Transkript

1 ENERGETIKA V PØÍKLADECH

2

3 ZBYNÌK IBLER A KOL ENERGETIKA V PØÍKLADECH Praha 2003

4 Zbynìk Ibler a kol ENERGETIKA V PØÍKLADECH Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny Všechny registrované nebo jiné obchodní známky použité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva Veškerá práva vyhrazena Zbynìk Ibler a kol, Praha 2003 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Autorský kolektiv: Kolektiv lektorù: Prof Ing Zbynìk Ibler DrSc, Prof Ing Jan Karták DrSc, Doc Ing Jiøina Mertlová CSc, Ing Zbynìk Ibler: Zbynìk Ibler a kol ENERGETIKA V PØÍKLADECH BEN technická literatura, Praha vydání ISBN

5 ENERGETIKA V PØÍKLADECH 1 Soustavy jednotek pøepoèty 23 2 Matematická statistika 41 3 Spolehlivost 55 4 Termodynamika 91 5 Elektrotechnika Ekonomická efektivnost Paliva a spalování Kotle Tepelné Turbíny Tepelné Výmìníky Èerpadla, ventilátory Technicko-hospodáøské ukazatele parních výroben Literatura 335

6 =GURMH HQHUJLH QHREQRYLWHOQp ]GURMH QHREQRYLWHOQp ]GURMH IRVLOQtSDOLYD MDGHUQi SDOLYD VOXQHþQt HQHUJLH JHRWHUPiOQt HQHUJLH VODSRYi HQHUJLHPR t XKOt XUDQ YêWRSQ\ HOHNWUiUQ\ S tolyryp YOQ\ URSD ]HPQtSO\Q WKRULXP VOXQHþQt ]i HQt VOXQHþQtNROHNWRU\DEVRUEpU\ SDVLYQtY\XåLWtVOXQHþQt HOHNWUiUQ\IRWRYROWDLFNpþOiQN\ IRWRYROWDLFNpHOHNWUiUQ\ HQHUJLHY WUX SRKRQVWURM Y WUQpHOHNWUiUQ\ WHSORRNROt WHSHOQiþHUSDGOD ELRPDVD WUDGLþQtQRYiS VWRYDQpU\FKOH URVWRXFtSORGLQ\WHUPRFKHPLFNi S HP QDVSDORYiQt]SO\QRYiQt ELRFKHPLFNpS HP Q\ IHUPHQWDFH SURGXNFHELRSO\QX HQHUJLHYRG\ SRKRQVWURM þhusdgorpoêq YRGQtHOHNWUiUQ\ HQHUJLHPR t YOQ\SURXG\WHSORWQtJUDGLHQW\ H[SHULPHQWiOQtHOHNWUiUQ\

7 OBSAH ENERGETICKÉ ZDROJE ÈESKÉ REPUBLIKY V 21 STOLETÍ 17 1 SOUSTAVY JEDNOTEK PØEPOÈTY Metodika pøepoètu hodnot velièin na jednotky jiné mìrové soustavy Pøepoèet jednotek entalpie Pøepoèty jednotek mìrné tepelné kapacity Pøepoèet libovolné velièiny spalin, vztažené na hmotnost nebo objem Mìøení tlaku páry v kotli a vakua v kondenzátoru Urèení absolutního tlaku páry v kotli a v kondenzátoru Výpoèet teploty smìsi a objemový prùtok spalin komínem Mìøení teploty páry Výpoèet prodloužení ocelové tyèe Urèení hustoty a mìrného objemu oxidu uhlièitého Urèení molekulové hmotnosti vzduchu a parciální tlaky zadaných objemových podílù složek 34 Pøepoèet jednotek koncentrace emisí spalin elektrárenského bloku 35 Pøepoèty vzájemných závislostí relativní a absolutní vlhkosti vzduchu 38 2 MATEMATICKÁ STATISTIKA Urèení støední hodnoty a smìrodatné odchylky namìøených hodnot 42 A ZBYNÌK IBLER A KOL : ENERGETIKA V PØÍKLADECH 7

8 2 2 Urèení aritmetického prùmìru a smìrodatné odchylky ze sledovaných dob života výrobkù Výpoèet statistických charakteristik vzorkù uhlí Výpoèet lineární regrese obsahu popela v uhlí na vodu, na výhøevnost, popele a vody na výhøevnost 51 3 SPOLEHLIVOST Výpoèet pravdìpodobnosti bezporuchového provozu jednotek s aktivní zálohou 57 Výpoèet pravdìpodobnosti bezporuchového provozu a støední doby provozu 58 Výpoèet spolehlivostních ukazatelù pro jednotky s pasivní zálohou 59 Výpoèet pravdìpodobnosti bezporuchového provozu systému s pøepínaèem 61 Výpoèet pravdìpodobnosti bezporuchového provozu èíslicového øídicího systému 62 Výpoèet pravdìpodobnosti bezporuchového provozu napájeèek 64 Výpoèet souèinitele pohotovosti a bezporuchovosti provozu napájecí stanice 65 Výpoèet spolehlivostních charakteristik kotle pøi provozu rùzného poètu mlecích okruhù 66 Urèení pravdìpodobnosti, že uhelné mlýny zajistí požadovaný provoz elektrárenského bloku 76 Výpoèet pravdìpodobnosti provozu pro blokový transformátor a vedení 77 Pravdìpodobnost bezporuchového provozu dvou elektrárenských blokù 78 8 ZBYNÌK IBLER A KOL : ENERGETIKA V PØÍKLADECH A

9 3 12 Pravdìpodobnost pøechodu elektrárenského bloku ze stavu opravy do provozuschopného stavu Výpoèet souèinitele pohotovosti systému dvou blokù Vytvoøení spolehlivostního schéma elektrárenského bloku Výpoèet pravdìpodobnosti bezporuchového provozu systému, složeného z neobnovovaných prvkù Výpoèet èinitele zabezpeèenosti provozu elektrizaèní soustavy Ze zadaných spolehlivostních ukazatelù vypoèítejte pravdìpodobnost bezporuchového provozu 89 4 TERMODYNAMIKA Výpoèet výsledné teploty smìšováním dvou proudù vody Výpoèet zmìny objemu spalin pøi ochlazování Výpoèet vzniklého tepla v ložisku a potøebný prùtok oleje pro chlazení Výpoèet tepelného výkonu parního kotle Urèení entalpie a objemu páry Urèení entalpie mokré páry Urèení stavu vodní páry Stanovit entalpii, objem, suchost páry a teplotu po expanzi Výpoèet výrobního tepla vodní páry Urèení stavu páry po adiabatické expanzi Výpoèet množství páry získané škrcením Výpoèet hmotnostního prùtoku vody pro regulaci teploty páry vstøikem 100 Urèení hmotnostního prùtoku vstøikované vody pro získání redukované páry s požadovanými parametry 101 A ZBYNÌK IBLER A KOL : ENERGETIKA V PØÍKLADECH 9

10 4 14 Výpoèet teoretické tepelné úèinnosti parního záøízení Tepelná úèinnost ideálního pochodu pøi zmìnách vstupního tlaku Výpoèet tepelné úèinnosti ideálního pochodu Výpoèet provozních ukazatelù protitlakého turbosoustrojí Omezení nehospodárného škrcení páry v redukèních stanicích (toèivá redukce páry) Energetická a exergická bilance NTO Korekce zmìøeného prùtoku prùtokomìrem Porovnání energetické a exergetické bilance a úèinnosti elektrárenského bloku ELEKTROTECHNIKA Operátor natoèení fází Výpoèet maximálních a efektivních hodnot proudu a napìtí 124 Výpoèet zdánlivého výkonu v jednotlivých fázích trojfázového obvodu Výpoèet rezistancí v elektrickém obvodu Výpoèet admitance a impedance v elektrickém obvodu s rezistancemi a indukènostmi 127 Výpoèet admitance a impedance v elektrickém obvodu s kapacitami Výpoèet výkonu a proudu jednofázového spotøebièe Výpoèet proudu trojfázového motoru Výpoèet pøíkonu elektrického ohøívaèe vody Výpoèet úbytku napìtí na vodièi v rozvodu nn Napìtí na rozvadìèi vn ZBYNÌK IBLER A KOL : ENERGETIKA V PØÍKLADECH A

11 5 12 Výpoèet napìtí na pøípojnicích rozvadìèe Pøepoèet impedance s ohledem na pøevod transformátoru Náhradní schéma trojfázového dvojvinu ového transformátoru Náhradní schéma trojvinu ového transformátoru Øešení zkratových pomìrù, návrh vypínaèù a napì ové pomìry pøi rozbìhu asynchronního motoru Samonajíždìní skupiny elektromotorù EKONOMICKÁ EFEKTIVNOST Porovnání dvou variant organizace výstavby energetického zdroje 151 Ekonomické posouzení instalace nového øídicího systému pro technologické zaøízení 152 Posouzení reálnosti financování výstavby paroplynového bloku Volba typu plynové turbíny Urèení teplárenského souèinitele paroplynové teplárny Posouzení podmínek vhodnosti použití paroplynového zaøízení nebo klasického parního obìhu s fluidním kotlem 161 Posouzení vlivu dvousložkové ceny elektøiny na zisk za dodávku elektøiny 165 Ekonomické posouzení varianty obnovy kondenzaèního uhelného bloku s novým uhelným a paroplynovým blokem Optimální návrh teplárny s motorovou kogenerací Vypoètìte hlavní ekonomické charakteristiky kondenzaèního bloku s fluidním kotlem na hnìdé uhlí Rozbor proveïte z hlediska projektanta 177 A ZBYNÌK IBLER A KOL : ENERGETIKA V PØÍKLADECH 11

12 7 PALIVA A SPALOVÁNÍ Výpoèet výhøevnosti z prvkového rozboru paliva Výpoèet spalného tepla a výhøevnosti hnìdého uhlí Výpoèet výhøevnosti paliva pro zadané Q v, W r, H r Výpoèet výhøevnosti a obsahu popela pro vysušení uhlí Zmìna hmotnosti uhlí na skládce vlivem povìtrnostních zmìn Zmìna kvalitativních znakù uhlí vlivem atmosférických srážek pøi jeho dopravì Posouzení kvalitativních ukazatelù dvou druhù uhlí Urèení výhøevnosti a spalného tepla mazutu Výpoèet výhøevnosti zemního plynu pro zadané složení Výpoèet kvalitativních charakteristik uhlí z jeho prvkového složení Urèení teoretické teploty nechlazeného plamene Výpoèet výhøevnosti smìsi paliva Výpoèet hospodárného provozu granulaèního práškového kotle s pøihøíváním páry 204 Výpoèet hospodárného provozu fluidního kotle s cirkulující víøivou vrstvou a pøímým odsíøením Výpoèet spalování zemního plynu a úèinnost kotle KOTLE Výpoèet granulaèního ohništì Bilance tlakových výhøevných ploch Výpoèet ohøíváku vzduchu Výpoèet ohøíváku vody Návrh svazkového pøehøíváku páry ZBYNÌK IBLER A KOL : ENERGETIKA V PØÍKLADECH A

13 8 6 Úèinnost kotle Vliv technologických promìnných na komínovou ztrátu a spotøebu elektøiny ventilátorù Využití odluhu z bubnového kotle Tìsnost spalinového traktu kotle TEPELNÉ TURBÍNY Tepelný obìh turbíny s regulovaným odbìrem páry Výpoèet hmotnostního prùtoku chladicí vody a chladicí pomìr kondenzátoru turbíny 254 Hmotnostní prùtok páry kondenzaèní turbíny s neregulovanými odbìry 255 Parní kondenzaèní obìh s nízkotlakými regeneraèními ohøíváky Kondenzaèní turbína s regulací škrcením a skupinovou Nastavení souèinitele nerovnomìrnosti regulátorù otáèek turbíny 265 Urèení statické charakteristiky výrobního systému paralelnì pracujících jednotek Otevøený obìh plynové turbíny Tepelná bilance plynové turbíny TEPELNÉ VÝMÌNÍKY Ztráty tepla a urèení teploty vnìjšího povrchu izolované trubky Mìrný tepelný tok rovinnou stìnou Závislost ztráty exergie na teplotách látek, protékajících výmìníkem Prùchod tepla rovinnou cihlovou stìnou 281 A ZBYNÌK IBLER A KOL : ENERGETIKA V PØÍKLADECH 13

14 10 5 Tepelné ztráty potrubí v závislosti na materiálu izolaèních vrstev Snížení tepelného toku trubky vnìjšími nánosy Ztráty neizolovaného a izolovaného potrubí Ohøev napájecí vody v NTO Hmotnostní prùtok napájecí vody, topné páry a ohøátí napájecí vody v odplyòovaèi 285 Urèení velikosti výhøevné plochy ohøíváku vody pro rùzné varianty ÈERPADLA, VENTILÁTORY Výpoèet charakteristik potrubí a èerpadla Výpoèet pøíkonu napajecího èerpadla elektrárenského bloku 292 Výpoèet pøíkonu vzduchových ventilátorù kotle elektrárenského bloku 293 Výpoèet pøíkonu spalinových ventilátorù kotle elektrárenského bloku 294 Porovnání pohonu napájecího èerpadla elektrárenského bloku parní turbínou a elektromotorem TECHNICKO-HOSPODÁØSKÉ UKAZATELE PARNÍCH VÝROBEN Spotøební charakteristika horkovodního kotle Charakteristika parního kotle 1600 [t/h] Sestrojení spotøební charakteristiky ze ètyø mìøených dvojic P, Q 306 Spotøební charakteristika vyrovnaná tøemi pøímkovými úseky ZBYNÌK IBLER A KOL : ENERGETIKA V PØÍKLADECH A

15 Pøibližné øešení spotøební charakteristiky elektrárenského bloku 309 Výpoèet spotøeby tepla bloku 200 MW, spotøební charakteristiky a pomìrného pøírùstku spotøeby 311 Výpoèet mìrné spotøeby páry elektrárenského bloku s pøihøíváním páry 314 Výpoèet celkové a dílèích úèinností elektrárenského bloku, mìrné spotøeby energie na vyrobenou a dodanou elektøinu 315 Vliv dominantních ukazatelù na celkovou ekonomickou efektivnost kondenzaèního elektrárenského bloku 318 Výpoèet technicko-hospodáøských ukazatelù elektrárenského bloku 322 Výpoèet spotøeby paliva a mìrné spotøeby energie na výrobu a dodávku elektøiny 323 Optimální rozdìlení výkonu dvou spolupracujících elektrárenských blokù (øešení nevyboèuje z regulaèního rozsahu blokù) 324 Optimální rozdìlení èinných výkonù pøi paralelní spolupráci jednotek pro požadované zatížení (vytvoøení výkonu bloku mimo regulaèní rozsah) Rozdìlení výkonu tøí paralelnì pracujících jednotek Instalace mikroturbíny v blokové plynové výtopnì LITERATURA 335 PØÍLOHA 1 (TABULKY) 341 PØÍLOHA 2 (TABULKY) 349 PØÍLOHA 3 (TABULKY) 355 A ZBYNÌK IBLER A KOL : ENERGETIKA V PØÍKLADECH 15

16 Publikace Energetika v pøíkladech je 2 dílem Technického prùvodce energetika 1 díl (Praha, BEN technická literatura, 2002) V TPE byl proveden výbìr nejdùležitìjších technických a ekonomických informací pro øešení úloh optimalizace v elektroenergetice Elektrárenství, teplárenství, pøenos a rozvod energií zasahuje do nìkolika oborù (elektroenergetika, strojírenství, chemie, automatizace a øízení, ekologie, ekonomie a další), pøi aplikaci základních disciplín matematiky, fyziky, chemie, ekonomie a využití praktických zkušeností TPE umožòuje pracovníkùm v elektroenergetice rychlé a pøehledné získání základních informací o dùležitých parametrech pracovních medií, obìhù, exaktních a regresních vztazích, charakteristikách, doporuèených provozních metodách a hodnotách vybraných velièin, potøebných pro optimální øízení provozu, pøi rozhodování o údržbì a modernizaci zaøízení elektráren V nyní pøedkládané publikaci Energetika v pøíkladech jsou uvedeny konkrétní numerické výpoèty dùležitých úloh a vztahù, od jednoduchých ke složitìjším výpoètùm, optimalizaèní výpoèty, které jsou potøebné k rozhodování v øídicí èinnosti v energetice Autoøi se snažili, pokud bylo možné, zaøadit jednotlivé tématické okruhy a pøíklady v souladu s TPE (Technickým prùvodcem energetika 1 díl) V každé tématicky zamìøené kapitole pøíkladù je odvolání na teoretickou èást zpracovanou v TPE, která potom není již pøi øešení konkrétních pøíkladù opakována a je použito jen pøíslušných teoretických vztahù Cílem publikace je umožnit uživatelùm získat teoretické a praktické prostøedky k nìkterým samostatným poèetním øešením technicko-ekonomických aplikací, využití teoretických vztahù v praxi, což pøispìje lépe k tvùrèí práci, technicko-obchodním jednáním a rozhodování v energetice V souèasné dobì pøi využívání vyspìlé výpoèetní techniky a uplatòování progresivních informaèních a øídicích systémù se èásteènì obracíme i k použití ruèních numerických výpoètù Dùvodem jsou logické a praktické poznatky, že pro vytváøení programù pro PC v oblasti informatiky, automatizace rùzných agend, øídicí techniky je potøebná velmi dobrá znalost technologického zaøízení, jeho chování v rùzných provozních stavech a zkoumání možností optimalizace provozu V elektroenergetice jde zejména o automatické systémy øízení technologických procesù a správní øízení, automatizace rùzných agend (spolehlivost, diagnostika, údržba, ekonomie a další) Vytváøení aplikaèního software pro rùzné oblasti je možné jen pøi dobrých znalostech technologického zaøízení, které umožní identifikaci a formulaci modelu øízení, algoritmu a vytvoøení programu Existují programy kategorie freeware (shareware), které lze výhodnì použít pro zrychlení a zpøesnìní výpoètù dílèích úloh v energetice (napø pro pøepoèet jednotek, statistiku, spolehlivost systémù, výpoèty obìhù, výpoèty zkratových pomìrù, výpoèet technicko-ekonomické efektivnosti, diagramy a tabulky vodní páry, spalování a další) Samozøejmì existuje v elektroenergetice další øada speciálních programù, nové se tvoøí a jsou pøedmìtem obchodních jednání S výhodou lze využívat napø tabulkový procesor Excel, který dává do ruky uživatelùm úèinný nástroj, který umožní vlastními silami vytvoøit a øešit požadovanou poèetní úlohu Pøáním autorù je, aby pøedložená publikace se stala jednou z používaných pomùcek pøi jejich práci, øízení a posílila tradièní velmi dobré adaptivní schopnosti èeských elektroenergetikù k tvùrèí práci V prvním dílu Technický prùvodce energetika byla popsána historie energetiky v ÈR, ve druhém dílu je v úvodu zaøazena struèná èást o pøedpokládaném perspektivním rozvoji energetiky v 21 století, zejména z hlediska použití neobnovitelných a obnovitelných zdrojù primární energie 16 ZBYNÌK IBLER A KOL : ENERGETIKA V PØÍKLADECH A

17 ENERGETICKÉ ZDROJE ÈESKÉ REPUBLIKY V 21 STOLETÍ Energetika v souèasné dobì prochází obdobím velkých zmìn Zavádìní trhu s energií ve vìtšinì prùmyslových státù vyžaduje zajištìní dostatku energie pro udržení požadovaného rùstu a pokroku Technická a ekonomická kritéria jsou prvoøadá, uplatòují se ve volbì technologie zdroje s cílem zvýšení technické úrovnì zaøízení a z ekonomických kritérií trh rozhoduje, který zdroj a jak se v dodávkách elektøiny uplatní Zvyšují se nároky na ochranu životního prostøedí Vìtšina problémù se zneèiš ováním životního prostøedí toxickými látkami z energetických výroben byla zèásti vyøešena, do popøedí se dostává hrozba skleníkového efektu, k èemuž hlavní mìrou pøispívá CO 2 a další skleníkové plyny produkované energetickými zaøízeními Vývoj energetiky je výraznì ovlivòován technickými, politickými, ekonomickými a jinými faktory Nejpravdìpodobnìjší odhad budoucího vývoje spotøeby energie lze urèit pouze po zevrubné analýze dosavadního vývoje a všech relevantních faktorù Z poklesu požadavkù na spotøebu elektøiny v prùbìhu transformaèního procesu, ani z jiných dnes provozovaných hospodáøských a sociálních jevù v Èeské republice nelze vyvozovat závìr stagnace rozvíjení zdrojù Ze srovnání vývoje ekonomiky a spotøeby elektøiny v západoevropských zemích lze odvodit závìr, že s rùstem hrubého domácího produktu, požadovaného dosažení úrovnì EU a ostatních makroekonomických ukazatelù spotøeba v Èeské republice v 21 století poroste Jedním z vážných problémù ekonomiky je její vysoká energetická nároènost Zaostávání Èeské republiky i za ménì rozvinutými zemìmi EU musí být odstranìno, úsporná opatøení na stranì spotøeby potom budou mít za následek snižování temp pøírùstkù spotøeby elektøiny Snížením energetické nároènosti se sníží náklady na elektøinu a teplo Takto uvolnìné prostøedky budou moci být využity na nákup jiného zboží a služeb a na jiné investice Proto je snížení energetické nároènosti jednou ze základních podmínek rozvoje èeské ekonomiky smìrem k vyspìlým státùm EU Dosáhnout úrovnì energetické nároènosti zemí EU není možné bez dalšího rozvoje kombinované výroby elektøiny a tepla, která je významným prostøedkem pro snížení energetické nároènosti èeské ekonomiky i snižování dopadù energetiky na životní prostøedí Bude potøebné výraznì zvýšit jak podíl kombinované výroby elektøiny a tepla, tak i obnovitelných zdrojù energie Pokud by napø byly doplnìny velké a støední plynové výtopny kogeneraèními jednotkami, bylo by možné získat významný výkon až asi 1500 MW, snížit náklady, snížit potøebu primární energie, snížit emise škodlivin a emise skleníkových plynù Perspektivní krytí zvýšené poptávky na dodávky elektøiny a náhradu výkonu dožívajících elektráren lze zajistit: dovozem elektøiny, výstavbou nových zdrojù elektøiny v Èeské republice První variantu je tøeba odmítnout, vedla by ke znaènému rùstu negativního salda zahraniènì obchodní bilance Èeské republiky a degradovala by vysokou odbornou úroveò èeských pracovníkù v energetice a energetickém strojírenství, tradiènì dosahující úrovnì vyspìlých A ENERGETICKÉ ZDROJE V ÈR 21 STOLETÍ 17

18 svìtových státù a dosahující velmi dobrých výsledkù v zajiš ování výroby a rozvodu elektrické energie a tepla Pøi prognózách dalšího vývoje energetiky je nutno pøihlédnout ke specifickému stavu v jednotlivých regionech V Èeské republice bude mít v první polovinì 21 století vliv skuteènost, že zásoby hlavního energetického paliva hnìdé uhlí budou vyèerpány v letech Kdy se tak skuteènì stane závisí na tom, zda bude zvolena útlumová varianta tìžby hnìdého uhlí (ta by prakticky skonèila kolem roku 2035) nebo optimalizovaná varianta (konec tìžby kolem roku 2060) Realizace optimalizované varianty je však podmínìna zrušením ekologických limitù pro lomové provozy nìkterých dolù a závisí tedy na politickém rozhodnutí Pøi realizaci optimalizované varianty byla by možná výstavba nìkolika nových výrobních zdrojù V prvé øadì jde o možnost jak získat primární zdroje (pøístup k nim), v druhé øadì o potøebnou diverzifikaci tìchto zdrojù Ze základních nových zdrojù lze prioritnì uvažovat o nové typové øadì moderních kondenzaèních elektrárenských monoblokù, spalujících tuzemské, pøípadnì i omezenì importované uhlí V úvahu pøipadají bloky vìtšího výkonu Podle provedených optimalizaèních studií lze realizovat takový blok, s výraznì zvýšenou úèinností Fluidní kotle nesplnily zatím v nìkterých smìrech oèekávání (vyšší mìrné investièní náklady, vyšší vlastní spotøeba elektrické energie, horší komerèní uplatnìní tuhých zbytkù po spalování), jsou pro bloky velkých výkonù uvažovány klasické práškové kotle s odsíøením metodou mokré vápencové vypírky Vyšší využití fluidních kotlù lze oèekávat spíše pro malé a støední výkony elektrárenských a teplárenských blokù, pro spalování ménìhodnotných paliv, smìsí rùzných odpadních paliv a biomasy Jednoduchý parní obìh s práškovým kotlem prošel rychlým vývojem Zatímco tyto obìhy ze 70 let pracovaly s celkovou úèinností kolem 35 %, souèasný stav již dovoluje dosáhnout úèinnost až 45 % Vývoj nových ocelí ukazuje, že v nejbližší budoucnosti (po roce 2015) bude možno zvýšit parametry páry až do oblasti 35,0 MPa, 700/720 C Je pravdìpodobné, že zvýšení parametrù páry spolu s dalšími technickými opatøeními napø : použití prùtoèného výparníku s vnitønì žebrovanými trubkami, využití citelného tepla spalin odcházející z kotle (pod 100 C) pro ohøev kondenzátu nebo spalovacího vzduchu, souèinitel pøebytku vzduchu 1,15, dvojí pøihøívání páry, regenerativní ohøev napájení až na teplotu 300 C pøed vstupem do kotle, zlepšení termodynamické úèinnosti turbíny z dnešních 90 % na cca 95 %, zdokonalování a zjednodušení odsiøovacího zaøízení (pøívod spalin do chladicí vìže, nepoužívání výmìníkù spaliny/spaliny, použití jednoho spalinového ventilátoru), Umožní v polovinì 21 století dosáhnout celkovou úèinnost bloku pøes 50 % Hlavními dùvody vývoje technologie paroplynového obìhu se zplyòováním tuhého paliva (IGCC) byla vysoká cena zemního plynu a døívìjší nižší odhady jeho zásob Tyto dùvody ztrácejí v poslední dobì na významu (dnešní odhady zásob zemního plynu se pohybují kolem 80 až 100 let pøi dnešní spotøebì) Technologie IGCC má vzhledem k jednoduchému parnímu obìhu spalujícímu uhlí øadu nevýhod: je složitìjší, investièní náklady jsou vyšší, úèinnost nižší nebo nanejvýše stejná, složitìjší provoz Proto je malá nadìje, že tato technologie výraznìji prorazí na volném trhu Obdobné závìry lze uèinit i pro vývoj tlakového spalování uhlí a paroplynový cyklus 18 ZBYNÌK IBLER A KOL : ENERGETIKA V PØÍKLADECH A

19 Nové uhelné bloky by mìly být souèástí stávajících elektráren, kde by bylo využito již zabudovaných zaøízení spoleèných provozù, správních a sociálních objektù Za tìchto pøedpokladù bude možné v první tøetinì 21 století u nás uvažovat o výstavbì nìkolika takových blokù o výkonu á 350 MW, pøípadnì á 600 MW pro spalování èerného i hnìdého uhlí Optimalizovaná varianta tìžby hnìdého uhlí by tedy umožnila ekonomické dožití stávajících uhelných elektráren a výstavbu nìkolika moderních uhelných blokù pro životnost 35 až 40 let O využití zemního plynu pro výrobu elektøiny budou rozhodovat pøedevším ekonomické faktory, hlavnì cena Cena zemního plynu v Èeské republice je proti uhlí vysoká, vzhledem k importu je znaènì závislá na vnìjších vlivech Z tìchto dùvodù nelze doporuèit instalaci vìtších výkonù zdrojù na spalování zemního plynu Vzhledem k vysoké úèinnosti paroplynových cyklù a dobrým dynamickým vlastnostem pro služby v elektrizaèní soustavì by bylo možné uvažovat na poèátku 21 století o výstavbì jen asi dvou až tøí paroplynových blokù bez pøitápìní s moderními spalovacími turbínami a parní turbínou Pøi úvahách o využití zemního plynu pro zaèátek 21 století bude vhodné zvážit i aplikaci paroplynových obìhù pøi obnovì a modernizaci stávajících vybraných uhelných elektráren Pøehled hlavních typù paroplynových obìhù je v TPE obr 1 19 Touto modernizací lze získat nový pružný výkon pro elektrizaèní soustavu a zvýšit úèinnost na dodávku elektøiny Na poèátku 21 století, jak již uvedeno, bude potøebné podle místních podmínek intenzivnì rozvíjet kogeneraci, sdruženou výrobu elektrické a tepelné energie Pro teplárny pøi použití zemního plynu rozšíøit instalaci kogeneraèních jednotek støedního výkonu (elektrický výkon až 20 MW) a kogeneraèní zaøízení (parní a plynové) turbíny, spalovací motory Pro dožití stávajících modernizovaných uhelných elektráren a nových moderních tepelných blokù (pøedpoklad jejich vybudování v prvé tøetinì 21 století) bude výstavba jaderných blokù jednou z dùležitých variant pro øešení výroby dostatku elektrické energie v Èeské republice Z dùvodù ukonèení tìžby uhlí i diverzifikaci primárních zdrojù je potøebné v prvé tøetinì 21 století pøipravovat øešení pro výstavbu jaderných blokù (z hlediska paliva, ekologie, zejména redukce tvorby CO 2 ), založenou na vývojových tendencích zamìøených na zdokonalování tlakovodních reaktorù Po nìkolik desetiletí musí náhradu fosilních paliv a potøeby rozvoje elektrizace pokrývat jaderná energetika Ta sníží dosavadní úroveò zneèiš ování ovzduší a hrozbu zmìn svìtového klimatu emisemi skleníkových plynù, zejména zajistí redukci tvorby CO 2 Dosažená technická a bezpeènostní úroveò jaderných elektráren a zajiš ování dalších inovací jsou již pro civilizaci bezpeènìjší než nìkteré alternativní systémy Pro výstavbu v úvahu pøichází napø reaktor EPR (European Pressurized Water Reactor) vyvíjený firmou Siemens a Framatom s novými bezpeènostními systémy Pro tento reaktor je typické dvousmyèkové uspoøádání s integrálním uspoøádáním parního generátoru a hlavních cirkulaèních èerpadel Pasivní bezpeènostní systémy pøipojené na primární okruh zajiš ují odvod zbytkového tepla, doplòování vody primárního okruhu a vysokotlaké i nízkotlaké havarijní chlazení aktivní zóny pøi LOCA haváriích (ètyønásobná redundance) Odvod tepla z kontejmentu je zajiš ován pasivním systémem využívajícím pøirozeného komínového tahu vzduchu po vnìjším plášti ochranné obálky Další evoluèní skupinu reaktorù s pasivní bezpeèností pøedstavuje systém AP-600 firmy Westinghouse Jde rovnìž o dvousmyèkové uspoøádání s integrálním uspoøádáním parních generátorù, hlavních cirkulaèních èerpadel a pasivní bezpeènostní systémy Rovnìž odvod tepla z kontejmentu bude zajiš ován pasivním systémem A ENERGETICKÉ ZDROJE V ÈR 21 STOLETÍ 19

20 Pro další budoucnost tøeba dokázat, zda bude možné využít termonukleární fúze v energetice, nebo konstatovat její využitelnost za nezvládnutelnou a urychlenì hledat jiné perspektivní cesty Z ostatních primárních energetických zdrojù je tøeba zintenzívnit využití obnovitelných zdrojù energie (OZE), reálnì aplikovatelných v Èeské republice a zvýšit podíl tìchto zdrojù v celkové bilanci Vìtšina alternativních zdrojù jsou zdroje pomìrnì nízké hustoty a v nìkterých pøípadech vyžadují koncentrování a uchování energie Výstavba a provoz obnovitelných zdrojù vyžaduje vysoké poøizovací a výrobní náklady Tyto zdroje zatím vìtšinou nejsou schopny volné soutìže s ovìøenými zaøízeními velké energetiky Pokud bude budoucnost obnovitelných zdrojù ponechána jako doposud pouze na energetickém trhu, nemohou být jejich výhody, zejména z titulu spotøeby a ekologie, dostateènì rychle a plnì využity Pøi úvahách o využití, dalším rozvoji OZE a hodnocení podílu jejich využívání k celkové spotøebì primární energie státu je tøeba rozlišovat, jak se které zdroje do bilance zahrnují V Èeské republice pro výrobu elektøiny z vodní energie v zaøízeních do 10 MW e, sluneèní energie, vìtrné energie, biomasy v zaøízeních do 5 MW e a pro výrobu tepla ze sluneèní energie, geotermální energie, biomasy v zaøízeních do 20 MW t, bioplynu z palivových èlánkù OZE umožòují podstatnì ménì devastovat pøírodu spalováním fosilních paliv Rozšíøení jejich používání pøispívá ke kombinaci centrálního systému s decentralizovanými místními zdroji V souèasné dobì se celková výroba elektøiny z OZE v Èeské republice odhaduje na cca 2 % tuzemské spotøeby primárních energetických zdrojù Dle programu EU má vzrùst podíl OZE v zemích EU do roku 2010 na 12 % z celkových energetických zdrojù Zdroje obnovitelné energie jsou v Èeské republice charakterizovány relativnì vysokou mírou využívání hydrologického potenciálu ve vodních elektrárnách Ze statistických údajù o technické využitelnosti vyplývá, že dosud je využíváno zhruba 75 % vodní energie To pøedstavuje do budoucna potenciální rezervu pro doplòkovou výrobu elektrické energie v malých vodních elektrárnách Znaèný poèet míst pro stavbu malých vodních elektráren leží v chránìných krajinných oblastech Nejèetnìjším typem jsou i pro budoucnost malé vodní elektrárny prùtoèné, derivaèní Oblast návrhových parametrù je pokryta základními typy turbín, obvykle používanými v malých vodních elektrárnách (Pelton, Francis, Kaplan, Bánki, aplikace èerpadel ve funkci vodních turbín) v rùzných modifikacích Odhaduje se, že je možné ještì vybudovat nìkolik set malých vodních elektráren Podmínky pro využívání vìtru nejsou v Èeské republice zvláš pøíznivé Na vìtšinì území Èeské republiky je prùmìrná rychlost vìtru nižší než 4 m/s, což je nejnižší hranice pro hospodárné užití ve vìtrných elektrárnách Ze zahranièních poznatkù vyplývá, že lze ekonomicky využívat vìtrnou energii tam, kde bude roèní produkce alespoò 800 kwh/m 2, což znamená, že støední rychlost vìtru ve výšce 10 m nad zemí musí být vyšší než 4,5 m/s, ve výšce 30 m pøibližnì 5,7 m/s S respektováním zákona o ochranì pøírody a místním povolovacím øízením se odhaduje, že by bylo možné v ÈR postavit 1200 až 1600 vìtrných elektráren s malými instalovanými výkony Do obnovitelných zdrojù se zaøazuje biomasa, kterou lze použít pøímo jako palivo pro výrobu tepla, pro výrobu bioplynu a døevoplynu, pro výrobu kapalných paliv Souèasnì jsou u nás odpady ukládány na skládky, èást recyklována, èást spalována Skládkového plynu lze využívat pro kombinovanou výrobu elektøiny a tepla Z výzkumu u nás provedeného a zahranièních poznatkù byla prokázána možnost pìstování energetických rostlin na složištích popela a dùlních výsypkách, vèetnì rychle rostoucích døevin Kromì energetického zisku je 20 ZBYNÌK IBLER A KOL : ENERGETIKA V PØÍKLADECH A