MASARYKOVA UNIVERZITA. Obnovitelné zdroje energie školní experimenty

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra fyziky Obnovitelné zdroje energie školní experimenty Bakaláská práce Brno 2007 Autor práce: Michaela Kremeová Vedoucí práce: Doc. RNDr. Petr Sládek, CSc.

2 Prohlášení Prohlašuji, že jsem celou bakaláskou práci vypracovala samostatn. Všechny zdroje, prameny a literaturu, z nichž jsem pi zpracování bakaláské práce erpala, ádn cituji a uvádím v seznamu použité literatury. V Brn dne Podpis

3 Podkování Na tomto míst bych velmi ráda podkovala panu Doc. RNDr. Petru Sládkovi, CSc. za cenné rady, pipomínky a as, který mi vnoval pi zpracování daného tématu.

4 Anotace Pedmtem bakaláské práce jsou obnovitelné zdroje energie. První ást této práce se zabývá shrnutím nejvyužívanjších obnovitelných zdroj energie na území eské republiky. Hlavní zamení je na solární energii, dále na vodní zdroje energie, na vtrnou energii, energii z biomasy a geotermální energii. Druhá ást je experimentální a zabývá se experimenty pedevším na snížení spoteby energie v domácnosti pi bžných innostech jako je vaení, svícení, vytápní. Ty lze využít ve školách nebo zájmových kroužcích. Annotation The bachelor thesis deals with the renewable energy sources. The first part summarizes the renewable energy sources available in the Czech Republic. The main focus is given to solar energy, hydropower energy, wind energy, biomass energy and geothermal energy. The main task of the second experimental part is to describe experiments that lead to the decrease of the energy consumption in the household sector (cooking, lighting, heating). These experiments can be provided in the schools or in the hobby groups.

5 Obsah 1 Úvod... 7 Teoretická ást Obnovitelné zdroje energie Solární energie Vznik slunení energie Využití slunení energie Princip slunení elektrárny Pemna na teplo Pímá pemna Nepímá pemna Slunení elektrárny v eské republice Fotovoltaická elektrárna na PdF Masarykovy univerzity Výhody a nevýhody slunení energie Vodní energie Vodní kolo Vodní turbíny Princip vodní elektrárny Využití vodní energie Malé vodní elektrárny Peerpávací vodní elektrárny Akumulaní vodní elektrárna Vodní elektrárny v eské republice Výhody a nevýhody využití vodních elektráren Vtrná energie Hustota výkonu vtru Princip vtrné elektrárny Vtrné elektrárny v eské republice asto diskutované otázky Výhody a nevýhody využití vtrných elektráren Energie biomasy Proces výroby z biomasy

6 6.1.1 Spalování a zplyování biomasy Biochemická pemna Mechanicko-chemická pemna Výhevnost biomasy Využití biomasy v R Pehled vybraných energeticky využitelných rostlin Výhody a nevýhody využití biomasy Geotermální energie Geotermální elektrárny Tepelná erpadla Princip tepelného erpadla Geotermální energie v R Experimentální ást Experimenty Úspora energie pi vaení Úspora energie úspornou žárovkou Pímá pemna tepla na elektrickou energii Tepelné erpadlo urení úinnosti Stirlingv motor jako tepelné erpadlo Stirlingv motor jako slunení motor Spoítejte si, kolik vás stojí provoz elektrospotebi Závr Seznam použité literatury

7 1 Úvod Pedmtem bakaláské práce jsou obnovitelné zdroje energie. Cílem první ásti této práce je snaha o shrnutí nejvyužívanjších obnovitelných zdroj energie na území eské republiky. Cílem druhé ásti je ukázat na nkolika experimentech, jak se dá snížit spoteba energie v domácnosti. Úpln na zaátku práce je eeno, jaké zdroje energie si máme pedstavit pod pojmem obnovitelné zdroje energie. Na území eské republiky je to hlavn solární energie, dále pak vodní energie, vtrná energie, energie z biomasy a geotermální energie. V následujících kapitolách už je každý zdroj rozebrán samostatn. Snahou je, aby se tená dozvdl nejzákladnjší informace o každém zdroji energie. Napíklad v kapitole o solární energii si petete, jak vbec solární energie vzniká, její využití a na jakém principu solární elektrárny pracují. V druhé ásti se nachází experimenty ukazující na možnosti úspor energie. V experimentech je ukázáno, jak lze snížit spotebu energie v domácnosti pi bžných innostech, jako je vaení, svícení, vytápní. Napíklad v experimentu o vaení jsou použity dva rzné hrnce a je na nich dokázáno, že energie, která je potebná k tomu, aby se ohálo 0,5 l vody je rzná. Tato ást obsahuje i tabulku, v které se dozvíte, kolik vás stojí provoz nkterých elektrospotebi, jak v pracovním režimu, tak i v pohotovostním režimu

8 Teoretická ást 2 Obnovitelné zdroje energie Proto, aby mohlo lidstvo udržet rozvoj a kvalitu života, je v souasnosti nutno hledat a využívat nových zdroj energie. Pro udržitelný rozvoj jsou obnovitelné zdroje energie jediným východiskem. Fyzikální omezení a limity planety Zem ani jiné možnosti dlouhodob prakticky nenabízí. [4] Obnovitelné zdroje energie zatím nepatí mezi píliš atraktivní z nkolika následujících dvod. Jedna z hlavních píin spoívá v našem plýtvavém nakládání s pírodními zdroji a s energií. Dostupnost neobnovitelných zdroj je snadná a tak odstavuje obnovitelné zdroje v prmyslových zemích na druhou kolej. Na neobnovitelných zdrojích je založena celá infrastruktura a na jejich podporu se vynakládá 90 % veejných prostedk a prostedk na vdu a výzkum. [4] Do obnovitelných zdroj energie je zahrnována vodní energie, energie vtru, slunení energie, energie moských vln, energie pílivu a odlivu a konen geotermální energie. V poslední dob se asto používá pojem nové obnovitelné zdroje energie, aniž by byl tento pojem náležit definován. Za klasické využívání obnovitelných zdroj energie je možné považovat využívání biomasy vzniklé v pírod bez bližšího urení pro energetické úely, využívání odpad z devozpracujícího prmyslu a využívání hydraulického potenciálu ve velkých vodních elektrárnách. Tyto energetické zdroje se tedy do nových energetických zdroj nezapoítávají. [1] Mezi nové zdroje nepochybn patí biomasa, umle pstovaná pro energetické úely. S jistou dávkou tolerance je možné do nových energetických zdroj zaadit i biomasu získanou jako odpad pi údržb les, sad. Nepochybn mezi nové energetické zdroje patí využívání energie vtru pro výrobu elektrické energie, akoliv i díve byla energie vtru využívána, pedevším u vtrných mlýn. Obdobn je možno poítat mezi nové obnovitelné zdroje slunení energii spotebovanou pi výrob elektrické energie, pi vytápní rzných objekt a pi ohívání vody, pestože i slunení energie byla díve využívána. Mén problematické je zaazení do nových energetických zdroj energie vln, energie pílivu a odlivu a geotermální energie. [1] V souasné dob jsou v R nejrozšíenjším zdrojem energie fosilní paliva a to pedevším uhlí a zemní plyn. Tyto paliva sice patí mezi pírodní zdroje, ale - 8 -

9 rozhodn je nemžeme považovat za nevyerpatelné zdroje. Vezmeme-li v úvahu napíklad uhlí k jehož pemn do využitelné podoby bylo zapotebí milióny let, podailo se bhem pouhých sto let jeho zásoby natolik snížit, že se jejich vyerpání pedpokládá již v první polovin tohoto století. Všechna ostatní fosilní paliva (plyn, ropa) je teba dovážet, piemž se dá pedpokládat celosvtový nárst jejich cen. Dalším aspektem ukazujícím v neprospch fosilních paliv je jejich negativní úinek pi spalovacích procesech, kdy vznikají oxidy uhlíku a dusíku, které se významnou mrou podílejí na skleníkovém efektu. [8] Z výše uvedených skuteností, tj. snižování zásob, stoupající ceny a negativní psobení používání fosilních paliv na životní prostedí, vyplývá nutnost snižování jejich spoteby a souastn vyšší využívání obnovitelných zdroj energie. Jejich podíl na celkové energetické bilanci bude v závislosti na zempisné poloze, pírodních podmínkách, spoleenských i politických podmínkách jednotlivých oblastí rzný. Odlišný bude i význam jednotlivých zdroj (slunce, zemská kra, biomasa, voda a vítr). [8] V následujících kapitolách se seznámíme s nejvyužívanjšími obnovitelnými zdroji energie v eské republice. Je to pedevším solární energie (využívá se pro ohev teplé užitkové vody a pitápní pomocí solárních kolektor, a v souasné dob stále více k výrob elektrické energie pomocí fotovoltaických panel), energie biomasy, geotermální energie (využívající zemského tepla k vytápní pomocí tepelných erpadel) a energie vody a vtru. Druh obnovitelných zdroj energie Elektina (GWh) Tepelná energie (PJ) Vtrná energie 4 - Vodní energie (MVE < 10 MW) Velké VE (> 10 MW) Solární tepelné systémy - 0,4 Fotovoltaické systémy 0,03 - Geotermální energie - 0,2 Energie biomasy Biopaliva motorová - 2,5 Celkem ,1 Tabulka 1 Souasné využití energie z obnovitelných zdroj v R (pevzato z [14]) - 9 -

10 3 Solární energie Slunení energie je základním a nezastupitelným initelem podmiujícím existenci lidstva. Na Zemi dopadá pouze jedna dvoumiliardtina energie vyzáená Sluncem, tj. její množství dosahuje za jednu sekundu více energie, než kolik jí dokázali lidé vyrobit za celé své djiny. [3] 3.1 Vznik slunení energie Zdrojem slunení energie je slunení jádro. Termonukleární jadernou reakcí v jádru Slunce je uvolnná energie do záivé zóny transportována na základ konvektivních proces a ze záivé zóny je transportována do kosmického prostoru radiací. V konvektivní zón dochází k promíchání plyn a k penosu energie proudním. Fotosféra je povrchová zóna, která má teplotu asi K. Oblasti s ponkud nižší teplotou jsou tmavší a nazývají se slunení skvrny. Chromosféra je tenká vrstva piléhající k povrchu Slunce s prudce klesající hustotou ve smru od stedu Slunce, ale se stoupající teplotou od 10 do 100 tisíc stup. [1] Obrázek 1 Struktura Slunce (pevzato z [15]) Slunení energie vzniká na základ jaderných proces pi syntéze jader vodíku na jádra helia za vysokých teplot a tlak v jáde Slunce. Slunce je vlastn vodíková koule s centrálním jaderným reaktorem pracujícím na principu syntézy pi ohromných

11 tlacích daných velikou hmotností Slunce a pi teplotách asi 15 milion stup a pi uvedené hustot. [1] První krok v etzci jaderných reakcí, které vedou ke vzniku helia, je syntéza dvou proton (jader normálního vodíku) na jádro deuteria (proton a neutron) a vznikne jeden positron. V následujícím kroku slouením jádra deuteria a jádra vodíku vznikne jádro tritia (proton a dva neutrony). V posledním kroku ze dvou jader tritia vznikne jádro helia (dva protony a dva neutrony) a dv jádra vodíku. V prbhu tohoto procesu pemny vodíku na helium dojde ke zmenšení celkové klidové hmotnosti a k uvolnní energie podle uvedené Einsteinovy rovnice. [1] Pi jaderné syntéze se uvoluje energie (ve form tepla Q) v dsledku zmny hmotnosti systému m podle slavné Einsteinovy rovnice Q = m 2 c kde c = 2, m.s -1 je rychlost svtla ve vakuu. [1] Obrázek 2 Diagram pemny atom vodíku na atomy helia (pevzato z [16]) ím více energie Slunce vydá, a tedy ím více vodíku je pemnno na helium, tím vyšší je teplota Slunce. Jednou teplota Slunce dosáhne takové výše, že dojde k výbuchu a zhroucení Slunce. Slunce jako hvzda zanikne. [1] Akoliv se ve stedu Slunce každou sekundu pemní na energii 4 miliony tun hmoty, má naše hvzda Slunce takové obrovské rozmry, že dokáže tímto zpsobem vyrábt energii ješt asi 10 miliard let. [1]

12 3.2 Využití slunení energie Slunení energie se pímo využívá odpradávna, ale rozsah jejího využití závisí na intenzit sluneního záení v dané oblasti a na disponibilit jiných energetických zdroj. Nejrozšíenjší je sušení nejrznjších materiál, od prádla až po potraviny. Dlouhodob je také rozšíeno využití slunení energie pro vytápní skleník. [1] V posledním plstoletí se podstatn rozšiuje využití slunení energie pro ohívání vody s využitím sluneních kolektor a zásobník oháté vody. Pro vytápní dom a jiných objekt lze využít slunení stny nebo slunení kolektory a akumulátory tepla. Ve svt je již nkolik tisíc takzvaných sluneních dom, v nichž hraje slunení energie podstatnou roli pi vytápní, ohívání vody a dokonce i pi chlazení. [1] Slunení energii je možno využít i v technologických procesech, které vyžadují vysokou teplotu. Musí se však zajistit soustední sluneních paprsk soustavou vhodných fokusaních zaízení, nejastji zrcadel, která musí být vybavena natáecím zaízením. [1] K výrob elektiny je možno využít fotovoltaické lánky, které zachycují pímo dopadající slunení paprsky, nebo tepelného cyklu se soustedním sluneních paprsk na výmník, ve kterém je teplo pedáváno do cyklu. [1] Slunení energie je možno využít i k erpání vody ze studní. Podle nkolika známých projekt se nejastji pedpokládá získání potebné mechanické energie pro pohon erpadel pomocí tepelného obhu s vhodnou pracovní látkou, piemž slunení energie se využívá ve výparníku a k chlazení kondenzátoru se využívá erpaná voda. [1] Na území R lze energii sluneního záení velmi dobe využít. Celková doba sluneního svitu (bez oblanosti) je od do hodin za rok. Z tchto ísel je vidt, že pi dobré úinnosti solárního systému lze získat z pomrn malé plochy (podstatn menší než je stecha rodinného domku) pomrn velký výkon. V našich podmínkách je solární systém o výkonu 1 kw schopen vyrobit kwh elektrické energie za rok. [8]

13 Obrázek 3 Slunení záení na území R (pevzato z [17]) 3.3 Princip slunení elektrárny Energie sluneního záení se dnes využívá jako pemna na teplo, nebo jako pímá nebo nepímá pemna na elektrickou energii Pemna na teplo V našich podmínkách je možné solární energii využívat zejména k pemn na teplo, a to k ohevu teplé užitkové vody, vody v bazénech a také k dotápní objekt. Z dvodu malého procenta úinnosti je mén vhodné, i když v nkterých pípadech tžko zastupitelné, využití pemny slunení energie na elektrickou energii fotovoltaickými lánky. Pemna solárního záení na teplo (fototermální pemna) mže být pasivní nebo aktivní. [8] Pasivní systémy - pasivní systémy, fungující na principu skleníkového efektu, lze dobe využít zejména u nov budovaných staveb, kdy se jim musí pizpsobit již architektonické ešení. Množství získané energie závisí na poloze, druhu, architektonickém ešení budovy a použitých materiálech. [8] Aktivní systémy - spoívají v použití speciálních technických systém, které nepímo pemují energii sluneního záení na teplo nebo elektrickou energii. Mezi aktivní solární systémy lze zaadit všechny typy solárních kolektor a fotovoltaické lánky. [9]

14 3.3.2 Pímá pemna Pímá pemna využívá fotovoltaického jevu, pi kterém se v urité látce psobením svtla (foton) uvolují elektrony. Tento jev mže nastat v nkterých polovodiích (nap. v kemíku, germaniu, sirníku kadmia aj.). Fotovoltaický lánek je tvoen nejastji tenkou destikou z monokrystalu kemíku, použít lze i polykrystalický materiál. Destika je z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (nap. bóru), z druhé strany atomy ptimocného prvku (nap. arzenu). Piložíme-li na ob strany destiky elektrody a spojíme je drátem, zane protékat elektrický proud. [7] Slunení lánky se zapojují bud' za sebou, abychom dosáhli potebného naptí (na jednom lánku je 0,5 V), nebo vedle sebe tak, abychom získali vtší proud. Spojením mnoha lánk vedle sebe a za sebou vzniká slunení panel. Rozmry jednoho lánku jsou asi cm, spojují se do panel o výkonech od 10 do 300 W. [7] Nepímá pemna Nepímá pemna je založena na získání tepla pomocí sluneních sbra. V ohnisku sbra umístíme termolánky, které mní teplo v elektinu. Termoelektrická pemna spoívá na tzv. Seebeckov jevu (v obvodu ze dvou rzných drát vzniká elektrický proud, pokud jejich spoje mají rznou teplotu). Jednoduché zaízení ze dvou rzných drát spojených na koncích se nazývá termoelektrický lánek. Jeho úinnost závisí na vlastnostech obou kov, z nichž jsou dráty vyrobeny, a na rozdílu teplot mezi teplým a studeným spojem. Vtší množství termoelektrických lánk vhodn spojených se nazývá termoelektrický generátor. [7] 3.4 Slunení elektrárny v eské republice V pípad eské republiky je vtší využití slunení energie zatím na poátku svého rozvoje. V prbhu poslední dekády minulého století se v R omezilo na ostrovní systémy pro nezávislé napájení objekt a zaízení v lokalitách bez pipojení na rozvodnou sí. První slunení elektrárna o výkonu 10 kw byla uvedena do provozu až v roce 1998 na vrcholu hory Mraveneník v Jeseníkách (dnes je umístna jako demonstraní zaízení v areálu JE Dukovany coby souást informaního centra). [7] Státní správa a místní samospráva zavádjí podprné nástroje na podporu fotovoltaiky od roku 2000, a to jak podporou demonstraních projekt, tak podporou

15 vývoje a výzkumu. Píkladem je vládou schválený Národní program na podporu úspor a využívání obnovitelných zdroj energie nebo Státním fondem životního prostedí vyhlášený program Slunce do škol. Od roku 2003 jsou Státním fondem životního prostedí poskytovány 30% dotace na instalaci solárních systém pro soukromé i právnické osoby. [7] 3.5 Fotovoltaická elektrárna na PdF Masarykovy univerzity Zaátkem dubna 2005 byl uveden do provozu 40 kw P fotovoltaický systém na budov Pedagogické fakult Masarykovy univerzity. Solární panely jsou rozdleny do tí sekcí. První sekce o celkovém výkonu 5 kwp je umístna ve vertikálním pásu v horní ásti fasády budovy Poíí 31, druhá sekce je umístna na steše (30 kwp). Tetí sekce (5 kwp) je osazena tzv. fotovoltaickými dvojskly, které se na první pohled liší svou nahndlou barvou. [4] Zkušební roní provoz ukázal, že reálný potenciál výroby elektrické energie v lokalit Pedagogické fakulty MU vykazuje velmi dobrou shodu v oblasti špiek odbru elektiny a její výroby z FV panel. V lét pokrývají tém celou denní potebu elektrické energie fakulty, zejména mezi hodinou. To platí za slunného dne; pro dny kdy je zataženo a Slunce je níže na obloze, tento píznivý stav klesá na 5-10% jejich špikové hodnoty. [4] Obrázek 4 Fotovoltaický stešní systém na budov Pedagogické fakulty MU (materiály PdF MU)

16 3.6 Výhody a nevýhody slunení energie Výhody Slunce je bezpený jaderný reaktor, od nhož se v dob ádov miliard let nemusíme obávat žádné havárie i výraznjší zmny funkce. Slunení energie je velice kvalitní, to znamená, že se pomrn snadno pemuje na jiné formy energie (energie tepelná, elektrická, ). Slunení energie je istá, nezpsobuje žádné toxické odpady, zápach, zplodiny, prach, Nevýhody Nevýhodou je pokles výkonu pi zatažené obloze na pouhých 5-10 procent. Je poteba stálého sluneního svitu. Z mnoha pípad použití solárních zaízení vyplývá, že využití energie sluneního záení v pemn na elektinu není píliš levná

17 4 Vodní energie Energie proudící vody patí spolu s energií vtru mezi nejstarší využívané druhy energie. Používání vodních kol rzných typ a velikostí se datuje již od nejstarších civilizací. Vodní kola byla poprvé využívána pro zavlažování ped rokem 600 p. n. l., ale pro mletí zrní byla vodní energie použita v rzných ástech svta nkdy kolem roku 100 p. n. l. Vynálezem vodního kola se zrodil první motor, který spolehliv sloužil lidem po tisíce let. Moderní vdecké výzkumy a výpoty pivedly pak na svt vodní turbínu, mnohem úinnjší než klasické kolo. Vodní turbíny se staly výhradním zdrojem energie pro generátory na výrobu elektrického proudu v hydroelektrárnách. Druh vodního kola závisel na tom, jaká byla rychlost vodního proudu. Jejich konstrukce se s asem zdokonalovala a v 19. století pedznamenala nástup prmyslové éry. Teprve s píchodem elektiny se však mohly uplatnit velké hydroelektrárny s rznými typy vodních turbín. [2] 4.1 Vodní kolo Kolo je úžasným technickým vynálezem, dílem neznámého tvrího génia, který zmizel v propasti asu. Vodní kolo jako zdroj energie, kolo jako motor. [6] Tekoucí proud vody, ale i poklidn se eící jezero v sob skrývají obrovskou a nevyerpatelnou zásobu energie. Vodní "síla" je tím vtší, ím vtší je množství vody a u proudící vody také ím vtší je spád vodního toku. Velkou výhodou energie skryté ve vodních tocích je její velmi snadná pemna na energii mechanickou, kterou už pímo mžeme využít pi nejrznjších lidských innostech. A práv k tomu nám již tisíciletí slouží vodní kolo. [6] Vodní kola se využívala pro pohon nejrznjších mechanism. Pohánla pily, valchy, hamry, využívala se pro erpání vody, nejastji se s nimi však setkáváme u mlýn na obilí. A tak se tomuto ve skutenosti univerzálnímu vodnímu motoru zaalo íkat obecn mlýnské kolo. [6] Z hlediska psobení vodního proudu rozlišujeme ti typy vodních kol, kola na spodní vodu, kola na svrchní vodu a kola na stední vodu. [6]

18 Obrázek 5 Vodní kola na svrchní a stední vodu Obrázek 6 Vodní kolo na spodní vodu (pevzato z [6]) 4.2 Vodní turbíny Jen zdánliv se vývoj vodního kola zastavil až do 19. století, kdy se objevují pehrady a s nimi i dokonalejší a úinnjší vodní motory - turbíny. Princip turbíny byl totiž znám mnohem díve a aplikován, pedevším k erpání vody, nejpozdji v 16. století. Rozmach však nastal až na pelomu 19. a 20. století spolu s využitím tí základních typ turbín - Peltonovy, Francisovy a Kaplanovy. Ta poslední se zrodila za Kaplanova psobení na technice v Brn, a její autor dlouho bojoval o uznání svých patent. [11] Obrázek 7 Základní typy turbín (zleva: Francisova, Kaplanova, Peltonova) (pevzato z [11]) 4.3 Princip vodní elektrárny Ve vodní elektrárn voda roztáí turbínu. Ta je na spolené hídeli s elektrickým generátorem (dohromady tvoí tzv. turbogenerátor). Mechanická energie proudící vody

19 se tak mní na energii elektrickou, která se transformuje a odvádí do míst spoteby. Odborný princip využívá i uhelná nebo jaderná elektrárna. [7] Výbr turbíny závisí na úelu a podmínkách celého vodního díla. Nejastji se osazují turbíny reakního typu (Francisova nebo Kaplanova turbína), a to v ad modifikací. Pro vysoké spády (nkdy až 500 m) se používá akní Peltonova turbína. Turbíny reakního typu se nkdy oznaují jako petlakové, akní jako rovnotlaké. V rovnotlakých turbínách zstává tlak vody stále stejný, to znamená, že voda vychází z turbíny pod stejným tlakem, pod jakým do ní vstupuje. U petlakových turbín vstupuje voda do obžného kola s uritým petlakem, který pi prtoku klesá. Pi výstupu z turbíny má tedy voda nižší tlak než pi vstupu do ní. [4] 4.4 Využití vodní energie Malé vodní elektrárny K využití potenciálu vodních tok v R slouží i kategorie tzv. malých vodních elektráren (instalovaným výkonem do 10 MW). Vtšina malých vodních elektráren slouží jako sezónní zdroje. Prtoku tok, na kterých jsou zizovány, jsou kolísavé a siln závislé na poasí a na roním období. [7] Malé vodní elektrárny Instalovaný výkon MW Rok uvedení do provozu Lipno II 1 1, Hnvkovice 2 4, Koensko I 2 1, Mohelno 1 1,2; 1 0, Dlouhé Strán II 1 0, Koensko II 1 0, Želina 2 0, Celkem 727 Tabulka 2 Malé vodní elektrárny (pevzato z [6])

20 4.4.2 Peerpávací vodní elektrárny Peerpávací vodní elektrárna je v principu soustava dvou výškov rozdíln položených vodních nádrží. Voda vypouštná spádem z horní vyrábí elektinu v dob její nejvtší poteby, mimo špiku se pi využití tzv. levné elektiny voda peerpává z dolní nádrže zpt do horní. [6] Rozvoj peerpávacích elektráren vedl k vývoji reverzibilních turbín, které jsou schopny pracovat jako turbíny nebo po zmn smru otáení obžného kola jako erpadla. Nkteré technické problémy s tmito turbínami s dvojím smyslem otáení odstranily jednosmrné reverzibilní turbíny. [4] Velkou pedností peerpávacích vodních elektráren je schopnost pi fázování do elektrifikaní sít s plným výkonem v nkolika minutách. Tato schopnost je ostatn vlastní všem vodním elektrárnám. [7] Peerpávací vodní elektrárny Instalovaný výkon MW Rok uvedení do provozu Štchovice II Dalešice 4 112, Dlouhé Strán I Celkem 1145 Tabulka 3 Peerpávací vodní elektrárny (pevzato z [6]) Akumulaní vodní elektrárna Vedle prtokových vodních elektráren patí mezi nejznámjší typy vodních elektráren elektrárny akumulaní. Jsou souástí vodních dl nádrží. Tato vodní díla krom akumulace vody pro výrobu elektrické energie stabilizují prtoky íním korytem, chrání ped povodnmi a podporují plavební možnosti toku. [10] Behy nádrží mohou sloužit jako rekreaní oblasti. Mnohdy jsou nádrže také zdrojem pitné vody pro vodárny, zdrojem technologické vody pro prmysl a závlahové vody pro zemdlství. [10] Umístní vlastní elektrárny mže být rzné podle tvaru terénu, výškových a spádových možností a podle množství vody. Existují elektrárny zabudované pímo do tlesa hráze, jinde je elektrárna vystavna hluboko v podzemí. Voda se k ní pivádí tlakovým potrubím a odvádí se podzemním kanálem. [10]

21 4.5 Vodní elektrárny v eské republice V eské republice nejsou pírodní pomry pro budování vodních energetických dl ideální. Hydroenergetika je perspektivní pedevším v oblastech prudkých tok s velkými spády. Naše toky nemají potebný spád ani dostatené množství vody. Proto je podíl výroby elektrické energie ve vodních elektrárnách na celkové výrob v R pomrn nízký. [10] Významným posláním vodních elektráren v R je pracovat jako doplkové zdroje primárních zdroj. Všechny velké vodní elektrárny (s výjimkou Dalešic a Dlouhých Strání) jsou situovány na toku Vltavy, kde tvoí kaskádový systém Vltavskou kaskádu. Pedstavují svým výkonem více než 17 % celkového instalovaného výkonu EZ, a.s. Mají energetický, vodohospodáský i ekologický význam. V rámci Skupiny EZ se vodní elektrárny sousteují pevážn i na tocích Labe, Dyje a Moravy. [6] Vodní elektrárny Instalovaný výkon MW Rok uvedení do provozu Lipno I Orlík Kamýk Slapy Štchovice I 2 11, Vrané 2 6, Celkem 705 Tabulka 4 Vodní elektrárny v R (pevzato z [6]) Obrázek 8 Vodní elektrárna Orlík Obrázek 9 Vodní elektrárna Slapy (pevzato z [6])

22 4.6 Výhody a nevýhody využití vodních elektráren Výhody Výhodou vodných elektráren je to, že vytváejí elektrický proud tém zadarmo. Vodní elektrárny nezneišují ovzduší, nedevastují krajinu a povrchové i podzemní vody tžbou a dopravou paliv a surovin, jsou bezodpadové, nezávislé na dovozu surovin a vysoce bezpené. Vysokým stupnm automatizace pispívají k vyrovnávání zmn na tocích a vytváejí nové možnosti pro revitalizaci (prokysliování vodního toku). Výhodou je akumulace vody a stabilizace prtoku íním korytem. Pi vlastní spoteb elektrické energie se vyhneme penosovým ztrátám. Pebytky vyrobené elektrické energie mže výrobce prodávat do veejné rozvodné sít na základ smluvního vztahu s distribuní spoleností a tím mže výrazn ovlivnit návratnost vložených finanních prostedk. Nevýhody Vodní hráze brání migraním cestám vodních živoich. Mní se klimatické podmínky v kraji. Je zde hrozba protržení hráze. Fáze ped vlastní realizací výstavby je asov a finann nároná a také výstavba vyžaduje vysoké investiní náklady. Návratnost vložených finanních prostedk je závislá na využití vyrobené elektrické energie. Pomrn složitá obsluha a údržba zaízení

23 5 Vtrná energie Vtrná energie byla odnepamti využívána ve vtrných mlýnech a pi erpání vody. Takové využití vtrné energie je zpravidla zapoítáváno klasické obnovitelné zdroje energie. Mezi nové obnovitelné zdroje energie se zapoítává využití energie vtru pro výrobu elektrické energie. [1] Zemská atmosféra je stále neklidná. Otáivý pohyb naší planety zpsobuje pravidelné proudní vzduchu nad moem i pevninou. Pravidelnost tohoto proudní nepízniv ovlivuje stídání teplot i tepelné rozdíly mezi moem a pevninou, horami a údolími, zalesnnými a holými plochami aj., takže v proudní vzduchu dochází velmi asto k výkyvm, které mohou vyvrcholit vtrnými bouemi. [3] Pohyb vtru je pevážn vodorovný. Je charakterizován jednak smrem, odkud vane, jednak silou nebo rychlostí menou podle Beaufortovy stupnice (tabulka 4). [3] Beaufortovo Rychlost íslo vtru (m.s -1 ) Oznaení Popis 0 0,0 0,4 Klid Kou stoupá kolmo vzhru 1 0,5 1,5 Lehký vtík Smr vtru vychyluje kou 2 2,0 3,0 Lehký vítr Je cítit ve tvái, listí strom šelestí 3 3,5 5,0 Mírný vítr Vítr napíná praporky, eí hladinu vody 4 5,5 8,0 Stední vítr Zvedá prach a útržky papíru, pohybuje slabšími vtvemi strom 5 8,1 10,9 erstvý vítr Kee se hýbou 6 11,4 13,9 Silný vítr Pohybuje tlustými vtvemi, dráty sviští, obrací deštník 7 14,1 16,9 Tém boue Pohybuje celými stromy, nesnadná chze 8 17,4 20,4 Boue Ulamuje vtve, znemožuje chzi 9 20,5 23,9 Silná boue Menší škody na stavbách, strhává stešní krytinu 10 24,4 28,0 Vichice Vyvrací stromy, škody na obydlích 11 28,4 32,5 Prudká vichice Rozsáhlé škody 12 32,6 35,9 Hurikán Odnáší stechy, demoluje tžké pedmty Tabulka 5 Beaufortova stupnice síly vtru (pevzato z [4])

24 V tropických a subtropických pásmech je proudní vtru pravidelné. Smrem k rovníku proudí pasáty a v horních vrstvách opaným smrem antipasáty. Ve stední Evrop dosahuje rychlost nejsilnjšího vtru asi 10. stupn Beaufortovy stupnice. [3] Energie vzdušných proud má horizontální pohyb vzhledem k zemskému povrchu. Vzdušné proudy vznikají nerovnomrným zahíváním vzduchu slunením záením, takže prvotním zdrojem jejich energie je energie slunce. [3] 5.1 Hustota výkonu vtru Pod hustotou výkonu vtru P rozumíme výkon, který by bylo možno získat stoprocentním využitím kinetické energie vtru proudícího jednotkovou plochou kolmou na smr proudní. Lze ho urit podle vztahu P vzduchu a u je rychlost vzduchu. [6] vztahem = ρ u kde ρ je hustota Hustota výkonu vtru proudícího plochou S kolmou na smr proudní je urena P S = S ρ u kde se za S dosazuje plocha rotoru vtrné elektrárny. Výkon odebraný proudícímu vzduchu rotorem turbíny P S je uren vztahem P S = c p S ρ u kde c P je souinitel výkonu, který je závislý na tom, v jaké míe rotor snižuje rychlost protékajícího vzduchu. Výkonový souinitel má teoretické maximum c P max = 0,593. [6] Z uvedených vztah vyplývá, že výkon vtrné elektrárny je závislý mimoádn citliv na rychlosti vtru. [6] 5.2 Princip vtrné elektrárny Vítr vzniká v atmosfée na základ rozdílu atmosférických tlak jako dsledku nerovnomrného ohívání zemského povrchu. Teplý vzduch stoupá vzhru, na jeho místo se tlaí vzduch studený. Zemská rotace zpsobuje stáení vtrných proud, jejich další ovlivnní zpsobují morfologie krajiny, rostlinný pokryv, vodní plochy. [6] Psobením aerodynamických sil na listy rotoru pevádí vtrná turbína umístná na stožáru energii vtru na rotaní energii mechanickou. Ta je poté prostednictvím generátoru zdrojem elektrické energie. Podél rotorových list vznikají aerodynamické

25 síly; listy proto musejí mít speciáln tvarovaný profil, velmi podobný profilu kídel letadla. Se vzrstající rychlostí vzdušného proudu rostou vztlakové síly s druhou mocninou rychlosti vtru a energie vyprodukovaná generátorem s tetí mocninou. Je proto teba zajistit efektivní a rychle pracující regulaci výkonu rotoru tak, aby se zabránilo mechanickému a elektrickému petížení vrné elektrárny. [6] 5.3 Vtrné elektrárny v eské republice Využití vtru ve vtrných mlýnech má na území našeho státu svou tradici. Historicky je postavení prvního vtrného mlýna na území ech, Moravy a Slezska doloženo již v roce 1277 v zahrad Strahovského kláštera v Praze. První vtrné elektrárny vznikaly koncem 80. let minulého století. V souasné dob vtrné elektrárny pracují na desítce lokalit v R, jejich nominální výkon se pohybuje od malých výkon (300 W) pro soukromé využití až po 2 MW. Ke konci roku 2006 v R bylo instalováno zhruba 55 MW. [7] Pro výstavbu vtných elektráren se poítá s plochami v nadmoských výškách zpravidla nad 600 m, technologický rozvoj však již umožuje vyrábt elektinu z vtru efektivn i v mimohorských oblastech. Až na výjimky se nicmén vhodné lokality nacházejí v horských pohraniních pásmech Krušných hor a Jeseník, pop. v oblasti eskomoravské vrchoviny. Místa, kde jsou píznivé vtrné podmínky, leží pevážn v oblastech, které patí mezi zákonem chránné oblasti. Odhaduje se, že z tohoto dvodu odpadá % vhodných ploch pro výstavbu vtrných elektráren. V souasné dob, kdy výška stožár dosahuje až metr, se otevírá možnost využít i zalesnných ploch. Podle odborných studií má nejvtší potenciál vtrné energie oblast severních ech a severní Moravy, následuje jižní Morava a západní echy. Nejmén vtrné jsou jižní echy. [6] Vtrné elektrárny, které jsou v R v provozu, jsou napíklad Bežany, Boží Dar II, Petrovice, Pavlov, Drahany, Vesí u Oder, vtrná elektrárna Mraveneník, atd asto diskutované otázky Hlunost - Konstrukce moderních vtrných elektráren pokroila natolik, že ve vzdálenosti cca 500 m od stožáru vtrné elektrárny o výkonu 2 MW hladina hluku

26 spluje hygienické limity, tj. 40 db. Negativní zkušenosti s hlukem se vztahují zejména k vtrným elektrárnám starší konstrukce z první poloviny 90. let minulého století. [6] Ohrožení pták a plašení zve - Dle výzkumu britské Královské spolenosti pro ochranu pták na základ mení ve Walesu pipadá na každých deset tisíc pták pouze jedna smrtelná kolize. Neskonale vtší problém pro ptactvo pedstavuje automobilový provoz nebo vedení vysokého naptí. [6] Dle výzkumu, který provádl Ústav pro výzkum divoce žijících zvíat na veterinární univerzit v Hannoveru, se provádlo srovnání území s vtrnými elektrárnami a bez vtrných elektráren. Výzkum nepotvrdil obavy, že by vtrné elektrárny zapíinily sthování divoce žijící zve (zajíci, srní, lišky a další zv). [6] Graf 1 Postoje obyvatel R ke stavb vtrných elektráren (pevzato z [18]) 5.4 Výhody a nevýhody využití vtrných elektráren Výhody Vliv na životní prostedí je minimální. Vtrné elektrárny vyrábjí istou energii bez odpad a krajiny zdevastované uhelnými doly. Vtrné elektrárny pomohou snížit emise oxidu uhliitého, a pispívají tak k odvrácení zmny svtového podnebí. Nevýhody Nestabilní zdroj. Mní ráz krajiny a znamenají urité nebezpeí pro tažné ptáky. Pomrn finann a asov nároná pedrealizaní fáze

27 6 Energie biomasy Významným obnovitelným zdrojem energeticky využitelné energie je biomasa, v níž je uložena slunení energie. Pojem biomasa je definována jako hmota organického pvodu. Za základní zdroj biomasy se považují rostliny, které jsou pomocí svtelné energie Slunce zachycené v zeleném barvivu schopny vytvoit sacharidy a následn bílkoviny. V souvislosti s energetikou jde nejastji o devo a devní odpad, slámu a jiné zemdlské zbytky vetn exkrement užitkových zvíat, i o energeticky využitelný tídný komunální odpad nebo plynné produkty vznikající pi provozu istíren odpadních vod. [6] 6.1 Proces výroby z biomasy Rozlišujeme biomasu "suchou" (nap. devo) a "mokrou" (nap. tzv. kejda - tekuté a pevné výkaly hospodáských zvíat promísené s vodou). Základní technologie zpracování se dlí na suché procesy (termochemická pemna) jako je spalování, zplyování a pyrolýza a procesy mokré (biochemická pemna), které zahrnují anaerobní vyhnívání (metanové kvašení), lihové kvašení a výrobu biovodíku. Zvláštní podskupinu potom tvoí lisování olej a jejich následná úprava, což je v podstat mechanicko-chemická pemna (nap. výroba bionafty a pírodních maziv). [7] Spalování a zplyování biomasy Biomasa je velmi složité palivo, protože podíl ástí zplyovaných pi spalování je velmi vysoký (u deva je 70 %, u slámy 80 %) a vzniklé plyny mají rzné spalovací teploty. Proto se také stává, že ve skutenosti hoí jenom ást paliva. Podmínkou dokonalého spalování je vysoká teplota, úinné smšování se vzduchem a dostatek prostoru pro to, aby všechny plyny dobe shoely. [6] Ze suché biomasy se psobením vysokých teplot uvolují holavé plynné složky, tzv. devoplyn. Jestliže je pítomen vzduch, dojde k hoení, tj. jde o prosté spalování. Pokud jde o zahívání bez pístupu vzduchu, odvádí se vzniklý devoplyn do spalovacího prostoru, kde se spaluje obdobn jako jiná plynná paliva. ást vzniklého tepla je použita na zplyování další biomasy. Výhodou je snadná regulace výkonu, nižší emise, vyšší úinnost. [7]

28 6.1.2 Biochemická pemna Bioetanol - Fermentací roztok cukr je možné vyprodukovat ethanol. Vhodnými materiály jsou cukrová epa, obilí, kukuice, ovoce nebo brambory. Teoreticky lze z 1 kg cukru získat 0,65 l istého ethanolu, který je vysoce hodnotným kapalným palivem pro spalovací motory. Jeho pednostmi jsou ekologická istota a antidetonaní vlastnosti, nedostatkem je schopnost vázat vodu a psobit korozi motoru, což lze odstranit pidáním antikorozních pípravk. [4] Bioplyn - Pi rozkladu organických látek (hnj, zelené rostliny, kal z istiek) v uzavených nádržích bez pístupu kyslíku vzniká bioplyn. Tento proces, kdy se organická hmota štpí na anorganické látky a plyn, vzniká díky bakteriím pracujícím bez pístupu kyslíku (anaerobn). Bioplyn obsahuje cca 55 až 70 objemových procent metanu, výhevnost se proto pohybuje od 19,6 do 25,1 MJ/m 3. [4] Mechanicko-chemická pemna Bionafta - Z epkového semene se lisuje olej, který se psobením katalyzátoru a vysoké teploty mní na metylester epkového oleje, jenž je použitelný jako bionafta. Nazývá se "bionafta první generace". Protože výroba metylesteru je dražší než bžná motorová nafta, mísí se s nkterými lehkými ropnými produkty, nebo s lineárními alfaolefiny, aby jeho cena mohla konkurovat bžné motorové naft. Tyto produkty se nazývají "bionafty druhé generace", musí obsahovat alespo 30 % metylesteru epkového oleje, zachovávají si svou biologickou odbouratelnost a svými vlastnostmi, jako je nap. výhevnost, se více pibližují bžné motorové naft. Motory však musí být pro spalování bionafty pizpsobeny (nap. pryžové prvky). [4] 6.2 Výhevnost biomasy Výhevnost deva a dalších rostlinných paliv kolísá nejen podle druhu deva i rostliny, ale navíc i s vlhkostí, na kterou jsou tato paliva citlivjší. Devní hmota pi pirozeném provtrávání pod stechou sníží svj obsah vody na 20 % za jeden rok, epková sláma za stejných podmínek na 13 %. [7] Obsah energie v 1 kg deva s nulovým obsahem vody je asi 5,2 kwh. V praxi však nelze devo vysušit úpln, zbytkový obsah vody je asi 20 % hmotnosti suchého

29 deva. Protože se pi spalovacím procesu ást energie spotebuje na vypaení této vody, je nutné poítat s energetickým obsahem 4,3 až 4,5 kwh na 1 kg deva. [7] 6.3 Využití biomasy v R V eské republice pokrývá energie biomasy asi dv tetiny energie získané ze všech obnovitelných zdroj (vetn odpad) a její podíl bude nadále rst. Tradiní zdroje biomasy, jako jsou odpady z les a sad, odpady ze zemdlství a z devozpracujícího prmyslu, jsou již tém vyerpány. Proto se oprávnn rozbíhá umlé pstování biomasy. Umle pstované energetické plodiny by mly pinést vtší efekt než odpadní biomasa. [1] Využívání pírodních odpad pedstavuje nejlevnjší zdroj biomasy, piemž nejpoužívanjším druhem biomasy je práv odpad devní. V eské republice pi zpracování a tžb deva vzniká zhruba polovina odpadu (tžba deva iní zhruba 30 % odpadu, následné zpracování cca 25 %). [6] Pro splnní stanoveného cíle zvýšení podílu OZE na celkové výrob energie a s ohledem na zvyšující se poptávku po devním odpadu nelze opomenout pstování energetických rostlin. V R se jen pomalu zakládají plantáže s rychle rostoucími devinami. Krom rychle rostoucích devin existují i energetické rostliny bylinného charakteru. Pro pstování energetických rostlin lze s výhodou využít pdu, která není potebná pro produkci potravin a krmiv nebo pdu, která není vhodná k jejich pstování. Bylo prokázáno, že je možné pstovat energetické rostliny i na devastované pd z dlních inností i složištích elektrárenského popílku. [6] 6.4 Pehled vybraných energeticky využitelných rostlin Kukuiná sláma Výnos je 32 až 40 tun na hektar. Výhevnost této rostliny je 18,1 GJ/t a výsev je kilogram na hektar. Sklize kukuiné slámy probíhá pi plné zralosti a až je rostlina vysušená. [4] epka olejka Výnos je 2,8 až 4,5 tun na hektar (pro energetiku až 10 t/ha). Výhevnost je 22 GJ/t a výsev je kilogram na hektar. epka olejka se v poslední dob astji používá pro výrobu bionafty. Sklízí se kombajnem a zpracovává do balík. [4]

30 Obrázek 10 Kukuiná sláma Obrázek 11 epka olejka (pevzato z [6]) Existují další energeticky využitelné rostliny jako napíklad iroky, Konopí seté, Laskavec, Hoice saperská, Svtlice barvíská, Komonice bílá, atd. 6.5 Výhody a nevýhody využití biomasy Výhody Znaný energetický potenciál, do 15 let mže pokrývat až 30 % celkové spoteby energie (zatím pouze do 1,5 %). Spalování biomasy je ekologické (jedná se o uzavený kruh), nezvyšuje se množství plyn, které vytváejí skleníkový efekt, popele je velmi málo a je výborným hnojivem, tžké kovy je u vtších kotelen separovat. Energie obsažená v biomase mže být využívána v dob, kdy ji nejvíce potebujeme biomasa pedstavuje obrovský energetický akumulátor. Nevýhody (závisí na typu biomasy) U výroby a využití bioplynu pomrn vysoké investiní náklady na technická zaízení, což zvyšuje cenu vyrobené energie. Nutnost úpravy paliva (tvarování, sušení, atd.) vyžadují investice do nových zaízení. Pomrn složitá manipulace s palivem ve srovnání s plynem, elektinou

31 7 Geotermální energie Geotermální energie je projevem tepelné energie zemského jádra, která vzniká rozpadem radioaktivních látek a psobením slapových sil. Jejími projevy jsou erupce sopek a gejzír, horké prameny i parní výrony. Využívá se ve form tepelné energie, i pro výrobu elektrické energie. [12] 7.1 Geotermální elektrárny Tuto energii lze v píznivých podmínkách využívat k vytápní nebo výrob elektiny v geotermálních elektrárnách. Tyto elektrárny se staví zejména ve vulkanicky aktivních oblastech, kde využívají k pohonu turbín horkou páru stoupající pod tlakem z gejzír a horkých pramen, nebo teplonosné médium, které se vtlauje do vrt, v hloubi zem ohívá a oháté vyvádí na povrch. [7] Celkový instalovaný výkon geotermálních elektráren ve svt se odhaduje na 8000 MW. Na rozdíl od vtšiny jiných typ elektráren, jako je napíklad jaderná elektrárna, nepotebují geotermální elektrárny žádné palivo. Jejich nevýhodou je, že jsou dostupné pouze na nkterých místech zemského povrchu. Výstavba geotermální elektrárny je zhruba ptkrát dražší než stavba jaderné elektrárny. [7] 7.2 Tepelná erpadla Pro vytápní, ohívání vody a podobn je možné využít rzná nízkopotenciální tepla z pírodních zdroj, jako je napíklad vzduch, voda z ek, jezer nebo z moe, pípadn ze spodních vod a tak dále. Rovnž je možné využít teplo z pdy nebo odpadní teplo z rzných technologií. Taková tepla však mají nízkou teplotu, a proto je teba ji zvýšit na 30 až 50 C pro velkoplošné vytápcí systémy a na 60 až 80 C pro klasické vytápcí systémy. K tomu se používají tepelná erpadla. [1] Tepelná erpadla jsou zaízení, která umožují odnímat teplo okolnímu prostedí, pevádt je na vyšší teplotní hladinu a pedávat ho cílen pro poteby vytápní nebo pro ohev teplé užitkové vody. Tepelná erpadla neprodukují vyhoelé palivo, jaderný odpad, jde o zcela bezodpadovou technologii. [7]

32 7.2.1 Princip tepelného erpadla Principem tepelného erpadla je uzavený chladicí okruh (obdobn jako u chladniky), jímž se teplo na jedné stran odebírá a na druhé pedává. Chladnika odebírá teplo z vnitního prostoru a pedává je kondenzátorem na své zadní stran do místnosti. Tepelné erpadlo místo potravin ochlazuje napíklad vzduch, pdu nebo podzemní vodu. Teplo odebrané tmto zdrojm pedává do topných systém. [7] Pro peerpání tepla na vyšší teplotní hladinu, tedy i pro provoz tepelného erpadla, je teba dodat urité množství energie. Prakticky to znamená, že tepelné erpadlo spotebovává pro pohon kompresoru elektrickou energii. Protože její množství není zanedbatelné, lze tepelné erpadlo považovat za alternativní zdroj tepla pouze ásten. Samozejm záleží na tom z eho je elektrická energie vyrábna, ale v našich podmínkách se jedná vtšinou o spalování uhlí nebo energii z jaderných elektráren. [4] Obrázek 12 Princip tepelného erpadla (pevzato z [19])

33 7.3 Geotermální energie v R Využitelný potenciál geotermální energie je nesrovnateln menší než energie sluneního záení dopadajícího na Zemi. Zdroje geotermální energie mohou být: sopky, gejzíry, horké prameny, parní výrony. V R je nkolik region, kde je tento zdroj dobe využitelný (viz. vytápní Dína). [13] Snadnou a bezkonfliktní možností využití geotermální energie v R jsou nkterá stará dlní díla. Díky tepelným erpadlm lze využívat vodu dokonce už od 10 C, nebo pvab dol spoívá v tom, že jsou schopny teplotu udržet pes celou zimu i v pípad, že je oderpávána a nahrazována chladnjší vodou. Ideální jsou píbramské uranové doly (dosahující hloubky až pes 1600 m), kde však bude zatápní ukoneno až za nkolik let. [13] V souasnosti se využívá teplo dlních vod jen na jedné lokalit v Jáchymov. V obci Olší na Žársku se však realizuje další projekt. I v Píbrami se poítá s využitím vody z hloubky "jen" 600 m, takže starých dol, které picházejí v úvahu pro podobné využití, je více. Nejnadjnjší lokality jsou pravdpodobn na Ostravsku a v Rosickooslavanském revíru. [13] Geotermální energie není v R píliš rozšíena a proto také využití této energie významn nezasahuje do energetické bilance R

34 Experimentální ást 8 Experimenty V této ásti bakaláské práce ukážeme na nkolika experimentech, jak lze snížit spotebu energie v domácnosti pi bžných innostech jako je vaení, svícení, vytápní. 8.1 Úspora energie pi vaení Úvod: V dob rostoucích náklad na spotebu energie, se na trhu objevuje spousta nádobí oznaená etiketou energeticky úsporné. Z fyzikálního hlediska se však ukazuje, že pro úsporu energie mžeme uinit více pouhým vlastním pístupem k ohívání vody. Pokusy s rznými hrnci dokazují, že energie, která je potebná, aby se ohálo 0,5 l vody je rzná. a) Hrnec s rovným dnem, ohev vody s poklikou. b) Hrnec s nerovným dnem, ohev vody bez pokliky. Pomcky: Wattmetr (resp. Joulemetr), teplomr, digitální teplomr, elektrický vai, svorkovnice, stativ, stativová tyka, univerzální spona, kádinka 1000 ml, hrnec 1 l. Obrázek 13 Sestava pro pokus (pevzato z [5])

35 Na obr. 13 vidíme blokové schéma tohoto experimentu, ale konkrétní zapojení, které se použilo je vidt na obr.14. Obrázek 14 Schéma zapojení Postup: a) Vai pipojíme pes Wattmetr (resp. Joulemetr), ale ješt ho nezapínáme. Hrnec naplníme vodou (0,5 l). Nasadíme pokliku a zasuneme teplomr dírou v poklice. Špika teplomru se musí potopit do vody, ale nemla by se dotýkat dna hrnce. Zapneme vai a pokáme až z vody zane jít pára (asi 70 C). Následn vai vypnout a pokat, až voda zane vait. Zapisujeme spotebovanou energii pro dosažení jednotlivých teplot. b) Experiment po vychladnutí vaie opakujeme. Postupujeme stejn jako v pípad za a), až na to, že hrnec s nerovným dnem je bez pokliky. Opt zapisujeme hodnoty spotebované energie pro jednotlivé teploty. Nakonec porovnáme namené hodnoty spoteby energie pro rzný ohev vody. Závr: Jaký význam má dobrý hrnec a uzavení pokliky na energii a její spotebu ukazuje srovnání obrázk 15 a 16. Na obrázku 15 vidíme, že písun energie naped neohívá vodu, ale plotýnku a dno hrnce. Teprve potom se ohívá voda. Po vypnutí vaie stoupá teplota na 100 C, aniž by dále byla pivádna elektrická energie. Teplo uchované v plotýnce je odevzdáno vod (zbytkové teplo). Pi pokusu b) se plotýnka

36 zahívá na znan vyšší teplotu než v pípad a) a proto potebujeme delší dobu ohevu a hlavn spotebujeme více energie než v pípad b). Obrázek 15 Rovné dno hrnce, s poklikou Obrázek 16 Nerovné dno hrnce, bez pokliky (pevzato z [5]) 8.2 Úspora energie úspornou žárovkou Úvod: Úsporná žárovka je ohledn spoteby energie srovnávána s žárovkou zhruba stejné svítivosti. Pomcky: Joulemetr (event. Wattmetr), oscilometr, ampérmetr 300 ma/1 A, voltmetr 300 V/1000 V, svorkovnice, podstavec, šra od lampy do zásuvky, 2 erné vodie 100 cm, 2 ervené vodie 50 cm, 2 žluté vodie 50 cm, žárovka 75 W, úsporná žárovka (úsporka) 25 W. Postup: Žárovku pipojíme podle obrázku 17 varianty a) (úsporku nahradíme žárovkou 75 W) s ampérmetrem, voltmetrem a s wattmetrem (resp. Joulemetrem). Osciloskop napojíme na analogový výstup wattmetru. Nastavíme midla na U = 300 V, I = 1 A. Mení provedeme nejdíve na 75 W žárovce, pak na úsporce. Svtelnost žárovek porovnáme subjektivn (kvalitn oima)

37 Obrázek 17 Schéma zapojení Píklad mení: a) mení na žárovce U = 230 V, I = 0,36 A, U.I = 82,8 VA, P = 81,9 W Úsporná žárovka se nejprve jeví zhruba stejn svítivá jako 75 W žárovka. Výkon je zejm v dobrém piblížení násobkem proudu a naptí. Prbh okamžitého výkonu odpovídá kivce sin 2, která poukazuje na ohmickou zátž (odpor). Obrázek 18 Nákres osciloskopu: okamžitý výkon pi ohmickém zatížení (pevzato z [5]) b) mení na úsporné žárovce U = 230 V, I = 0,37 A, U.I = 85,1 VA, P = 26,7 W Spoteba proudu je u úsporky vyšší než u žárovky, pesto je skutený výkon podstatn menší. To je pekvapivé zjištní. Rozpor objasníme prbhem okamžitého výkonu na osciloskopu. Okamžitý výkon sestává ze sledu vysokých výkonových špiek,

38 které jsou z poloviny negativní. Negativní výkon znamená, vrácení elektrické energie do sít. Tato energie je v úsporce po njakou dobu uchována jako energie magnetického pole. Kvli silné odchylce proudu v sinusoid není údaj ampérmetru správný. Ten je správný jen pi sinusovém prbhu. Obrázek 19 Nákres osciloskopu: okamžitý výkon úsporné žárovky (pevzato z [5]) Závr: U úsporné žárovky vyšel výkon asi tikrát menší než u žárovky. Pokud jej budeme poítat z hodnoty naptí a proudu dojdeme však ke stejným údajm u žárovky a úsporky. To je zpsobeno silnou odchylkou v sinusoid a tak údaj ampérmetru je nesprávný. Vnímání svtla mže být rozdílné díky rznému vyzaovanému spektru (žárovka má spojité spektrum, úsporka arové). 8.3 Pímá pemna tepla na elektrickou energii Úvod: Termolánek pemuje tepelnou energii pímo v elektrickou. Elektrický proud je dokázán magnetickým polem, které tím vzniká. Pítomnost termonaptí lze dokázat v proudovém okruhu mezi dvma rznými materiály, pokud spoje mají rzné teploty. Vzniká tedy proud, který je úmrný teplotnímu rozdílu ( Seebeckv jev ). Tento jev se používá u termolánk sloužících k mení teploty. Z polovodi, které mají zvláš vysoké termonaptí, lze dokonce vytvoit výkonné termogenerátory, které však mají nízkou úinnost (menší jak 1 %)

39 Názorná demonstrace je možná s termo-elektromagnetem. Okruh sestává z vtší ásti z mdi, z ásti z konstantanu. Spoje se zahejí na velmi rzné teploty. Termoproud vytvoí silné magnetické pole, postaující ke zvednutí 5 kg. Pomcky: Kádinka 250 ml, voda, termo-elektromagnet, laboratorní zvedací plošinka, hoák, sada tí plynových kartuší. K píprav termo-elektromagnetu brusný papír, devné kladivo. Postup: Nejprve oistíme plošky železného jádra od jakýchkoliv zbytk rzi. Pokud je zjištna i malá rezonance, plošky opatrn oteme vlhkým hadíkem, vyleštíme zubní pastou a pi viditelné rzi oistíme smirkovým papírem. Složíme termo-elektromagnet a ovíme, zda se mdná smyka dá pi stlaení obou ástí jádra ješt lehce posunovat. Pokud tomu tak není, sejmeme horní ást jádra a silnými údery devným kladivem opt narovnáme mdnou smyku, která je uložena v drážkách spodní ásti. Sestavíme termo-elektromagnet. Jeden konec mdné smyky ponoíme co možná nejhloubji do kádinky s vodou, kterou postavíme i s magnetem na plošinku. Druhý konec smyky zahíváme hoákem. Pozor hoák nesmíme nahýbat, nebo hrozí vyšlehnutí plamene. Po nkolika minutách je teplotní rozdíl mezi mdí a konstantanem tak velký, že magnetické pole udrží železné jádro pohromad, a lze je na háku vyzvednout. Tím se dokázala pímá pemna tepla v elektrickou energii. Obrázek 20 Souprava na pokus (pevzato z [5])