Obnovitelné zdroje energie

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov Obnovitelné zdroje energie doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Verze 2.17 Biomasa Biomasa je hmota organického původu (rostlinného i živočišného). Rostlinná biomasa (fytomasa) složena z vody, oxidu uhličitého ze vzduchu, malého procenta různých prvků způdy a za existence fotosyntézy a slunečního záření o volné vlnové délce 0,38 až 0,79 mikronů: 6 CO H 2 O + energie + stopové prvky = C 6 H 12 O O 2 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 2 1

2 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,..) C 6 H 12 O O 2 = 6 CO H 2 O + energie + popel Bio-chemicky (fermentace, alkoholové kvašení, anaerobní vyhnívání, metanové kvašení (bioplyn)) Mechanicko-chemická přeměna (lisování olejů, štípání, drcení, lisování, peletování, výroba bionafty) 3 Biomasa Pěstovaná k energetickým účelům Lignocelolůzové Dřeviny (vrba, olše), obiloviny Travní porosty (sloní tráva) Ostatní porosty (šťovík,..) Olejnaté (řepka, slunečnice) Škrobo-cukernaté (brambory, kukuřice) 4 2

3 Odpadní produkty Biomasa 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) nizkoenergetickydomek.cz 5 Biomasa Rychle rostoucí rostliny Dřeviny (RRD)-výmladkové platáže využitelnost po 8 letech, životnost 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) 6 3

4 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 7 Biomasa Pelety 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 8 4

5 Dřevo energetické vlastnosti závislé na obsahu vody w=50% výhřevnost je poloviční ve srovnání s w=10% cca 16 MJ/kg Parametry 9 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% m1 hmotnost vzorku surového dřeva m2 hmotnost vzorku po vysušení Technický pohled Dřevozprac. průmysl 10 5

6 Energetické vlastnosti Biomasa 11 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 % 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 12 6

7 Malé zdroje tepla Spalování biomasy Lokální topidla dřevo, brikety Krby, krbová kamna -teplovzdušné; s teplovodní vložkou Kachlová kamna Výkon 7kW, spotřeba paliva 3,6 kg/h, doba hoření 3h. 13 Biomasa Kotle pro centrální vytápění dřevo, brikety, štěpka, pelety. Výkon běžně do 100kW. 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% 14 7

8 Zpravidla na sypká paliva Kotle se zásobníkem Lze používat i kusová paliva Zásobník ocelový, textilní, plastový 15 Kotle se zásobníkem Objem zásobníku běžně 3-5 m

9 Doprava paliva do kotle Sypká paliva (pelety,..) Šnekový dopravník, pneumatická doprava 17 Velké zdroje Biomasa 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 18 9

10 Bioplyn Dříve bioplynové stanice 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/m Zjednodušené schéma bioplynové stanice fermentor sběrná nádrž zásobník zpracované biomasy plynojem kogenerační jednotka

11 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. 21 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

12 Energie větru 23 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

13 Schéma výroby elektrické energie 25 Energie větru Konstrukční provedení větrné turbíny vodorovná osa otáčení svislá osa otáčení 26 13

14 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 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

15 Větrná turbína Vícelopatkový rotor desítky listů rotoru (např. americké kolo) malá náběhová rychlost (cca od 0,2m/s) účinnost % Vrtule 1-4 listy rotoru náběhová rychlost 3-6m/s nejpoužívanější typ pro výrobu elektrické energie účinnost % 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) 29 Výkon větrné turbíny Maximální účinnost větrného stroje 59 % odvedená práce je 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 30 15

16 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 31 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 charakteristika) Vhodné lokality je možné stanovit pomocí analýzy dat dostupných z meteorologických stanic Dostupnost lokality Nadmořská výška (námraza,..) Majetkoprávní vztahy Zátěž ŽP 32 16

17 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 33 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 34 17