleží na velikosti odběru a tepelném zatížení.

18

Mezi základní ukazatele v teplárenství patří doba využití maxima výkonu zdroje, která je měřítkem hospodárnosti provozu a teplárenský součinitel. Spolu s teplárenským součinitelem se uvádí i součinitel redukce. Oba mají význam při určování výkonu a počtu turbín.

Teplárenský součinitel

α=

Kde:

Qt Qmax

(2)

Qt - teplo dodávané turbínou

[kJ.h-1]

Qmax - maximální spotřebované teplo

[kJ.h-1]

5.4.1 Teplárny s protitlakovými turbínami

Pro tyto zařízení je typické, že na výstupu z turbíny má pára tlak a teplotu použitelné pro spotřebiče tepla. Spotřebiče nahrazují kondenzátor. Hodnota tlaku páry se řídí teplotou, jakou požaduje technologický proces.

Obr. 4: Zjednodušené schéma teplárny s protitlakovými turbínami [16]

Nevýhodou této teplárny je, že výkon turboústrojí je přímo úměrný množství páry procházející turbínou. Z toho vyplývá, že výroba elektřiny je závislá na odběru páry spotřebiči. [5]

19

Vzhledem k tomu, že odběr tepla není stálý, je přes turbínu dodávána pouze část tepla a část, chybějící do maximální spotřeby, se kryje ze špičkových zdrojů. Teplárenský součinitel je v tomto případě menší jak jedna. 5.4.2 Teplárny s kondenzačními odběrovými turbínami

Výhodou tohoto systému je poměrně velká nezávislost dodávky elektrické energie na dodávce tepla. Tyto turbíny mají navíc jeden nebo dva regulované odběry. Regulované proto, že je v nich udržován tlak na konstantní hodnotě nezávisle na zatížení turbíny. Pokud nestačí ke krytí spotřeby regulovaný odběr, přepustí žádaný zbytek páry redukční stanice tak, aby byl tlak v parní síti stálý. 5.4.3 Kogenerační jednotky

Tímto názvem se označuje společná výroba tepla a elektřiny. Základním prvkem tohoto uspořádání je spalovací turbína nebo spalovací motor, které pohání elektrický generátor. Vyprodukované odpadní teplo se používá pro dodávku tepla spotřebitelům.

Obr. 5: Schéma kogenerační jednotky [14]

Kogenerace přináší úspory díky lepšímu využití primárních zdrojů a také díky výhodnému poměru mezi elektrickým a tepelným výkonem. [4]

20

6 TECHNICKÝ A EKOLOGICKÝ ROZBOR VÝROBY

6.1 Technologie pro snížení emisí

Mezi základní opatření proti znečišťování prostředí patří odstraňování pevných částic ze spalin a snižování SO2 a NOx . K odstranění popílku lze použít odlučovače pracující na různých principech působení. Nejvíce rozšířenými odlučováky jsou elektrostatické filtry, jejichž účinnost dosahuje 99 % za předpokladu pravidelného čištění. Jejich výhodou je vysoká odlučnost a možnost zachycení i nejmenších částí pod 10 – 5 µm. [4] Velmi efektivním způsobem odstraňovaní pevných částic z plynů se stalo používání filtrů. Filtr je složen z několika vrstev porézního materiálu, jimiž malou rychlostí prochází plyn. Pevné částice se pak zachycují v pórech. Účinnost těchto filtrů je také velmi vysoká.

Obr. 6: Mokrá vápencová vypírka spalin [8]

Emisní limity SO2 jsou vymezeny zákonnými předpisy. Pro jejich eliminaci se používá celá řada metod, z nichž nejpoužívanější jsou tzv. metody vápencové. Jsou založeny na principu absorpce SO2 na vápník. Nejčastěji používanou metodou u největšího provozovatele tepelných elektráren u nás, ČEZ a.s., je tzv. metoda mokrá a ta spočívá ve vypírání spalin. Před vstupem 21

do speciální prací komory se spaliny schlazují na bod nižší než je bod varu. Absorpční látkou je mletý vápenec. Spaliny se po výstupu z prací komory před vstupem do komína ohřívají na teplotu vyšší než je rosný bod. [4]

6.2 Technologie pro zlepšení spalování

U elektráren spalující uhelný prach se vývoj zaměřuje na zdokonalování hořáků a vedení technologie tak, aby bylo dosahováno co nejdokonalejšího spálení paliva při co nejnižších emisích. Je požadováno spalování s co nejmenším přebytkem spalovacího vzduchu, neboť se tak zvyšuje účinnost kotle. [7] Tyto elektrárny jsou doplněny návazným systémem na čištění spalin, který je jejich nedílnou částí. Velmi využívanou technologií v elektroenergetice a teplárenství je fluidní spalování uhlí. Tato technologie využívá ke spalování pevných látek speciálního roštu. Jeho konstrukce umožňuje kontinuální přísun paliva a vzduchu tak, aby bylo umožněno trvalé víření paliva nad ním. Tento způsob má dvě velké přednosti. První je schopnost spalovat i méně kvalitní palivo, které je jinak obtížně využitelné. Druhou, velmi významnou výhodou z ekologického hlediska, je snížení emisí SO2 a NOx. Odsiřování je dosahováno přídavkem vápence do fluidní vrstvy a tvorba oxidů je omezena nízkou spalovací teplotou pod 900ºC a rozdělením spalovacího vzduchu do více úrovní po výšce kotle. [7] Pravděpodobně nejvýhodnější způsob využití energetického uhlí dnes představuje integrace tlakového zplyňování uhlí a paroplynového cyklu. Jedná se o cyklus zaručující nejvyšší možnou účinnost přeměny. Místo zemního plynu využívá horkých plynů unikajících pod tlakem z uhelných zplyňovacích reaktorů. Z plynů jsou nejdříve odloučeny prachové částice, dále je plyn odsířen a zbaven dalších škodlivin. Po vyčištění jde do spalovací turbíny a vyrábí elektrickou energii. Odpadní teplo plynů, kombinované s teplem z reaktoru, je využito k výrobě vysokotlaké páry pro parní turbosoústrojí. [10] Tato technologie snižuje spotřebu vody, produkuje menší množství tuhého odpadu a podstatně méně emisí než kondenzační elektrárny. Díky vysoké účinnosti a nízkým pořizovacím nákladům mají tyto elektrárny velkou výhodu oproti jiným zdrojům na

22

fosilní paliva. Jejich nevýhodou však je potřeba kvalitního ušlechtilého paliva, které je drahé. [8]

23

7 ROZVODY ELEKTRICKÉ ENERGIE

7.1 Přenos elektrické energie

Přenosová soustava umožňuje distribuci elektrické energie od výrobce ke spotřebiteli. Patří sem zařízení, které umožňují tok energie zahájit, přerušit, regulovat nebo chránit. Přenos a rozvod elektřiny je realizován pomocí elektrických sítí, transformačních stanic a elektrických vedení. Pro praktické užití elektrické energie má větší význam střídavá soustava, neboť tento druh energie snadno vytvoří točivé magnetické pole a lze ho jednoduše transformovat a tím i přenášet. Než se elektřina dostane ke koncovému spotřebiteli, projde několikanásobnou transformací, kdy je napětí zvyšováno a snižováno dle rozvodných sítí. V síti nízkého napětí se v ČR používá rozvod střídavého trojfázového napětí s frekvencí 50 Hz, efektivním fázovým napětím 230 V a sdruženým napětím 400 V. Elektrické napětí se dělí dle velikosti do napěťových stupňů; jsou uvedené v tabulce.

Tab.1: Napěťové stupně jednotlivá napětí

označení název mn

malé

nn

nízké

vn

vysoké velmi vysoké zvlášť vysoké ultra vysoké

vvn zvn uvn

uzemněná sosustava mezi vodičem a zemí mezi vodiči do 50 V včetně do 50 V včetně nad 50 V do 600 V nad 50 V do 1000 V včetně včetně nad 0,6 kV menší 30 nad 1kV menší než 52 kV kV od 30 kV menší 171 od 52 kV menší než kV 300 kV Od 300 kV do 800 kV včetně

izolovaná soustava mezi vodiči do 50 V včetně nad 50 V do 1000 V včetně nad 1kV menší než 52 kV od 52 kV menší než 300 kV

nad 800 kV

7.1.1 Česká elektrizační přenosová soustava (ČEPS)

Přenosová soustava ČEPS, a. s., představuje jeden ze základních subsystémů elektrizační soustavy ČR, který propojuje významné subjekty v soustavě a zajišťuje 24

rozhodující podíl zahraniční spolupráce. Hlavní náplň činnosti tvoří přenos elektřiny, řízení přenosové soustavy, zajištění systémových služeb a mezistátní spolupráce. Povinností je zajistit dodávku pro všechny uživatele přenosové soustavy v ČR. Celou přenosovou soustavu tvoří 37 rozvodných zařízení 420 kV a 245 kV umístěných ve třiceti transformovnách, dále 2900 km tras vedení 400 kV a 1440 km tras vedení 220 kV. Do přenosové soustavy patří i dvě rozvodny 123 kV a 105 km tras vedení 110 kV. [3] 7.1.2 Vodiče dálkového vedení

Elektrické vedení jsou zařízení, které přenáší požadované elektrické výkony od primárních nebo sekundárních zdrojů na místa určení. U nás se používá trojfázová soustava, která je popsána dále. Vodiče a ostatní prvky v soustavě mají být navrženy s ohledem na hospodárnost, bezpečnost, proudové zatížení, trvalý provoz a dovolený úbytek napětí. Jestliže prochází těmito prvky proud, vznikají zde ztráty výkonu. Při malých průřezech nebo málo vodivých materiálech jsou ztráty značné a provoz nehospodárný, při předimenzování nebude zase soustava využita. [1]

7.2 Trojfázová soustava

Trojfázové soustavy mají v elektroenergetickém průmyslu základní místo. Pomocí trojfázových soustav se elektřina vyrábí, přenáší, distribuuje a také spotřebovává. Výhodou těchto soustav je, že trojfázové stroje mají lepší provozní vlastnosti, zejména účinnost. Další předností je hospodárnější přenos elektrické energie, neboť ve vedení vznikají nižší ztráty a v neposlední řadě lze z těchto soustav odebrat dvojí napětí. Dělíme je na nesouměrné, každou fází protéká jiný proud, a souměrné. 7.2.1 Souměrná trojfázová soustava

Souměrná trojfázová soustava má tři stejně velké veličiny sinusového průběhu, jejichž časové úseky jsou vzájemně posunuty o 120º. Pro efektivní hodnotu fázového napětí platí:

25

U f = UU = UV = UW

(3)

Okamžité hodnoty indukovaného napětí pak jsou: uU = U max ∗ sin ϖt 2π   uV = U max ∗ sin ϖt −  3  

(4)

4π   uW = U max ∗ sin ϖt −  3  

Nejsou–li splněny obě podmínky, jde o soustavu nesouměrnou. [6]

7.2.1.1 Zapojení do hvězdy Vinutí jsou svorkou stejného znaménka spojené do jednoho uzlu, který se nazývá nulový bod. Z tohoto bodu je obvykle vyveden nulový vodič. Ze zbývajících svorek jsou vyvedené fázové vodiče.

Obr. 7: Zapojení do hvězdy

Jde o čtyřvodičové vedení, z něhož lze získat dvojí napětí, sdružená a fázová. Sdružená napětí lze vyjádřit pomocí fázových, z druhého Kirchhoffova zákona plyne:

26

U WV = U W − U V U VU = U V − U U

(5)

U UW = U U − U W

Vztah mezi sdruženými napětími je: U S = 3 *U f

(6)

Není–li vyveden nulový vodič, lze odebírat pouze sdružené napětí. Připojíme–li toto vedení na spotřebič, protékají vedením proudy IU,IV,IW a nulovým vodičem proud IN. Použijeme-li první Kirchhoffův zákon, zjistíme, že nulový vodič by nebylo třeba. V praxi se však vyžaduje vždy, když zátěž může být nesouměrná. [6] IU + IV + IW = I N

(7)

Sdružený proud je roven fázovému proudu IS = I f

(8)

7.2.1.2 Zapojení do trojúhelníka V zapojení do trojúhelníka je konec každé fáze spojen se začátkem následující.

Obr. 8: Zapojení do trojúhelníka

27

Toto zapojení tvoří uzavřený obvod a nepotřebuje tak střední vodič. Lze tady získat pouze fázové napětí. Sdružené napětí se rovná fázovému. US = U f

(9)

Proud se odebírá vždy ze spoje dvou fází. Jde o proudy sdružené: I WV = I W − I V I VU = I V − I U

(10)

I UW = I U − I W

Vztah mezi sdruženými proudy je: IS = 3 * I f

(11)

7.2.2 Výkon v souměrné trojfázové soustavě

Pro výkony v trojfázových soustavách platí:

Zdánlivý výkon: S = 3 *U f * I

[VA]

(12)

Činný výkon: P = 3 * U f * I * cos ϕ

[W]

(13)

[VAr]

(14)

Jalový výkon: Q = 3 * U f * I * sin ϕ

28

7.2.2.1 Účiník Jde o bezrozměrnou veličinu, která je vždy nezáporná a je definována jako podíl mezi činným a zdánlivým výkonem. [6]

cos ϕ =

P S

(15)

Závisí na fázovém posuvu mezi napětím a proudem a vypočítá se jako funkce kosinus tohoto posuvu. Vyjadřuje, jakou část zdánlivého výkonu lze přeměnit v užitečnou energii. Může nabývat hodnot 0-1. Hodnota 0 znamená, že celý výkon je jalový a hodnota jedna, že celý výkon je činný. V praxi se snažíme, aby se hodnota účiníku pohybovala co nejblíže k jedné 0,95-0,98. Je třeba dát pozor, aby se účiník nezaměňoval s účinností strojů. Účinnost nám

říká, jaký dostaneme mechanický výkon např. na hřídeli elektromotoru, kdežto účiník vyjadřuje jaký jalový výkon, respektive kolik „VArů“ je ze sítě odebíráno.

7.2.3 Kompenzace jalového výkonu v trojfázové síti

Některé spotřebiče potřebují pro svůj provoz jalovou energii, např. k vytvoření magnetického pole u motorů a transformátorů. Tímto způsobují fázový posun mezi napájecím napětím a jeho proudem. Jalový proud induktivního charakteru zvyšuje proud, který sítí protéká. Jalový výkon v síti se pak projevuje tím, že zvyšuje ztráty a tím snižuje účinnost přenosu elektrické energie, zatěžuje síť (je třeba ji vhodně dimenzovat) a zvyšuje úbytky napětí v síti. [6] Kompenzace jalového výkonu je opatření ke snížení proudové zátěže a ohmických ztrát v napájecím vedení a to eliminací indukčního jalového výkonu. Vzhledem k tomu, že kompenzace patří mezi významná úsporná opatření při rozvodu elektrické energie, dodavatel vyžaduje odběr elektrické energie s induktivním účiníkem v pásmu 0,95-1, nižší hodnoty znamenající vyšší odebíraný jalový výkon jsou penalizovány. [11]

29

8 ZÁVĚR V současné době probíhá ve světě vývoj technologií zaměřujících se zejména na zlepšování celkové účinnosti a ekologické přijatelnosti fosilních zdrojů, hlavně uhelných. Zlepšení celkové účinnosti zvyšuje konkurenceschopnost a lze říct, že čím má blok lepší účinnost, tím méně produkuje emisí. Převážná část spotřeby elektrické energie na celém světě je stále kryta fosilními palivy, která budou mít význam i v budoucnu. Avšak neustále se zmenšující zásoby těchto paliv vedou k hledání a využívání jiných zdrojů energie, hlavně těch, které jsou nevyčerpatelné. Podstatnou částí elektroenergetického průmyslu je rozvod elektřiny. Zde jsou kladeny požadavky hlavně na bezztrátový přenos a optimální hodnotu účiníku. Úbytek napětí ve vedení nemá přesáhnout 5 %.

30

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 1.

HODINKA, M.,1989: Přenos a rozvod elektrické energie. SNTL, Praha, 328s.

2.

KADRNOŽKA, J.,1984: Tepelné elektrárny a teplárny. SNTL, Praha, 608 s.

3.

KUBÍN, M.: Přenosy elektrické energie ČR. ČEPS, a.s., Praha

4.

MATOUŠEK, A.,2002: Elektrárny 1. Skriptum VUT v Brně, 150 s.

5.

MATOUŠEK, A.,2007: Výroba elektrické energie.Skriptum VUT v Brně, 139 s.

6.

MAYER,D.,2005: Elektrodynamika v energetice. BEN, Praha, 280 s

7.

SLOUKA, P.,1997: Současné trendy ve vývoji výroby elektrické energie z uhlí. VUPEK a.s.,Praha, 46 s.

8.

http://www.cez.cz

9.

http://www.alternativni-zdroje.cz

10.

http://www.vodni-tepelne-elektrarny.cz

11.

KBHenergy [online]. 3.3.2010 [cit. 2010-03-21]. Kompenzace jalového výkonu. Dostupné z www: .

12.

SMILEK, Jiří. Jsmilek [online]. 18.12.2008 [cit. 2010-03-30]. Eu rozvody el energie skripta . Dostupné z www: <jsmilek.cz/skripta pdf/ue rozvody el energie skripta.pdf>.

13.

TENČL, Daniel. Tencl [online]. 6.8.2009 [cit. 2010-03-03]. Vývojové trendy uhelné energetiky. Dostupné z www: .

14.

Ppas [online]. 20.7.2009 [cit. 2010-O4-12]. Kogenerační jednotky. Dostupné z www: .

15.

MASTNÝ, P. Ueen.feec.vutbr.cz [online]. 9.2.2007 [cit. 2010-04-12]. Uvod_energie.pdf. Dostupné z www: .

16.

Fsid.cvut.cz [online]. 23.10.2007 [cit. 2010-04-12]. Prednaska2.pdf. Dostupné z www:sid.cvut.cz/~sourebor/homepage/vyuka/ZTE/Prednasky/Prednaska2.pdf>.

31

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1: Princip vzniku elektrické energie ....................................................................... 15 Obr. 2: Rankin – Clausiuv cyklus v T – s diagramu ....................................................... 16 Obr. 3: Schéma kondenzační elektrárny s regeneračním ohřevem vody ........................ 17 Obr. 4: Zjednodušené schéma teplárny s protitlakovými turbínami ............................... 19 Obr. 5: Schéma kogenerační jednotky ............................................................................ 20 Obr. 6: Mokrá vápencová vypírka spalin........................................................................ 21 Obr. 7: Zapojení do hvězdy ............................................................................................. 26 Obr. 8: Zapojení do trojúhelníka .................................................................................... 27

32

PŘÍLOHY