Úvod. Elektøina a teplo

Elektrárna Komoøany

Elektrárna v Komoøanech zaèala první energii dodávat už v polovinì minulého století. Dnes ji provozuje firma United Energy a zásobuje teplem 35 tisíc domácností v Mostì a Litvínovì. Roènì dodá více než 2,5 milionù GJ tepla a témìø 500 tisíc MWh elektrické energie. O elektrárnu a rozvody tepla se starají ètyøi stovky zamìstnancù. Jejich cílem je, aby komoøanská teplárna spolehlivì dodávala teplo všem odbìratelùm a pøitom co nejménì poškozovala životní prostøedí. United Energy také myslí na své okolí – finanènì pomáhá mìstùm, školám, nemocnicím a dalším, kteøí potøebují pomoc, podporuje kulturní a sportovní akce, hlavnì pro dìti a mládež. V rámci projektu Tepelná Pohoda uskuteèòuje také vzdìlávací program, jehož souèástí je i vaše dnešní návštìva u nás.

Úvod

Elektøina a teplo

Elektrická energie nás provází na každém kroku. Je pro všechny snadno dostupná a mnohdy si ani neuvìdomujeme, že ji používáme. Vždy staèí jen stisknout knoflík a skrytá síla splní naše pøání. I teplo nás provází celým životem, staèí si jen vzpomenout na návrat do vyhøátého domova ze zimní procházky, nebo na plnou vanu horké vody. Pojïme si øíct nìco o tom, jak se elektøina a teplo vyrábìjí, a co je tøeba k tomu, aby se od nás dostaly až k vám domù, do školy a všude tam, kde je jich tøeba.

Elektøina Trochu historie a fyziky Lidé znali projevy elektøiny od pradávna. Elektrický výboj v podobì blesku pøi bouøce si lidé neumìli vysvìtlit a pøisuzovali jeho vznik nadpøirozeným silám. Dnes víme, že se jedná o pøírodní projev statické elektøiny, umíme vysvìtlit jeho vznik a díky fyzikùm a vìdcùm umíme pøírodu napodobit a využít její zákonitosti k našemu prospìchu. Poèátky moderní elektrotechniky a energetiky sahají do 18. století, kdy pánové Galvani, Volta, Faraday a jejich následovníci experimentovali s elektøinou, objevovali jak elektøina funguje a jak ji využít. K velkému rozvoji došlo vlivem prùmyslové revoluce v 19. století, kdy dochází k využití parního stroje, jsou zkonstruovány první toèivé stroje pro výrobu elektøiny a na konci století vznikají první elektrárny a rozvodné sítì. Následující 20. století je nìkdy nazýváno stoletím elektøiny. Prakticky celá zemìkoule je opøedena elektrickými sítìmi a bez elektøiny si už život skoro neumíme pøedstavit. Ale vrame se ještì na chvíli do historie. Jeden z nejdùležitìjších objevù uèinil r. 1842 nìmecký fyzik a lékaø Julius Robert Mayer, který definoval zákon o zachování energie, který zjednodušenì øíká: energie nevzniká ani nezaniká, pouze se mìní její forma Elektøinu a teplo tedy získáváme pøemìnou mechanické, tepelné, svìtelné nebo chemické energie.

Elektøina Pøemìny energie V souèasnosti nejèastìji vyrábíme elektøinu nepøímou pøemìnou, to znamená: energie v primárním zdroji -> tepelná energie -> mechanická energie -> elektøina Tento zpùsob výroby elektøiny se používá nejèastìji. Primárními zdroji energie jsou pøírodní zdroje – fosilní (uhlí, ropa, plyn), uran, voda, sluneèní energie, geotermální energie a vítr. K pøemìnì mechanické energie na elektrickou se používá elektrický generátor. Jedná se o toèivý stroj, který využívá fyzikálního jevu zvaného elektromagnetická indukce. Pøi pohybu vodièe (nejèastìji kovového pøedmìtu) v magnetickém poli vzniká ve vodièi elektrický proud.

Generátor, který vyrábí stejnosmìrný proud, nazýváme dynamo, generátor vyrábìjící støídavý proud se nazývá alternátor.

Principy

Vodiè v magnetickém poli V

okolí vodièe, kterým prochází el. proud, se vytváøí magnetické pole. Dva soubìžné vodièe, kterými prochází proud, na sebe pùsobí – pøitahují se, nebo se odpuzují.

Nahradíme-li jeden z vodièù magnetem, magnetické pole magnetu zpùsobí vychýlení vodièe, kterým prochází el. proud.

Principy Indukce a generátor Opaèný jev se nazývá elektromagnetická indukce. Zmìna magnetického pole v blízkosti vodièe zpùsobí, že se na vodièi objeví (indukuje) el. napìtí a proud. Zmìnu magnetického pole dosáhneme vzájemným pohybem vodièe a magnetu.

Na principu elektromagnetické indukce pracuje tøífázový generátor el. proudu. Jednoduché vodièe jsou navinuty do cívek, abychom dosáhli vìtšího pùsobení magnetického pole. Tøífázový generátor obsahuje tøi vinutí (cívky). Magnetické pole pùsobí díky otáèení rotoru postupnì na jednotlivá vinutí, takže na každém vinutí vzniká proud v jiném okamžiku než na ostatních.

Principy

Tøífázový generátor II

Elektrárny • • • •

technologická zaøízení sloužící k výrobì elektrické energie první elektrárny na pøelomu 19. a 20. století náhrada parního stroje kombinací kotel + parní turbína, náhrada vodního kola vodní turbínou (tepelné a vodní elektrárny) po objevu jaderné reakce první reaktory (v 50. letech 20.st.) a jaderné elektrárny

Rozdìlení elektráren (podle primárního zdroje energie) tepelné elektrárny, jaderné elektrárny, vodní elektrárny, vìtrné elektrárny, solární elektrárny (tepelné nebo fotovoltaické), geotermální elektrárny Ekologické rozdìlení neobnovitelné – spotøebovávají zdroje, jejichž množství je omezené, potenciální regenerace dlouhodobá a hrozí jejich úplné spotøebování (tepelné elektrárny spalující uhlí, ropu, plyn a jaderné elektrárny (uran) obnovitelné – spotøebovávají zdroje, které se v pøírodì samovolnì regenerují nebo je pøedpokládáno jejich vyèerpání za velmi dlouhou dobu (sluneèní energie) - tepelné spalující biomasu, vodní (vèetnì pøílivových), vìtrné, geotermální a solární Vìtšina elektøiny se v souèasnosti vyrábí z neobnovitelných zdrojù. S postupným ubýváním zásob fosilních paliv vyvíjejí vyspìlé zemì svìta snahu o vìtší využívání obnovitelných zdrojù.

Elektrárny Tepelné elektrárny • • •

• •

obvykle kondenzaèní parní elektrárna spalující fosilní palivo (nejèastìji uhlí) nebo biomasu vzniklým teplem je ohøívána pára, která pohání parní turbínu turbogenerátoru pára odcházející z parní turbíny se nìkdy dále využívá pro vytápìní, ohøev teplé vody nebo k technologickým úèelùm v prùmyslu; tato kombinace významnì zvyšuje úèinnost využití energie z primárního zdroje (paliva) mezi tepelné elektrárny se obèas zaøazují i elektrárny plynové, které jsou vybaveny plynovou turbínou nebo spalovacím motorem spalování fosilních paliv v elektrárnách s sebou bohužel pøináší i pomìrnì velký zásah do životního prostøedí. Území zasažená tìžbou fosilních paliv (v ÈR hlavnì uhlí) musí být po ukonèení tìžby rekultivována (zemìdìlské, lesní a vodní plochy), aby se do nich mohl vrátit život. Pøi spalování vytìženého paliva vzniká øada škodlivých látek a zároveò také skleníkový plyn oxid uhlièitý (CO2), který pøispívá ke globálnímu oteplování Zemì. Souèasné elektrárny se snaží minimalizovat svùj vliv na životní prostøedí. Instalují technická zaøízení na zachytávaní škodlivých látek (odluèovaèe popílku, filtry, odsiøovací zaøízení), aby co nejménì zatìžovaly životní prostøedí.

Elektrárny Tepelné elektrárny

Elektrárny Jaderné elektrárny • energie se získává pøemìnou vazebné energie jader tìžkých prvkù (uranu 235 nebo plutonia 239) • pøi øetìzové štìpné reakce se uvolòuje velké množství tepla, které ohøívá vodu na páru, pára pohání turbínu, turbína generátor. • pøi štìpné reakci vznikají také radioaktivní produkty Výhody JE - malý objem spotøebovaného paliva a velký výstupní výkon - nulové exhalace (elektrárna produkuje pouze odpadní teplo a vodní páru) - nízké výrobní náklady Nevýhody JE - vysoké náklady na výstavbu, - obtížné získávání paliva - riziko havárie s únikem radioaktivních látek Nejvìtším problémem je produkce jaderného odpadu, který zùstává radioaktivní po velmi dlouhou dobu a musí být skladován ve speciálních uložištích.

Elektrárny Jaderné elektrárny

(1) reaktor – tzv. aktivní zóna, štìpná reakce uranu obsaženého v palivových èláncích produkuje teplo, reakce je øízena regulaèními tyèemi, reaktor je chlazen tlakovou vodou (2) parogenerátor – je ohøíván teplem z reaktoru, vyrobená pára pohání turbínu (4), zároveò slouží k oddìlení primárního, radioaktivního, od sekundárního okruhu (3) èerpadlo, (4) parní turbína, (5) generátor elektøiny, (6) kondenzátor, (7) chladicí okruh

Elektrárny Vodní elektrárny K výrobì elektøiny využívají potenciální energii vody. Proudící voda roztáèí turbínu, turbína pohání generátor. Rozdìlení VE: • pøehradní (akumulaèní), spád vytvoøen pomocí pøehrady • jezové (prùtoèné), spád vytvoøen jezem • derivaèní (náhonové), spád vytvoøen umìlým kanálem • pøeèerpávací - dvì nádrže v rùzných výškách, v dobì pøebytku energie v síti èerpají vodu ze spodní do horní nádrže a tím energii akumulují; v pøípadì potøeby naopak prùtokem vody z horní nádrže do spodní nádrže elektøinu vyrábìjí • pøílivové, využívají energii moøského pøílivu Výhody rychlost nábìhu - díky zásobì vody v nádrži jsou pøeèerpávací a pøehradní elektrárny témìø okamžitì k dispozici, toto se využívá pro vyrovnávání energetických špièek a pro pøeklenutí kritické doby pøi výpadku nìkteré z elektráren do doby najetí záložního zdroje pružnost – regulace prùtoku vody umožòuje regulaci výroby podle aktuální potøeby zdroj vody pro další využití (pøehradní nádrže) ochrana pøed povodnìmi Nevýhody zásah do krajiny a vodních tokù - budováním pøehrad nebo nádrží Kromì velkých elektráren se na menších tocích stavìjí také malé vodní elektrárny (s instalovaným výkonem do 10 MW).

Elektrárny Vodní elektrárny

Elektrárny Vìtrné elektrárny • elektøina se vyrábí pøemìnou kinetické energie vzduchu proudícího mezi oblastmi s rùzným atmosférickým tlakem (vítr) • elektrárnu tvoøí vysoký sloup s vrtulí a strojovnou na vrcholu • vítr proudící kolem lopatek otáèí vrtulí, vrtule otáèí pøipojeným generátorem Výhody - obnovitelný zdroj energie - malý vliv na životní prostøedí Nevýhody - nestálost dodávek energie (pøímá závislost na poèasí) - nízká využitelnost vìtru v ÈR (10 a 20%) (nìkteré pøímoøské oblasti mají až 30 %) - zásah do vzhledu krajiny (vysoké sloupy) - nevýhodná poloha, místa kde fouká se èasto nacházejí mimo osídlené oblasti, takže je tøeba øešit pøenos energie z místa výroby na místo spotøeby, nìkdy i na velké vzdálenosti

Vìtrná elektrárna Pchery na Kladensku Instalovaný výkon: 2 x 3 MW Technologie: WinWinD, WWD3 (Finsko) Prùmìr rotoru: 100 m Délka listu: 50 m Výška osy rotoru: 88 m Prùmìr vìže: min. 3 m, max. 4,65 m Gondola: 123 t, 13 x 4 m Rychlost vìtru: 4 – 22 m/s 12,5 m/s pro 3 MW Otáèky rotoru: 5 – 16 ot/min

Elektrárny Solární elektrárny • pro výrobu elektøiny využívají energii ze sluneèního záøení • fotovoltaická elektrárna využívá fotovoltaického jevu, kdy pøi dopadu sluneèního záøení na polovodièovou destièku vzniká malé elektrické napìtí • kolektorová elektrárna ohøívá v kolektorech vodu na páru, pára pak pohání turbogenerátor Vìtšímu využití solární energie brání zatím vysoká cena solárních èlánkù a také závislost výroby energie na poèasí.

Elektrárny Solární elektrárny

Elektrárny Fotovoltaická elektrárna Habøina - ښtìk (2007) (www.habus.cz)

Inst. špièkový výkon: 507 kW tj. 0,5 MW Investice: 59 milionù Kè Pozemek: 14 000 m2 Fotovoltaických panely: 4 125 m2 2983 ks, 175 Wp Mìnièe 60 ks 5 kW a 8 kW Trafostanice 630 kV Roèní výroba el. energie: 450 MWh Pøedp. životnost: 25 let

Elektrárny Geotermální elektrárny Geotermální elektrárny využívají energii zemského jádra, kterou získávají z nìkolik kilometrù hlubokých vrtù do nitra Zemì. Z tìchto vrtù je obvykle získávána pára nebo horká voda. Možnost stavby elektrárny závisí na geologických podmínkách dané lokality. Geotermální energie je nejèastìji uvolòována jako doprovodný jev pøi sopeèné aktivitì, což klade vysoké nároky na stavbu elektrárny v seismicky aktivních oblastech.

Elektrárny Geotermální elektrárny Island leží na rozhraní dvou zemských desek, které se od sebe vzdalují rychlostí cca 2 cm za rok. Vzniklou mezeru vyplòuje žhavá láva. Voda z povrchu proniká do podzemí, kde se ohøívá až na teplotu 200°C. Smìs vody a páry je následnì vytlaèována zpìt na povrch

Elektrárny

Geotermální elektrárna Nesjavellir • el. výkon 90 MW, tepel. výkon 400 MW • dodávky tepla do Reykjavíku • tepelný napajeè 23 km, uložený na váleècích • první èást elektrárny byla dokonèena v r. 1990 (pouze teplo), výkon navýšen r. 1995 • první 2 turbíny do provozu v r. 1998, tøetí v r. 2001 (3x30 MW) • cca 200m pod povrchem dosahuje teplota 100°C, v hloubce 2 km dosahuje teplota 350°C

Elektrárny v ÈR Velikost elektrárny mùžeme mìøit podle jejího výkonu. Výkon pøedstavuje okamžité množství energie, které je elektrárna schopna dodat do sítì. Udává se obvykle v megawatech (MW), u menších zdrojù v kilowatech (kW). Nejvìtší elektrárnou v ÈR je jaderná elektrárna Temelín. Její instalovaný elektrický výkon je 2x 1000 MW. Elektrický výkon tepelných elektráren se pohybuje mezi 200 až 1000 MW. Nejvìtšími jsou elektrárny Prunéøov II (1050 MW) a Poèerady (1000 MW). Nìkteré tepelné elektrárny vyrábìjí spolu s elektøinou také teplo pro vytápìní. Tepelné elektrárny mohou kromì fosilních paliv spalovat také biomasu, pøípadnì kombinaci obou paliv. Výkon vodních elektráren se pohybuje v desítkách MW, pouze 5 vodních elektráren v ÈR má výkon vìtší než 100 MW. Nejvìtší vodní elektrárna v ÈR je pøeèerpávací elektrárna Dlouhé Stránì (650MW). Z pøehradních je nejvìtší Orlík (364 MW) na Vltavì. Výkony vìtrných elektráren se pohybují kolem 1-3 MW, stavìjí se jednotlivì nebo ve vìtším poètu (tzv. vìtrné farmy). Nejvìtší farma na Mìdìnci má 21 vìtrníkù a výkon 42 MW, je ale v ÈR jediná, ostatní mají výkon do 10 MW. V ÈR funguje také nìkolik solárních elektráren. Jejich výkon nepøekraèuje 1 MW.

Elektrárny v ÈR Rozdìlení elektráren v ÈR 2007 podle výkonu Jaderné 21%

Vodní 12%

Výroba elektøiny v ÈR 2007 Jaderné 30%

Vìtrné 1%

Tepelné 66%

Vodní 3%

Ostatní 0,3%

Vìtrné 0,2% Tepelné 67%

Solární 0,002% Ostatní 0,2%

Rozvodné soustavy Rozvodnou soustavou nazýváme soubor zaøízení, která slouží k pøenosu elektøiny z místa výroby na místo spotøeby. Rozeznáváme soustavu pøenosovou a distribuèní. Pøenosová soustava slouží k pøenosu energie na vìtší vzdálenosti a mezi jednotlivými státy. Distribuèní soustava slouží k rozvodu elektøiny k zákazníkùm (odbìratelùm). Pøenosová a distribuèní soustava se obvykle také liší parametry pøenášené elektøiny, pøenosová soustava obvykle pracuje s vyšším napìtím. Rozvodné soustavy se skládají z jednotlivých vedení (dráty na stožárech, kabely v zemi) a rozvoden. Rozvodny slouží k propojení jednotlivých vedení, ke zmìnì parametrù pøenášené elektøiny a k ochranì souèástí rozvodné soustavy. Rozvodné soustavy pracují s tøífázovým støídavým napìtím. Na vìtší vzdálenosti se elektøina pøenáší o napìtí 400 kV, 220 kV nebo 110 kV. Smìrem k odbìratelùm se napìtí snižuje podle druhu odbìru až na koneèných 220V ve vašich zásuvkách. Soustava je øízena z centrálního dispeèinku. Operátoøi udržují celou soustavu v rovnováze, tak aby výroba elektøiny odpovídala spotøebì. Regulují výkony elektráren, pøipojují nebo odpojují jednotlivé zdroje a vedení a sledují sí, aby nedošlo k jejímu poškození vlivem pøetížení.

Teplo Teplo, stejnì jako elektøina, je druhem energie. Jeho jednotkou je Joule, obvykle se mùžeme setkat s megajouly nebo gigajouly. Vyrobené teplo nejèastìji používáme k vytápìní a ohøevu teplé vody. Umožòuje nám nejenom pøežít klimaticky nepøíznivé období roku, ale také umožòuje abychom mohli i v zimì pracovat, uèit se, bavit se a vykonávat mnoho dalších èinností bez ohledu na nepøíznivé klimatické podmínky. Nejbìžnìjším zpùsobem získávání tepla je hoøení. Jako palivo se používá uhlí, topný olej, zemní plyn, koks, døevo, biomasa. Teplo umíme získávat také ze zemì, ze sluneèního záøení nebo z nìkterých chemických reakcí. Teplo umíme vyrobit také pomocí elektøiny.

Teplo se prostøedím šíøí tøemi základními zpùsoby: • Vedením - energie se postupnì šíøí v nepohyblivé hmotì • Proudìním - k pøenosu tepla dochází promícháváním rùznì ohøátých èástí hmoty • Tepelným záøením - energie ve formì elektromagnetických vln je vyzaøována ze zdroje a pohlcována ozaøovaným tìlesem. Tyto principy využíváme pøi výrobì a distribuci tepla odbìratelùm.

Centrální teplo Teplo se vyrábí lokálnì nebo centrálnì. Lokální vytápìní znamená, že vyrobené teplo se spotøebuje pøímo na místì spotøeby. Vytápìný prostor musí mít vlastní zdroj tepla. Pøíkladem mùže být tøeba rodinný dùm vytápìný kotlem na zemní plyn. Centrální vytápìní znamená, že teplo se vyrábí ve velkém centrálním zdroji (nebo více zdrojích) a prostøednictvím soustavy rozvodù tepla se dopravuje do místa spotøeby. Hovoøíme pak o soustavì CZT neboli o soustavì Centralizovaného Zásobování Teplem. Soustava CZT se skládá z • jednoho nebo více zdrojù tepla • výmìníkové a èerpací stanice • primárních rozvodù tepla • výmìníkových stanic • sekundárních rozvodù tepla a teplé vody • tepelných spotøebièù (radiátorù) Výhody CZT Vyšší úèinnost pøi využití paliva díky spoleèné výrobì tepla a elektøiny tzv. kogeneraci Ekologie – díky CZT se snižuje poèet malých lokálních kotelen, které pøispívají ke zvyšování emisí v obydlených lokalitách (zejména ve mìstech). Bezpeènost – teplonosným médiem je obvykle voda ve formì horké vody nebo páry, tedy látka netoxická, bezpeèná, neškodící èlovìku ani životnímu prostøedí.

Teplo – soustava CZT

Tepelný zdroj

teplárna nebo výtopna – velký zdroj pro vytápìní celého mìsta nebo více mìst – teplárna vyrábí teplo a elektøinu v kogeneraci – obsahuje také výmìníkovou a èerpací stanici, která ohøívá topné médium a zajišuje jeho obìh primárními rozvody

Teplo – soustava CZT

Primární rozvody tepla Rozvádí teplo ze zdroje k pøedávacím stanicím odbìratelù. Tzv. primární teplo má vysokou teplotu a tlak. To je nutné pro distribuci tepla na velké vzdálenosti.

Teplo – soustava CZT Pøedávací (též výmìníková) stanice

Aby bylo možné využít primární teplo k vytápìní, musí se snížit teplota a tlak na hodnoty vhodné pro vnitøní domovní rozvody. Zároveò zde primární teplo ohøívá studenou pitnou vodu na teplou. Regulaèní systém umístìný ve stanici, øídí její provoz podle venkovního poèasí a denní doby.

Teplo – soustava CZT

Sekundární rozvody

Rozvádí upravené teplo z výmìníkové stanice do jednotlivých objektù. Dále rozvádí teplou vodu. Jejich souèástí jsou také vnitøní domovní rozvody do jednotlivých bytových jednotek.

Výmìník tepla Základní souèástí pøedávací (výmìníkové) stanice je zaøízení, které zajišuje pøenos tepelné energie mezi jednotlivými okruhy tepelné soustavy – tepelný výmìník. V souèasnosti se výmìníky deskové protiproudé).

nejèastìji používají a trubkové (tzv.

Výmìníky se nepoužívají pouze pro vytápìní, ale také v potravináøském nebo chemickém prùmyslu.

Pøedávací stanice

Kompaktní pøedávací stanice.

Pøedávací stanice.

Doporuèení ke studiu Pokud vás dnešní exkurze zaujala a pøemýšlíte o tom, že byste tøeba mohli v budoucnu pracovat v energetice, doporuèujeme vám pokraèovat ve studiu na následujících školách: • Støední prùmyslová škola, Most, Topolová 864, tel. 476 769 501, http://www.spsmost.cz obory: Strojírenství, Management strojírenství, Provoz a ekonomika dopravy, Technické lyceum • Støední prùmyslová škola, Chomutov, Školní 50, tel. 474 628 992, http://www.spscv.cz obor: Elektrotechnika a strojírenství se specializacemi - automatizaèní systémy, automatizované konstrukce ve strojírenství, silnoproudá elektrotechnika, výpoèetní systémy, elektronická a sdìlovací technika a digitální telekomunikaèní technika. • Støední škola Educhem, a.s., Okružní 128, Meziboøí, tel. 417 633 211, http://www.educhem.cz obory: Aplikovaná chemie, Mechanik elektronik • Schola Humanitas Litvínov, støední odborná škola pro ochranu a obnovu životního prostøedí Ukrajinská 379, Litvínov, tel. 476 111 226, http://www.humanitas.cz obory: Ochrana a obnova životního prostøedí, Pøírodovìdné lyceum • Støední škola energetická a stavební Chomutov Na Prùhonì 4800, Chomutov, tel. 474 629 954, http://www.ssescv.cz vybrané obory: Mechanik silnoproudých zaøízení, Mechanik elektronik, Mechatronika, Strojírenská a elektrotechnická zaøízení Bližší informace o možnostech studia vám rádi poskytnou pracovníci uvedených škol. Informace mùžete získat také na webových stránkách škol.

Použitá literatura a zdroje: archiv United Energy právní nástupce, a.s., Encyklopedie energie v1.0 (SIMOP s.r.o.), J. Opava - Elektøina kolem nás (Albatros), Dìtská encyklopedie, fyz. pokusy-videa http://fyzweb.cz, www.energyweb.cz, webové stránky spoleèností Pražská Teplárenská, ÈEPS, Danfoss, Systherm, Roèní zpráva ERÚ za r. 2007, Wikipedia – otevøená encyklopedie, www.czrea.org