Regionální v zdělávací centrum pro obnov itelné zdroje energií Jihomoravského kraje a energetick y soběstačná škola

Transkript

1 Regionální vzdělávací centrum pro obnovitelné zdroje energií Jihomoravského kraje a energeticky soběstačná škola Záměr projektu, technická specifikace 7/2007 Bioprofit s.r.o. Na Dolinách 876/6, Lišov Tel.: bioprofit@bioprofit.cz

2 Identifikační list Název akce: Regionální vzdělávací centrum pro obnovitelné zdroje energií Jihomoravského kraje a energeticky soběstačná škola záměr projektu Zadavatel: Střední odborná škola a Střední odborné učiliště Masarykova škola práce Tyršova 500, , Letovice Tel: Zpracovatel: Ţiţkova 85/ Lišov IČO: GSM: bioprofit@bioprofit.cz Zpracovali: Schválil: Ing. Tomáš Rosenberg, Ing. Tomáš Dvořáček, Ing. Josef Urban Ing. Tomáš Dvořáček, jednatel Bioprofit s.r.o. V Lišově dne: Počet stran: 21 Počet příloh: 2 Tuto analýzu ani její jednotlivé části není možné reprodukovat a rozšiřovat bez souhlasu společnosti Bioprofit s.r.o.. Na základě souhlasu společnosti může být dokument reprodukován pouze včetně textových a grafických příloh. 2

3 Obsah Identifikační list... 2 Obsah Anotace Základní charakteristika projektu Stávající zařízení na využití OZE v areálu školy Nová zařízení pro výrobu energie z OZ v areálu Vodní mikroelektrárna Tepelné čerpadlo, úprava kotelny, solární systém TUV, HG posudek Bioplynová stanice Dřevoplynová jednotka Palivový článek Větrná mikroelektrárna Zázemí laboratoře a učebny Přednáškový a prezentační sál Laboratoř OZE bioplynová Laboratoř OZE pro palivové články a alternativní pohony Laboratoř analytická Fyzikální laboratoř Odhad celkové investiční náročnosti Závěr, doporučení Zdroje, literatura Přílohy: Příloha 1: Učební plán zpracovaný spol. ZERA Příloha 2: Fotografická příloha 3

4 Seznam zkratek: OZE BM BO BP BPS EE ERÚ FM KJ KVET MVE MaR PD PS SEI SZZ/VZZ TK TTP TUV ÚKZÚZ ÚP ZP Obnovitelné zdroje energie (dle definice Zákona č. 180/2005 Sb.) Biomasa Bioodpad Bioplyn Bioplynová stanice Elektrická energie Energetický regulační úřad Fytomasa Kogenerační jednotka Kombinovaná výroba elektřiny a tepla, obecně pojem kogenerace Malá vodní elektrárna Systém měření a regulace Projektová dokumentace Předávací stanice Státní energetická inspekce Střední/velký zdroj znečišťování ovzduší Těţké kovy (As, Cd, Cr, Hg, Ni, Pb, atd.) Trvalé travní porosty Teplá uţitková voda Ústřední kontrolní a zkušební ústav zemědělský Územní plán Zemní plyn 4

5 1. Anotace Na základě objednávky od SOŠ a SOU-MŠP vypracovala spol. Bioprofit s.r.o. tento záměr pro projekt regionálního vzdělávacího centra spojený s projektem energeticky soběstačné školy. V rámci realizace projektu je uvaţováno s praktickou výukou na menších funkčních zařízeních pro výrobu OZE, která se budou vyuţívat pro zlepšení ekonomické bilance školy. 2. Základní charakteristika projektu Cílem projektu je vybudovat školící středisko, laboratoře a zázemí pro výuku pracovníků v oblasti obnovitelných zdrojů energie. V laboratořích a prostorách školy budou také vybudovány poloprovozní a provozní celky k výrobě obnovitelné energie, ty se budou podílet na energetické bilanci školy s konečným cílem praktické soběstačnosti a zároveň budou slouţit jako demonstrátory pro výuku vedení provozu a testování nových moţností. V areálu školy budou umístěny plně provozní celky: mikro vodní elektrárna tepelné čerpadlo větrná mikroelektrárna bioplynový reaktor dřevoplynová jednotka palivový článek V rámci projektu budou zavedeny nové učební obory, absolventy těchto oborů budou specialisté pro návrh, realizaci a provoz zdrojů obnovitelných energií. Tento středně odborný kádr v oboru prakticky úplně chybí. Bude realizována stavba následujících souvisejících objektů: laboratoř základních rozborů v OZE laboratoř alternativních pohonů biotechnologická laboratoř fyzikální laboratoř přednáškový sál se zařízením zpracování učebních osnov, dokumentů a učebnic 3. Stávající zařízení na využití OZE v areálu školy V areálu školy jsou jiţ instalována některá zařízení, která vyuţívají OZE, nebo přispívají k efektivnímu vyuţití energetických zdrojů. Jedná se zejména o následující zařízení: Fotovoltaický článek 6 kw Kogenerační jednotky TEDOM 3 x 20 kw na zemní plyn Kotel na štěpky a zbytky dřeva, 100 kw Sluneční kolektor pro ohřev vody 2 m 2 5

6 4. Nová zařízení pro výrobu energie z OZ v areálu 4.1. Vodní mikroelektrárna Malá vodní elektrárna bude umístěna na náhonu z řeky Křetinky směrem k řece Svitavě protékající kolmo k ulici Tyršova. Spád ani průtok není velký, ovšem pro mikroelektrárnu je dostačující. Průtok lze odhadnout pouze na základě odhadu a běţného průtoku v řece Křetinka, která náhon napájí. Běţný průtok v řece je cca 0,65 m 3 /s. Cca 15% vody je odváděno náhonem, coţ představuje cca 0,0975 m 3 /s. Spád od ústí náhonu do areálu školy je odhadnut na základě terénního průzkumu na cca 2 m. S problematikou turbín se pojí i rozsáhlý slovník pojmů, které se vyuţívají pro popis jejich vlastností. Průtok turbínou - Celkové mnoţství protékající turbínou za 1 sekundu. Udává se v (m 3 /s). Hltnost turbíny - Pro konkrétní spád udává vţdy maximální průtok turbínou při tomto spádu. Jmenovitá hltnost - Maximální průtok nebo jmenovitý průtok turbínou při jmenovitém spádu, tj. při spádu, při němţ je nejvyšší účinnost. Hltnost při maximálním spádu - Největší zaručený průtok při max. spádu. Průtoková kapacita - Největší průtok, který projde všemi turbínami elektrárny. Hrubý spád - H (brutto) je celkový statický spád mezi dvěma uvaţovanými profily úseku řeky, který chceme energeticky vyuţít. Uţitný spád - H (netto) je výškový rozdíl mezi čarami energie těsně před vodním motorem a za ním. Je to hrubý spád, od něhoţ jsou odečteny hydraulické ztráty v přivaděči a odpadu, které se nezahrnují do účinnosti turbíny. Mezi základní parametry a z pohledu vyuţití vodní elektrárny patří výkon vodní turbíny. Ten se můţe stanovit následujícím zjednodušeným vzorcem: P = Q. H. k kde je P výkon [kw], Q průtočné mnoţství vody [m3/s], H spád vyuţitelný turbínou a k je bezrozměrná konstanta uváděná v rozsahu od 6,5 do 8,5 (ovlivňuje účinnost soustrojí a odpovídá technické úrovni pouţité technologie). V našem případě tak můţeme výkon turbíny na základě uvedeného vztahu, při hodnotě koeficientu k=6,5 a vyuţitelném spádu turbínou 1,8 m vyčíslit na maximálně cca 1,14 kw el. Je ovšem značně nereálné, ţe by bylo moţné do elektrárny svést celý průtok náhonu. Navrhujeme proto vyuţití typové vodní elektrárny do cca 0,5 kw. Potřebný průtok by pak byl cca 0,1 m 3 /s. Vodní elektrárny podobného typu dodává např. společnost Alter-Eko s.r.o. 6

7 Cena uvedeného zařízení je cca ,- Kč i s instalací. Pro záměr bude dálke nutné vybudovat trubkový přivaděč vedený korytem náhonu. Předpokládáme vyuţití PE trubek vedených nad hladinou náhonu. Délka potrubí bude cca 250 m. Při ceně cca 600,- Kč/m včetně lehké nosné konstrukce lze očekávat náklady cca ,- Kč. Dále bude nutno vybudovat jímací objekt u vstupu náhonu v blízkosti toku řeky Křetinka. Bude se jednat o jednoduchý betonový objekt s hrubými česlemi a záchytem písku. Z tohoto objektu bude voda vedena na mikroelektrárnu v areálu střední školy. Náklady na vybudování objektu cca ,- Kč. Dále je nutno počítat s rezervou na vyvedení el. výkonu. Celkovou investici lze vyčíslit na cca ,- Kč. Na následujícím obrázku je znázorněno umístění mikroelektrárny v areálu a vodní přivaděč Tepelné čerpadlo, úprava kotelny, solární systém TUV, HG posudek Tepelné čerpadlo bude umístěno v areálu školy v ulici Tyršova 25. Pro tento záměr byl proveden předběţný průzkum, který konstatoval moţnost realizace tepelného čerpadla voda x voda o výkonu cca 35 kw. Součástí projektu je i zateplení budovy Tyršova 25 tak, aby se tepelné čerpadlo mohlo významně podílet na zásobování tepelnou energií. Úprava kotelny počítá se změnou hlavního rozvaděče TUV a propojení systému solárního ohřevu a tepelného čerpadla. Celkové náklady ,-- Kč. Tepelná čerpadla daného výkonu dodává např. společnost HelioTherma s.r.o. za cca ,- Kč. K této ceně je nutno připočíst náklady na zřízení 2 vrtů čerpacího a vsakovacího. Předpokládáme průměr cca 180 mm, hloubka 2 x 15 m. Při ceně vrtných 7

8 prací cca 2500,- Kč/bm se bude jednat o náklady cca ,- Kč, s rezervou a dopravou pak cca ,- Kč. Nálady na zateplení budovy lze odhadnout z velikosti budovy, budova má jiţ zčásti moderní tepelně izolační okna a část fasády zateplenou. Při nákladech cca ,- Kč lze provést výměnu ostatních oken a dokončení zateplení stěn a stropů. Solární ohřev TUV počítá s instalací 16 kusů panelů Q EKS/V s celkovými náklady ,-- Kč. Náklady na hydrogeologický posudek pro zásobování vodou tepelného čerpadla činí ,--. Celkové náklady na část tepelného čerpadla včetně zateplení a úpravy kotelny se solárním systémem lze odhadnout na cca ,- Kč. Umístění vrtů je zřejmé z následujícího obrázku Bioplynová stanice Záměrem investora je, v rámci koncepce energeticky soběstačné školy, vybudovat školní a výzkumné zařízení na výrobu bioplynu, které bude slouţit jako energetický zdroj pro areál školy a dále jako demonstrační pomůcka pro studenty zabývající se studiem obnovitelných zdrojů energie. Střední odborná škola jiţ v současné době provozuje ve své hlavní budově trojici kogeneračních jednotek TEDOM plus 22 A. o celkovém jmenovitém el. výkonu cca 3x22 kw s tím, ţe tyto jednotky jsou v současnosti napájeny zemním plynem. S ohledem na 8

9 nárůst ceny zemního plynu je v rámci této stavby řešen přechod napájení těchto jednotek na produkovaný bioplyn. Z učebních důvodů je projektovaný výkon školního zařízení malý a pokrývá produkci cca 40 kw elektrické energie na stávajících kogeneracích. V zařízení se předpokládá zpracování následujících odpadů produkovaných v SOŠ a zároveň ve městě Letovice a jeho nejbliţším okolí. Druh materiálu t/den t/rok sušina % sušiny t/rok Kejda 0, Kuchyňský odpad 0, ,5 Travní siláţ a travní bioodpad 3, Celkem (průměr) 3, ,4 369,5 Kejda bude v mnoţství 50 t za rok pouţívána pro stabilizaci procesu a bude získána smluvně zajištěnou dodávkou od zemědělců. Kuchyňský odpad v mnoţství 50 t za rok bude zpracován ze školní jídelny SOŠ a z dalších školních jídelen ve městě Letovice, čímţ dojde ke splnění poţadavků na správné nakládání s tímto odpadem dle nařízení EP č. 1774/2002. Po dohodě s TS města Letovice bude v zařízení zpracována travní siláţ/senáţ připravená ze separované trávy v rámci sběru bioodpadů ve městě, tato senáţ bude dováţena do zařízení v cca 2-denních dávkách. Senáţ bude připravována na vhodných pozemních města technologií vakování. Bude vedena evidence přijímaných surovin s ohledem na poţadavky prováděcích předpisů ERÚ. Bude prováděna evidence a monitoring zpracování kuchyňských odpadů (odpad kategorie 3) dle nařízení EP č. 1774/2002. Materiály budou na zařízení stabilizovány (kuchyňský odpad pasterizován při teplotě 70 C dle nařízení EP č. 1774/2002) a řízeným rozkladem v uzavřeném reaktoru bude vznikat bioplyn. Vyrobený bioplyn bude spalován ve stávajících kogeneračních jednotkách, kde z něj bude vyráběna elektrická energie a teplo. Elektrická energie bude dodávána do zařízení, přebytky do rozvodu školy a vyrobené teplo bude vyuţito pro vytápění objektu školního zařízení a školy. Výsledný produkt zpracování budou jako hnojivo vyuţívat po dohodě místní zemědělci. Kapacita zařízení je cca tun biologicky rozložitelných materiálů na vstupu za rok, z toho cca 1200 t činí silážované travní odpady. Jedná se o 1 stupňovou technologii s fermentorem s mícháním a ohřevem a s osazeným plynojemem o objemu cca 60 m 3. Celková doba zdrţení materiálu ve fermentoru je 50 dní. Fermentor bude ţelezobetonová monolitická nádrţ 8,5 m o výšce 6,4 m, uţitečném objemu celkem cca 340 m 3 s membránovým plynojemem s centrálním sloupem. Senáţe a zelená hmota bude přijímána do zařízení v plně zakrytém vstupním silu vybaveném míchacími šneky o objemu 10 m3. Kejda bude přijímána v podzemní ţelezobetonové a zastropené jímce o rozměrech pr. 3,5 m, hl. 2 9

10 m, uţitný objem 19 m 3. Kuchyňské odpady jsou v souladu s nařízením EP č. 1774/2002 přijímány v ocelové montované hale o rozměru cca 10x5 m, světlá výška 6 m, ve které se nachází drtič odpadu, příjmová jímka 5 m3 a pasterizační jednotka pracující s teplotou vyšší 70 C a dobou zdrţení min. 60 minut. Hala je vybavena uzavíratelnými vraty. K hale je ze severní strany přistavěn přístavek velína a elektrorozvodny zařízení. Vnitřní prostory vstupní haly a jímky jsou odsávány na koksokompostový biofiltr. Vyrobený bioplyn bude spalován v kogeneračních jednotkách umístěných v obj. p.č. 1296/3 o elektrickém výkonu 3x22 kw jako náhrada za pouţívaný bioplyn. Stávající jednotky budou vyměněny za nové v kombinovaném reţimu spalování bioplyn/zemní plyn. Je počítáno s výrobou el. energie na dvou jednotkách v mnoţství 40 kw, třetí jednotka slouţí jako záloţní pro případ výpadku jedné jednotky a nahrazuje tak plynovou fléru. Mnoţství vyrobeného bioplynu se předpokládá cca m3 za rok. Fermentovaný materiál v mnoţství cca 2250 t za rok bude moci být odvodněn na šnekovém separátoru instalovaném na plošině u velína, kapalná část přepadá do podzemní jímky. Celkem se předpokládá produkce 650 t za rok pevného fermentačního zbytku se sušinou 30 % a cca 1600 t kalové vody. Pevný fermentační zbytek bude skladován na valníku pod separátorem a následně odváţen k zemědělcům na vyuţití. Kapalný zbytek od separátoru odtéká do podzemní jímky na fugát o objemu 20 m3 (cca 4-5 denní kapacita), ze které je odváţen do skladovacích kapacit zemědělců pro aplikaci na pole. Stavba je vybavena přípojkami VN, vodovodu. Odkanalizování ploch je řešeno v rámci stávajícího odvodnění povrchu v areálu školy do městské kanalizace. Z vodohospodářsky zabezpečené plochy pod šnekovým separátorem voda odtéká do jímky na fugát. Stavební objekty: Fermentor: je nadzemní stavba, částečně zapuštěná ţelezobetonová monolitická nádrţ s vyhříváním a míchadly. Nádrţ je osazena integrovaným plynojemem o velikosti 60 m 3, který podpírá středový sloup. Nádrţ bude zaloţena na 0,5 metrovém štěrkopískovém polštáři, který bude současně slouţit jako případná drenáţ pro podzemní vody s ţelezobetonovou skruţenou studnou pro její případné odčerpání. Na štěrkovém polštáři je poloţena 10 cm betonová mazanina a na ní pak monitorovací systém skládající se z izolační folie, drenáţní geotextilie, obvodové trubní drenáţe DN100 a dvojice vertikálních monitorovacích sond pr. 100 mm. Folie je pak nakotvena na stěny nádrţe. Na monitorovacím systému je umístěna vlastní nádrţ provedená z vodostavebního betonu s příslušnou ochranou plynového prostoru nátěrem. Vnitřní průměr nádrţe 8,5 m, výška 6,4 m, ocelový centrální sloup nesoucí plynojem. Uţitný objem nádrţe je 340 m3. Fermentor je vybaven horizontálním pádlovým míchadlem. Součástí technologie je odsíření bioplynu dávkováním malého mnoţství vzduchu do nádrţe. Dojde tak k vysráţení síry v elementární formě na hladině kalu. Příjmový zásobník na tuhou biomasu: jedná se o ocelový zásobník se šnekovým podavačem o objemu 10 m 3, který bude instalován na terénu. Ocelový zásobník obsahuje instalovanou technologii šnekových mechanismů a dávkovacích šnekových plně kapotovaných dopravníků. Silo ze zakryté otevíratelným poklopem. V tomto objektu bude přijímána siláţ, senáţ, zelená hmota. 10

11 Příjmová jímka na tekutou biomasu: je ţelezobetonová podzemní jímka o vnitřním průměru 3,5 m a hloubce 2 metry (uţitný objem m 3 ), opatřená izolačním nátěrem. Jímka je uzavřená betonovým armovaným stropem s revizním a plnícím otvorem. Příjmová jímka na tekutou biomasu bude spojena technologickým potrubím s centrální čerpací stanicí v hale, která k jímce přímo přiléhá. Do jímky budou svedeny dešťové vody z přilehlé komunikace. Prostor nad hladinou kalu v jímce je ventilován na biofiltr. Blízké zpevněné plochy jsou spádovány do vstupního otvoru jímky. Příjmová a technologická hala: je tvořená ocelovou nezateplenou montovanou konstrukcí, s hlavními vjezdovými ocelovými vraty šířky 4 m a výšky 4 m. Rozměry haly cca 10 x 5 m, světlá výška 6 m, sedlová střecha, celková výška 7 m. V příjmové části do výšky 2 m obezdění a vnitřní obloţení omyvatelnými obklady. Hala je osvětlena prosvětlovacími pásy a umělým zářivkovým osvětlením pod stropem. V hale se nachází příjmová část pro zpracování kuchyňských odpadů zahrnující výklopné zařízení na sběrné nádoby 120 a 240 l, násypku, drtič a podzemní jímku o objemu 5 m 3. Z jímky je přes drtící čerpadlo materiál čerpán do pasterizační jednotky o objemu 0,5 m 3, kde je materiál hygienizován při teplotě vyšší neţ 70 C po dobu min. 1 hod. V případě plnění těchto parametrů je pak přepuštěn do vnější jímky na kejdu. V opačném případě proces probíhá znovu, kontrola drcení je prováděna na kohoutu před pasterizací, pokud nevyhoví velikost částic 12 mm, je materiál znovu nadrcen. Proces je kontinuálně sledován záznamovým zařízením. Vnitřní prostor haly je odsáván na biofiltr. K hale je ze severní strany přistavěna elektrorozvodna 2,4x3 m a velín 3,5 x 3 m, světlá výška 3 m. Opět ocelová ale zateplená konstrukce. Osvětlení velína je zabezpečeno čelním oknem a dveřmi. Centrální čerpací stanice je umístěná v příjmové hale vedle pasterizační jednotky. Je zde umístěno čerpadlo, které distribuuje veškeré kapalné materiály na zařízení, spolu s rozdělovači kalu a další technologií. Separace se nachází přistavěná k hale na ocelové plošině s podestou ve výšce cca 4 m. Pod separátorem se nachází vodohospodářsky zabezpečená plocha cca 3x3 m z vodostavebního betonu vybavená odtokem do jímky fugátu. Veškeré nové komunikace budou provedeny v kvalitním ţivičném nepropustném povrchu a to včetně objezdné cesty při severní straně nádrţí. Přípojky inženýrských sítí: podzemní vedení od haly zařízení do stávajícího objektu p.č. 1296/3 zahrnuje vedení bioplynu, vody, měření a regulace a topení. Budou respektovány vzájemné odstupové vzdálenosti. S ohledem na IG podmínky se předpokládá zaloţení nových objektů na štěrkopískovém podkladu. Situace navrţených objektů je zřejmá z následujícího obrázku: 11

12 Energetická bilance výroby bioplynu ze zpracovaných materiálů se předpokládá následující: Kvalita bioplynu (% methanu) 65 produkce bioplynu (m 3 ) primární energie v plynu GJ primární energie v plynu kwh za rok za den 372,2 8, ,0 za hod 15,51 0,36 99,40 Roční výroba elektrické a tepelné energie v kogenerační jednotce 2 x TEDOM plus 22A o jmenovitém el. výkonu 22 kw se z bioplynu předpokládá v následujícím rozsahu: 12

13 Mnoţství bioplynu m El. energie (kwh) Vlastní potřeba KJ Vlastní spotřeba BPS Teplo (GJ) Vlastní potřeba Výroba Volná el. Výroba Volné energie teplo 100% 5% 35% 60% 100% 45,0% 55% Z tohoto mnoţství můţe být do sítě SOŠ dodáváno cca 0,17 MWh elektrické energie za rok a k dispozici bude rovněţ cca 760 GJ tepla za rok ve formě teplé vody 70 aţ 90 C. Z hlediska bilance obsahu dusíku je na výstupu obsaţeno cca 4,2 tun dusíku. Výstupní materiál bude pouţit po registraci jako hnojivo v zemědělství u nasmluvněného odběratele. Pevný separovaný zbytek je moţné po registraci pouţít jako hnojivo pro parky a veřejné plochy ve městě. Potřeba elektrické energie je kryta vlastní výrobou. Pro případ výpadku technologie bude elektrická energie odebírána prostřednictvím nové přípojky z elektrorozvodny SOŠ s novým měřením. Vlastní spotřeba elektrické energie ve výši cca 0,115 MWh za rok je kryta výrobou v kogenerační jednotce. Do SOŠ je pak dodáván přebytek energie po odečtení vlastní technologie. Tepelný výkon kogenerační jednotky cca 3x 41 kwth, který je k dispozici ve formě teplé vody 90 C a tepla spalin cca 350 C. Teplo bude v mnoţství cca 623 GJ za rok vyuţíváno k ohřevu fermentoru, přebytky budou vyuţívány v SOŠ. Pasterizační jednotka má potřebu tepla 30 kwh, tj. při době ohřevu 50 minut denně činí celková roční spotřeba 6250 kwh za rok. Dvoutrubkové tepelné vedení bude izolované provedené mezi zařízením a kogenerací, v prostoru podchodu komunikací bude potrubí chráněno chráničkami. Investice odhadnuta z následujících údajů: Položka Cena / Kč Poznámka Spodní stavba bioplynové stanice ,- Zaloţení do úrovně 1,5 m p.t. Stavba příjmové haly ,- Zateplená hala, přístavek Hygienizace suroviny ,- Drtič, pasterizace, propojení, jímka, míchadlo Bioplynová stanice ,- Stavba a technologie fermentace Inţenýrské sítě a zapojení ,- Kogenerace ,- 3x kogenerace po 22 kw, zapojení 13

14 Separace ,- Separace na plošině Úpravy terénu ,- Asfaltové povrchy apod. Celkem , Dřevoplynová jednotka Vyuţití dřevoplynu pro pohon spalovacích motorů je známé jiţ dlouhou dobu, ale teprve v nedávné době byly postaveny funkční dřevozplyňující jednotky (agregáty) schopné pohánět motory při současných ekologických standardech. Jedním z těchto zařízení je i systém EBlok společnosti Boss Engineering. Zařízení větší velikosti je na následujícím obrázku: Jednotka bude tvořena zařízením na zplynování dřeva kotlem a vyuţitím dřevoplynu. Pro následné vyuţití dřevoplynu bude vyuţita stávající kogenerační jednotka TEDOM 20kW instalovaná v kotelně školy. Palivem pro dřevozplynující kotel můţe být pouze kusové dřevo (ideálně kusy cca 0,25 dm 3 ), nebo např. dřevní brikety. Menší dřevní částice není moţné zpracovat, jelikoţ ty shoří bez vývinu dřevoplynu. Pro aplikaci v projektu uvaţujeme s nejmenší typovou řadou zařízení EBlok o výkonu cca 30 kw el. Spotřeba dřevního materiálu je cca 26 kg/hod. Investiční náklady bez kogenerační jednotky lze odhadnout na základě informací spol. Boss na cca ,- Kč včetně zásobníku kusového dřeva a automatického zplyňovacího kotle. 14

15 4.5. Palivový článek Palivový článek je zařízení, které při elektrochemické reakci přeměňuje chemickou energii kontinuálně přiváděného paliva s oxidačním činidlem na energii elektrickou. Oproti tepelným strojům s generátorem el. energie dosahují palivové články při výrobě elektrické energie vysokých účinností a to aţ 60 % v laboratorních podmínkách. Reálná účinnost však dosahuje pouze %, dle zatíţení a typu palivového článku. Vysoká účinnost je dána zejména tím, ţe přeměna energie je přímá, nikoliv přes mezistupně (tepelnou a mechanickou), jako je tomu např. u spalovacích motorů. V současné době je vyvíjeno pět typů palivových článků lišících se především chemickým sloţením elektrolytu, provozními teplotami a moţným palivem. Nízkoteplotní palivové články spalují s kyslíkem (většinou ze vzduchu) vodík nebo methanol, vysokoteplotní články mohou spalovat i některá konvenční uhlovodíková paliva. Jednotlivé typy článků vhledem k rozdílným provozním parametrům nacházejí uplatnění ve velmi odlišných aplikacích. Nízkoteplotní palivové články jsou dominantně vyuţívány v mobilních aplikacích k výrobě elektrické energie, vysokoteplotní články naopak převládají v kombinované výrobě tepla a elektrické energie v aplikacích stacionárních. Palivové články jsou v současnosti technologicky velmi vyspělá a bezpečná zařízení. Jejich komerčnímu rozšíření braní prozatím jejich velmi vysoká cena daná stupněm vývoje, převáţně kusovou výrobou a v neposlední řadě cenou pouţitých materiálů. U nízkoteplotních palivových článku je to především cena flourovaných membrán a platiny, u vysokoteplotních potom cena materiálů schopných odolat vysokým teplotám a korozivnímu prostředí. Typy palivových článků Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) Jako elektrolyt slouţí iontoměničová polymerní membrána (většinou na bázi kyselých florovaných polymerů), která je výborným protonovým vodičem. Vzhledem k tomu, ţe jedinou kapalinou v tomto typu FC je voda, jsou minimalizovány problémy s korozí. Operační teplota je limitována pouţitým polymerem, většinou je niţší neţ 120 C (ačkoliv v současné době se provádí testy s novými materiály aţ k 200 C). Palivem je v tomto případě čistý vodík nebo methanol (DMFC - Direct Methanol FC, pouţívaný většinou v přenosných aplikacích). Jako katalyzátor se vyuţívá především paltina, coţ je příčinou vysoké ceny článků. Alkaline Fuel Cell (AFC) Elektrolytem je 35-50% roztok KOH pro teploty <120 C. Elektrolyt je udrţován v porézním materiálu, kterým je ve většině případů azbest. Výhodou tohoto typu FC je moţnost vyuţití širokého spektra (levných) katalyzátorů - Ni, Ag, MeO, korund a vzácné kovy. Největším problémem je čistota paliva a oxidačního činidla, kdy i malé mnoţství CO 2 způsobuje znehodnocování elektrolytu (reakcí CO 2 s KOH za vzniku K 2 CO 3 ). Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) 15

16 Tento druh FC pracuje při C, přičemţ jako elektrolyt pouţívá 100% kyselinu fosforečnou. Při niţších teplotách má H 3 PO 4 horší protonovou vodivost a problém CO jako katalytického jedu pro Pt se stává významnějším. Kyselina fosforečná je stabilnější neţ ostatní běţné kyseliny, proto je schopná pracovat v širokém rozsahu teplot. Navíc pouţití 100% kyseliny minimalizuje parciální tlak vodních par, takţe udrţet správný vodní reţim není sloţité. Matrixem pro zadrţení elektrolytu je většinou SiC. Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Elektrolytem je většinou směs alkalických uhličitanů, které jsou zadrţovány v matrixu LiAlO 2. Provozní teplota je od 500 C do 700 C; v tomto rozmezí tvoří směs uhličitanů vysoce vodivou roztavenou sůl, ve které zprostředkovávají vodivost uhličitanové ionty. Díky vysokým teplotám není nutné pouţívat vzácné kovy pro katalyzátory, vyuţívá se Ni pro anodu a NiO pro katodu. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Tento typ FC je výjimečný tím, ţe jeho elektrolyt je pevný, neporézní kovový oxid, pouţívá se Y 2 O 3 stabilizovaný ZrO 2. Pracovní teplota je C, přičemţ vodivost zprostředkovávají kyslíkové anionty. Materiálem pro anodu je Co-ZrO 2 nebo Ni-ZrO 2, pro katodu se pouţívá LaMnO 3 dopovaný stronciem. Skutečnost, ţe elektrolyt je pevný, má velký význam pro zjednodušení systému, vyskytují se zde na rozdíl od všech ostatních typů FC pouze dvě fáze, pevná a plynná. Navržené zařízení: Pro vyuţití v rámci projektu uvaţujeme s vyuţitím pouze laboratorní jednotky palivového článku. Jako nejperspektivnější a nejlevnější jsou dnes obecně hodnoceny membránové vodíkové nebo ethanové články (PEM, PEMFC). Pro potřeby bude vyuţito methanového PEM článku o výkonu cca 1kW. Cena takového zařízení je velmi obtíţně vyčíslitelná, jelikoţ komerční prodej palivových článků dnes není zcela rozvinut. Orientační náklady na nejběţnější vodíkové články se v současnosti pohybují v řádech cca ,- Kč na instalovanou jednotku kwel. Investiční náklady tak lze v našem případě laboratorní jednotky, spolu s dalším zařízením odhadnout na cca ,- Kč Větrná mikroelektrárna Větrná energie je jedna z forem, do níţ se transformuje sluneční záření, neustále dopadající na naši planetu. Vítr je proudění vzduchu, které vzniká tlakovými rozdíly mezi různě zahřátými oblastmi vzduchu v zemské atmosféře. Pokud není uvedeno jinak, rozumí se (i v odborné literatuře) pod pojmem vítr pouze horizontální sloţka proudění vzduchu. Působením aerodynamických sil na listy vrtule se převádí kinetická energii větru na rotační mechanickou energii rotoru. Ta je poté prostřednictvím generátoru zdrojem elektrické energie (na podobném principu turbogenerátoru např. vodní elektrárny). Prouděním vznikají podél listů velké aerodynamické síly, a proto listy musejí mít speciálně tvarovaný profil, velmi podobný profilu křídel letadla. Jak je vidět na následující mapě, záměr není umístěn na příliš vhodném místě pro efektivní vyuţití větrné energie. To je způsobeno především umístěním v údolí řeky 16

17 Svitavy. Zařízení tak má spíše demonstrační charakter. Na následujícím obrázku je znázorněna větrná mapa ČR s vyznačenou polohou záměru: Větrná mikroelekrárna bude umístěna na střeše budovy školy a bude tvořena 1 ks jednotky cca 1 kw např. typ Whisper 200 dodávaný společností AlterEko s.r.o. Jednotka je tvořena vrtulí o průměru cca 2,7 m a stoţárem pro uchycení. Generátor poskytuje proud 24V, který je upravován frekvenčním měničem na 220 V. Na následujícím obrázku je znázorněn běţně uţívaný typ malé větrné elektrárny běţný např. na odlehlých farmách. Investiční náklady budou činit cca ,- Kč včetně instalace. Umístění všech výš popsaných zařízení je patrné z následujícího obrázku: 17

18 18

19 5. Zázemí laboratoře a učebny Tyto prostory budou umístěny do budovy v areálu domova mládeţe v ulici Tyršova (Tyršova 500) v blízkosti hlavní budovy školy, konkrétně do její severozápadní části. Zde bude umístěno několik celků, které budou slouţit v rámci projektu, jedná se o tyto hlavní celky: Přednáškový a prezentační sál Laboratoř OZE bioplynová Laboratoř OZE pro palivové články a alternativní pohony Laboratoř analytická Fyzikální laboratoř Všechny laboratoře je nutno vybavit laboratorním nábytkem, laboratoře bioplynu, palivových článků a pohonů a laboratoř analytickou dále odsávací vzduchotechnikou. Pro stavební část je jiţ vypracován projekt pro SP společností Prokant s.r.o. Letovice. Jedná se o stavbu s 3 NP atypického půdorysu obsahující jednak část obytnou a jednak část účelovou. Obytná část je jiţ v současné době realizována, účelová část bude realizována v rámci navrhovaného projektu. Budova je řešena z klasických stavebních materiálů. Rozpočet stavební části je vyčíslen na cca ,- Kč Přednáškový a prezentační sál Přednáškový sál bude umístěn ve společenské části budovy domova mládeţe Tyršova 500 dle projektu spol. Prokant. Tento sál vyplňuje takřka celé 1NP této společenské části. Sál bude vybaven moderní prezentační technikou a dále zde bude umístěna expozice zařízení a modelů zařízení pro výrobu a vyuţití OZE. K sálu náleţí i malé předsálí, které bude pro expozici také vyuţito. Investiční náklady stavební a realizační části samotného sálu jsou dle projektu Prokant vyčísleny na cca ,- Kč. Investiční náklady budou představovány nákupem a instalací moderní prezentační techniky a dále pak zřízením míst pro stálou expozici zařízení pro výrobu OZE. Náklady lze odhadnout na cca ,- Kč. Do prostorů místností 114 a 115, kde byly dle původního projektu plánovány ubytovací kapacity bude přesunuta část zařízení knihovny a počítačové pracovny z 2 NP, kde bude v jejich prostorech budováno laboratorní zázemí. V tomto prostoru mohou být dále pořádány přednášky pro menší auditorium a výuka. Dispozice 1NP je patrná z následujícího obrázku: 19

20 5.2. Laboratoř OZE bioplynová Tato laboratoř bude umístěna v prostorách 2NP ve spojených prostorách místnosti jak jsou označeny v projektu spol. Prokant. Místnost bude vybavena odsávací vzduchotechnikou a budou zde umístěna některá zařízení pro zkoumání produkce bioplynu z různých materiálů. Předpokládáme instalaci termoboxů (např. typ pro umístění kultivačních nádob, dále pak aparaturu diskontinuálního měření produkce bioplynu, aparaturu kontinuální produkce bioplynu a také cca 3 ks reaktorů cca 200 l pro provádění poloprovozních experimentů a dlouhodobějšího modelování procesu. Zařízení ks Inkubátor 720 l 1 Inkubátor 240 l 2 Reaktor 200 l 3 Měření produkce plynu, kontinuální 3 Měření produkce plynu - tlakové 1 Drtič 1 Dezintegrátor 1 Lednice 4 Náklady budou tvořeny nákupem přístrojového vybavení do laboratoře. Náklady jsou vyčísleny na cca ,- Kč. 20

21 5.3. Laboratoř OZE pro palivové články a alternativní pohony Laboratoř bude umístěna v prostoru místnosti 218 a částečně 219. V této laboratoři bude umístěn funkční palivový článek, který bude předmětem výzkumu. Dále předpokládáme instalaci 2 ks laboratorních palivových článků různých typů, které vystihují současné trendy v tomto směru. Zařízení ks Palivový článek laboratorní 2 Palivový článek poloprovozní 1 Spalovací motor diesel 1 Spalovací motor plyn 1 Generátor el. proudu laboratorní 2 Motorová laboratorní brzda 1 Sestava akumulátorů 1 Náklady budou tvořeny nákupem přístrojového vybavení do laboratoře. Náklady jsou vyčísleny na cca ,- Kč bez provozního palivového článku Laboratoř analytická Laboratoř bude umístěna v prostorech místností 214 a 215. V této laboratoři budou prováděna běţná stanovení pro vlastnosti odpadů, energetické biomasy a analýzy spojené s modelováním procesů a ostatními činnostmi v ostatních laboratořích. Soupis vybavení je nastíněn v následující tabulce: Zařízení ks Aparatura CHSK 1 Spektrofotometr 1 Váhy analytické 2 ph metr 2 Váhy - předváţky 2 Centrifuga 1 Sušárna 1 Pec 1 Digestoř 2 Destilační aparatura 1 Vakuová stanice 1 Chromatograf plynový 2 Analyzátor plynu CH4 1 Titrace digitální byrety 4 Čerpadla peristaltická 3 Pipety 4 Hygienické sání na pipety 2 Náklady budou tvořeny nákupem přístrojového vybavení do laboratoře. Náklady jsou vyčísleny na cca ,- Kč. 21

22 5.5. Fyzikální laboratoř Laboratoř bude umístěna v prostoru místnosti 219 a v části místnosti 220, která bude zmenšena. Část zařízení knihovny a počítačové učebny bude rovněţ přesunuta do 1 NP. V této laboratoři bude prováděl základní kurz laboratoří fyziky, se zaměřením na elektřinu, fyzikální vlastnosti alternativních paliv. Bude prováděn základní kurz v těchto oblastech: elektřina, teplo, světlo, zvuk, reakce, síly a energie. Pro laboratoř je třeba spíše jednodušší vybavení, které není investičně příliš náročné. Náklady budou tvořeny nákupem přístrojového vybavení do laboratoře a jsou vyčísleny na cca ,- Kč. Dispozice 2NP je zřejmá z následujícího obrázku: 22

23 6. Učební obor environmentální energetika Cílem projektu je zvýšit povědomí ţáků o environmentálních problémech moderní společností a jejich řešeních a zavést nový studijní program věnující se environmentální energetice a přidruţeným problémům. Realizací programu je zaručeno, ţe absolventi budou dostatečně vzděláni nejen po teoretické, ale i po praktické stránce. Projekt předpokládá aktivní vyuţití ICT technologií. Cílovou skupinou jsou jednak ţáci školy, ale také pedagogové a odborní pracovníci ve školství. Cílovou skupinou vzdělávacích kurzů bude jednak cca 30 pracovníků ve školství a cca 400 ţáků tří i čtyřletých studijních oborů. Výuka bude probíhat blokově dle plánovaných modulů předmětu a bude klást důraz na odbornou a praktickou stránku. Díky realizaci projektu si ţáci SOŠ a SOU-MŠP osvojí některé základní poznatky o fungování environmentálních principů a budou schopni tyto principy realizovat v praktické úrovni, coţ je hlavním předpokládaným přínosem projektu. Projekt zahrnuje následující části: Tvorba odborné knihovny Příprava vzdělávacích kurzů Vzdělávací kurzy lektorů Zpracování metodiky výuky pro ţáky Pilotní výukový program Celkem náklady na realizaci učebního programu ,- Kč. 23

24 7. Odhad celkové investiční náročnosti Celkové náklady na realizaci centra lze vyčíslit jednak z rozpočtu stavební části, z rozpočtu technologických a stavebních dodávek jednotlivých zařízení pro výrobu OZE, vybavení laboratoří a v neposlední řadě i zajištění institucionálními a lidskými zdroji. Celkové náklady jsou shrnuty v následujícím přehledu: 1. Stavební část RVC Kč ,-- 2. Kongresový sál Kč ,-- 3. Okolní úpravy (plot, mostek, hřiště, plochy) Kč ,-- 4. Bioplynová stanice Kč ,-- 5. Tepelné čerpadlo, zateplení budovy, solární systém TUV a úprava kotelny Tyršova 25 Kč ,-- 6. Vodní elektrárna Kč ,-- 7. Dřevoplynová jednotka Kč ,-- 8. Palivový článek Kč ,-- 9. Větrná elektrárna Kč ,-- 10.Přednáškový a prezentační sál Kč ,-- 11.Laboratoř OZE bioplynová Kč ,-- - palivové články Kč ,-- - analytická Kč ,-- - fyzikální Kč , Projektová příprava Kč , Materiály pro nový studijní obor, osnovy,proškolení pedagogů Kč , Celkem Kč ,-- 8. Závěr, doporučení V současné době významně roste důleţitost výroby energie z OZE. V ČR jsou jiţ realizována první výrobní zařízení. Značná část těchto zařízení má ovšem poměrně značné provozní problémy a je velmi obtíţné nalézt kvalifikované pracovníky pro vedení provozů a jejich obsluhu. Cílem popsaného záměru je výchova a výuka právě pracovníků se střením vzděláním, kteří ponesou hlavní část odpovědnosti za provoz těchto zařízení. Počet těchto zařízení v nejbliţších letech (větrných elektráren, kotelen na biomasu, bioplynových stanic, malých vodních elektráren apod.) v budoucnu ještě poroste. Realizaci záměru lze hodnotit jako velmi přínosnou. 24

25 9. Zdroje, literatura Internetové stránky CZ BIOM, Podklady zadavatele projekt Domov mládeţe pro 72 ţáků, Prokant s.r.o. Letovice Straka, Dohányos a kol., Bioplyn Materiály spol. BOSS Engineering, Kogenerační jednotka s vůní dřeva Hořejší V. Tepelná čerpadla pro kaţdého Internetové stránky spol. Alter-Eko s.r.o., Internetové stránky H2WEB, vodik.czweb.org Praha, Slapy, Ing. Tomáš Dvořáček jednatel Ing. Tomáš Rosenberg 25

26 Příloha 1: Učební osnovy zpracované spol. ZERA 26

27 Obor vzdělání: Technologie pro obnovitelné zdroje energií ( Technik pro obnovitelné zdroje a bioodpady ) Učební osnova určená pro vzdělávání pedagogických pracovníků středních škol v oblasti obnovitelných zdrojů energie a zároveň jeden z podkladů pro tvorbu vzdělávacího programu maturitního studia 1) obnovitelné zdroje energie 2) zpracování biologicky rozložitelných materiálů OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE A) Legislativa B) Biomasa - energetické plodiny: a) využití obilovin b) využití netradičních energetických plodin - odpadní biomasa Charakteristika biomasy - energetické vlastnosti biomasy - způsoby využití biomasy k energetickým účelům - využití půdy ležící ladem Využití biomasy - úprava a zpracování biomasy pro energetické účely - využití biomasy pro výrobu tepla, zařízení pro spalování biomasy - využití biomasy pro pohon motorů - využití biomasy k výrobě elektřiny anaerobní fermentace vlhkých organických materiálů C) Sluneční energie - možnosti využívání sluneční energie - zařízení pro využívání sluneční energie D) Větrná energie E) Vodní energie F) Alternativní metody výroby tepla - tepelná čerpadla - kogenerační jednotky (zemní plyn, bioplyn, skládkový plyn aj.) BIOOLOGICKY ROZLOŽITELNÉ MATERIÁLY A) Legislativa B) Druhy biologicky rozložitelných materiálů: - kvalita, vlastnosti, původ C) Metody, principy zpracování bioodpadu - aerobní - anaerobní D) Technika E) Technologie 27

28 Příloha 2: Fotografická příloha 28

29 prostor pro školní BPS na dvoře prostor pro školní BPS, vlevo kotelna stávající modul KJ TEDOM zásobník kotle na biomasu (štěpky) říční náhon v areálu školy stávající kotel na biomasu 100 kw 29

30 počátek náhonu u řeky Křetinka budova Tyršova 25 30