ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební
Obnovitelné zdroje energie Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Praha 2011
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
Obsah Téma
Slide
Obnovitelné zdroje energie
3
Solární energie
34
Solární energie – fototermální soustavy
51
Solární energie – fotoelektrické systémy
164
Energie prostředí – tepelná čerpadla
199
Biomasa
253
Geotermální energie
288
Palivové články
313
Energie větru
318
Energie vody
361
2
1
Obnovitelné zdroje energie
3
Životní úroveň • Životní úroveň je možné vyjádřit jako míru uspokojování materiálních i nemateriálních potřeb a přání jednotlivce nebo skupiny osob zbožím a službami. • S rostoucí životní úrovní rostou požadavky na komfort (v současné době vyšší než před několika desítkami let) • S rostoucími požadavky na komfort roste spotřeba energie budov (klimatizace, elektronická zařízení)
anj.: Standard of living Česká republika: Informace poskytuje Ministerstvo práce a sociálních věcí (http://www.mpsv.cz)
4
2
Týdenní náklady domácností na jídlo a pití • Životní úroveň obvykle vyjadřována podle norem jako reálný příjem na osobu. • Existují různá další statistická srovnání • Zajímavé srovnání z pohledu týdenních nákladů na potraviny poskytuje publikace „Hungry planet“.
Velká Británie: $253
(http://www.menzelphoto.com)
Bhutan: $5
5
Počet obyvatel dle zemí
Počet obyvatel v mil. (3/2009) Počet obyvatel v roce 0 - 160 mil. Počet obyvatel v roce 2009 - 6779 mil. 6
3
Atmosféra Země • vrstva plynů obklopující planetu • udržovaná u země zemskou gravitací • chrání pozemský život před nebezpečnou sluneční a kosmickou radiací • tepelná setrvačnost ovlivňuje podmínky na zemi • atmosférický tlak vyplývá z hmotnosti vzduchu nad daným místem
Atmosféra Země Složení atmosféry
Dusík 78% Kyslík 21% Argon 0,93% Skleníkové plyny
CO2 CH4
0,035% 0,0002%
Další látky: vodní kapičky, ledové krystalky a různé znečišťující příměsi původu přírodního (prachové částečky, pylová zrna) i antropogenního (produkty člověka) 8
4
Skleníkové plyny • Skleníkové plyny – plyny absorbující dlouhovlnné infračervené záření – dochází k ohřívání spodní vrstvy atmosféry a zemského povrchu • vodní pára - hydrosféra • oxid dusný – N2O- lesy, půda, hnojiva, spalování paliv •
(dle některých názorů největší nebezpečí pro ozónovou vrstvu země, >60% se uvolňuje přirozeně)
• • • •
oxid uhličitý – CO2 – spalování fosilních paliv metan – CH4 – močály, zemědělství, zpracování paliv, freony – CFC – chladící zařízení, aerosoly, pěny ozón –O3- fotochemický smog v blízkosti povrchu
Skleníkové plyny • Snížení produkce antropogenních skleníkových plynů - úspory energií a využívání obnovitelných zdrojů energie. • Snížení rychlostí kácení lesů – možnost snižování CO2 pomocí fotosyntézy.
5
Globální cyklus uhlíku • Jednotky - bilióny tun uhlíku
11
Skleníkové plyny v atmosféře
12
6
Emise oxidu uhličitého
13
Emise oxidu uhličitého • Emise CO2 v roce 2006
Emise odvozené ze spalování fosilních paliv (není započtena zemědělská výroba) 14
7
Emise oxidu uhličitého
15
Emise oxidu uhličitého
8
Snižování emisí oxidu uhličitého • • • •
vyšší účinnost využívání energie obchodovatelná emisní povolení obnovitelné zdroje energie nové technologie využití fosilních paliv (dosud zaměřovány na snížení množství polutantů jiných než CO2) • významný přesun z uhlí na plyn (spalování plynu produkuje pouze polovinu množství CO2 na jednotku energie, než spalování uhlí) • separace a zachycování CO2při spalování fosilních paliv a jeho injektování do hlubokomořských sedimentů nebo do podzemních prostor (zásobníků). • jaderná energie ?
Ekologické hodnocení • Ekologická stopa Ekologická stopa je uměle vytvořená jednotka, která určuje kolik metrů čtverečních (hektarů) Země potřebuje člověk k dané činnosti Koncept ekologické stopy byl vytvořen, aby odpověděl na otázku, zda lidská populace žije v hranicích únosné ekologické kapacity planety (http://www.footprintnetwork.org)
18
9
Scénář využití zdrojů energie ve světě Scenář Shell - vývoj spotřeby prvotních energetických zdrojů 1600
1200
EJ
1000
800
geotermál mořská energie solár nová biomasa vítr voda dřevo jádro plyn nafta uhlí
obnovitelné
1400
600
400
200
0
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060
Spotřeba energie • 40% veškeré energie v Evropě spotřebovávají budovy – 65% spotřeby budov tvoří domácnosti
teplo
teplá voda
chladnička
sporák
pračka
osvětlení
pv.trouba
vysavač
TV a video
rv.konvice
žehlení
rádio
60% budov na Evropském trhu je starší více než 25 let 20
10
Snížení emisí a snížení závislosti na dodávkách energie v ČR Základem je transformace struktury zdrojů. • Prvním směrem je přechod na energetické zdroje spalující „čistší" fosilní paliva, zejména zemní plyn. •Druhým směrem je redukce ztrát tepla a elektrické energie při přenosu a distribuci. •Třetím směrem je podpora rozvoje energetiky obnovitelných zdrojů. •Velmi důležitým prvkem je zvyšování účinnosti výroby energie cestou zavádění moderních technologií spalování fosilních paliv (zvýšení účinnosti o 5– 20 %) a cestou kombinované výroby elektrické energie a tepla (až 40% zvýšení účinnosti). •Energetické ztráty představovaly v roce 1999 33 % energie vyrobené v ČR (Statistická ročenka ŽP ČR, 2000).
Pojmy souvisící s obnovitelnými zdroji Obnovitelné zdroje energie - obnovitelné nefosilní zdroje energie (vítr, sluneční energie, geotermální energie, energie vln a přílivu, energie vody, biomasa, plyn ze skládek, z čistíren odpadních vod a bioplyny). Termín používán ve vyhlášce 214/2001Sb. (zákon 406/2006Sb.)
Alternativní zdroje energie – zdroje energie poskytující alternativu ke zdrojům tradičním, využívajícím fosilní paliva (netradiční zdroje energie)
Trvale udržitelný rozvoj – hospodářský a společenský pokrok s plnohodnotným zachováním životního prostředí
Kyótský protokol – závazek snižování emisí skleníkových plynů (do roku 2012)
Energetická politika EU – začleněno do dalších odvětví (obchod, průmysl EU), regulace vlivem politiky životního prostředí, vnitřního trhu a obchodní politiky. Zvlášť řešena energie jaderná. Povolenky produkce CO2 do ovzduší Cíle: snižování závislosti na dovozu energie, efektivní využívání vlastních zdrojů, bezpečnost, konkurenceschopnost, udržitelnost
11
Legislativa • Zákon 406/2000Sb. (2006) o hospodaření energií • Vyhláška 214/2001Sb. Vyhláška Ministerstva průmyslu a obchodu, kterou se stanoví vymezení zdrojů energie, které budou hodnoceny jako obnovitelné • Vyhláška 148/2007Sb. O energetické náročnosti budov - souvislost s OZE • Zákon 17/1992 Sb. o životním prostředí se změnami danými zákonem č. 123/1998 Sb. a zákonem č. 100/2001 Sb.
17/1992 Sb. o životním prostředí § 7 Přírodní zdroje Obnovitelné přírodní zdroje mají schopnost se při postupném spotřebovávání částečně nebo úplně obnovovat, a to samy nebo za přispění člověka. Neobnovitelné přírodní zdroje spotřebováváním zanikají. Primárním zdrojem energie je energie slunce. Obnovitelnost některých zdrojů může být sporná (v textu chybí výraz nefosilní). Fosilní paliva-(uhlí, ropa, zemní plyn) nejsou OZE, neboť při jejich spalování dochází k uvolňování CO2 do ovzduší a jejich vznik je podmíněn dlouhodobými procesy. Žádný zdroj energie není zcela obnovitelný,na provoz technických zařízení je vždy třeba využít určitou neobnovitelnou surovinu.
12
Vyhláška 214/2001Sb.
• • • • • • •
Obnovitelné zdroje energie pro výrobu elektřiny: a) vodní energie v zařízeních do 10 MWe, b) sluneční energie, c) větrná energie, d) biomasa v zařízeních do 5 MWe, e) bioplyn, f) palivové články, g) geotermální energie.
Vyhláška 214/2001Sb.
• • • • •
Obnovitelným zdrojem pro výrobu tepelné energie: a) sluneční energie, b) geotermální energie, c) biomasa v zařízeních do 20 MWt, d) bioplyn, e) palivové články.
13
Diagram energetických toků ČR 2008
27
Prognóza vývoje - OZE v ČR • Celkový energetický potenciál OZE v ČR odhadnut na 25 % současné spotřeby • Do roku 2020 se předpokládá využití zhruba 50 % teoretického potenciálu OZE • Dominantním zdrojem bude i nadále biomasa
14
Prognóza vývoje výroby elektřiny Do roku 2020 (zpráva Pačesovy komise) • Energetický potenciál vodních elektráren může být zvýšen o cca 10% . • Větrné elektrárny mohou dosáhnout úrovně vodních elektráren a pak dále až dvojnásobné. • Fotovoltaika může tvořit cca 50% výroby energie větrem.
Hodnocení životního cykluMetoda LCA
Celková spotřeba PEZ a energetická náročnost ekonomiky ČR v letech 1995-2007
15
Výroba elektřiny v ČR v roce 2005 • Celkově
• OZE
Výroba elektřiny z OZE 2004-2010
16
Druhy energií Slunce → jaderné přeměny → sluneční záření → působení na Zemi Sluneční energie -aktivní, pasivní solární systémy Větrná energie -větrné pohony, elektrárny Biomasa -lesní, odpad z dřevozpracujícího průmyslu, zemědělství, komunální odpad, kapalná paliva Geotermální energie -geotermální elektrárny, využití tepla suchých hornin, teplo prostředí (TČ) Vodní energie -elektrárny průtokové, akumulační, přílivové „Nejde jen o to energii vyrobit ale také ji využít“
Solární energie
34
17
Slunce ☉ • • • • •
Nejbližší hvězda (150 mil km =1AU) Koule žhavých plynů Stáří 4,6 miliardy let Teplota na povrchu Slunce cca 5 800 K =žlutá barva Teplota v jádru 1,5 . 107 K a hustota plazmy se zde pohybuje okolo 130 000 kg.m-3. V tomto prostředí se vodík postupně a velmi pomalu mění na helium za uvolnění obrovského množství energie
Slunce a jeho projevy • vznik slunce • vznik zřejmě ve velké mlhovině spolu s mnoha dalšími hvězdami • mlhovina se stejnou teplotou a hustotou byla ovlivněna zřejmě výbuchem blízké supernovy • rázová vlna způsobila změny rozložení hmoty
18
Sluneční erupce, skvrny, zemětřesení • Sluneční erupce se odehrává ve sluneční koroně a chromosféře zahřátím plasmy. • Erupce vytvářejí elektromagnetické záření v elektromagnetickém spektru na všech vlnových délkách. • Erupce vznikají především v okolí slunečních skvrn. • Erupce může ovlivnit provoz elektronických přístrojů na Zemi
Působení slunce na Zemi (magnetosféru) Slunce ovlivňuje ostatní tělesa Sluneční soustavy
gravitačně zářením v širokém spektru vlnových délek magnetickým polem proudem nabitých částic
19
Vnímání slunce ze Země • Slunce – zdánlivý pohyb po obloze
Poloha slunce na obloze
20
Solární konstanta • Na vnějším okraji zemské atmosféry na ploše kolmé k záření je intenzita záření průměrně 1 367 W/m2, (solární konstanta Io) • Atmosférou projde jen část záření -v závislosti na vlnové délce záření.
Průchod záření atmosférou
21
Mapa denního solárního oslunění
Roční suma globálního ozáření na horizontální povrch
22
23
Solární záření • Přímé sluneční ozáření Gb (W/m2) –přímé záření na jednotku plochy bez rozptylu v atmosféře –Intenzita záření velmi závislá na směru dopadu paprsků
• Difúzní sluneční ozáření Gd (W/m2) –difúzní záření vzniká rozptylem o molekuly plynů ve vzduchu, částečky prachu, vodní páru při prostupu atmosférou –Intenzita záření je stejná ve všech směrech
• zaclonění mraky (vodní pára, kouř, ..)
Solární energie • Celkové sluneční ozáření: –jasný slunečný den léto 800 – 1 000 W/m2 –lehce zataženo 400 - 700W/m2 –silně zataženo 100 - 300 W/m2
24
Solární energie
• Roční úhrn globálního záření
Průměrně 3800 MJ/m2.rok
Skutečné množství dopadající energie MJ/m2 rok Atlas podnebí ČR
Solární energie Celková doba slunečního svitu 1400-1700 h/rok
25
Solární soustavy Soustavy pro využití solární energie Fototermální
Pasivní
Fotoelektrické (fotovoltaické)
Aktivní
Kapalinové
Vzduchové
Fototermální soustavy
52
26
Pasivní využití solární energie • Architektura domů – Prosklené plochy orientované na jih – Teplotní zónování – Akumulační konstrukce
• Akumulační stěny – Trombeho stěna • sálání • Konvekce
• Zimní zahrada
Pasivní využití solární energie • Trombeho stěna – masivní stěna natřenou tmavou barvou ze strany exteriéru – Teplo se šíří do místnosti radiací ze stěny (s příslušným fázovým zpožděním) a konvekcí přes průduchy ve stěně.
27
Trombeho stěna v ČR
Pasivní využití solární energie • Energetická fasáda – Vzduchový kolektor – Zima-snížení tep. ztrát, využití pro vytápění – Léto-snížení tepelné zátěže odvětrávání
• Dvojitá fasáda – Sklo před stínícími prvky – Ochrana proti hluku, odvod tepelné zátěže, ..
28
Pasivní využití solární energie • Energetická střecha – Vzduchový kolektor v šikmé střeše – Možné propojení s výměníkem tepla
• Transparentní tepelná izolace – Izolační schopnost, propustnost slunečního záření, odolnost proti UV záření – Sklo, plasty – S orientovanými komůrkami, pěnové – Přenos tepelné energie s časovým posunem (léto?)
Solární komín • Podpora přirozeného větrání objektu • Ohřev odváděného vzduchu způsobuje větší průtok větracího vzduchu • Funguje pouze při působení slunečního záření • Bilance celoročního provozu
29
Aktivní solární soustava • Kapalinová – (hydronický)-“hydronic“-využití vody pro vytápění případně chlazení
• Vzduchová – využití vzduchu pro přenos tepla
Schéma (kapalinové) solární soustavy 1. Solární kolektory 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Solární jednotka Pojistný ventil Odvod kapaliny Zásobník Výměník tepla Regulátor Čidlo teploty, termostat Odvzdušnění Výměník tepla
30
Kapalinové solární kolektory •
•
•
•
Základní dělení dle tvaru: – Ploché (deskové) – Trubkové (trubicové) – Koncentrační Dělení dle média – kapalinové – vzduchové Dělení dle zasklení – bez zasklení – jednoduché – vícevrstvé – prizmatické Dělení podle umístění – horizontální – vertikální
Účinnost solárního kolektoru
31
Účinnost solárního kolektoru •
η = užitečný výkon / energie ozáření
• Závisí na teplotě absorbéru a teplotě okolí
Kapalinové solární kolektory Plochý kolektor s plastovým absorbérem - zejména pro dohřev vody v bazénu - sezónní použití
32
Kapalinové solární kolektory Plochý kolektor se selektivním povrchem (plochý selektivní kolektor) -deskový kolektor se spektrálně selektivním povlakem, kovový absorbér, celoroční provoz, 320 až 530 kWh/m2r - nejběžnější typ kolektoru - v podmínkách ČR vhodné zejména pro ohřev TV (úspora až 80 %), možné vytápění (až 30 %).
1 – zasklení 2 – selektivní povrch 3 – absorbér 4 – tepelná izolace 5 – nosný rám
33
Kapalinové solární kolektory • Hlavní technické vlastnosti – – – – – –
Selektivní povrch Kontakt absorbéru s registrem Typ zasklení Výstupní teplota Průtok kolektorem Použití odrazných ploch
Zasklení solárního kolektoru • solární sklo • tvrzené • odolávající sněhu a krupobití, 3-4mm • s nízkým obsahem oxidu železa (omezení optických ztrát na 9%) • antireflexní povlak -použití tenkovrstvého povlaku s definovaným indexem lomu (SiO2), odolnost • prizmatické zasklení -úprava tvaru povrchu na vnitřní straně zasklení - vhodné zejména při nízkých úhlech dopadu
solární sklo
solární antireflexní sklo
34
Selektivní povrch • Pro snížení tepelných ztrát do okolí při zachování vysoké pohltivosti • Co nejlepší vlastnosti pro oblast solárního záření • Řešení pomocí vrstvení kompozitu keramiky a kovu na povrchu absorbéru. • Absorpce a emise jsou při stejné teplotě (ve stejné vlnové oblasti) stejné. Ideální černá plocha, která absorbuje stejnoměrně všechny vlnové délky, vydává také mnohem silněji tepelné záření (v infračervené oblasti). Tepelné vyzařování absorbéru se snažíme redukovat pomocí selektivní vrstvy. V oblasti viditelného světla (teplota záření cca 5.000 K) dobře absorbují (α>90%), v oblasti dlouhovlnného záření (teplota záření cca 400 K) nízká emisní schopnost (součinitel emise ε < 20 %).
Příklad vlastností kolektorů
Kolektor se selektivním povrchem Absorptivita 95% Emisivita 5%
Kolektor se NEselektivním povrchem Absorptivita 93% Emisivita 11%
35
Kontakt absorbéru s registrem
Řešení registru kolektoru • Meandrový příčný, podélný, dvojitý • Lyrový, dvojlyrový
• Horizontální i vertikální umístění • Lyrový absorbér umožňuje paralelní propojení kolektorů do velkých sérií
• Horizontální i vertikální umístění • Dvojlyrový absorbér
• Vertikální umístění • Lyrový absorbér umožňuje paralelní propojení kolektorů do velkých sérií
36
Orientace kolektoru • Na diagramu jsou vyznačeny oblasti poloh kolektoru a vliv na jeho výkon
Sklon kolektoru • Optimální sklon kolektoru závisí na době jeho využívání a účelu
• Zima 65-75° • Léto 30-35° • Celoroční 45°
37
Kapalinové solární kolektory Trubkový vakuový kolektor - plochý nebo válcový selektivní absorbér ve vakuované skleněné trubce, tlak <1kPa, vysokoteplotní aplikace, 380 až 760 kWh/m2r
Kapalinové solární kolektory • Konstrukce: – vakuová izolace skleněných trubic – větší využití difúzní radiace – vysoká účinnost, vyšší teploty až 200°C – vyšší energetický zisk v přechodném období – lehká konstrukce
38
Kapalinové solární kolektory Tepelná trubice (heat pipe)
Trubkový vakuový kolektor • Vyšší investiční náklady • Vhodný zejména pro využití v zimním období tzn. vhodný pro vytápění, technologii – Optimální sklon 65-70° (zimní období, nedochází k zakrytí sněhem)
• Výkon lze zvýšit použitím zrcadel 1) Sluneční záření 2) CPC-zrcadla 3) Vakuová trubice 4) Vysokoselektivní povrch 5) Vakuum 6) Cu trubka 7) Teplonosný plech
39
Použití zrcadel • přínos použití odrazivých prvků
Solární kapalinové kolektory Plochý kolektor s plastovým absorbérem nezakrytý plastová rohož, bez zasklení, pro ohřev bazénové vody
Plochý kolektor -deskový kolektor, kovový absorbér, sezónní ohřev vody, 250 až 370 kWh/m2r
Plochý selektivní kolektor -deskový kolektor se spektrálně selektivním povlakem, kovový absorbér, celoroční provoz, 320 až 530 kWh/m2r
Plochý vakuový kolektor -deskový kolektor, tlak v kolektoru 1-10kPa, celoroční provoz, vysokoteplotní aplikace
Trubkový vakuový kolektor -plochý nebo válcový selektivní absorbér ve vakuované skleněné trubce, tlak <1kPa, vysokoteplotní aplikace, 380 až 760 kWh/m2r
Koncentrující kolektor -kolektor s optickými prvky pro soustředění slunečního záření (zrcadla, čočky)
40
Zapojení kolektorů • Počet kolektorů a způsob zapojení udává výrobce • Běžně dle typu 4-8ks kolektoru v jedné sérii • Výhodné zapojení Tiechelmann
Zapojení kolektorů
41
Stagnační stav kolektoru • Není odběr energie • Porucha dodávky elektrické energie • Stagnační teploty různých typů kolektorů
Přehřívání kolektoru
1. 2. 3. 4. 5.
Nárůst objemu kapaliny Vytlačování tekutiny z kolektoru parou-vypařování lze potlačit zvýšením tlaku v soustavě, zvýšením koncentrace teplonosné látky, Vyprazdňování vody z kolektoru-var zbytkové vody (130-150°C) Přehřátá (suchá) pára v kolektoru-klesá objem páry (200°C)-trvá do poklesu solární radiace Plnění kapalinou při poklesu teploty pod bod varu, kondenzace
42
Vyprazdňovací schopnost kolektoru • Špatná
• Dobrá
Vzájemné zapojení kolektorů
43
Alternativní řešení chlazení primárního okruhu
Umístění kolektorů • Nosná konstrukce kolektorů – hliníková eloxovaná, nevyžaduje údržbu – umístění většího kolektorového pole, umístění ve výšce nad 20m nutný samostatný projekt
• Nad střešní krytinu – Šikmá střecha (optimum 45°, jih ±30°) • rámová konstrukce nad střešní krytinou • Integrace do střešního pláště
44
Příklad umístění kolektorů na šikmé střeše
45
Integrace solárních kolektorů
Umístění kolektorů
• Nad střešní krytinu
– Plochá střecha-nosná konstrukce samostatná • Připevnění k vystupujícím prvkům nad střešní izolaci (min. 0,5m, konstrukce různé zátěžové skupiny • Přitížení zátěží
– Samostatný nosný rám mimo objekt • Pevný • Otočný-mechanický, motorický
46
Umístění kolektorů • Nad střešní krytinu – Svislá stěna-integrace nebo nad povrch
Aktivní solární soustava • Kapalinový – (hydronický)-“hydronic“-využití vody pro vytápění případně chlazení
• Vzduchový – využití vzduchu pro přenos tepla
47
Kapalinová solární soustava • Nepřímý
• Přímý
• Přirozený
• Nucený uzavřený
Samotížná solární soustava • Pracuje na principu přirozeného oběhu vody v soustavě • Soustava otevřená nebo uzavřená Výhody - jednoduchost - možná nezávislost na elektrické energii
NEvýhody - nemožnost regulace teplot - při celoročního užívání nutné opatření proti zamrznutí (TV) - menší variabilita - hmotnost?
48
Samotížná solární soustava • Prvky systému – Solární kolektory – Solární zásobník. • Elektrická topná vložka a termostat.
– Spojovací a instalatérský materiál. – Nosná konstrukce (plochá, sedlová střecha, terén)
Použití: • Rekreační objekty • Sezónní provoz • Objekty bez nebo s problematickou dodávkou el. energie Cena soustavy: cca 11-13tis. Kč/m2 bez DPH
Schéma (kapalinové) solární soustavy 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Kolektory Solární jednotka Pojistný ventil Odvod kapaliny Zásobník Výměník tepla Regulátor Čidlo teploty, termostat Odvzdušnění Výměník tepla
49
Prvky solární soustavy
Solární soustava popis •
Potrubí-materiály Cu, ocel (často jen nepozinkovaná) – Odolnost teplotám kolem 180°C – Tepelné izolace na bázi minerálních, sklených vláken, kaučuku – Vnější provedení odolné vůči UV záření, nenavlhavé (5mm mezera mezi skříní kolektoru a izolací potrubí) – Cu potrubí-pájení na tvrdo-vývod z kolektorů, jinak pájení na měkko
•
Expanzní nádoba – – – –
• •
Použití uzavřených expanzních nádob Vyšší pracovní přetlaky omezují zavzdušnění Velikost dle zvětšení objemu látky v kolektorech - běžně 6litrů/kolektor Max. pracovní přetlak 600kPa
Teploměr, tlakoměr, filtr, průtokoměr Teplonosná kapalina (životnost 5-8 let) – Na bázi propylen-glykolu (etylenglykol nevyhovuje v ČR) – Ekologicky šetrná (ne fosfáty, dusičnany), inhibitory koroze – Nelze přímo ohřívat TV
50
Solární soustava Druhy solárních systémů: High flow system (systém s vysokým průtokem)- průtok 30-70 l/h.m2 kolektoru, ohřev média o 8-12°C, vhodné pro menší solární soustavy, pozvolné ohřívání zásobníku Low flow system (systém s nízkým průtokem)- průtok 8-15 l/h.m2 kolektoru, ohřev média až o 50°C, vhodné v kombinaci se stratifikovaným zásobníkem, nutné vychlazení zpátečky, úspory na čerpací práci a účinnosti až 20% Matchet flow system ( kombinovaný systém)- průtok 10-40 l/h.m2 kolektoru, kombinace předchozích systémů Drain back – systém kdy médium z kolektorů vyteče do zásobní nádrže, pokud nedochází k jeho ohřívání, lze použít čistou vodu
Solární soustava
• • • • •
Pouze systémová řešení Soustava bez expanzní nádoby a odvzdušňování Kompaktní tvar a integrace komponent Rychlá montáž Nižší účinnost (cca o 5%)
51
Solární soustava • Zásobník tepla – životnost souvisí s kvalitou vnitřního povrchu zásobníku, výměníku (nejlépe nerez, keramika, teflon,..) – vhodné využít teplotní rozvrstvení (stratifikaci) v zásobníku-může zvýšit účinnost systému o 5-15% – předehřev vody solárními kolektory (zvýšení teploty z 10 na cca 25-50°C) – zajistit pravidelnou termickou desinfekci
Solární zásobníky • Monovalentní solární zásobník • Bivaletní solární zásobník • Tri a vícevaletní solární zásobník
Cena : cca 50 Kč/l(velké) - 90 Kč/l(malé) objemu bez DPH
52
Solární zásobníky • Systém nádoba v nádobě – větší objemy 500-1500l – akumulace energie z více zdrojů – využití solární energie pro vytápění i přípravu TV
Solární zásobníky • Systém s průtokovým ohřevem TV – větší objemy 500-1500l – akumulace energie z více zdrojů – nižší zásoba TV – menší průtok TV
53
Solární jednotka, modul, čerpadlová skupina 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Solární čerpadlo Zpětná klapka Napouštěcí ventil Pojistný ventil Regulační ventil Průtokoměr Tlakoměr Teploměr Uzavírací ventil
Nutná odolnost proti působení teplonosné kapaliny (propylenglykol)
(kvalita těsnění) Tlaková ztráta 8ks kolektorů cca 3kPa
Solární jednotka
54
Čerpadlová skupina • Dvoutrubková • Jednotrubková • Integrovaný regulátor • Oběhové čerpadlo • Teploměry topné a vratné větve • Tlakoměr • Pojistný ventil • Napouštěcí a vypouštěcí ventily • Uzavírací ventily • Separátor vzduchu • Zpětný ventil Solar • Regulátor průtoku s průtokoměrem • Výstup pro připojení expanzní nádoby • Montážní sada na stěnu • Tepelná izolace • Připojení
Schéma zapojení solární soustavy - kolektory
55
Schéma zapojení solární soustavy-příprava TV
Schéma zapojení solární soustavy-příprava TV
56
Schéma zapojení solární soustavy
Schéma zapojení solární soustavy
57
Schéma zapojení solární soustavy
Schéma zapojení solární soustavy
58
Příklady instalací
Ekonomika solárních systémů • Obytné budovy (3/2010) – Především pro přípravu teplé vody – Cena solárního systému „na klíč“ (bez akumulačního zásobníku) • 20-30 m2 cena 600-800€/m2 2 • 40-60 m cena 400-500 €/m2 • Cena může být ovlivněna dalšími specifickými náklady-integrace do pláště, délky rozvodů, podpůrný systém- 15-35 €/m2
• Čím větší solární systém tím nižší náklady na zařízení potřebné pro provoz kolektorů • Cena solárního systému – – – –
65% solární systém 15% instalace 10% projekt 5% další náklady (PR,..)
59
Vzduchová solární soustava • teplonosná látka vzduch, technicky nejjednodušší solární systémy • pro ohřev větracího vzduchu, vysoušení,možné i temperování • pohon ventilátorem nebo komínovým efektem
Vzduchové kolektory • Konstrukčně jednoduché provedení • Možná kombinace s dalšími solárními systémy (PV, TK)
bez vzduchové mezery
se vzduchovou mezerou
mírné klimatické pásmo
v letním období příprava teplé vody v zimním období ohřev větracího vzduchu (t<30°C)
60
Vzduchový solární systém
Návrh solárních systémů Návrh solárních systémů Typická řešení - odhad dle zkušeností z podobných aplikací - použití směrných hodnot - výpočet Atypická řešení - vhodné využít výpočtů, simulací
Bilancování solárních systémů Výpočet provozních vlastností systému v konkrétních podmínkách. Nutnost využití výpočtů, simulací.
61
Bilancování solárního systému • Bilanční výpočet – Směrné ukazatele (referenční hodnoty pro měsíc) • Potřeba TV na osobu • Potřebné množství energie Q=m.c.dT • Množství solární energie – Charakteristický den v měsíci – Solární krytí – Plocha kolektorů (účinnost solárního systému 0,5-0,7)
• Podklady výrobců (Thermosolar, Regulus, Viessmann,..) • Specializované publikace
• Simulace systému – Počítačové programy
Návrh solárních systémů Určení potřeby tepla: • Potřeba tepla na přípravu TV • Potřeba tepla na vytápění • Potřeba tepla na technologické účely (sušení paliva,…) • Potřeba tepla na doplňkové systémy (předehřev bazénové vody,..) • Určení potřebného výkonu • Časové určení potřeby tepla
62
Potřeba tepla a solární zisky • Podmínky střední Evropy
Potřeba tepla na přípravu TV v průběhu roku a dodávka tepla ze solárních kolektorů
Potřeba tepla na přípravu TV a vytápění v průběhu roku a dodávka tepla ze solárních kolektorů
Potřeba teplé vody • Potřeba tepla na přípravu teplé vody:
VTV,den
c tSV tTV z n
průměrná potřeba teplé vody (m3/den) hustota vody (kg/m3) měrná tepelná kapacita vody (J/kg.K) teplota studené vody (15 °C) teplota teplé vody (60 °C) přirážka na tepelné ztráty (rozvody vody a způsob ohřevu) počet dnů sledovaného období (pokud Qp,TV má být kWh/měsíc potom n=počet dnů daného měsíce)
63
Potřeba teplé vody • Návrhová potřeba TV (návrh systémů) – Bytový dům 82 l/os.den – Administrativa 25 l/os.den
• Skutečná spotřeba TV Bytové domy Nízká Střední Vysoká Hotely Pokoj s vanou
Pokoj se sprchou Hostely
l/os.den 10-20 20-40 40-80 95-140
50-95 25-50
Potřeba tepla • Potřeba tepla na vytápění:
Qz tiv tip tev tep n ε v
výpočtová tepelná ztráta objektu (kW) výpočtová vnitřní teplota (běžně 20 °C) střední vnitřní teplota v daném měsíci (běžně 20 °C) výpočtová venkovní teplota střední venkovní teplota v daném měsíci počet dní v daném měsíci korekční součinitel, který zahrnuje snížení potřeby tepla (0,7 standard, 0,5 pasivní dům, 0,6 NED dům) přirážka na tepelné ztráty (např. 5%)
64
Terminologie • Solární pokrytí (podíl) – udává kolik procent celoročně potřebné energie je možné pokrýt prostřednictvím solárního zařízení využitelné zisky solární soustavy potřeba tepla v dané aplikaci měrné roční využitelné zisky solární tepelné soustavy (kWh/m2.rok)-slouží pro hodnocení úspory energie
teoretické tepelné zisky (kWh/měsíc)
Určení parametrů solárního systému • Odhad dle zkušenosti projektantů – Přibližný výpočet, obdobné realizace – Reálná soustava v ČR 400-450 kWh.m-2.rok-1 Použití
Teplá voda Rodinný dům Bytový dům Vytápění a teplá voda Rodinný dům Bytový dům
Solární pokrytí (%)
Zisk kWh.m-2.rok-1
60 50
300-400 400-500
20-40 20
250-300 350-450
65
Zisky solární soustavy • Využitelné zisky solární soustavy nk HT,den Ak p
střední denní (měsíční) účinnost solárního kolektoru skutečná denní dávka slunečního ozáření v kWh/(m 2⋅den) plocha apertury solárních kolektorů, v m 2 hodnota srážky z tepelných zisků solárních kolektorů vlivem tepelných ztrát solární soustavy (rozvody, solární zásobník)
lineární součinitel tepelné ztráty a1 (W/(m2⋅K)
střední denní teplota teplonosné kapaliny (40-50°C)
střední venkovní teplota v době slunečního svitu (223°C) Údaje z protokolu o zkoušce tepelného výkonu podle ČSN EN 12975-2.
střední denní účinnost solárního kolektoru
optická účinnost střední denní sluneční ozáření (W/m2)
kvadratický součinitel tepelné ztráty kolektoru a2 (W/(m2⋅K2))
Příklad technických parametrů
66
Terminologie • Plocha kolektoru • Plocha absorbéru • Plocha apertury – Otvor, kterým nesoustředěné solární záření vstupuje do kolektoru – Specifikace plochy kolektoru
Určení parametrů solárního systému • Odhad dle směrných hodnot – Příprava TV RD 3-4 osoby 3m2 kolektorů, zásobník 300L – Příprava TV 0,8 až 1,5m2 kolektoru na osobu – 1 m2 plochy kolektoru odpovídá 50l teplé vody o teplotě 45°C – Objemy zásobníku se pohybují v rozmezí 30 – 70 l.m-2 absorpční plochy kolektoru – Solárnímu pokrytí na úrovni 50% odpovídá přibližně potřeba 1,3m2 absorpční plochy kolektoru a velikost zásobníku lze předpokládat na úrovni 60 l.m-2 absorpční plochy kolektoru. – plocha kolektorů vytápění = 0,25 x obytná plocha
• Využití diagramů – Zpravidla firemní materiály, zájmová literatura
67
Určení parametrů solárního systému • Bilanční výpočet – Směrné ukazatele (referenční hodnoty dodávky energie) • Potřeba energie (TV, vytápění, bazény,…) • Potřebné množství energie Q=m.c.dT
– Podklady výrobců (Thermosolar, Regulux, Viessmann,..) – Specializované publikace
Bilanční návrh kolektorů • Plocha kolektorů-příprava TV – Rodinné domy • Návrh na letní měsíce (duben-září) • Střední teplota v kolektoru 40°C • Pokrytí potřeby 60% (průměrná roční hodnota) • Letní přebytky-bazénová voda, sušení paliva • Zásobník 1,5-2x větší než denní spotřeba vody • Sklon 45°, 1 kolektor cca 50 l/den *
* viz výpočet pomocí programů
68
Bilanční návrh kolektorů • Využitelná solární energie Qv (kWh/den) – Jižní orientace, sklon 30-50°, RD – Letní období (duben-září) 3,5 kWh/m2.den-max.5,5 – Přechodné období 2,5 kWh/m2.den -max 3,5
• Potřeba tepla Qp (kWh/den)
– Příprava TV Qp m c T • Plocha absorbéru kolektoru A (m2) – účinnost solárního systému 50% – Návrh pro léto a přechodné období – Volba vhodného počtu kolektorů (60-80% pokrytí)
V c T A
QV Q p
3-4ks kolektoru (1,76m2/ks)
Bilanční návrh kolektorů • Plocha kolektorů-vytápění+příprava TV – Návrh pro průměr duben a září
• Plocha kolektorů-vytápění – – – –
Potřeba tepla na vytápění QT (W) Průměrná intensita ozáření HT (800W/m2 jasno) Plocha absorbéru kolektorů Av (m2) Účinnost kolektoru 50% A V
QT H T
Příklad: QT=4kW, AV=4kW/(0,8 . 0,5)=10m2, tzn.6ks kolektorů (1,76m2)
69
Bilanční návrh kolektorů • Plocha kolektorů-příprava TV – Bytové domy • Návrh na červenec • Střední teplota v kolektoru 40°C • Pokrytí potřeby 40-50% (průměrné roční, větší pokrytí-nebezpečí stagnace v letním období) • 20-400m2, (1 kolektor cca 60-80 l/den * pouze první odhad) • Pro návrh doporučena podrobnější simulace
* viz výpočet pomocí programů
Výpočetní software • Počítačové programy – Podpora výrobce (bilanční) – Specializované - simulace • T*sol (Katedra TZB) • Polysun (cz) • F-Chart (měsíční bilance)
– Výzkumné a univerzální - simulace • TRNSYS (Katedra TZB) • Dynamická simulace s využitím hodinových údajů • Detailní simulace prvků systému
70
Solární soustavy • TNI 730302:2009 Energetické hodnocení solárních tepelných soustav - Zjednodušený výpočtový postup
Bilancování solárních soustav
71
Měsíční bilance • F-chart
Dynamická simulace • Polysun – light – professional – designer
72
Dynamická simulace • GetSolar
• T*sol
Detailní dynamická simulace • TRNSYS
73
Příklad Systém přípravy teplé vody (RD) • • • •
3ks solárních kolektorů (TS 300N), 45°, jih 400l zásobník TV Praha (50,1°) 4 osoby á 50l /den
• GETSOLAR
2218 kWh/rok SF 55% Účinnost 38%
T*sol
74
Firemní počítačový program • Kolektory 3ks NSC 18 (4,95m2)
Příklad Systém přípravy teplé vody (BD) • • • •
30ks solárních kolektorů (TS 300N), 45°, jih 2500l zásobník TV Praha (50,1°) 45 osob á 50l /den
• GETSOLAR
23986 kWh/rok SF 56% Účinnost 41%
75
Stagnační stavy kolektoru
Zásobník 2500l
Zásobník 3500l
Zásobník 1500l
Bilance solárních systémů • Nejvyšší účinnost mají velké solární systémy • Návratnost solárních systémů (bez dotace) – RD – BD
cca 15 let cca 11let
• Hodnocení provozu solárních systémů – doporučeno využití počítačové simulace
• Zákonná povinnost využití OZE v Německu od r. 2009 – Solární systémy min. 15% potřeby energie
76
Koncentrační solární systémy Koncentrování solárního záření pomocí čoček nebo zrcadel na malou plochu. Výroba tepla nebo elektrické energie Solární energie-tepelná energie-pára-turbína-generátor Koncentrátory - použití pokud energie dopadajícího záření větší než 1 700 kWh∙m-2∙rok1 (zhruba pod 40 rovnoběžkou). Geometrický koncentrační faktor Cgeo=Aa/AA Aa - plocha apertury (vstupní plocha nebo plocha odrážející vstupní světlo) AA - plocha absorbéru
Oblasti vhodné pro solární tepelné elektrárny
Technologie koncentrátorů • Parabolické žlaby (Parabolic trough) 2D traker – nejrozvinutější technologie koncentrátorů – v ohnisku zrcadla umístěna vakuová trubice s teplonosnou látkou – médium ohříváno na 150-350°C – C geo<80 – osa S-J, otáčení za sluncem – možná Osa V-Z, pevná poloha, sezónní změna – tepelná účinnost 60-80% – účinnost výroby elektrické energie 15% (odpovídá FV systémům) – hybridní zdroje (kombinace solar-fosilní paliva) • max. podíl fosilních paliv omezen např. 27%
77
Technologie koncentrátorů • Fresnelova zrcadla (Fresnel reflectors) 2D traker – zrcadla v jejichž společném ohnisku je potrubí s teplonosnou látkou – technologie je levnější než parabolická zrcadla – zrcadla zabírají méně místa, jsou odolnější větru
Technologie koncentrátorů • Solární věž (Solar power tower) – 3D traker – zrcadla v jejichž společném ohnisku je věž s výměníkem s teplonosnou látkou – C geo<2000 – teplota 500–1000 °C – využití jako zdroj páry nebo zdroj tepla např. pro tavení látek
78
Technologie koncentrátorů • Stirlingův talíř, parabola (Dish stirling) – – – – –
3D traker zrcadla odrážející záření do jednoho bodu C geo<4600 teplota 250-700°C tepelný motor pro výrobu elektrické energie
Poruchy zařízení • Skleněná zrcadla odrazivost 94 % (klasická 70 %) • Nutná údržba - čištění, ochrana proti větru • Hlavní problém - silný vítr, nutné polohování pro ochranu • Rok 1999 – exploze a požár nádrže 3500m3
Chráněná pozice zrcadel
79
Solární chlazení • Využití tepla pro výrobu chladu • Možnost kombinované výroby TV a chladu
Solární chlazení • Solární absorpční cykl –uzavřený systém, kapalný sorbent •
•
•
•
Tepelná energie ze solárních kolektorů (SK) je využita v desorbéru (D) pro vypuzení chladiva z roztoku při vysoké teplotě a tlaku. Páry chladiva se poté srážejí v kondenzátoru (K) a po expanzi (EV) na nízký tlak se opět vypařují ve výparníku (V). Ve výparníku je odebíráno teplo chladicí vodě určené pro účely chlazení. Páry chladiva jsou potom navráceny do roztoku v absorbéru (A), kde se znovu srážejí. Mezi absorbérem a desorbérem se oběhovým čerpadlem dopravuje bohatý a ochuzený roztok s rekuperací tepla ve výměníku (VT). Především výrobky pro výkony nad 200kW
80
Solární chlazení • Solární absorpční cyklus – uzavřený systém, tuhý sorbent – kapalné chladivo adsorbováno do vysoce porézní pevné látky (vodasilikagel) – Vyšší cena a hmotnost jednotek – Jednotka může pracovat při teplotách kolem 80°C
Kombinovaná výroba tepla a chladu
Zdroje chladu – alternativní možnosti Chlazení sorpčním odvlhčováním vzduchu (chlazení přiváděného vzduchu) otevřený cyklus, tuhý sorbent 7 2
1
2 3
3 6 4
Chlazení sorpčním odvlhčováním - schéma Chlazení sorpčním odvlhčováním – hx diagram
162
81
Solární soustavy Soustavy pro využití solární energie Fototermální
Pasivní
Fotoelektrické (fotovoltaické)
Aktivní
Kapalinové
Vzduchové
Fotoelektrické systémy
164
82
Fotovoltaické systémy (FV) • Přímé využití solární energie • Rozšířené využití v zařízeních s malým odběrem elektrické energie (kalkulačky) nebo na odlehlých místech (osvětlení, doprava) • Větší uplatněnícena fotovoltaických panelů Dotace instalace pilotních, demonstračních zařízení (fotovoltaika do škol, ..) • Garance výkupních cen elektrické energie – Rozvoj FV systémů
Fotovoltaické systémy Princip:
Křemíkový krystalický článek
Dopadem světelného záření se vlivem předávání energie z fotonů na atomy krystalické mřížky uvolňují elektrony, které díky přechodu PN nemohou přecházet do vrstvy typu P a hromadí se ve vrstvě typu N. Stejně tak se v oblasti typu P hromadí díry. Tato nerovnoměrnost rozdělení nosičů náboje vytváří elektrický potenciál (cca 0.6 V). Připojí-li se na elektrody článku elektrický obvod se spotřebičem, začnou elektrony procházet vodičem z N vrstvy, kde je jich přebytek, do vrstvy P. PN přechod umožňuje snadnější přechod volných elektronů z vrstvy P do vrstvy N.
83
Fotovoltaické systémy • Fotovoltaický článek - pevný, ale křehký • Fotovoltaický panel - složen s článků, nosné a ochranné konstrukce
Fotovoltaické systémy • Monokrystalické články – dlouhá životnost – vysoké výrobní náklady – hl. monokrystalické články z křemíku Si (arzenid galia GaAs kosmický program)
– účinnost laboratorní až 24 %, reálná 14-16 % – využití především přímého solárního záření, difuzní záření jen omezeně (problémy se stíněním) – použití koncentrátorů (až 30%)
84
Fotovoltaické systémy • Polykrystalické články – – – – – –
použití Si nižší výrobní náklady, nižší účinnost laboratorně 18 %, v praxi 11-15 %. pokles parametrů během životnosti větší schopnost zachytit difuzní záření opticky rozlišitelné dle struktury (ledové květy)
• Amorfní články – oblasti malých výkonů – napařování slabé vrstvy Si (kapesní kalkulátory atd.) – Účinnost 2 - 7 %
Fotovoltaické systémy • Vícevrstvé články – – – – –
účinnosti až 30 % (laboratorní) perspektivní trend vysoká degradace možnost integrace do střešního pláště, folie, šindele materiály: měd, indium, galium a selenium (CIGS)
85
Fotovoltaické systémy • Organické články – – – – – – –
tekuté články (Graetzelovi, barvocitlivé, polymerové) schopnost pracovat i s menším množstvím světla levné materiály, možnost nátěru,tisku výhodnější ekologie výroby předpokládána nižší cena barevnost, průhlednost účinnost do 10%
Fotovoltaika integrovaná do budov Building Integrated Photovoltaics (BIPV) • architektonická variabilita • vztah k životnímu prostředí • ekonomický přínos
86
Fotovoltaické systémy • Zvyšování účinnosti článků – Koncentrátory, čočky, zrcadla (korýtková, plošná)-nutná větší teplotní odolnost článku, nutné polohovací zařízení – Oboustranné moduly-využití průsvitnosti článků – Natáčecí systémy
Jednoosé natáčecí zařízení
87
Natáčecí zařízení-sledovače slunce
Fotovoltaické systémy
• Autonomní ostrovní systém („grid-off“) • 12/24V nebo 230V • Spotřebiče s nízkou spotřebou
88
Fotovoltaické systémy
• Spotřebiče s nízkou spotřebou • Problém s přebytky-cena akumulátorů
Fotovoltaické systémy
Zapojení do sítě ( „grid-on“) vyžadují měnič (střídač) pro přeměnu stejnosměrného proudu na střídavý
89
• Umístění panelů
FV panely
– Jih+15°, sklon 30-40% – Schopny využívat i difúzní záření – Fasádní systémy-využití svislých ploch, jinak energeticky neaktivních – Nutné chlazení vzduchem proti přehřívání (nad 80°C klesá účinnost)
• Vlastnosti panelů – – – –
typ konstrukce panelu, provedení teplotní koeficienty napěťové parametry bypass diody, konektory
– – – – – –
certifikace pro EU, IEC 61646 záruka výrobce, pokles výkonu v čase reference výrobce, světové zkušenosti časová dostupnost panelů cena forma plnění záručních podmínek
1 kWp = cca 1 000 kWh/rok = cca 8–10 m2 plochy
Fotovoltaika • Volt-Ampérová charakteristika článku Isc-proud nakrátko Uoc- napětí naprázdno
• V-A charakteristika panelu • Základní parametr – špičkový výkon ve wattech, uváděný s označením Wp, ( watt-peak)
90
Upevnění panelů
91
12.3. 18:00
12.3. 17:00
12.3. 16:00
12.3. 15:00
12.3. 14:00
12.3. 13:00
12.3. 12:00
12.3. 11:00
12.3. 10:00
12.3. 9:00
12.3. 8:00
12.3. 7:00
12.3. 6:00
El. výkon [kW] 20 0.20
18 0.18
16 0.16
14 0.14
12 0.12
10 0.10
8 0.08
6 0.06
4 0.04
2 0.02
0 0.00
[-]
Fotovoltaické systémy
• Nestálost výkonu FV panelů-příklad
čas [hod]
Skutečný denní výkon FVE
92
Fotovoltaické systémy • Trendy vývoje – – – – –
Fasádní a střešní integrace Fotovoltaické elektrárny-samočistící, bezúdržbové panely Kombinace termických a fotoelektrických panelů Životnost panelů 25 a více let dle typu Dotační politika-garantovaná cena výkupu (Vyhláška 150/2007Sb. a cenová rozhodnutí ERÚ)
93
Elektrická energie a fotovoltaika v ČR
Elektrická energie a fotovoltaika v ČR
94
Postup výstavby FV systému • Posouzení vhodnost instalace FV panelů dle dispoziční plochy (sklon, orientace,..) • Stanovení systému využívání vyrobené energie • Žádost provozovateli distribuční soustavy o připojení (ČEZ, EON, PRE - schválení s uvedením podmínek • Stavební úřad-umístění FV panelů na střeše-územní souhlas • Realizace-malé FV systémy(do 10kWp) cca 2-7dnů • Licence výrobce elektrické energie-ERÚ. Fyzická osoba provozující systém do 20kWp nemusí mít odborné vzdělání. • Smlouva o připojení s provozovatelem distribuční sítě
Legislativa • •
• •
•
•
Zákon 180/2005Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie. Vyhláška 475/2005Sb. ve znění 363/2007Sb., kterou se provádějí některá ustanovení zákona o podpoře využívání obnovitelných zdrojů. Životnost FV elektrárny je 20let. Vyhláška č. 51/2006 Sb. o podmínkách připojení k elektrizační soustavě. Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu č. 7/2007 – V roce 2008 je výkupní cena elektřiny dodané do sítě: 13,46 Kč/kWh, zelené bonusy: 12,65 Kč/kWh. Vyhláška 150/2007Sb. Vyhláška o způsobu regulace cen v energetických odvětvích a postupech pro regulaci cen Roční zvyšování cen v průběhu životnosti zařízeni. Zákon 586/1992Sb. Příjmy z obnovitelných zdrojů jsou 1+5 let osvobozeny od daně.
95
Cenové rozhodnutí ERÚ
Výkupní cena elektrické energie z FV systémů
96
Výstavba FVE
Skladba ceny elektřiny pro domácnosti v roce 2011
97
FV elektrárny • • • •
Údržba pozemku Údržba FV systému Řešení likvidace po končení životnosti Nutné zabezpečení proti krádeži – Označení panelů – Obvod pozemku střežen buď infračervenými čidly, nebo detekčním kabelem nataženým v plotu
Návrh FV systémů • PV-GIS – http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
98
Návrh FV systémů • PV Sol
SolárníFV systémy Porovnání a FT soustav Účinnost systému (odhad) Maximální měrný výkon
Fotovoltaický systém
Fototermická soustava
15%
60%
125 W/m2
800 W/m2
Zatažená obloha (5% výkon)
Optimální orientace / Celoroční sklon
Jih Sklon 30-35°
Další vlastnosti
Zakrytí panelů Pokles účinnosti Nízké náklady na údržbu Dlouhá životnost
Jih Sklon 45° Sklon v závislosti na době využití tepelné energie. Zimní sklon 60-90°
Menší plocha Vyšší náklady na údržbu a provoz Malý pokles účinnosti
99
Energie prostředí Tepelná čerpadla
199
Tepelná čerpadla v roce 2008 v ČR • Statistické údaje dle MPO
100
Tepelná čerpadla v roce 2006 v ČR • Statistická data rok 2006 ČR
Tepelné čerpadlo • Tepelný stroj, umožňující využití nízkopotenciálního tepla okolí pro energetické systémy budov. • Typy tepelných čerpadel – Absorpční tepelná čerpadla - pracují bez kompresoru, méně nehlučná, nutný zdroj tepla – Kompresorová tepelná čerpadla – pohon zajišťuje kompresor • Elektrická • Plynová
101
Kompresorové tepelné čerpadlo výparník – kompresor – kondenzátor – expanzní ventil
PLYN
PLYNOVÝ SPALOVACÍ MOTOR
Kompresorové tepelné čerpadlo • TČ se spirálovými kompresory Scroll - dražší, nejlepší topný faktor, nejpoužívanější typ. Životnost kompresoru Scroll min. 20 let. • TČ s pístovými kompresory - levnější, hlučnější, nižší topný faktor. Životnost 15 let. • TČ s rotačními kompresory -u klimatizačních zařízení a levnějších TČ. •
Chladivo – Neobsahující freony, nejedovaté, biologicky odbouratelné a nehořlavé. – Etanol, ethylenglykol – Pozor na možné problémy s doplňování/změnou nevhodného chladiva v TČ (např. dříve R22 (freon)-1.1.2010 zákaz používání pro údržbu a servis, 1.1.2015 zákaz používání zařízení)
102
Absorpční tepelné čerpadlo Absorpce – pohlcování jedné látky druhou Tepelný s kapalinou. např.•pohlcování plynu
Ohříváním směsi vody s chladivem dochází k odpaření chladiva (exsorpce)
chladivo je pohlceno zpět do vody (absorpce)
Absorpční tepelné čerpadlo – oběh GAX
103
Tepelné čerpadlo Topný faktor • Vyjadřuje poměr dodaného tepla k množství spotřebované energie (2-5).
Q množství tepla, které TČ vyrobí (kWh) E množství energie spotřebované na provoz TČ (kWh)
Trocha teorie.. • COP - Coefficient of Performance – Charakteristika kompresoru, vznikl pro odlišení vlastností tepelných čerpadel – Udávají výrobci za laboratorních-určených podmínek
• EER-Energy Efficiency Ratio (označení COP dle současných EN) • Topný faktor vztažen k primárnímu okruhu – Pro TČ voda-voda, země-voda i provoz čerpadel
104
Trocha teorie.. • COSP - Coefficient of System Performance • SEER-System Energy Efficiency Ratio – Charakteristika celého vytápěcího/chladícího systému
• Provozní topný faktor (reálný, vhodný pro výpočet ekonomiky provozu) – Dle podmínek na primární i sekundární straně TČ. Čím vyšší je teplota prostředí, ze kterého je teplo odebíráno a čím nižší je teplota soustavy, do které je teplo odevzdáváno, tím vyšší má TČ topný faktor.
• Díky vyššímu topnému faktoru u TČ země-voda než vzduchvoda má toto řešení cca o 20% nižší spotřebu elektrické energie.
Tepelné čerpadlo Základní požadavky kladené na zdroj energie pro TČ: • dostupnost • kapacita • vyšší teplota
Zdroj tepla
Teploty
Vzduch
+25 až -18°C
Země
2-10°C
Spodní voda (studny)
8-12°C
Povrchová voda (vodoteč)
+18 až 0°C
105
Tepelné čerpadlo
Tepelné čerpadlo vzduch-voda • • • •
Nižší cena Provozně horší COP Nutnost řešení hlučnosti ventilátoru na výparníku Provedení – Samostatná venkovní a vnitřní jednotka – Kompaktní provedení vnitřní – Kompaktní provedení venkovní
• Zdroj tepla – Okolní vzduch – Levnější varianta, výměník vně nebo uvnitř objektu, nutné velké množství vzduchu – vyšší hlučnostnároky na umístění, funkce do cca -12°C, nebezpečí namrzání výměníku. – Odpadní vzduch – Výhodný zdroj tepla pokud je v dostatečném množství.
106
Tepelné čerpadlo vzduch-voda Samostatná venkovní jednotka • Venkovní jednotka s ventilátorem je propojena s vnitřní částí izolovaným potrubím, délka bývá do 10 m. • Jednotka umístění – střecha – venkovní stěna – země
• Umístění venkovní jednotky musí být zvoleno tak, aby hluk kompresoru a ventilátoru byl co nejmenší. • Nejvhodnější umístění u objektu jižní strana • Průtok vzduchu dle výkonu (např. 2000m3/h pro 6kW, 5000 pro 12kW)
Tepelné čerpadlo vzduch-voda • Akustické vlastnosti ventilátoru výparníku
107
Tepelné čerpadlo vzduch-voda Samostatná venkovní jednotka • Výparník musí být umístěn na betonovém bloku či loži poblíž venkovní stěny budovy • Vzdálenost mezi stěnou a jednotkou musí být nejméně 180 mm (rohové umístění 250 mm) • Výfuk vzduchu alespoň 1m • Podloží musí umožňovat odtok kondenzátu a roztátého sněhu - pod venkovní jednotkou kamenný obrubník, 50-100 cm vyplněno štěrkem
Tepelné čerpadlo vzduch-voda • Umístění venkovní jednotky-příklad
108
Tepelné čerpadlo vzduch-voda • Odebírání energie okolí ve výparníku s ventilátorem • EC motory-elektronicky řízené otáčky-úspora energie, snížení hluku
Tepelné čerpadlo vzduch-voda Kompaktní provedení vnitřní • Celé tepelné čerpadlo je umístěno ve vnitřním prostoru. Sání i výfuk vzduchu musejí být v dostatečné vzdálenosti od sebe, aby nedocházelo k míchání vzduchu. Umístění v technickém prostoru uvnitř budovy je výhodné i s ohledem na hluk v exteriéru, umístěni však musí odpovídat dispozici budovy a umístění pobytových místností.
109
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
110
Tepelné čerpadlo vzduch-voda Kompaktní provedení venkovní • Řešení, kdy je celé tepelné čerpadlo je umístěno ve venkovním prostoru. Výhodou je, že toto zařízení nezabírá žádný vnitřní prostor a lze tu využít i hořlavá chladiva např. propan.
TČ na střeše bytového domu • Plynová tepelná čerpadla + plynové kotle
111
Tepelné čerpadlo země-voda • Zdroj tepla – soustava vrtů – plošný zemní výměník
Tepelné čerpadlo země-voda • Vrty – – – –
výkon vrtu závisí na typu horniny a typu sondy hydrogeologický průzkum průměrně lze počítat s výkonem 50 W.m-1 délky vrtu, vrty běžně do hloubky 130 m, rozteč vrtů cca 10m, volíme zpravidla stejnou hloubku vrtů např. 2x70m
112
Hlubinné vrty • Důležitý vliv má voda Hlubinný vrt
(W/m)
Suché podloží
20
(sedimenty s vodivostí do 1,5 W/m.K)
Normální podloží
50
Pevné skalní podloží Vodou nasycené sedimenty
Pevné skalní podloží
70
(skála s vodivostí nad 3 W/m.K)
Hlubinné vrty • Nesmí být poškozeny hydrogeologické vrstvy-bentonit, zacelení!! • Vždy platí, že materiál použitý pro primární systém potrubí TČ by měl být vzhledem k ekonomické náročnosti vrtů co nejlepší, aby vrty bylo možné využívat co nejdéle. • Životnost vrtů dle materiálů 50 let
113
Hlubinné vrty • výstroj vrtu • tvarové uspořádání výměníku
Hlubinné vrty • v průběhu životnosti vrtu dochází k úbytku potenciálu • závislé na vzdálenosti vrtů, typu zeminy a odebíraném výkonu
114
Hlubinné vrty-příklad provádění
Povrchové vrty • Vrty hloubky 5m vzdáleny 3-4 m, odstup od budovy 2m • Délka sondy 3m (délka 40m, průměr 40cm) • Vhodné pro malé pozemky kde není možné provést hloubkové vrty. Paralelní zapojení nebo až 3 sondy sériově. • Výkon 400-700W/m (dle typu zeminy a množství vody)
115
Tepelné čerpadlo země-voda Plošné výměníky • Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z plastového potrubí (např.PE) plněného nemrznoucí směsí • Ochlazování půdy.
Teplota zeminy
únor květen
srpen listopad
116
Teplota zeminy
Tepelný tok .
117
Plošné výměníky • min. 1,5 m od budovy • výkon 16W.m-2 plochy kolektoru při běžné hloubce uložení zemního výměníku 1,5m • výskyt spodní vody až 40W.m-2 • smyčky potrubí ukládané v rozteči 0,5-1m, délka 150-200m • pokud více než 5 smyček-vhodné použít rozdělovač a sběrač
Výkonové charakteristiky plošného výměníku Standardní plošný zemní kolektor – výkony pro odběr tepla
(W/m2)
Suchá písčitá půda
10-15
Vlhká písčitá půda
15-20
Suchá jílovitá půda
20-25
Vlhká jílovitá půda
25-30
Půda s protékající spodní vodou
30-35
118
Prefabrikovaný rozdělovač a sběrač primárního okruhu
Výkopové provedení plošného výměníku • • • •
Plošný kolektor se skládá z jednotlivých výkopů Rozměry 20 x 1m ,hloubka 1,2-1,8m. Na dno každého výkopu se uloží (do pískového lože) 200m plastového (PE) potrubí. Menší plocha - vyšší cena
119
• Ukládání plošného výměníku do rýh v zemi • šetrnější přístup k ukládání potrubí • rychlejší provedení výkopu a zásypu • využití strojní mechanizace
Tepelné čerpadlo voda-voda • Povrchová voda - Voda v toku nebo rybníku, výměník ve vodě, na břehu. Pozor na teploty v zimním období. • Podzemní voda - Voda se odebírá ze sací studny a po ochlazení se vypouští do vsakovací studny nebo vodoteče (platba stočného). Zdroj podzemní vody musí být dostatečně vydatný (přibližně 15 - 25 l/min pro TČ s výkonem 10 kW).
120
Dimenzování TČ • výkon TČ 75-90% celkového požadovaného výkonu zdroje tepla – (pozor na žádané parametry interiéru -20°C?)
• Výkon TČ 100% ekonomika, vestavba elektrokotle
Dimenzování TČ • Bod bivalence představuje bod, kdy je nutné připojit k tepelnému čerpadlu, s ohledem na potřebu tepla, další zdroj. • Monovalentní zdroj • Vícevalentní zdroj
121
Dimenzování TČ vzduch-voda
Energetická potřeba objektu
122
TČ vzduch-voda S poklesem teploty pod určitou mezní teplotu (zde cca 2 °C) se zvyšuje energetická náročnost TČ (skok v charakteristice). Nárůst je potřebný pro odtávání námrazy, která na výparníku při odvádění tepla ze vzduchu vzniká. Mezní teplota a velikost skoku závisí na použitém způsobu odtávání výparníku.
S poklesem teploty pod teplotu bivalence se snižuje množství tepla hrazené tepelným čerpadlem.
TČ země-voda
123
Tepelné čerpadlo • navrhnout TČ tak, aby pracovalo co možná nejvíce a po co nejdelší dobu • omezit krátkodobé zapínání a vypínání, překlenout např. tarifní přerušení dodávky elektrické energie-elektronika tč max. 3-4 starty za hodinu, min. doba provozu 20min, • řízení výkonu kompresoru (frekvenční měnič, rozsah) • objem otopného systému zvýšit pomocí akumulačního zásobníku tepla • vhodná kombinace s nízkoteplotním systémem vytápění (soustava nejlépe <40°C např. 45/30°C PDL, 50/40°C OT) • nejčastěji jako bivalentní zdroj tepla-doplnění např. elektrokotlem • nutná kapacita elektrické přípojky, využití speciálního tarifu • max. teplota 55°C (při úpravě primárního okruhu až 65°C)
Tepelné čerpadlo • Primární okruh musí mít pro vyrovnávání objemových změn vybaven vyrovnávací nádobou a pojistným ventilem. • Kontrola skutečného provedení vrtu pomocí označených potrubí • TČ vzduch-voda hrozí vznik kondenzátu/námrazy. Umístění TČ ve větrané a temperované místnosti. • Hluk z provozu TČ-pozor zvláště u lehkých staveb • Přerušované vytápění a TČ-výhodný většinou jen u NED domů (3-5kW), pozor na setrvačnost podlahových systémů
124
125
Chlazení pomocí TČ Reversní provoz - obrácení provozu TČ, tedy odebírání tepla v interiéru a jeho odevzdávání v primární části. Technicky je nutné provést instalaci speciálních armatur, které toto obrácení běhu umožní. Přímé chlazení - kompresor TČ není v provozu a teplo z interiéru je odváděno do země nebo vody. Chlazení interiéru přímo chladem ze země nebo vody. Tento způsob chlazení je energeticky úsporný a má využití u budov s nízkou spotřebou energie.
Energetické piloty • Objem betonu a zeminy pod slouží jako akumulátor chladu nebo tepla. • Využití stavebních pilot. • Piloty o průměru 0,12-1,2m a hloubce 3-30 m. • Možné použití systému přímého chlazení (bez TČ). • Min. teplota-2°C (nebezpečí promrzání zeminy)
126
Biomasa
253
Biomasa Biomasa je hmota organického původu (rostlinného i živočišného). Rostlinná biomasa (fytomasa) složena z vody, kysličníku uhličitého ze vzduchu, malého procenta různých prvků z půdy a za existence fotosyntézy a slunečního záření o volné vlnové délce 0,38 až 0,79 mikronů: 6 CO2 + 6 H2O + energie + stopové prvky = C6H12O6 + 6 O2 Vytváří se cukry, škrob, lignin, bílkoviny, tuky, latexy, vláknina-celulóza a další látky.
Fotosyntéza - pomocí zeleného barviva (chlorofylu) je zachycována do org. sloučenin sluneční energie. Hlavní přínosy biomasy: • redukce skleníkových plynů • snížení závislosti na dovozu energie • regionální rozvoj
127
Biomasa • Způsoby získávání energie – Termo-chemicky (spalování)-problematika vlhkosti- např. dřevo za 1,5 roku w=20%, výhřevnost závisí na množství hořlaviny (organická část, směs hořlavých uhlovodíků). Spalování přímé nebo spalování vyrobených kapalných nebo plynných produktů (olej,..) C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + energie + popel – Bio-chemicky (fermentace, alkoholové kvašení, anaerobní vyhnívání, metanové kvašení (bioplyn)) – Mechanicko-chemická přeměna (lisování olejů, štípání, drcení, lisování , peletování, výroba bionafty)
Biomasa • Pěstovaná k energetickým účelům – Lignocelolůzové • Dřeviny (vrba, olše), obiloviny • Travní porosty (sloní tráva) • Ostatní porosty (šťovík,..)
– Olejnaté (řepka, slunečnice) – Škrobo-cukernaté (brambory, kukuřice) •
Nutný dobrý ekonomický rozbor záměru.
128
Biomasa • Odpadní produkty – Rostlinné odpady - zemědělská prvovýroba (řepková sláma, sekaná tráva, sláma..) – Lesní odpady (dendromasa) - nevyužitá stromová hmota po lesní výrobě (větve, pařezy) – Organické odpady z průmyslové výroby (dřevařská výroba, cukrovary, mlékárny,..) – Odpady ze živočišné výroby (hnůj, kejda,..) – Komunální organické odpady (kal, komunální tuhý odpad)
Biomasa Rostlinné odpady •
Sláma – – – – –
Je možné přímé spalování vysoký podíl zplynovaných částí hoří vysokým plamenem nevýhodou je nízká měrná hmotnost a vysoké nároky na skladovací prostory nízký obsah popelovin (kolem 5 %)
129
Biomasa Rostlinné odpady Zelené rostliny - zbytky z krmných rostlin a zeleniny - vysoká vlhkost vede k z pracování technologií bioplynu - průměrný obsah sušiny 17MJ/kg
Biomasa Rostliny pěstované pro energetické účely Výběr vhodných plodin -energetická výtěžnost -biodiverzita -obslužnost běžnou zemědělskou technikou -účinnost spalování+škodliviny ve spalinách -legislativa
130
Biomasa Rychle rostoucí rostliny Dřeviny (RRD)-výmladkové platáže využitelnost po 8 letech, životnost 15-20 let nejedná se o zemědělskou půdu, (cca 1h/1RD) topoly, vrby (ověřované jilm, olše) Byliny (energetické byliny) Jednoleté, víceleté, vytrvalé, nižší energetický zisk např. šťovík, sklizeň od 2 roku každý rok, životnost 10 let, cena energie cca 100 Kč/GJ Rostliny obsahující škrob a cukr výroba etanolu (brambory, kukuřice) Olejnaté rostliny výroba oleje, využití vedlejších produktů (řepka, slunečnice)
Biomasa Sklizeň rostlin
131
Biomasa Mechanicko-chemická přeměna Výroba paliv štípání, řezání-výroba možná i v malospotřebě drcení, lisování, peletování, štěpkování -nutné speciální stroje, jejichž pořízení se vyplatí pro větší zdroje tepla nebo pro prodej-centrální kotelny pro spalování biomasy s dálkovým rozvodem tepla Doprava paliva-manuální, automatická
Biomasa Palivo upravené do lépe využitelné podoby: (výroba paliva-cena energie-dostupnost)
štěpka -použití: kotle na kusové dřevo, interiérové kotle, krbová kamna, kotelny na automatické spalování biomasy
dřevo-použití: kotle na kusové dřevo, interiérové kotle, krbová kamna
dřevní brikety-použití: kotle na kusové dřevo, interiérové kotle, krbová kamna
piliny- kotle na kusové dřevo, kotelny na automatické spalování biomasy
pelety-slisované piliny a hobliny v podobě malých válečků. Umožňují automatizovat dopravu paliva do kotle. Výhřevnost do 18MJ/kg
132
• Pelety
Biomasa
použití: automatické kotle na obilí a pelety, kotelny na automatické spalování biomasy Pelety z řepky Pelety ze šťovíku Dřevní pelety s kůrou Dřevní pelety bez kůry
• Obilniny Použití: automatické kotle na obilí a pelety pšenice, oves, hořčice
Parametry Dřevo energetické vlastnosti závislé na obsahu vody w=50% výhřevnost je poloviční ve srovnání s w=10% cca 16 MJ/kg
133
Termíny • Výhřevnost -množství tepla, uvolněného dokonalým spálením jednoho kilogramu paliva při stejné teplotě, vodní pára nezkondenzuje
• Spalné teplo -je množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením 1kg paliva o teplotě 20°C při ochlazení spalin znovu na 20°C, přičemž zkondenzuje vodní pára zpět na vodu
• Obsah vody max 100% Technický pohled Dřevozprac. průmysl m1…hmotnost vzorku surového dřeva m2…hmotnost vzorku po vysušení
Biomasa • Energetické vlastnosti
134
Spalování biomasy • přímé spalování – ekonomické u produktů ze dřeva (polena, štěpka, brikety, pelety) a slámy – nutný nízký obsah vlhkosti – u slámy vysoký obsah létavých částeček
• zplyňování – přeměna pevných paliv v plynná paliva – teploty 500 až 1200 °C, způsob konverze ligninu (tvoří cca 25–30 % biomasy), kdy je objem hmoty redukován až o 90 %. Jako vstupní surovinu na výrobu syntetického plynu lze použít různé druhy obilovin, trávu, rychle rostoucí dřeviny (topoly, vrby). Nejlepší účinnosti zařízení se dosáhne, pokud je konstruováno speciálně pro daný druh paliva.
• pyrolýza – zužitkování tuhých odpadů
Spalování biomasy • Malé zdroje tepla – Lokální topidla – dřevo, brikety • Krby, krbová kamna -teplovzdušné; s teplovodní vložkou • Kachlová kamna Výkon 7kW, spotřeba paliva 3,6 kg/h, doba hoření 3h.
135
Biomasa • Kotle pro centrální vytápění – dřevo, brikety, štěpka, pelety. Výkon běžně do 100 kW. • Nutné řešit uskladnění a dopravu paliva Automatický kotel na pelety, výkon do 20kW
Kotel na dřevo 45 kW, účinnost 85% Zplyňovací kotel na dřevo 99kW, účinnost 85-90%
Kotle se zásobníkem • Zpravidla na sypká paliva • Lze používat i kusová paliva • Zásobník ocelový, textilní, plastový
136
Kotle se zásobníkem
Objem zásobníku běžně 3-5 m3
Doprava paliva do kotle
Sypká paliva (pelety,..) Šnekový dopravník, pneumatická doprava
137
Peletové kotle
Peletové kotle • Výhodné použití akumulačního zásobníku – – – –
Doporučená velikost 20l/1kW výkonu Umožněno spalování s vysokou účinností Lepší provozní vlastnosti vzhledem k odtahu spalin Nutné posoudit zda komín nemusí být řešený jako mokrý (nebezpečí kondenzace spalin v komíně)
138
Biomasa • Velké zdroje Automatické kotle – umožňují spalovat i méně kvalitní paliva jako jsou dřevní štěpka, sláma, kůra. Kotle vhodné zejména pro CZT.
Náklady na výstavbu zdroje tepla jsou investičně závislé na dostupnosti vhodného zázemí. Provozní náklady pak na dostupnosti paliva a případně nutnosti jeho dopravy.
2,7 MW Dešná Jidřichův Hradec
Kotel na spalování balíků slámy
139
Kotel na spalování balíků slámy
Zdroj na spalování balíků slámy
140
Výtopna na spalování slámy
Bioplyn • Nejrychleji se rozvíjející oblast v ČR, dříve spojeny především s ČOV. • Kompostování zemědělského a komunálního odpadu • Oddělení frakcí-fermentor (ohřev na cca 40°C) bakterie rozkládají odpad-výroba bioplynu a hnojiva, odpad je nutné hygienizovat. • Hnojivo je ekologicky nezávadné, kvalitní. • Bioplyn dosahuje 70% výhřevnosti zemního plynu cca 21MJ/m3
141
Schéma bioplynové stanice
Zjednodušené schéma bioplynové stanice fermentor sběrná nádrž
plynojem
zásobník zpracované biomasy
kogenerační jednotka www.ekowatt.cz
142
Bioplynová stanice Výtěžnost: 10kW=1ha plantáže bylin 1kW=cca 10 dobytčích jednotek Možno zpracovat všechnu biologickou hmotu mimo dřeva. Kogenerační jednotky bioplynových stanic-nutné zajistit vhodné složení bioplynu Při využití kogenerace nutno najít účelné využití tepla v letním období.
Bioplynová stanice BCM metoda Zpracování bioplynu na zemní plyn v požadované kvalitě a CO2 . Vyráběn může být methan, soda, CO2. Nejvhodnější metoda závisí na množství zpracovávaného bioplynu.
143
Skládkový plyn • Směs plynů vznikajících při mikrobiologickém rozkladu organických složek odpadu. • Skládky tuhých komunálních odpadů (TKO) – Nepříjemný zápach v okolí, možná exploze skládkového plynu – Skládkový plyn musí být odváděn a využíván – ČR cca 312kg TKO/os.rok cca 35% organického původu
Geotermální energie
288
144
Geotermální energie
Zdroj tepla: • vznik planety + rozpad radioaktivních látek Praktické využití vázáno na Využití: cenu energie a její využitelné • zásobování teplem množství. • výroba elektřiny (ohřev >150°C) Teplotní gradient • zásobníky tepla, chladu 25-30°C/km hloubky
Umístění geotermálních elektráren
145
Geotermální energie Nízkoteplotní geotermální energie -využitelná téměř všude, nutné respektovat lokální podmínky Výměník, tepelné čerpadlo, (pod 100°C) Vysokoteplotní geotermální energie -nutné podrobné technicko-ekonomické posouzení, voda často silně mineralizovaná, přímá výroba elektřiny parními turbínami, kogenerace (nad 150°C) Středně teplotní (100 - 150 °C) - využívají se na výrobu elektrické energie nepřímo -teplá voda nebo pára předá tepelnou energii jinému mediu, které pak pohání turbíny
Základní princip provozu geotermální elektrárny
146
Geotermální energie
• Hlavní sledované fyzikální veličiny – tepelný tok • Průměrný tepelný tok (množství tepla, které projde jednotkovou plochou na zemském povrchu) na Zemi je 60 +/- 10 mWm-2.
– tepelná vodivost hornin – hydrogeologické parametry lokality
Přímé využití geotermální energie
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Vrt Hlava vrtu Přívodní potrubí geotermální energie Průtočný bazén Vypuštění bazénu Přepad
147
Nepřímé využití geotermální energie
1. 2. 3. 4.
Vrt Hlava vrtu Výměník tepla Ochlazená geotermální voda pro další použití 5. Odpadní geotermální voda 6. Recipient 7. až 10 Vytápěcí systém
Nepřímé uzavřené využití geotermální energie
1. a 11. Vrt 2. a 10. Hlava vrtu 3. Výměník tepla 4. a 7. Odběrná místa 5. a 9. Čerpadlo 6. Výměník tepla 7. až 10 Vytápěcí systém
148
Přímé využití horké páry
1. 2. 3. 4.
Geotermální vrt Hlavní uzávěr vrtu Parní turbína Generátor
Přímé využití horké páry s kondenzátorem
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 9.
Geotermální vrt Hlavní uzávěr vrtu Parní turbína Generátor Kondenzátor a 8. čerpadla chladícího okruhu Chladící věž Reinjektážní čerpadlo
149
Kogenerace
299
Kogenerace • Kombinovaná výroba elektrické energie a tepla (KVET, CHP) • Jedná se zpravidla o přeměnu primární energie na energii elektrickou tak, aby bylo možné využít odpadní teplo. • Podmínkou využití kogenerace je celoroční zajištění odběru tepla v blízkosti zdroje (např. příprava TV, technologie, vytápění). • Do budoucna nutno počítat s využíváním různých paliv. Situace v ČR: Teplárny v blízkosti měst, elektrárny v blízkosti zdroje paliva.
Trigenerace - výroba tepla, chladu a el. energie
150
Kogenerace Porovnání spotřeb energie
Kogenerace Hodnocení zdrojů KVET dle ukazatelů: • Teplárenský modul
• • • • • • •
Účinnost výroby el. energie ve zdroji KVET Účinnost výroby tepla ve zdroji KVET Celková účinnost zdroje KVET Celková roční doba provozu zdroje KVET Doba využití maximálního výkonu zdroje KVET Výkonový teplárenský součinitel Roční teplárenský součinitel
151
Kogenerace Technologie zdrojů KVET: • Parní protitlaková turbína • Parní odběrová turbína • Plynová turbína s rekuperací tepla • Paroplynové zařízení s dodávkou tepla • Spalovací pístový motor • Další technologie – mikroturbína, Stirlingův motor, palivový článek, parní stroj, organický Rankinův cyklus a kombinace uvedených technologií a zařízení
Kogenerace Parní odběrová turbína Mezi první a druhým stupněm turbíny se část páry využívá pro teplárenské účely. Neodebraná pára kondenzuje.
Plynová turbína s rekuperací tepla V podstatě proudový motor s využíváním energie spalin. Lopatkový kompresor stlačuje vzduch, dochází k ohřevu spalinami a k expanzi v prostoru turbíny.
152
Kogenerace Spalovací pístové motory • Motor spalující levné palivo s přeměnou mechanické práce na elektrickou energii v generátoru a s využitím vznikajícího tepla. • Nejběžněji využito v malých a středních kog. jednotkáchnemocnice, sportovní haly, bazény, obchodní a administrativní centra, ČOV, bioplynové stanice, okrskové kotelny. • Provedení od malých 2 válcových kompaktních motorů až po oddělené 18 válcové umístěné z důvodu hluku v samostatných prostorách.
Palivo kogeneračních jednotek • Běžně jednotka pro spalování zemního plynu • Spalování alternativních plynných paliv – – – –
bioplyn (ze zemědělských bioplynových stanic) kalový plyn (z čistírnách odpadních vod) skládkový plyn (ze skládek komunálního odpadu) důlní plyn (z uhelných dolů)
153
Kogenerace
Spalovací pístové motory • Odvod tepla běžně 2 stupňový-předehřev olej/voda a dohřev výfukové plyny/voda • Vyráběné teplo má omezenou teplotu (100°C). • Vhodné ve spojení s akumulátorem tepla-není nutné maření tepla při potřebě elektřiny. • Snížení výkonu nemá výrazný vliv na snížení účinnosti.
Kogenerace • Parní stroj – využití k redukci páry pára přiváděna do pístů princip znám z historických strojů
• Organický Rankinův cyklus
• Pro nižší teploty je výhodnější využití organických látek místo vody • Jednodušší turbína, látky známé z chlazení (obrácený R.cyklus)-freony, alkany, aromatické uhlovodíky
154
Kogenerace Další technologie: • Mikroturbína-vysokootáčková plynová turbína (10-100kW), rychlost, nízká hmotnost, účinnost 80% (elektřina 30%), vyšší cena, poměr výroby elektřina/teplo ½
• Stirlingův motor - motor s uzavřeným vnitřním prostorem, možnost využití jakéhokoliv paliva, levný provoz, životnost,nízká hlučnost, nyní vyšší cena
Kogenerace • • • • •
Mikrokogenerace využití kogenerace v oblasti malých výkonů Využívání plynových motorů Účinnost až 90% Podpora na vyrobenou energii (spotřebovanou i prodanou+prodej elektřiny)
•
Dimenzování na potřebu tepla (zima provoz až 12h, léto provoz ve špičkách 2-8h)
•
RD výkon elektrický 1-2kW, tepelný do 10kW - vysoká pořizovací cena, nízká výkupní cena elektrické energie, jednotky nejsou v nabídce běžných výrobců (jednotka 5kWe cca 3000EUR/kWe)
155
Testování mikrokogeneračních jednotek • Plynový kondenzační kotel kombinovaný se Stirlingovým motorem pro RD
1kWe 6-18kW tepla
Cenové rozhodnutí ERÚ
156
Palivové články
313
Palivový článek Výroba elektrické energie a vzniku tepla změnou chemické energie paliva. Dochází k přívodu paliva k anodě a okysličovadla ke katodě. Palivo-vodík v kapalném nebo plynném stavu, paliva obsahující vodík. Tichý proces, nízká zátěž životního prostředí, účinnost 85%, elektřina/teplo=1/1,2 Využití při vytápění, v kogeneračních jednotkách malých výkonů, při pohonu automobilů.
157
Palivové články
Typy článků dle provozní teploty a elektrolytu: (kyslíko-vodíkové články)
Alkalické články (AFC)-nejstarší typ, vysoké nároky na čistotu paliva a okysličovadla, drahý provoz (družice, vojenství 400W-20kW) Články s polymerovou membránou (PEMFC)vhodné pro automobily, pracovní teplota 6080°C, perspektivní i pro vytápění Články s kyselinou fosforečnou (PAFC)připraveno pro komerční využití, kogenerace. Karbonátové články (MCFC) -ověřovací provoz, články 2 generace, teplota 650°C, pro průmyslové aplikace. Články s pevným elektrolytem (SOFC) demonstrační provoz, teplota až 1000°C, velké zdroje energie, elektrárny.
Palivový článek Palivové články dělíme podle elektrolytu a teploty: Článek
Elektrolyt
Pracovní teplota (°C)
Rozmezí výkonů (kW)
Nízkoteplotní
Alkalický (AFC) Roztok KOH Membránový Iontoměničová (PEMFC) membrána
70 - 100 20 - 100
0,5 - 100 kW do 500 kW
Středněteplotní
Kyselý (PAFC)
Roztok kyseliny fosforečné
170 - 200
do 15 MW
Vysokoteplotní
Z tavených karbonátů (MCFC) Z vodivých oxidů (SOFC)
Tavenina karbonátů Li, Na, K Keramické oxidy zirkonia
600 - 700 do 100 MW 700 - 1000 do 100 MW
158
Palivový článek
Komunikace (palivo metanol) Automobilový průmysl
Energetika Palivový článek dodává 4kW elektrické a 9kW tepelné energie. Vyrobená energie se používá pro vytápění, ohřev teplé vody a dodávku elektřiny. Palivem je zemní plyn. 317
Energie větru
318
159
Energie větru • Slunce nerovnoměrně zahřívá zemi-vznikají vzdušné proudy • Snadné využití pro výrobu elektrické energie • Rozvoj větrné energetiky v souvislosti se státními garancemi výkupních cen • Možnost likvidace po skončení životnosti
Systém výroby elektrické energie
160
Energie větru • Konstrukční provedení větrné turbíny – vodorovná osa otáčení – svislá osa otáčení
Větrná energie-konstrukční provedení větrné turbíny • Vodorovná osa otáčení • nejběžnější typ • vztlakový princip – využívá princip vztlaku-podobně jako letecké křídlo » podél rotorových listů vznikají aerodynamické síly; listy proto musejí mít speciálně tvarový profil velmi podobný profilu křídel letadla » energie větru je převedena na rotační energii mechanickou. Ta je poté prostřednictvím generátoru zdrojem elektrické energie. – natáčení rotoru kolmo na směr větru
161
Větrná energie-konstrukční provedení větrné turbíny • Svislá osa otáčení • vztlakový princip-možnost vyšší rychlosti otáček, nižší hlučnost (možnost výstavby ve větší blízkosti), nižší životnost-vyšší namáhání, nižší výkony • odporový princip
•
Větrná turbína Vícelopatkový rotor – desítky listů rotoru (např. americké kolo) – malá náběhová rychlost (cca od 0,2m/s) – účinnost 20-30 %
•
Vrtule – – – –
•
1-4 listy rotoru náběhová rychlost 3-6m/s nejpoužívanější typ pro výrobu elektrické energie účinnost 30-40 %
Savoniův rotor – 2 listy rotoru – účinnost do 20 % – náběhová rychlost od 2 m/s
•
Darrierův rotor – 2-3 listy rotoru – účinnost do 40 % – náběhová rychlost 5-8 m/s (nutnost roztočení)
162
Výkon větrné turbíny • Maximální účinnost větrného stroje 59 % (Betzovo pravidlo - odvedená práce bude rovna rozdílu kinetické energie na vstupu a výstupu z rotoru) • Teoreticky dosažitelný výkon Pt Betzův koeficient kB=0,59
• Reálný výkon P D průměr rotoru (m) v rychlost větru (m/s) ρ měrná hmotnost vzduchu (m3/s) Cp součinitel výkonnosti (ideálně 0,59)-závisí na rychlosti větru Roční využití větrné elektrárny 10-30% Výkon je velmi závislý na rychlosti větru.
Výkonový součinitel větrné turbíny
Reálná účinnost 35-45%
163
Rozdělení větrných elektráren podle výkonu
Malé větrné elektrárny elektrárny s výkonem do 60kW
Střední větrné elektrárny s výkonem 60-750kW
Velké větrné s výkonem 750-6400kW
Velikost větrných turbín
164
Energie větru Větrná elektrárna s výkonem 55kW 400V,pracovní rozsah 3,5-25m/s
Větrná elektrárna s výkonem 8kW 230/400V,pracovní rozsah 2,5-25m/s
Energie větru - konstrukce gondoly 1) Hlavní hřídel 2) Nosný rám strojovny 3) Převodovka 4) Spojení mezi převodovkou a generátorem 5) Generátor 6) Systém natáčení strojovny 7) Hydraulické systémy
165
Příklad větrných elektráren
Protivanov výkon 1,5MW
Energie větru • Ukazatele využitelnosti: – Rychlost větru (m/s) v dané výšce -běžně 10m (logaritmický profil rychlosti v závislosti na drsnosti povrchu) • Výkon roste se třetí mocninou rychlosti
– Četnost rychlosti větru (distribuční charakteristika) – Vhodné lokality je možné stanovit pomocí analýzy dat dostupných z meteorologických stanic – Dostupnost lokality – Nadmořská výška (námraza,..) – Majetkoprávní vztahy – Zátěž ŽP
166
Energie větru – Nutné provést měření ve vybrané vhodné lokalitě • Min. 4m/s (2,5m/s-dělené generátory) • Plný výkon běžné elektrárny 10 (15) m/s • Maximální rychlost větru 25 m/s
Značně proměnlivý výkon - nutný transformátor pro vyrovnání napětí
Energie větru • Proudění větru kolem překážek
167
Energie větru
X
Energie větru
168
Energie větru • Využití energie – Grid-off systém - systém nezávislý na elektrické síti • malé výkony • synchronní generátor • stejnosměrné napětí 12V nebo 24V • zpravidla malé elektrárny výkon 0,1-5 kW+baterie+elektronika
• možné propojení se systémem fotovoltaických panelů
Energie větru • Využití energie – Grid-on systém -propojení s elektrickou sítí • Zpravidla komerční výroba elektrické energie • Trend výstavba velkých elektráren (omezené území, nižší náklady na výkon) • Velké výkony • Asynchronní generátor 660V, střídavé napětí • Nelze použít pro autonomní systémy • Rotor 50-100m, stožár >100m • Výkon 100-2000kW (moře, pobřeží 5MW) • Většinou konstantní otáčky a 3-listé provedení-s rostoucí silou větru se zvyšuje zátěž • Výstavba většího počtu elektráren - větrné farmy • ČR systém výkupní ceny elektřiny nebo zelené bonusy
169
Energie větru • Problematika větrných elektráren – Hlučnost-lze řešit umístěním do vhodné vzdálenosti od obydlí, nutná hluková studie – Rušení zvěře a ptactva -údajně není významné, umístění mimo tahy ptáků – Rušení signálu TV, rádio, telefony -technicky řešitelné posílením signálu – Stroboskopický efekt (vhání pohyblivých stínů) -umístění – Narušení rázu krajiny • Otázka vhodného výběru lokality
Příklad větrné elektrárny • Jednotkový výkon 3MW (2ks) • Pchery (Kladno)
170
Cenové rozhodnutí ERÚ
171
Energie větru • Ukazatele využitelnosti: – Rychlost větru (m/s) v dané výšce -běžně 10m (logaritmický profil rychlosti v závislosti na drsnosti povrchu) – Četnost rychlosti větru (distribuční Větrná růžice charakteristika) – Vhodné lokality je možné stanovit pomocí analýzy dat dostupných z meteorologických stanic – Dostupnost lokality – Nadmořská výška (námraza,..) – Majetkoprávní vztahy – Zátěž ŽP
Rychlost větru měření CHMI
172
Celkový instalovaný výkon větrných elektráren EU
173
Instalovaný výkon větrných elektráren v roce 2010 v EU
Spotřeba energie pokrytá energií vyrobenou z větru
174
Nově instalovaný výkon zdrojů energie (MW)
Umístění větrných elektráren • Větrný park - větrná farma • onshore – offshore • Využití kontinentálního šelfu - větrné turbíny jsou nákladnější ale výkonnější
175
Kontinentální šelf • Šelf-oblast mělkého moře v blízkosti pevniny (dříve do 200m hloubky) •
Podle mezinárodního práva má na zdroje v kontinentálním šelfu právo stát, který šelfu přiléhá.
Příklad Větrný park Baltic 1 • Německo, Baltské moře • Oficiální připojení 2.5.2011, 1 komerční projekt, výstavba cca 3 roky • Instalovaný výkon 48,3MW (21 turbín 2,3MW, turbína 140t, průměr 93m, výška 125-169m) • Baltské moře-průměrná rychlost 9m/s nárazy větru až 120km/h, vlny až 5m, nutná ochrana proti ledovým krám • hloubka moře 20m • Příprava projektu Baltic 2 288MW (2012)
176
Větrný park • Transformátor na moři (na 150kV pro dopravu na větší vzdálenosti) • Technické vybavení, krátkodobé ubytování
Kabel průměr 23,5cm, hmotnost 105kg/m
Základy větrné elektrárny v moři
177
Využití větrné energie ve městech • Zpravidla využití malých větrných turbín • Umístění turbín na budově – integrace s budovou – samostatné umístění turbín
• Využíváno z důvodu nutného použití obnovitelných zdrojů energie pro dosažení lepší energetické bilance • Větrné turbíny jsou výrazným prvkem budovy • Nutné řešení akustiky, vlivu vibrací
Energie větru • Možnost spojení architektury s výrobou energie
178
Příklad budovy Bahrain World Trade Center • prestižní budova určená pro reprezentaci (2008) • první mrakodrap s integrovaným systémem výroby el. energie z větru • využití energie větru vanoucího od moře • výška budovy 240m
Příklad budovy Bahrain World Trade Center • tvar mrakodrapů koncentruje energii větru na turbíny • 3x větrná turbína - průměr 29m, výkon 225kW • zajištění zhruba 11-15% celkové spotřeby elektřiny obou budov (1100 až 1300 MWh/a)
179
Směr vývoje • vývoj velkých turbíny s výkonem 20 MW a průměrem 200 metrů • vytváření infrastruktury pro rozvoj větrných parků • rozvoj mořských větrných parků • vývoj větrných elektráren pro hlubší moře
Větrná elektrárna ve vzduchu
• •
airborne wind turbine design concept
180
Energie vody
361
Vodní energie • Vodní elektrárny - založeny na přeměně potenciální energie vodního toku • Využitelná energie závisí na průtoku a spádu • Výroba elektrické energie • Základní části (vodní dílo) – Vodní stavba - přehrada, jez – vodní stroj - turbína – generátor elektrické energie
• Stabilní výkon zdroje • Nutnost údržby toku http://mve.energetika.cz/
181
Vodní elektrárny • Přehradní vodní elektrárny Vltavská kaskáda - Orlík (364MW), Slapy (144MW) a Lipno (120MW) • Přečerpávací vodní elektrárny Dlouhé stráně (650 MW) a Dalešice (480 MW) • reakční doba 55-400 s do plného výkonu největší elektrárna Čína, Tři soutěsky na řece Jang-c'-ťiang, instalovaný výkon přes 18000MW
Vodní elektrárny
• Dle instalovaného výkonu: – MVE do 10MW
• domácí, mikroelektrárny, minielektrárny, průmyslové
– SVE – VVE
10-200MW nad 200MW
• Typ zařízení • Přehradní • Přečerpávací • Přílivové - umístění v ústí řek nebo v moři
182
Použití turbín
Vodní energie-rovnotlaké turbíny Peltonova turbína
Turgo turbína Bánkiho turbína
183
Vodní energie-přetlakové turbíny Přetlaková turbína-osa turbíny horizontální i vertikální Francisova turbína Kaplanova turbína
Konec
184
