OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE
učební text
Sestavil kolektiv autorů při ISŠ Cheb
Vytvořeno v rámci grantového projektu „Učíme správně technické obory―
Obsah Obnovitelný zdroj energie ................................................................................. 4 Vyuţití obnovitelných zdrojů ............................................................................ 4 Druhy obnovitelných zdrijů energie .................................................................. 5 Energie ze Slunce ........................................................................................... 5 Vyuţití Sluneční energie .................................................................................... 9 Přímé ............................................................................................................... 9 Nepřímé .......................................................................................................... 9 Solární články ................................................................................................. 9 Soustředění sluneční energie na jedno místo ............................................... 10 Solární ostrovy.............................................................................................. 12 Větrná energie .................................................................................................. 13 Teoreticky dosaţitelný výkon ...................................................................... 14 Účinnost ........................................................................................................ 14 Rychlost větru v obecných podmínkách ...................................................... 14 Šíření hluku větrného zdroje ........................................................................ 15 Infrazvuky..................................................................................................... 15 Základní typy větrných turbín.......................................................................... 16 Mnohalopatkový rotor .................................................................................. 16 Vrtule ............................................................................................................ 16 Savoniův rotor .............................................................................................. 16 Darrierův rotor .............................................................................................. 16 Teorie větrné turbíny........................................................................................ 16 Teoreticky dosaţitelný výkon ...................................................................... 16 Vodní energie ...................................................................................................... 17 Jezy ............................................................................................................... 19 Přehrady ........................................................................................................ 19 Přehrada s elektrárnou .................................................................................. 19 Důvody stavby ................................................................................................. 20 Princip .............................................................................................................. 20 Fungování......................................................................................................... 21 Přečerpávací vodní elektrárny v Česku ........................................................... 21 Dělení MVE podle některých parametrů ......................................................... 22 Podle výkonu ................................................................................................... 22 Podle spádu ................................................................................................... 22 Dle nakládání s vodou .................................................................................. 22 Historie ............................................................................................................. 23 Princip činnosti ................................................................................................ 24 Pouţití .............................................................................................................. 24 Charakteristika ................................................................................................. 24 Historie vývoje Kaplanovy turbíny.................................................................. 25 Charakteristika ................................................................................................. 25 Regulace ....................................................................................................... 25 2
Pouţití .............................................................................................................. 25 Vyuţití .............................................................................................................. 26 Účinnost ........................................................................................................... 26 Přílivová energie .............................................................................................. 26 Skočné a hluché dmutí.................................................................................. 27 Geotermální energie ......................................................................................... 28 Biomasa ............................................................................................................... 30 Literatura ............................................................................................................. 32
3
Obnovitelný zdroj energie Obnovitelný zdroj energie je označení některých vybraných, na Zemi přístupných forem energie, získané primárně především z jaderných přeměn v nitru Slunce. Dalšími zdroji jsou teplo zemského nitra a setrvačnost soustavy Země-Měsíc. Lidstvo je čerpá ve formách např. sluneční záření, větrné energie, vodní energie, energie přílivu, geotermální energie, biomasy a další. Definice obnovitelného zdroje podle českého zákona o ţivotním prostředí je: „Obnovitelné přírodní zdroje mají schopnost se při postupném spotřebovávání částečně nebo úplně obnovovat, a to samy nebo za přispění člověka.― Definice podle zákona č. 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře vyuţívání obnovitelných zdrojů): „Obnovitelnými zdroji se rozumí obnovitelné nefosilní přírodní zdroje energie, jimiţ jsou energie větru, energie slunečního záření, geotermální energie, energie vody, energie půdy, energie vzduchu, energie biomasy, energie skládkového plynu, energie kalového plynu a energie bioplynu.― Využití obnovitelných zdrojů V roce 2006 pocházelo asi 18 % celosvětově vyprodukované energie ze zdrojů, označovaných jako obnovitelné. Většina z toho (13 % celkové spotřeby) pochází z tradiční biomasy (především pálení dřeva). Vodní energie, poskytující 3 % celkové spotřeby primární energie, byla druhý největší obnovitelný zdroj. Moderní technologie, vyuţívající geotermální energie, větrná energie, sluneční energie a oceánská energie dohromady poskytovaly asi 0,8 % z celkové výroby. V březnu roku 2007 se představitelé Evropské unie dohodli, ţe v roce 2020 má být 20 % energie členských států vyráběno z obnovitelných zdrojů, aby se omezily emise oxidu uhličitého, který je povaţován za původce globálního oteplování. Investování do obnovitelné energie si vyţádalo náklady ve výši z 80 miliard amerických dolarů v roce 2005 a v následujícím roce náklady ve výši 100 miliard amerických dolarů v roce 2006. Obnovitelné zdroje energie jsou podporovány různými dotacemi nebo zvýhodněnými výkupními cena energie. V České republice je elektřina z obnovitelných zdrojů podporována garantovanými výhodnými výkupními cenami nebo formou tzv. zelených bonusů. Z těchto dvou variant můţe kaţdý vlastník elektrárny, která vyuţívá obnovitelné zdroje energie, volit.
4
V případě, ţe se rozhodnete pro státní výkup, veškerou vyrobenou elektřinu prodáváte distributorovi, který je povinen ji od vás odebrat. V případě, ţe se investor rozhodne spotřebovávat elektřinu sám, inkasuje od ČEZu, E. Onu nebo PRE tzv. zelený bonus. Zelený bonus dostanete na veškerou vyprodukovanou energii. Nespotřebované přebytky můţete volně prodat, tato částka je přičtena k zelenému bonusu. Není zde přitom stanovena hranice, kolik energie musíte sami spotřebovat a kolik ji můţete prodat distributorovi.
Druhy obnovitelných zdrijů energie Energie ze Slunce Většina obnovitelných zdrojů má svůj původ v energii slunečního záření, nepřekvapuje proto, ţe největší potenciál (ve smyslu mnoţství energie, které nám můţe poskytnout) má přímé vyuţití slunečního záření k výrobě tepla nebo elektřiny. Je to asi jediný obnovitelný zdroj, který v případě nutnosti dokáţe pokrýt veškerou současnou potřebu energie. Na Slunci probíhají jiţ několik miliard let termonukleární reakce. Těmito reakcemi se přeměňuje sluneční vodík (který obnovován není) na helium za uvolnění velkého mnoţství energie. Ze Slunce je energie předávána na Zemi ve formě záření. Energetický příkon ze Slunce je ve vzdálenosti, v níţ se nachází Země, přibliţně 1300 W/m2. Tento výkon se označuje jako solární konstanta. Tato energie se vyuţívá přímo, nebo přeměněná na jinou formu: Pokud se tato energie přeměňuje nějakým technickým zařízením (Sluneční kolektor, Fotovoltaický článek) přímo, mluvíme obvykle o sluneční energii. Pokud je tato energie předtím vázána v ţivých organismech (většinou ve formě sloučenin uhlíku — například ve dřevě, olejnatých rostlinách, obilí), mluvíme o bioenergii. Zdrojem bioenergie jsou biopaliva, která se podle skupenství dělí na biopaliva tuhá, kapalná a plynná. V některých oblastech můţe být extenzivní vyuţívání biopaliv kontroverzní záleţitostí. Pokud je tato energie vázána do potenciální energie vody (viz koloběh vody), mluvíme o vodní energii. Pokud se tato energie přemění na kinetickou energii vzdušných mas, mluvíme o větrné energii. Větrná energie můţe uvést do pohybu vodu na hladinách oceánů. Tuto energii nazýváme energií vln Sluneční energie (sluneční záření, solární radiace) představuje v nějaké formě drtivou většinu energie, která se na Zemi nachází a vyuţívá. Vzniká jadernými přeměnami v nitru Slunce. Vzhledem k tomu, ţe vyčerpání zásob vodíku na
5
Slunci je očekáváno aţ v řádu miliard let, je tento zdroj energie označován jako obnovitelný. Projevy Sluneční energie na Zemi Podle zákona zachování energie se sluneční energie, dopadající na planetu Zemi, přeměňuje beze zbytku v jiné formy. Mezi projevy sluneční energie na Zemi tak patří: Energie fosilních paliv, která vznikla v dávné minulosti z rostlinné nebo ţivočišné biomasy uhlí ropa zemní plyn Energie větru - lišící se intenzita ohřevu jednotlivých částí planety vyvolává větrné proudění. Vítr můţe navíc vyvolávat na vodní hladině vznik vln. Energie biomasy, vzniklá přeměnou sluneční energie na energii chemických vazeb v organických sloučeninách fotosyntézou. Sem patří nejen energetické vyuţití biomasy přispalování, ale i potravní vyuţití ţivočichy (konzumenty). Vodní energie, kde sluneční energie představuje hybnou sílu pro koloběh vody. Teplo, které je většinou projevem ztrát při energetických přeměnách Nepřeměněné elektromagnetické záření Slunce, o které bude řeč v tomto článku. Sluneční vítr - proud elementárních částic a jader helia ze Slunce Mezi projevy sluneční energie na Zemi nepatří: Geotermální energie a její projevy (tato energie pochází z období vzniku Země a sluneční soustavy - vzniká jaderným rozpadem a působením slapových sil) termální prameny projevy posunu litosférických desek - zemětřesení, sopečná činnost, vlny tsunami teplotní ohřev hlouběji poloţených míst (v praxi je vyuţíván tepelnými čerpadly) Energie gravitačních sil, především kinetická energie soustavy Měsíc Země - Slunce, projevující se jako příliv Energie atomových jader, vznikající při radioaktivním rozpadu prvků těţších neţ ţelezo nebo naopak slučování prvků lehčích Energie kosmického záření, pocházející ze zdrojů mimo sluneční soustavu
6
Dopad sluneční energie na Zemi Sluneční energie je energií elektromagnetického záření. Spektrum slunečního záření lze rozdělit na: záření ultrafialové (vlnová délka pod 400 nm) záření viditelné (vlnová délka 400 aţ 750 nm) záření infračervené (vlnová délka přes 750 nm) Viditelné záření tvoří asi 45 % dopadajícího záření, přičemţ jeho podíl je vyšší při zataţené obloze (můţe dosáhnout aţ 60 %). V rostlinné fyziologii se pouţívá téţ pojem fotosynteticky aktivní záření, coţ je záření o vlnových délkách přibliţně odpovídajících viditelnému záření (většinou se udává rozsah 380 - 720 nm). Příkon záření dopadajícího na povrch zemské atmosféry činí 1 373 W/m2. Toto mnoţství se nazývá solární konstanta. Ve skutečnosti není konstantní, neboť oběţná dráha Země kolem Slunce je eliptická, a to způsobuje kolísání ve velikosti solární konstanty přibliţně 3 % (asi 40 W/m2). Malé změny solární konstanty jsou téţ spjaty s cykly sluneční aktivity, ty ale dosahují maximálně desetin procenta. Část záření je pohlcena atmosférou. Pohlcení se týká ovšem jen některých vlnových délek: prakticky celé nejkratší části ultrafialového záření (do vlnové délky 290 nm je pohlceno zcela, od 290 do 320 nm zčásti) - pohlcuje ozónová vrstva vybraných vlnových délek infračerveného záření (pohlcení především oxidem uhličitým a vodou) Ve viditelné oblasti je pohlcení jen částečné a závisí na síle vrstvy atmosféry, kterou musí záření projít. Při stejné výšce slunce nad obzorem se tedy větší pohlcení odehrává v rovníkovýchoblastech, naopak menší v polárních oblastech a na horách. Pohlcení v polárních oblastech je ovšem zároveň zvětšeno tím, ţe sluneční paprsky pronikají do atmosféry pod ostrým úhlem a musí tak proniknout delší vrstvou. Mnoţství prošlého záření udává vztah: Rg = Rs * kcosec α * sin α (1) kde jednotlivé veličiny znamenají: Rg - globální záření dopadlé na vodorovný povrch Země v nulové nadmořské výšce (na hladinu moře) Rs - solární konstanta (s korekcí na aktuální vzdálenost Země od Slunce)
7
k - koeficient propustnosti atmosféry (závisí na jejím „zašpinění―), většinou se pohybuje mezi 0,7 a 0,9 α - úhel výšky slunce nad obzorem cosec α - cosecans úhlu α, tj. 1 / sin α Není-li povrch vodorovný, lze psát vzorec (1) přibliţně jako Rg = Rs * kcosec α * sin [α - (α' * cos β)] (2) a pak nově pouţité veličiny značí: α' - úhel naklonění plochy směrem k jihu β - azimut Slunce (jih = 180°) V našich podmínkách činí globální radiace na vodorovném povrchu: v letním poledni max. 1 000 aţ 1 050 W/m2 v zimním poledni max. 300 W/m2 při souvisle zataţené obloze max. 100 W/m2 v noci (při úplňku) max. 0,01 W/m2 Teoreticky můţe být hodnota krátkodobě i přes 1 100 W/m2, a to pokud jsou na obloze rozptýlená světlá oblaka, od nichţ se záření silně odráţí. Základní přeměny Sluneční energie Lze ji popsat rovnicemi pro čistou radiaci Rn = Rg - Ra - Rlw (3) Rn = A + Q + G + H + LE (4) kde jednotlivé veličiny vyjadřují následující: Rn - čistá radiace (po odečtení albeda a dlouhovlnného vyzařování) Ra - albedo (procento odraţeného záření) A - fotosyntéza (vyjádřená v energetických tocích) Q - teplo spotřebované na ohřev vegetace G - tok tepla do půdy H - pociťové teplo LE - latentní teplo výparu neboli evapotranspirace Součin LE představuje energetickou hodnotu vypařené vody, kterou lze vypočítat jako mnoţství vody E (v mm, neboli l/m2) vynásobené měrným latentním teplem výparu L (při teplotě 20 °C platí L = 2439 kJ.kg-1). Protoţe A a Q jsou svým podílem zanedbatelné (obě sloţky činí zpravidla do 1 % čisté radiace), lze tyto členy v rovnicizanedbat a psát ji v zjednodušeném tvaru jako Rn = G + H + LE 8
Poměr nejvýznamnější sloţek, tedy pocitového tepla a latentního tepla, označujeme jako Bowenův poměr β β = H / LE
Využití Sluneční energie Přímé Slunečními paprsky dopadne na povrch Země přibliţně 1 kW/m². Toto číslo se nazývá solární konstanta. Tuto energii lze vyuţít přímo: pro výrobu elektrické energie (obvykle Fotovoltaický článek ale také Stirlingův motor), v zemědělství (skleník) zpracování uţitkové vody (ohřev ale téţ desalinace a desinfekce), vytápění, Nepřímé Nepřímo se sluneční energie v přírodě přeměňuje na: potenciální energii vody (vyuţívaná ve vodních elektrárnách), kinetickou energii vzdušných mas (vítr), a chemickou energii biomasy (včetně fosilních paliv, kde akumulace sluneční energie proběhla před dlouhou dobou). Solární články Solární články (sluneční baterie) jsou polovodičové prvky, světelnou energii v energii elektrickou.
které
mění
Fotoelektrický efekt vysvětluje vznik volných elektrických nosičů dopadem záření. Celkově se daří přeměnit v elektrickou energii jen asi 17% energie dopadajícího záření. Solární články jsou tvořeny polovodičovými plátky tenčími neţ 1 mm. Na spodní straně je plošná průchozíelektroda. Horní elektroda má plošné uspořádání tvaru dlouhých prstů zasahujících do plochy. Tak můţe světlo na plochu svítit. Povrch solárního článku je chráněn skleněnou vrstvou. Slouţící jako antireflexní vrstva a zabezpečuje tak, aby co nejvíce světla vniklo do polovodiče. Antireflexní vrstvy se většinou tvoří napařením oxidu titanu. Tím získá článek svůj tmavomodrý vzhled. Jako polovodičový materiál se pouţívá převáţně křemík. Jiné polovodičové materiály, např. galium arsenid, kadmiumsulfid, kadmiumtellurid, selenid mědi a india, nebo sirník galia se zatím zkoušejí. Krycí sklo chrání povrch solárních článků i před vlivy prostředí.
9
Využití solárních článků Vyuţití těchto článků je různorodé. Od solárních kalkulaček aţ po energetické zabezpečení horských chat v rozsahu jednotek aţ desítek kW. Elektrický výkon je dán celkovou plochou aúčinností solárních článků. Při ploše 1 dm² a plném slunečním svitu můţe dávat článek výkon 1,25 W a to při napětí 0,5 V a proudu 2,5 A. Vyšší napětí se získá sériovým řazením a větší proud paralelním řazením. Panel bývá sloţen z 33 aţ 36 křemíkových solárních článků. Nevýhodou je ale vyšší cena proti klasickým zdrojům. Oblast průmyslu pro výrobu solárních článků a adaptaci sluneční energie zaţívá v současné době rychlý růst a některé programy (jako např. Clean Power from Deserts od kooperace TREC při Římském klubu či projekt solárních ostrovů Spojených arabských emirátů) začínají pozvolna získávat prostor v ohledu pro energetické strategie jednotlivých států. Soustředění sluneční energie na jedno místo Jiný způsob vyuţití sluneční energie je nikoli přijímat ji plošně, ale pomocí soustavy parabolických zrcadel ji odráţet a soustředit do jednoho místa s „receptorem― schopným tuto přesměrovanou energii zpracovat nebo uchovat. Tímto receptorem můţe být i Stirlingův motor. Konstrukce, které tento způsob získávání energie vyuţívají, se označují CSP (akronym z Concentrated Solar Powerplans). Sluneční pec neboli solární tavicí pec je fokusační sběrač, který soustřeďuje sluneční paprsky do jednoho místa. Vyuţívá se odrazu světla od speciálně tvarovaných a orientovaných zrcadel. První a zároveň i největší sluneční pec na světě se nachází v Odeillo ve francouzských Pyrenejích v nadmořské výšce 1700 m. Do provozu byla uvedena roku 1969 zásluhou francouzského vědce Dr. Felixe Trombeho. Celý komplex tvoří parabolické zrcadlo o ploše 2000 m², které je upevněno na 45 m vysoké kancelářské a laboratorní budově. Na stráni proti němu je rozestaveno celkem 63 heliostatů o celkové ploše 2835 m², odráţejících paprsky rovnoběţně na parabolu. Výsledná síla svitu se koncentruje v ohnisku (ohnisková vzdálenost 18 m) v malé věţovité budově, která je před zrcadlem vystavěna, ve vlastní sluneční peci. Samotné parabolické zrcadlo je sestaveno z asi 9500 čtvercových segmentů o straně 45 cm a kaţdé z primárních zrcadel z dalších 180 čtvercových segmentů stejného rozměru. Samotné ohnisko má plochu pouhých 625 cm², coţ udává plošnou koncentraci slunečního záření s 10
faktorem 37 700. Ve skutečnosti ale dochází ke ztrátám způsobených rozptylem a absorbcí. Skutečná koncentrace slunečního záření je proto kolem 20 000. Při běţném slunečním záření v tomto místě je do ohniska pece soustředěno asi 1100 kW. Protoţe je tento druh slunečních pecí smysluplný pouze v oblastech s více neţ 2400 hodinami slunečního svitu ročně, slouţí komplex v Odeillu pouze k vědeckým účelům institutu CNRS (Centre national de la recherche scientifique). Díky příznivým klimatickým podmínkám lze sluneční pec pouţívat více neţ 200 dnů v roce ke zkoumání chování látek při extrémním zahřátí a různým experimentům. Slouţí především účelům vědeckého výzkumu materiálů, vakuovému tavení speciálních slitin a nejrůznějším pokusům v oblasti zkoušek materiálů. Tyto poznatky jsou pak uplatňovány mimo jiné při návrhu nových technologií pro kosmický výzkum. Pec je schopna dosahovat maximálních teplot okolo 3800 °C, coţ představuje absolutní maximum v metalurgii. Během tavení není materiál znečišťován příměsemi, jako se to děje při většině ostatních tavicích postupů. Solární elektrárny Další moţností je vyuţití sluneční energie na výrobu elektřiny (fotovoltaika). Kolik energie sluneční elektrárna vyrobí se odvíjí od intenzity slunečního záření. Pokud je obloha bez mráčku, výkon slunečního záření je kolem 1kW/m2. Kdyţ se však obloha zatáhne, sluneční záření je aţ 10krát méně intenzivní. V tuzemsku je průměrná intenzita slunečního záření odhadována na 950–1340 kW na m2 za rok. Počet slunečních hodin v České republice je v průměru 1330–1800 hodin ročně. Konkrétní údaj váţící se k místu, v němţ plánujete stavět solární elektrárnu, poskytuje Český hydrometeorologický ústav. Vţdy nicméně záleţí na konkrétním místě, které pro stavbu solární elektrárny zvolíme. Intenzitu a dobu slunečního záření ovlivňuje nadmořská výška, oblačnost a další lokální podmínky jako jsou časté ranní mlhy, znečištění ovzduší či úhel dopadu slunečních paprsků. Mnoţství energie z fotovoltaických panelů pro různá místa, čas a sklon je moţné spočítat zde. Na místě je také otázka kapacity. Jinými slovy: kolik se na plochu střechy (či na jiné místo zvolené pro instalaci elektrárny) vejde solárních panelů? Obecně platí, ţe 1 kWp (maximální výkon elektrárny) zabere asi 8–10 m2. Tato plocha je schopna vyrobit přibliţně 1 MWh ročně. Pokud se majitel vyrobenou elektřinu rozhodne prodávat distributorské společnosti (na základě garantované výkupní ceny), za dvanáct měsíců získá zhruba 12 890 Kč.
11
Prodej nebo spotřeba elektřiny Majitel solární elektrárny se můţe rozhodnout, zda vyuţije garantovanou výkupní cenu elektřiny a bude veškerou elektřinu prodávat regionálnímu distributorovi. Ten ji musí od majitele solární elektrárny podle legislativy EU vykupovat. Vlastník solární elektrárny se můţe rozhodnout pro samostatný prodej elektřiny a získat podporu formou zelených bonusů. V tom případě si prodává elektřinu sám (tedy jakémukoli koncovému uţivateli) a od ČEZu, E. Onu či PRE získává zmíněné zelené bonusy. Je třeba upozornit na to, ţe výkupní ceny elektřiny a zelené bonusy, které kaţdoročně stanovuje Energetický regulační úřad (ERÚ), se pro letošní rok sníţily. V případě solárních elektráren klesly výkupní ceny elektřiny o 4,2 %. Pro fotovoltaická zařízení uvedená do provozu v roce 2009 platí tyto ceny: V případě solární elektrárny do 30 kW je stanovena na 12,89 Kč za 1 kWh (zelený bonus na 11,91 Kč za 1 kWh), pokud je instalovaný výkon sluneční elektrárny nad 30 kW, pak je výkupní cena stanovena na 12,79 Kč za 1 kWh (zelený bonus na 11,81 Kč za 1 kWh). Tyto ceny jsou garantovány po dobu 20 let provozování konkrétního zařízení. Pro provozovatele je jistě zajímavá i skutečnost, ţe je po dobu pěti let osvobozen od daní z příjmů. Ţivnostenský list není nutné zřizovat. ERÚ vám pouze vystaví licenci a přidělí IČ. Pokud porovnáme výkupní cenu 1kWh elektřiny vyrobené v solární elektrárně a cenu 1 kWh, za níţ domácnost elektřinu nakupuje (cca 4,65 Kč), je zřejmé, ţe vlastnit solární elektrárnu se vyplatí – výkupní cena je totiţ asi třikrát vyšší neţ cena, za níţ 1 kWh domácnosti od elektrárenských společností nakupují. Pokud tedy domácí solární elektrárna nepokryje spotřebu rodinného domu, lze i přesto na jejím provozu vydělat prodejem veškeré, resp. zbylé elektřiny. Pro prorovnání - Jaderná elektrárna dukovany vyrábí 1kWh za 0,60Kč Bohuţel dokud nebude účinost a cena solárních panelů na takové úrovni aby cena vyrobené energie byla maximálně cca trojnásobkem ceny elektřiny z jaderné elektrárny, nelze o ekologičnosti tohoto zdroje energie hovořit. Dněšní solární panely nejsou bez dotací schopny za svoji ţivotnost pokrýt pořizovací náklady. Solární ostrovy Solární ostrov (Solar island) dostalo označení projektu, na kterém v současné době spolupracují Spojené arabské emiráty ve spolupráci s jistou švýcarskou inţenýrskou firmou. Výsledkem návrhu je umělý ostrov – na moři plovoucí objekt kruhového tvaru s několika stovkami aţ tisíci zrcadel, odráţejících dopadající sluneční energii na (pravděpodobně kovovou) kolonu (potrubí), které taktéţ tvoří svrchní část solárního ostrova. V tomto potrubí 12
cirkuluje voda, kterou přijmuté záření dokáţe přivést k varu. Vzniklá pára poté začne pohánět turbínu ve středu ostrova (kam se toto potrubí sbíhá), kde má být tato energie některou z dostupných technologií uloţena. Projekt předpokládá, ţe jeden takovýto průměrný solární ostrov bude vyrábět řádově GigaWatty energie z dopadajícího slunečního záření.
Větrná energie Větrná energie je dalším obnovitelným zdrojem energie. Síla větru byla jiţ dříve vyuţívána například k pohánění větrných mlýnů. V současné době je větrná energie vyuţívána hlavně pro výrobu elektřiny pomocí větrných elektráren. Kaţdý stát má přitom jiné podmínky pro rozvoj větrné energie. Nejlépe jsou na tom například státy, které mohou instalovat větrníky do moře. Větrné elektrárny Podle velikosti vrtule a výrobní kapacity můţeme rozlišovat tři základní typy větrných elektráren: malé, střední a velké. Malými větrnými elektrárnami nazýváme taková zařízení, jeţ mají instalovanou kapacitu do 60 kW a průměr vrtule maximálně 16 m. Podtypem v této kategorii jsou tzv. mikrozdroje (s kapacitou do 2,5 kW a průměrem vrtule do 3 m), které jsou uţívány zejména pro napájení baterií či domácích elektrospotřebičů. Malé větrné elektrárny od 2,5 do 10 kW slouţí hlavně pro vytápění domů či ohřev vody. Rychlost větru můţeme změřit anemometrem. Ten je moţné běţně zakoupit. Jeho cena se pohybuje kolem jednoho či dvou tisíc korun. Rozběhová rychlost větru u většiny malých větrných elektráren je kolem 3–3,5 m/s. K tomu, aby podaly slibovaný výkon, který by dokázal pokrýt alespoň částečně základní spotřebu elektřiny, je však potřeba vyšší rychlost větru. Zde pochopitelně hlavně záleţí na konkrétních parametrech uţívaného zařízení. Větrná energie je označení pro oblast technologie zabývající se vyuţitím větru jako zdroje energie. Nejobvyklejším vyuţitím jsou dnes větrné elektrárny, které vyuţívají síly větru k roztočení vrtule (větrná turbína). K ní je pak připojenelektrický generátor. Získaná energie je přímo úměrná třetí mocnině rychlosti proudící vzdušné masy, proto větrné elektrárny po většinu doby nedosahují nominálních hodnot generovaného výkonu. V historii se místo převodu na elektřinu přímo konala nějaká mechanická práce. Větrný mlýn například mlel obilí, větrnými stroji se čerpala voda, lisoval olej, stloukala plsť nebo poháněly katry. Vítr se také pouţívá k pohonu dopravních prostředků, nejvíc u lodí (plachetnice).
13
Teoreticky dosažitelný výkon Proudící vzduch předává lopatkám větrné elektrárny část své kinetické energie. Albert Betz v roce 1919 odvodil teoreticky maximální dosaţitelnou účinnost větrného stroje na 59% (Betzovo pravidlo). Kinetická energie větru se v turbíně mění na energii otáčivého pohybu a následně v generátoru na energii elektrickou. Teoreticky dosaţitelný výkon činí v případě jednotkové plochy , kde kB je Betzův koeficient 0,59 Pro reálné turbíny s průměrem rotoru D (tedy délkou lopatky D/2) se pouţívá vzorec
rovný 0,59
, kde cp je součinitel výkonnosti, v ideálním případě
Účinnost Součinitel výkonnosti je sám o sobě funkcí rychlosti větru a je dán konstrukčním řešením turbíny, konkrétně převodní křivkou úhlu natočení lopatek turbíny v závislosti na rychlosti větru. To, v kombinaci s kubickou závislostí na rychlosti větru způsobuje pronikavou závislost skutečného výkonu na rychlosti větru (při poloviční rychlosti je výkon osminový atd.). Další podstatnou hodnotou, definující účinnost větrného zdroje je koeficient ročního vyuţití k, definovaný jako poměr skutečně odvedeného výkonu k teoreticky moţnému výkonu zdroje za rok. V českých podmínkách se k pohybuje v mezích 0,1-0,2, pro velmi větrné lokality dosahuje teoreticky aţ 0,28. Statisticky podle dat ČSÚ za rok 2007 však dosahuje koeficient ročního vyuţití větrných elektráren v ČR pouze 12,71 % (za rok 2005 to bylo pouze 11 %). Hodnota ovšem značně závisí na zvolené lokalitě - větrná farma Sternwald na rakousko-českých hranicích ve východní části Šumavy dosáhla se 7 větrnými elektrárnami o instalovaném výkonu 14 MW koeficientu ročního vyuţití za rok 2006 21,9 %, za první 4 měsíce roku 2007 se dokonce podařilo dosáhnout hodnoty průměrného vyuţití 32,3 % (přičemţ po zbytek téhoţ roku to bylo necelých 20%). Rychlost větru v obecných podmínkách Spektrum rozloţení hustoty rychlostí větru v dané lokalitě je poměrně dobře popsatelné Rayleighovým rozdělením jako speciálním případemrozdělení Weibullova. Jde o funkci , kde v je náhodně proměnná rychlost větru, β = 2 je tvarový parametr rozloţení a η odpovídá střední hodnotě rychlosti větru
14
Je zřejmé, ţe maximum hustoty výskytu rychlostí bude vţdy leţet vlevo od hustoty výskytu střední rychlosti větru. Pro reálné pouţití má smysl pracovat s pravděpodobností výskytu rozsahu rychlostí větru v intervalu (v 1,v2), kterou lze určit jako
Hlučnost větrných elektráren Větrné elektrárny jsou zdrojem neţádoucího hluku. Jeho hlavními původci (zde a dále jsou uvaţovány zdroje, pracující s vrtulí na nabíhající vzdušný proud) jsou aerodynamické hluky obtékání listů vrtule, gondoly a dříku stavby, turbulence, vznikající obtékáním náběţné hrany listu, víry v okolí konců vrtulových listů, turbulence nad odtokovou hranou listu a hluk laminárního proudění. Dále je hluk produkován mechanickými částmi konstrukce (servomotory a jejich převody, čerpadla, chladicí ventilátory měničů a mechanismů) a generátorem. Mimo slyšitelné pásmo v oblasti frekvencí 2-31,5 Hz (infrazvuk) je hluk větrných elektráren na úrovni přirozeného pozadí. Šíření hluku větrného zdroje V praxi je jako model šíření pouţívána náhrada prostředí hemisférou s homogenními vlastnostmi. V tomto modelu lze určit hlasitost hluku s danou intenzitou a v dané vzdálenosti dle vzorce kde R je vzdálenost od zdroje hluku a α je součinitel absorpce, přijímaný pro suchý vzduch α=0.005 dBm-1, přičemţ zdroj hluku je povaţován za bodový. Metodika měření je dána IEC 61400-11 ve druhém vydání. České hygienické normy připouštějí maximální úroveň hluku v obytné zástavbě 50 dBA ve dne a 40 dBA v noci, přípustná úroveň hluku ve volné přírodě není stanovena. Infrazvuky Zdrojem infrazvuků jsou zejména mechanické části konstrukce větrných turbín. Pro stanovení jejich intenzity nelze pouţívat hlukoměry s filtrem křivky A (ekvivalent citlivosti ucha), který infrazvuky potlačuje. Hluk větrných elektráren, emitovaný v infrazvukové oblasti dosahuje aţ 70 dB (Vestas V-52 70 dB na frekvenci 16 Hz, Vestas V-80 72 dB ve frekvenčním rozsahu 4-26 Hz), coţ v tomto pásmu odpovídá přirozenému hlukovému pozadí. Infrazvukové vlnění se kromě vzdušné cesty šíří i konstrukcí dříku a základovou deskou do okolí.
15
Větrná turbína je stroj, který přeměňuje kinetickou energii větru na mechanickou energii (rotace hřídele). Turbína je roztáčena větrem proudícím přes lopatky turbíny. Jestliţe je mechanická energie pouţívána přímo strojem (např. čerpadlo nebo pohon mlýnských kamenů), pak se takové zařízení běţně označuje větrný mlýn. Ale kdyţ je mechanická energie přeměňována na elektřinu, stroj se pak nazývá větrný generátor. Základní typy větrných turbín Mnohalopatkový rotor Typické vyuţití: čerpání vody, výroba elektrické energie Počet listů rotoru: aţ 150 Účinnost: 20 - 43% Náběhová rychlost (m/s): 0,16 Poznámka: uvádí se, ţe výkon stoupá s 3. mocninou rychlosti větru Vrtule Typické vyuţití: výroba elektrické energie (střídavý a třífázový proud) Počet listů rotoru: 1 - 4 Účinnost: ~45 % (max. se uvádí 48 %) Náběhová rychlost (m/s): 3 - 6 Poznámka: nejpouţívanější typ Savoniův rotor Typické vyuţití: čerpání vody, výroba stejnosměrné elektrické energie Počet listů rotoru: 2 Účinnost: ~20 (max. se uvádí 23 %) Náběhová rychlost (m/s): 2 - 3 Darrierův rotor Typické vyuţití: výroba elektrické energie (střídavý a třífázový proud) Počet listů rotoru: 2 - 3< Účinnost: 38 % (max. se uvádí 48 %) Náběhová rychlost (m/s): 5 - 8 Poznámka: vyţaduje pomoc při náběhu Teorie větrné turbíny Teoreticky dosažitelný výkon Proudící vzduch předává lopatkám větrné turbíny část své kinetické energie. Albert Betz v roce 1919 odvodil teoreticky maximální dosaţitelnou účinnost větrného stroje na 59% (Betzovo pravidlo). Kinetická energie větru se v turbíně mění na energii otáčivého pohybu a následně v generátoru na energii elektrickou. Teoreticky dosaţitelný výkon činí v případě jednotkové plochy , kde kB je Betzův koeficient 0,59
16
Pro reálné turbíny s průměrem rotoru D (tedy délkou lopatky D/2) se pouţívá vzorec , kde cp je součinitel výkonnosti, v ideálním případě rovný 0,59 Součinitel výkonnosti je sám o sobě funkcí rychlosti větru a je dán konstrukčním řešením turbíny, konkrétně převodní křivkou úhlu natočení lopatek turbíny v závislosti na rychlosti větru. To, v kombinaci s kubickou závislostí na rychlosti větru způsobuje pronikavou závislost skutečného výkonu na rychlosti větru (při poloviční rychlosti je výkon osminový atd.). Další podstatnou hodnotou, definující účinnost větrného zdroje je koeficient ročního vyuţití k, definovaný jako poměr skutečně odvedeného výkonu k teoreticky moţnému výkonu zdroje za rok. V českých podmínkách se k pohybuje v mezích 0,1-0,2, pro velmi větrné lokality dosahuje teoreticky aţ 0,28. Hodnota ovšem značně závisí na zvolené lokalitě - větrná farma Sternwald na rakousko-českých hranicích ve východní části Šumavy dosáhla se 7 větrnými generátory o instalovaném výkonu 14 MW koeficientu ročního vyuţití za rok 2006 21,9 %, za první 4 měsíce roku 2007 se dokonce podařilo dosáhnout hodnoty průměrného vyuţití 32,3 % (přičemţ po zbytek téhoţ roku to bylo necelých 20%).
Vodní energie Vodní energie je technicky vyuţitelná potenciální, kinetická, nebo tepelná energie veškerého vodstva na Zemi. Jedná se hned po biomase o druhý nejvýuţívanější obnovitelný zdroj energie. Nejvíce se v dnešní době vyuţívá přeměny ve vodních elektrárnách na elektrickou energii . Historie Vodní energie se vyuţívá jiţ od starověku. Nejprve to bylo k dopravě (splavování lodí a vorů či dřeva po proudu řek), později k pohonumechanismů (mlýnů, hamrů, čerpadel – například vodního trkače – a pil). K rozšíření jejího vyuţívání v Evropě došlo v období středověku primárně zásluhou mnišskýchřádů (především benediktinů a cisterciáků), jejichţkláštery ji
17
nejen hojně vyuţívaly, ale téţ si mezi sebou relativně rychle předávaly vylepšení zvyšující efektivitu jejího vyuţití. První vodní elektrárna byla postavena v Appletonu ve státě Wisconsin v USA v roce 1882. Výroba elektřiny je dnes převaţujícím způsobem vyuţití vodní energie. Velký podíl celkové produkce elektřiny vykazují vodní elektrárny např. v Norsku (99,5 %), Švýcarsku nebo v Kanadě. Důleţité jsou dnes ipřečerpávací vodní elektrárny, které akumulují energii a vyrovnávají rozdílnou spotřebu elektrické energie, hlavně z toho důvodu, ţe jaderné atepelné elektrárny mění svůj výkon velmi obtíţně. Mezi obnovitelnými zdroji energie v České republice dominují vodní elektrárny. Převáţnou většinu obnovitelných zdrojů získává ČEZ nikoli díky solárním farmám či polím osázeným větrnými elektrárnami (tzv. větrné parky), ale pomocí „klasických― vodních elektráren. V současnosti 21 vodních děl vyrábí zhruba 83 % obnovitelné energie skupiny ČEZ (830 MWh elektrické energie). Vodní elektrárna Vodní elektrárna je výrobna elektrické energie, jedná se o technologický celek, přeměňující potenciální energii vody na elektrickou energii. Jedná se také o vodní dílo ve smyslu platných právních předpisů. Obvyklý typ říční vodní elektrárny se skládá z přehradní hráze, nebo jezu, tj vodní stavby, která zadrţuje vodu a strojovny, obsahující vodní turbíny a alternátory, turbíny s alternátory tvoří vţdy soustrojí umístěné na společném hřídeli. Rozdělení vodních elektráren Vodní elektrárny dělíme na: vodní elektrárny malé vodní elektrárny (MVE) (do 10 MW včetně) přečerpávací vodní elektrárny přílivové elektrárny Mnoţství vyuţitelné energie vodního toku závisí na výškovém rozdílu (čili na spádu resp. vzájemném převýšení) dvou různých vodních hladin a na mnoţství protékající vody (průtoku vody). Pro energetické vyuţití jakéhokoliv vodního toku bývá většinou nutné uměle vytvořit výškový rozdíl hladin. Toho dosahujeme tzv. vzdutím vody, coţ bývá zajištěno zřízením niţších jezů či vyšších přehrad. U přečerpávacích vodních elektráren bývá obvyklé vzdutí navíc doplněno o zvláštní výše poloţenou nádrţ, tzv. (horní nádrţ), která můţe být umístěna někde stranou od původního vodního toku. 18
Jezy Jezy lze dosáhnout spádů jen 10 aţ 20 m. Vodním elektrárnám konstruovaným pro tyto malé spády říkáme nízkotlaké průtočné. Kaplanovy turbíny je moţné pouţít i pro velmi malé spády okolo 0,6 metrů i na těch nejmenších jezech. Přehrady Přehradou lze vzdout vodu aţ do výše 100 m. Takovým elektrárnám říkáme středotlaké. Pokud pouţívají spády ještě vyšší, nazýváme je vysokotlaké. V České republice je dnes většina vodních elektráren postavena právě při přehradách, v minulosti však bývaly malé vodní elektrárny v provozu téměř na kaţdém jezu. Přehrada s elektrárnou Hráz přehrady bývá většinou tvořena litým betonem, v praxi se vyskytují i menší hráze sypané. Uvnitř hráze se nachází revizní, větrací a drenáţní chodby (pro odvod prosakující vody). Ocelovým potrubím je voda vedena k vodním turbínám. Vstup vody do potrubí je opatřen čisticím zařízením zvaným česle a rychlouzávěrem, který při poruše uzavře přívod vody. Elektrárna se obvykle nachází pod přehradní hrází; někdy je do ní rovnou vestavěna. Výhody a nevýhody vodních elektráren Mezi výhody patří zejména to, ţe energie vodních toků se počítá k obnovitelným zdrojům - nelze ji vyčerpat. Zároveň její provoz minimálně znečišťuje okolí. Vodní elektrárny vyţadují minimální obsluhu i údrţbu a lze je ovládat na dálku. Mohou startovat během několika sekund a dispečink je tak můţe pouţívat jako špičkový zdroj k pokrytí okamţitých nároků na výrobu elektrické energie. Nevýhodou je značná cena a čas výstavby a nutnost zatopení velkého území. Neopomenutelná je závislost na stabilním průtoku vody. Přehradní hráz dokáţe zabránit i menším povodním, velké katastrofální povodně však ovlivňuje velmi málo Přehradní hráze a jezy brání běţnému lodnímu provozu na řece, je nutno vybudovat systém plavebních komor resp. zdymadel Přehradní jezera mohou slouţit i pro jiné další účely, zejména pro rekreační účely nebo jako zdroje pitné či uţitkové vody čili pro vodohospodářské účely, často bývají vhodné i pro říční rybolov
19
Přečerpávací vodní elektrárny Jelikoţ se elektrická energie nedá nijak skladovat, pouţívá se potenciální energie vody k její přeměně na energii elektrickou a naopak. Pokud je spotřeba elektrické energie minimální (tj. je jí v napájecí soustavě přebytek), pracují soustrojí v opačné roli, turbíny v roli čerpadel a alternátory v roli synchronních elektromotorů. Soustrojí plní horní nádrţ přečerpávací elektrárny vodou z dolní nádrţe, systém spotřebovává elektrickou energii z elektrorozvodné sítě, chová se tedy jako velký spotřebič elektrické energie. Spotřebovává tak obvykle elektrickou energii vyrobenou z jiných zdrojů, zpravidla se jedná o energii získanou z provozu tepelných či jaderných elektráren. Pokud je naopak tzv. energetická špička nebo nastává-li poţadavek na maximální odběr (tj. elektrické energie je v napájecí soustavě nedostatek), pracují naopak turbíny a alternátory v normálním reţimu. Voda z horní nádrţe je v tomto případě řízeně vypouštěna do dolní nádrţe přes turbíny elektrárny. Akumulovaná potenciální energie vody je tím vlastně přeměňována zpět na energii elektrickou, která se tak opoţděně vrací zpět do elektrorozvodné sítě. Jedná se o doposud jediný technicky proveditelný způsob, pomocí něhoţ lze vyrobenou elektrickou energii ve velkém měřítku po delší dobu skladovat. Důvody stavby Výkon především jaderných a velkých tepelných elektráren je moţné během dne měnit jen velmi omezeně. Navíc je velmi neekonomické stavět velké energetické zdroje, které by byly v provozu jen po zlomek dne, provoz takové elektrárny by byl neúměrně drahý. Jaderné elektrárny a velké tepelné elektrárny jsou proto téměř vţdy provozovány v základním zatíţení sítě, kdeţto vodní elektrárny – a přečerpávací elektrárny zvláště – jsou pouţívány pro pokrytí špičkových spotřeb energie, fungují tedy zejména při špičkovém zatíţení sítě. Význam přečerpávacích elektráren se zvyšuje rovněţ rozšiřováním alternativních zdrojů energie (v současnosti především energie získávané z větru), jejichţ výkon se nedá regulovat téměř vůbec. Princip Přečerpávací vodní elektrárna má dvě vodní nádrţe. Jedna z nich je umístěna na níţe poloţeném místě (dolní nádrţ), druhá pak na vyšším místě (horní nádrţ). Obě dvě nádrţe jsou spojeny spádovým potrubím o velkém průměru. V noci se vyuţívá přebytečná energie z elektrorozvodné sítě a voda se přečerpává z dolní nádrţe do horní (elektrárna se v tomto reţimu chová jako velký spotřebič elektrické energie, vyrobené z jiných zdrojů energie). V horní nádrţi se tak vytvoří velké zásoby vody. Ve chvíli, kdy vznikne v napájecí elektrorozvodné síti potřeba většího mnoţství špičkové energie, je voda řízeně vypouštěna z horní nádrţe do dolní nádrţe přes turbínu vodní elektrárny a elektrická energie spotřebovaná na její noční přečerpání se tak během dne vrací zpět do elektrorozvodné sítě. 20
Fungování Během přečerpávání se energie samozřejmě ztrácí, za kaţdou kilowatthodinu elektrické energie, kterou je třeba během špičky pouţít, je nutné mimo špičku akumulovat asi 1,3 kWh do potenciální energie vody. Celková energetická účinnost obvykle nepřevyšuje 80 %. První přečerpávací elektrárny měly dva samostatné okruhy – turbínu s alternátorem na výrobu elektřiny a čerpadlo poháněné elektromotorem na čerpání vody. To se později ukázalo jako zbytečné, protoţe kaţdý alternátor lze přepnout tak, aby pracoval jako synchronní elektromotor. Přechod z čerpání na výrobu elektřiny trvá u těchto systémů obvykle jen 3 aţ 6 minut, vodní turbíny zde pak pracují v opačné roli čerpadel vody. Přečerpávací vodní elektrárny v Česku V Česku jsou vybudovány čtyři přečerpávací vodní elektrárny: Vodní dílo Dalešice, které se skládá z horní nádrţe Dalešice a dolní nádrţe Mohelno, leţí na řece Jihlavě asi 30 km od Třebíče. Hlavní funkce díla jsou zásobárna technologické vody pro provoz Jaderné elektrárny Dukovany, výroba elektrické energie, vyrovnávání minimálních a maximálních průtoků, zásoba vody pro zemědělství (závlahy) a v neposlední ředě k rekreaci. Přehradní hráz Dalešic je nejvyšší sypanou hrází v Česku a ve střední Evropě. Přečerpávácí elektrárna Dalešice je nejrychleji najíţdějící elektrárnou v Česku, proto plní nenahraditelnou funkci v době špiček a energetických krizí. Společně s elektrárnou Mohelno mohou najet i kdyţ budou odpojeny od vnější sítě, například v době výpadku nebo v době války. Svým výkonem 480 MW je druhou největší vodní elektrárnou v Česku co do instalovaného výkonu. Jsou zde 4 Francisovy turbíny, které jsou svými rozměry největší v Česku a podobné se nacházejí jen v Polsku a Argentině. Dlouhé Stráně má nejvyšší instalovaný výkon v Česku - 650 MW. Byla zprovozněna v roce 1996 a v roce 2007 prošla generální rekonstrukcí, protoţe v době stavby nebyla dodrţena všechna hlediska kvality. Její umístění přímo doprostřed horského masivu Hrubého Jeseníku bylo z hlediska ochrany horské přírody a ţivotního prostředí často kritizováno. Z technického hlediska se jedná o velice zajímavý objekt, kde se aktivně pouţívají Francisovy turbíny. Vodní elektrárna Štěchovice je třetí, nejmenší a nejstarší přečerpávácí vodní elektrárnou v Česku. Dolní nádrţ je součástí Vltavské vodní kaskády a horní nádrţ je uměle vybudovaná na kopci Homole. Zajímavá je tím, ţe konstrukce hráze plně odpovídá poţadavkům lodního provozu na řece Vltavě. Instalovaný výkon přečerpávací elektrárny je 45 MW. Vodní elektrárna Černé jezero leţící na Šumavě. Roku 1960 byl čerpadlový provoz omezen, tento stav trvá dodnes.
21
Malé vodní elektrárny - MVE Jako malé vodní elektrárny se označují vodní elektrárny s instalovaným výkonem maximálně do 10 MW. Malé vodní elektrárny se většinou budují v místě bývalých mlýnů a jezů. Evropská unie však povaţuje za MVE vodní elektrárny do výkonu 5 MW. Velká většina výkonu vodních elektráren (cca 90 %) je z elektráren o výkonu větším neţ 5 MW a zbylých cca 10 % je z MVE podle evropského řazení. Pro konstrukci malých vodních elektráren se často pouţívá Bánkiho turbína, která je konstrukčně velmi jednoduchá a tím i ekonomicky výhodná na pořízení. Dělení MVE podle některých parametrů Podle výkonu průmyslové (od 1 MW) minielektrárny (do 1 MW) mikrozdroje (do 0,1 MW) domácí (do 35 kW) Podle spádu nízkotlaké (do 20 m) středotlaké (20 – 100 m) vysokotlaké (od 100 m) Dle nakládání s vodou průtokové akumulační přečerpávací Největší vodní elektrárny Největší instalovaný výkon má elektrárna na přehradě Tři soutěsky v Číně 18 200 MW po dokončení v roce 2009. Z hlediska energetiky je česká „nej― na přečerpávací vodní elektrárně Dlouhé Stráně: největší instalovaný výkon 2x325 MW, největší spád 510,7 m a největší reverzní Francisovy turbíny v Evropě (325 MW). Vodní turbíny Turbína je mechanický rotační stroj skládající se z jednoho nebo více pohyblivých lopatkových kol umístěných na společné hřídeli, mezi nimiţ
22
aktivně prochází kapalina nebo plyn. Kinetická, tepelná a tlaková energie proudícího plynu nebo kapaliny je v turbíně přeměňována na rotační pohyb hřídele stroje. Turbína má mnohostranné vyuţití. Pouţívá se jako pohonná jednotka např. v leteckých motorech ať uţ v proudových letadel, nebo přímo jako turbohřídelová jednotka (vrtulníky, vrtulová letadla). Jsou jí poháněny turbokompresory v autech nebo turbočerpadlo,např. v raketách nebo na plynovodech. Velmi významné je její pouţití v energetice, kde se turbíny vyuţívají především jako primární poháněcí stroje pro elektrické alternátory, vyrábějící elektrickou energii do veřejné elektrorozvodné sítě. Turbíny u některých speciálních typů vodních přečerpávacích elektráren jsou konstruovány tak, ţe mohou slouţit (ve zpětném chodu) také jako čerpadla vody - (kupř.Francisovy turbíny). Vodní turbína je točivý mechanický stroj, který přeměňuje kinetickou či tlakovou energii vody na mechanickou energii. Předchůdcem vodní turbíny bylo vodní kolo (známé také jako mlýnské kolo). Spolu s elektrickým generátorem resp. alternátorem spojeným s turbínou je hlavní součástí vodních elektráren. Generátor převádí mechanickou energii turbíny na energii elektrickou. Francisova turbína je typ vodní turbíny, vyvinutý Jamesem B. Francisem. Jedná se o přetlakovou turbínu. Má dvě varianty podle uloţení hřídele a to vertikální a horizontální. Francisovy turbíny dnes patří mezi nejpouţívanější. Pouţívají se především pro produkci elektrické energie. Historie V minulosti často pouţívané vodní kolo slouţilo jako pohon pro mlýny nebo hamry. Jeho nevýhodou byla ale nedostatečná efektivita. V 19. století se podařilo jeho efektivitu zvýšit natolik, ţe vodní turbína mohla úspěšně soupeřit s parním strojem. V roce 1826 Benoit Fourneyron vyvinul vysoce efektivní (80%) vodní turbínu, kde voda vtékala na oběţné kolo tangenciálně. Jean-Victor Poncelet vyvinul v roce 1820 turbínu na podobném principu. S. B. Howd získal v USA v roce 1838 patent pro další turbínu tohoto typu. V roce 1848 James B. Francis vylepšil tyto předchozí turbíny a podařilo se mu dosáhnout celkové 90% efektivity. Pomocí vědeckých postupů a sady testů a měření vytvořil maximálně efektivní turbínu. Jeho metody výpočtů a měření navíc značně pozvedly technologii návrhu a stavby turbín. Pomocí jeho 23
analytických metod lze navrhnout maximálně efektivní turbínu, která bude přesně odpovídat poţadavkům na konkrétní zařízení. Princip činnosti Francisova turbína je přetlaková turbína, coţ znamená, ţe pracovní kapalina během své cesty strojem mění tlak a přitom odevzdává svou energii. Oběţné kolo (rotor) turbíny se nachází mezi vysokotlakým přívodem a nízkotlakou savkou většinou v patě přehrady. Vstupní potrubí má tvar spirály. Voda je pomocí věnce rozváděcího kola (tangenciálně) směřována na oběţné kolo. Lopatky rozváděcího kola jsou někdy konstruovány jako stavitelné, aby se turbína mohla (do určité míry) přizpůsobit různému vodnímu průtoku. Z oběţného kola vystupuje voda ve směru osy otáčení (axiálně). Jak voda prochází oběţným kolem, její rotační rychlost se zmenšuje a zároveň odevzdává energii oběţnému kolu. Tento efekt (spolu s působením samotného vysokého tlaku vody) přispívá k efektivitě turbíny. Použití Francisovy turbíny se pouţívají v energetice. Pouţívají se především pro střední stabilní průtoky a střední spády. Jsou výhodné zejména u přečerpávacích elektráren, kde lze turbínu zapojit jako pumpu. Například největší evropská přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé Stráně pouţívá dvě Francisovy turbíny o výkonu 325 MW. Kaplanova turbína je přetlaková axiální turbína s velmi dobrou moţností regulace. Toho se vyuţívá především v místech, kde není moţné zajistit stálý průtok, nebo spád. Turbínu vynalezl profesor brněnské techniky Viktor Kaplan. Od svého předchůdce, Francisovy turbíny, se liší především menším počtem lopatek, tvarem oběţného kola a především moţností regulace náklonu lopatek u oběţného i rozváděcího kola. Charakteristika Má vyšší účinnost neţ Francisova turbína, ale je výrazně sloţitější a draţší. Pouţívá se pro spády od 1 do 70,5 m (coţ je spád na vodní elektrárně na Orlíku) a průtoky 0,15 aţ několik desítek m3/s. Největší hltnost na světě mají Kaplanovy turbíny na vodní elektrárně Gabčíkovo na Dunaji a to aţ 636 m3/s, při spádu 12,88–24,20 m. Obecně se dá říct, ţe se pouţívá především na malých spádech při velkých průtocích, které nejsou konstantní. V závislosti na rozdílu hladin můţe být instalována buď se svislou nebo s vodorovnou osou otáčení.
24
Historie vývoje Kaplanovy turbíny Kaplan jako první vzal při teoretickém návrhu turbíny v úvahu vazkost vody. V letech 1910-1912 proto navrhl na základě svých úvah nový tvar oběţného kola. První prototyp Kaplanovy turbíny byl vyroben brněnskou firmou Ignác Storek v roce 1919. Po zkouškách se ukázalo, ţe turbína dosahuje vynikající mechanické účinnosti aţ 86 %. Další prototyp byl úspěšně vyzkoušen v poděbradské elektrárně. Později, kdyţ se Kaplanovým ţákům podařilo vyřešit i problémy s kavitací, se tato turbína stala nejvýznamnějším typem turbíny uţívaným ve velkých vodních elektrárnách po celém světě. Začátkem jejího úspěchu byla úspěšná montáţ tehdy největší turbíny světa ve švédském Jlla Edet v roce 1925. Kaplanovy turbíny byly velice úspěšným vývozním artiklem československého strojírenství. Peltonova turbína je rovnotlaká turbína s parciálním tangenciálním ostřikem. Účinnost u malé turbíny je 80 aţ 85%, u velké 85 aţ 95%. Peltonova turbína byla vynalezena Lesterem Allanem Peltonem (1829–1908) v roce 1880. Charakteristika Peltonova turbína je tangenciální rovnotlakou turbínou. Voda proudí tečně na obvod rotoru pomocí trysek. Rozvaděčem je dýza na přívodním potrubí, z níţ voda vystupuje kruhovým paprskem a dopadá na lopatky lţičkovitého tvaru. Kaţdá z lopatek se postaví proti směru toku vody a tak otočí její směr. Výsledkem vzniklých sil je pohyb rotoru turbíny. Peltonova turbína je nejefektivnější v případě vysokého tlaku přívodní vody. Jelikoţ voda je jen obtíţně stlačitelná, téměř všechna její energie je předána turbíně. Proto stačí pouze jediné oběţné kolo k převedení energie vody na energii rotoru. Regulace Průtok vody – a tím i výkon turbíny se reguluje změnou výtokového průřezu dýzy zasouváním regulační jehly. K posuvu jehly se většinou pouţívá servomotor. Rychlý zásah regulace – sníţení výkonu – se provádí odkloněním vodního paprsku. Použití Peltonovy turbíny se pouţívají pro vysoký spád vody a malý průtok. Jsou vyráběny ve všech moţných velikostech. Pro pouţití v energetice se pouţívá vertikální uloţení a výkon aţ 200 MW. Nejmenší turbíny jsou veliké několik desítek centimetrů a pouţívají se pro malé vodní elektrárny s velkým spádem. Rozsah pouţití je od 15 m aţ po 1800 m. 25
Bánkiho turbína je jednoduchá rovnotlaká vodní turbína. Zvláštností je, ţe lopatky oběţného kola jsou obtékány ve dvou směrech. Vynalezl ji Donát Bánki v roce 1917. Je uţívána v malých vodních elektrárnách. Oběţné kolo Bánkiho turbíny je tvořeno dvěma kruhovými deskami, mezi nimiţ jsou jednoduché lopatky (připomíná mlýnské kolo). Kolo je uloţeno ve skříni, z níţ z jedné strany přitéká usměrněný proud vody. Voda přes lopatky vtéká dovnitř kola a odtud opět přes lopatky vytéká na druhé straně skříně ven. Při kaţdém průtoku lopatkami odevzdá část své energie. Využití Tento typ turbíny je pro svou konstrukční jednoduchost oblíben u malých vodních elektráren, kde by konstrukce dokonalejších (a tím i draţších) typů turbín nebyla ekonomická. Účinnost Energetická účinnost Bánkiho turbíny dosahuje 70-85 %. Savoniova turbína je typ vodní turbíny, pracující na odporovém principu. Turbína vyuţívá rozdílného koeficientu odporu proudícího média, působícího na vydutou a vypuklou plochu. Rotor běţné Savoniovy turbíny je tvořen dvojicí či trojicí lopatek polokruhovitého nebo ledvinovitého tvaru. Vnitřní okraje lopatek zasahují aţ za střed rotoru, a tak umoţňují průtok média mezi jejich zadními stranami. Osa otáčení je kolmá na směr proudění. Savoniova turbína má malou účinnost (ve vodním provedení pouze 15–20%). Je však poměrně jednoduchá na výrobu a proto se zvláště její větrná varianta občas pouţívá. Pokud je větrná Savoniova turbína postavena se svislou osou, pracuje nezávisle na směru větru. Nevýhodou dvoulopatkové Savoniovy turbíny je existence mrtvého úhlu. To se dá vyřešit spojením několika rotorů s různě natočenými lopatkami, nebo šroubovitým tvarem lopatek.
Přílivová energie Slapové jevy Slapové jevy představují zvyšování a sniţování hladiny moře v důsledku působení slapových sil. Zvýšení hladiny se označuje jako příliv, sníţení jako odliv, souhrnně se mluví o dmutí mořské hladiny.
26
Příčiny vzniku Slapové jevy jsou důsledkem deformace povrchu oceánu vlivem sil, kterými na vodní masu působí nebeská tělesa, v případě Země především Měsíc a Slunce. Teoreticky mohou slapové síly dokonce způsobit rozpad obíhajícího tělesa, pokud je oběţná vzdálenost niţší neţ tzv. Rocheova mez. Mechanismus dmutí Protoţe velikost gravitační síly je nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti, Měsíc přitahuje silněji tělesa na přivrácené straně Země, a naopak slaběji na odvrácené straně. To se týká i vody v oceánu. Tak dochází k deformaci povrchu nejen moře, ale i pevniny. Vznikají tak dvě vlny, jedna na přivrácené a druhá na odvrácené straně Země. K přílivu a odlivu dochází s dvojnásobkem frekvence odpovídající průchodu Měsíce nad příslušným poledníkem, tj. kaţdých 12 hodin 25 minut a 14 sekund, mluvíme o půldenním dmutí. Interval mezi přílivem a odlivem na stejném místě je tedy 6 hodin, 12 minut a 37 sekund. Vlivem deklinace Měsíce je v některých oblastech kaţdé druhé dmutí velmi málo patrné, proto se mluví o jednodenním dmutí. Půldenní dmutí probíhá především v Atlantském a Severním ledovém oceánu, jednodenní zejména v Jávském a Ochotském moři; v mnoha oblastech se oba typy střídají. V oblastech s výrazným dmutím lze přílivové vody vyuţít k výrobě elektrické energie. Skočné a hluché dmutí Slapové síly Slunce jsou oproti měsíčním výrazně slabší (tvoří přibliţně 4/9 slapových sil Měsíce). Pokud Měsíc, Země a Slunce stojí v jedné řadě, slapové síly obou těles se sečtou a dmutí je velmi výrazné, označuje se jako skočné dmutí. Pokud naopak Slunce, Země a Měsíc svírají pravý úhel, slapové síly se částečně vyruší a nastává hluché dmutí. Ke skočnému dmutí dochází, kdyţ je Měsíc ve fázi novu nebo úplňku, k hluchému pokud je Měsíc v polovině fáze dorůstání nebo ubývání, perioda je tedy přibliţně 15 dní. Výška dmutí Kromě vzájemné polohy Země, Měsíce a Slunce a polohy místa na Zemi ovlivňuje výšku dmutí také tvar pobřeţí a úhel dna. Na volném moři se výška hladiny mění asi o 0,8 metru. Nejvyšší hranice na světě dosahuje příliv v zálivu Fundy vKanadě, kde hladina stoupá aţ o 20 metrů. V Evropě je největší rozpětí přílivu a odlivu poblíţ pobřeţí Francie v zátoceMont-Saint-Michel, kde dosahuje asi 13 metrů. Výška přílivu se označuje ve speciálních mapách. Čáry, spojující místa se stejnou dobou nejvyššího přílivu se nazývají izohachie. Vzdutí hladiny u ústí řek s povlovným dnem způsobuje, ţe se příliv šíří proti proudu řek. U některých je velmi výrazný, šíří se jako vodní vlna a označuje se 27
jako přílivový příboj. U ústí Amazonky dosahuje přílivový příboj výšky 5 metrů a je patrný ještě 850 kilometrů od ústí. V některých oblastech dostává přílivový příboj dokonce své místní jméno - například právě na Amazonce se označuje indiánským slovem pororoca (hřmící vody). Na Labi přílivový příboj dosahuje do vzdálenosti 150 kilometrů od ústí. Také u jezer se projevují slapové jevy, ale vzhledem k velikosti hladiny jsou téměř nepatrné. Nejvyšší příliv se objevuje na Michiganském jezeře ve Spojených státech, kde můţe dosáhnout aţ výše 7 cm. Slapové proudy Voda se při dmutí šíří v různých oblastech specifickým způsobem, kdy vytváří slapové proudy. Silnější bývají při odlivu, kdy mohou dosáhnout rychlosti aţ 22 kilometrů v hodině a ohroţují lodní dopravu. Přílivová elektrárna je vodní elektrárna, která pro roztočení turbín vyuţívá periodického opakování přílivu a odlivu moře a tím nepřímo kinetickou energii rotující Země. První přílivová elektrárna byla postavena v roce 1913 v Anglii v hrabství Cheshire, která nesla jméno Dee Hydro Station. Stavba přílivových elektráren je moţná pouze v některých vhodných oblastech, kde je vysoký rozdíl mezi přílivem a odlivem. Příkladem je funkční přehrada při ústí řeky Rance ve Francii. V současnosti se u jejich stavby poukazuje i na značné ekologické dopady na okolí, jelikoţ zabraňují přirozenému vodnímu proudění a transportu horninových částí, dále znemoţňují migraci biosféry a mají i negativní estetické dopady na krajinu. V minulosti existoval ambiciózní projekt v Sovětském svazu na přehrazení úţiny mezi poloostrovem Kola a kontinentální Asií, kde měly být postaveny dvě přílivové elektrárny. Tento projekt nebyl realizován.
Geotermální energie Geotermální energie je projevem tepelné energie zemského jádra, která vzniká rozpadem radioaktivních látek a působením slapových sil. Jejími projevy jsou erupce sopek a gejzírů, horké prameny či parní výrony. Vyuţívá se ve formě tepelné energie (pro vytápění), či pro výrobuelektrické energie v geotermálních elektrárnách. Obvykle se řadí mezi obnovitelné zdroje energie, nemusí to však platit vţdy — některé zdroje geotermální energie jsou vyčerpatelné v horizontu desítek let.
28
Charakteristika Geotermální energie je vlastně nejstarší energií na naší planetě Zemi, protoţe je to energie, kterou získala Země při svém vzniku z mateřskémlhoviny, následnými sráţkami kosmických těles a v poslední době je energie částečně generovaná radioaktivním rozpadem některých prvků v zemském tělese. Využití geotermální energie Tuto energii lze v příznivých podmínkách vyuţívat k vytápění nebo výrobě elektřiny v geotermálních elektrárnách. Takové vyuţití je ale většinou technologicky náročné, protoţe horká voda z vrtů je obvykle silně mineralizovaná a zanáší technologická zařízení, coţ má za následek nutnost časté výměny potrubí a čištění systému. Navíc je dostatečný tepelný spád obvykle zároveň spojen s geologickou nestabilitou oblasti, v níţ se nachází, coţ klade vysoké nároky na kvalitní stavbu schopnou odolávat zemětřesením. V rozsáhlejším měřítku se tato energie vyuţívá např. na Islandu, kde se vyuţívá pro vyhřívání obytných domů, skleníků, veřejných budov, bazénů, pro vyhřívání chodníků, aby se v zimě nemusely příliš upravovat a dokonce i pro pěstování banánů či jiného jiţního ovoce. Další země, které geotermální energii ve větším vyuţívají jsou USA, Velká Británie, Francie, Švýcarsko, Německo a Nový Zéland. Nové studie předpokládají velký rozmach geotermální energie v Austrálii, kde se plánuje stavba soustavy elektráren v tektonicky aktivní oblasti. Pokud se projekt osvědčí, počítá se s podobnými stavbami i na dalších místech Země. První geotermální elektrárna byla otevřena v Larderello, Itálie uţ v roce 1904. Celosvětově se produkce pohybovala okolo 8000 megawattů a na Spojené státy připadalo 2700 megawattů. Dnes se vyuţívají tři druhy elektráren - na suchou páru, na mokrou páru a horkovodní (binární). Systém suché páry pouţívá přímo páru získanou ze země na pohon turbíny. Systém mokré páry nechá nejprve horkou vodu přeměnit v páru a ta pak slouţí k pohonu turbíny. Horkovodní (binární) systém pouţije vodu s nízkou teplotou, která předá ve výměníku teplo organické kapalině (např. propan, isobutan a freon) s niţším bodem varu, a teprve její pára pak pohání turbínu. Geotermální pumpy je moţno vyuţit k ohřívání i chlazení individuálních domků. Jedná se o vyuţití zemního tepla (či v létě chladna), které se nachází v hloubce 2-3 metrů a zůstává stabilní během roku.
29
Využití v České republice V České republice vyuţívá geotermální energii např. město Ústí nad Labem, kde slouţí k vytápění plaveckých bazénů a od května 2006 také k vytápění zoologické zahrady v Ústí nad Labem. Ojedinělý projekt vyuţití geotermální energie pro výrobu tepla je v Děčíně. Od roku 2002 je zde v provozu výtopna na Benešovské ulici, která jako jediná v České republice vyuţívá geotermální energii pro zásobování poloviny města teplem. V Litoměřicích se od listopadu 2006 hloubí zkušební vrt pro geotermální elektrárnu, který by měl skončit v hloubce 2500 m. Pokud budou výsledky měření příznivé, začnou se hloubit další dva vrty - tentokrát jiţ produkční. Tyto vrty mají dosáhnout hloubky aţ 5000 m. Elektrárna bude zaloţena na metodě HDR, která ještě nebyla ve střední ani východní Evropě pouţita. Tato metoda spočívá v tom, ţe se do jednoho vrtu vhání voda, a ze druhém se čerpá, přičemţ se voda v hloubce ohřívá. Jedná se o uzavřený oběh média vody. Tepelná energie se můţe přeměnit na energii elektrickou. V zimě se bude energie vyuţívat především pro vytápění, v létě naopak pro vytváření elektrické energie. Náklady na vybudování vrtů a geotermální elektrárny mají být kolem 1,11 miliardy Kč, na jejich krytí se bude podílet i EU.
Biomasa Biomasa je souhrn látek tvořících těla všech organismů, jak rostlin, bakterií, sinic a hub, tak i ţivočichů. Tímto pojmem často označujeme rostlinnou biomasu vyuţitelnou pro energetické účely. Energie biomasy má svůj prapůvod ve slunečním záření a fotosyntéze, proto se jedná oobnovitelný zdroj energie. Celková hmotnost biomasy je obvykle stanovena váţením, popřípadě téţ odhadem z objemu nebo délky těla. U čerstvě nalovených organismů je stanovena ţivá nebo čerstvá biomasa. Přesnější je stanovení biomasy suché (sušiny) a sušiny bez popelovin. Energetická hodnota biomasy je stanovena buď spálením v joulometru, nebo na základě podílu proteinů, cukrů a tuků. Ekologická definice biomasy Ekologie definuje biomasu jako celkovou hmotu jedinců určitého druhu, skupiny druhů nebo všech druhů společenstva na určité ploše. U rostlin se vyjadřuje v hmotnosti sušiny, u ţivočichů také v čerstvé hmotnosti (v joulech, dříve i v kaloriích, obsahu uhlíku ap.). U půdních a vodních organismů můţe být 30
vztaţena také k celkovému objemu (litr, cm3, m3). U rostlin je rozlišována biomasa podzemní nebo nadzemní, biomasa ţivá nebo mrtvá (stařina). Klimatologické využití pojmu biomasy Klimatologie zkoumá souvislosti mezi změnami klimatu a nárůstem či poklesem tvorby určité sloţky biomasy (např. rostlin nebo řas nebo organismů v krychlovém metru vody). Jde například o vliv globálního oteplení nebo sníţení prostupnosti atmosféry pro sluneční záření. Energetické využití biomasy Rozeznáváme především zbytkovou (odpadní) biomasu - dřevní odpady z lesního hospodářství a celulózo-papírenského, dřevařského a nábytkářského průmyslu, rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a údrţby krajiny, komunální bioodpad a odpady z potravinářského průmyslu - a cíleně pěstovanou biomasu - energetické byliny a rychle rostoucí dřeviny. Statková hnojiva jsou podle § 2 zák. č. 308/2000 Sb. „o hnojivech― hnůj, hnojůvka, močůvka, kejda, sláma, jakoţ i jiné zbytky rostlinného původu vznikající zejména v zemědělské prvovýrobě, nejsou-li dále upravovány. Zařízení, která produkují z biomasy výrobky získávané obvykle pouze z ropy, se nazývají biorafinérie. Evropský potenciál biomasy Evropská agentura pro ţivotní prostředí ve studii z roku 2006 stanovila tzv. evropský potenciál biomasy, který by respektoval ochranu biologické rozmanitosti a vedl jen k minimu nepříznivých dopadů. V roce 2030 by mohlo být asi 15 % energetické poptávky v Evropské unii pokryto energií vyrobenou ze zemědělských, lesnických a odpadních produktů z čistě evropských zdrojů. Do roku 2030 by mohlo asi 18 % tepla, 12,5 % elektřiny a 5,4 % paliva pro dopravu pocházet z biomasy evropského původu.
31
Literatura VLK, Vladimír: Obnovitelné zdroje energie, Biom.cz, 2009 Bedřich Heřmanovský, Ivan Šotl: Energie pro 21. století, ČVUT, 1992 ARCHALOUS, Martin. ČEZ: obnovitelné zdroje rostou, solární a větrná energie ne, Nazeleno.cz Miroslav Šuta: Bioenergie a biopaliva: Rizika a přísliby, respekt.cz, 2009
32
