Úvod. Elektřina a teplo

Transkript

1

2

3 Elektrárna Komořany Elektrárna v Komořanech začala první energii dodávat už v polovině minulého století. Dnes ji provozuje firma United Energy a zásobuje teplem 35 tisíc domácností v Mostě a Litvínově. Ročně dodá více než 2,5 milionů GJ tepla a téměř 500 tisíc MWh elektrické energie. O elektrárnu a rozvody tepla se starají čtyři stovky zaměstnanců. Jejich cílem je, aby komořanská teplárna spolehlivě dodávala teplo všem odběratelům a přitom co nejméně poškozovala životní prostředí. United Energy také myslí na své okolí finančně pomáhá městům, školám, nemocnicím a dalším, kteří potřebují pomoc, podporuje kulturní a sportovní akce, hlavně pro děti a mládež. V rámci projektu Tepelná Pohoda uskutečňuje také vzdělávací program, jehož součástí je i vaše dnešní návštěva u nás.

4 Úvod Elektřina a teplo Elektrická energie nás provází na každém kroku. Je pro všechny snadno dostupná a mnohdy si ani neuvědomujeme, že ji používáme. Vždyť stačí jen stisknout knoflík a skrytá síla splní naše přání. I teplo nás provází celým životem, stačí si jen vzpomenout na návrat do vyhřátého domova ze zimní procházky, nebo na plnou vanu horké vody. Pojďme si říct něco o tom, jak se elektřina a teplo vyrábějí, a co je třeba k tomu, aby se od nás dostaly až k vám domů, do školy a všude tam, kde je jich třeba.

5 Elektřina Trochu historie a fyziky Lidé znali projevy elektřiny od pradávna. Elektrický výboj v podobě blesku při bouřce si lidé neuměli vysvětlit a přisuzovali jeho vznik nadpřirozeným silám. Dnes víme, že se jedná o přírodní projev statické elektřiny, umíme vysvětlit jeho vznik a díky fyzikům a vědcům umíme přírodu napodobit a využít její zákonitosti k našemu prospěchu. Počátky moderní elektrotechniky a energetiky sahají do 18. století, kdy pánové Galvani, Volta, Faraday a jejich následovníci experimentovali s elektřinou, objevovali jak elektřina funguje a jak ji využít. K velkému rozvoji došlo vlivem průmyslové revoluce v 19. století, kdy dochází k využití parního stroje, jsou zkonstruovány první točivé stroje pro výrobu elektřiny a na konci století vznikají první elektrárny a rozvodné sítě. Následující 20. století je někdy nazýváno stoletím elektřiny. Prakticky celá zeměkoule je opředena elektrickými sítěmi a bez elektřiny si už život skoro neumíme představit. Ale vraťme se ještě na chvíli do historie. Jeden z nejdůležitějších objevů učinil r německý fyzik a lékař Julius Robert Mayer, který definoval zákon o zachování energie, který zjednodušeně říká: energie nevzniká ani nezaniká, pouze se mění její forma Elektřinu a teplo tedy získáváme přeměnou mechanické, tepelné, světelné nebo chemické energie.

6 Elektřina Přeměny energie V současnosti nejčastěji vyrábíme elektřinu nepřímou přeměnou, to znamená: energie v primárním zdroji -> tepelná energie -> mechanická energie -> elektřina Tento způsob výroby elektřiny se používá nejčastěji. Primárními zdroji energie jsou přírodní zdroje fosilní (uhlí, ropa, plyn), uran, voda, sluneční energie, geotermální energie a vítr. K přeměně mechanické energie na elektrickou se používá elektrický generátor. Jedná se o točivý stroj, který využívá fyzikálního jevu zvaného elektromagnetická indukce. Při pohybu vodiče (nejčastěji kovového předmětu) v magnetickém poli vzniká ve vodiči elektrický proud. Generátor, který vyrábí stejnosměrný proud, nazýváme dynamo, generátor vyrábějící střídavý proud se nazývá alternátor.

7 Principy Vodič v magnetickém poli V okolí vodiče, kterým prochází el. proud, se vytváří magnetické pole. Dva souběžné vodiče, kterými prochází proud, na sebe působí přitahují se, nebo se odpuzují. Nahradíme-li jeden z vodičů magnetem, magnetické pole magnetu způsobí vychýlení vodiče, kterým prochází el. proud.

8 Principy Indukce a generátor Opačný jev se nazývá elektromagnetická indukce. Změna magnetického pole v blízkosti vodiče způsobí, že se na vodiči objeví (indukuje) el. napětí a proud. Změnu magnetického pole dosáhneme vzájemným pohybem vodiče a magnetu. Na principu elektromagnetické indukce pracuje třífázový generátor el. proudu. Jednoduché vodiče jsou navinuty do cívek, abychom dosáhli většího působení magnetického pole. Třífázový generátor obsahuje tři vinutí (cívky). Magnetické pole působí díky otáčení rotoru postupně na jednotlivá vinutí, takže na každém vinutí vzniká proud v jiném okamžiku než na ostatních.

9 Třífázový generátor II Principy

10 Elektrárny technologická zařízení sloužící k výrobě elektrické energie první elektrárny na přelomu 19. a 20. století náhrada parního stroje kombinací kotel + parní turbína, náhrada vodního kola vodní turbínou (tepelné a vodní elektrárny) po objevu jaderné reakce první reaktory (v 50. letech 20.st.) a jaderné elektrárny Rozdělení elektráren (podle primárního zdroje energie) tepelné elektrárny, jaderné elektrárny, vodní elektrárny, větrné elektrárny, solární elektrárny (tepelné nebo fotovoltaické), geotermální elektrárny Ekologické rozdělení neobnovitelné spotřebovávají zdroje, jejichž množství je omezené, potenciální regenerace dlouhodobá a hrozí jejich úplné spotřebování (tepelné elektrárny spalující uhlí, ropu, plyn a jaderné elektrárny (uran) obnovitelné spotřebovávají zdroje, které se v přírodě samovolně regenerují nebo je předpokládáno jejich vyčerpání za velmi dlouhou dobu (sluneční energie) - tepelné spalující biomasu, vodní (včetně přílivových), větrné, geotermální a solární Většina elektřiny se v současnosti vyrábí z neobnovitelných zdrojů. S postupným ubýváním zásob fosilních paliv vyvíjejí vyspělé země světa snahu o větší využívání obnovitelných zdrojů.

11 Elektrárny Tepelné elektrárny obvykle kondenzační parní elektrárna spalující fosilní palivo (nejčastěji uhlí) nebo biomasu vzniklým teplem je ohřívána pára, která pohání parní turbínu turbogenerátoru pára odcházející z parní turbíny se někdy dále využívá pro vytápění, ohřev teplé vody nebo k technologickým účelům v průmyslu; tato kombinace významně zvyšuje účinnost využití energie z primárního zdroje (paliva) mezi tepelné elektrárny se občas zařazují i elektrárny plynové, které jsou vybaveny plynovou turbínou nebo spalovacím motorem spalování fosilních paliv v elektrárnách s sebou bohužel přináší i poměrně velký zásah do životního prostředí. Území zasažená těžbou fosilních paliv (v ČR hlavně uhlí) musí být po ukončení těžby rekultivována (zemědělské, lesní a vodní plochy), aby se do nich mohl vrátit život. Při spalování vytěženého paliva vzniká řada škodlivých látek a zároveň také skleníkový plyn oxid uhličitý (CO2), který přispívá ke globálnímu oteplování Země. Současné elektrárny se snaží minimalizovat svůj vliv na životní prostředí. Instalují technická zařízení na zachytávaní škodlivých látek (odlučovače popílku, filtry, odsiřovací zařízení), aby co nejméně zatěžovaly životní prostředí.

12 Tepelné elektrárny Elektrárny

13 Kogenerace

14 Elektrárny Jaderné elektrárny energie se získává přeměnou vazebné energie jader těžkých prvků (uranu 235 nebo plutonia 239) při řetězové štěpné reakce se uvolňuje velké množství tepla, které ohřívá vodu na páru, pára pohání turbínu, turbína generátor. při štěpné reakci vznikají také radioaktivní produkty Výhody JE - malý objem spotřebovaného paliva a velký výstupní výkon - nulové exhalace (elektrárna produkuje pouze odpadní teplo a vodní páru) - nízké výrobní náklady Nevýhody JE - vysoké náklady na výstavbu, - obtížné získávání paliva - riziko havárie s únikem radioaktivních látek Největším problémem je produkce jaderného odpadu, který zůstává radioaktivní po velmi dlouhou dobu a musí být skladován ve speciálních uložištích.

15 Elektrárny Jaderné elektrárny (1) reaktor tzv. aktivní zóna, štěpná reakce uranu obsaženého v palivových článcích produkuje teplo, reakce je řízena regulačními tyčemi, reaktor je chlazen tlakovou vodou (2) parogenerátor je ohříván teplem z reaktoru, vyrobená pára pohání turbínu (4), zároveň slouží k oddělení primárního, radioaktivního, od sekundárního okruhu (3) čerpadlo, (4) parní turbína, (5) generátor elektřiny, (6) kondenzátor, (7) chladicí okruh

16 Elektrárny Vodní elektrárny K výrobě elektřiny využívají potenciální energii vody. Proudící voda roztáčí turbínu, turbína pohání generátor. Rozdělení VE: přehradní (akumulační), spád vytvořen pomocí přehrady jezové (průtočné), spád vytvořen jezem derivační (náhonové), spád vytvořen umělým kanálem přečerpávací - dvě nádrže v různých výškách, v době přebytku energie v síti čerpají vodu ze spodní do horní nádrže a tím energii akumulují; v případě potřeby naopak průtokem vody z horní nádrže do spodní nádrže elektřinu vyrábějí přílivové, využívají energii mořského přílivu Výhody rychlost náběhu - díky zásobě vody v nádrži jsou přečerpávací a přehradní elektrárny téměř okamžitě k dispozici, toto se využívá pro vyrovnávání energetických špiček a pro překlenutí kritické doby při výpadku některé z elektráren do doby najetí záložního zdroje pružnost regulace průtoku vody umožňuje regulaci výroby podle aktuální potřeby zdroj vody pro další využití (přehradní nádrže) ochrana před povodněmi Nevýhody zásah do krajiny a vodních toků - budováním přehrad nebo nádrží Kromě velkých elektráren se na menších tocích stavějí také malé vodní elektrárny (s instalovaným výkonem do 10 MW).

17 Vodní elektrárny Elektrárny

18 Elektrárny Větrné elektrárny elektřina se vyrábí přeměnou kinetické energie vzduchu proudícího mezi oblastmi s různým atmosférickým tlakem (vítr) elektrárnu tvoří vysoký sloup s vrtulí a strojovnou na vrcholu vítr proudící kolem lopatek otáčí vrtulí, vrtule otáčí připojeným generátorem Výhody - obnovitelný zdroj energie - malý vliv na životní prostředí Nevýhody - nestálost dodávek energie (přímá závislost na počasí) - nízká využitelnost větru v ČR (10 a 20%) (některé přímořské oblasti mají až 30 %) - zásah do vzhledu krajiny (vysoké sloupy) - nevýhodná poloha, místa kde fouká se často nacházejí mimo osídlené oblasti, takže je třeba řešit přenos energie z místa výroby na místo spotřeby, někdy i na velké vzdálenosti

19 Větrná elektrárna u obce Pchery na Kladensku Instalovaný výkon: 2 x 3 MW Technologie: WinWinD - WWD3 Průměr rotoru: 100 m Výška osy rotoru: 88 m Průměr věže: min. 3 m, max. 4,65 m Turbíny s rotorem D100 jsou vhodné zejména pro projekty ve vnitrozemí s nižší průměrnou rychlostí větru. Samozřejmostí je optimalizace výkonu pomocí natáčení listů rotoru a on-line komunikace se servisním střediskem.

20 Elektrárny Solární elektrárny pro výrobu elektřiny využívají energii ze slunečního záření fotovoltaická elektrárna využívá fotovoltaického jevu, kdy při dopadu slunečního záření na polovodičovou destičku vzniká malé elektrické napětí kolektorová elektrárna ohřívá v kolektorech vodu na páru, pára pak pohání turbogenerátor Většímu využití solární energie brání zatím vysoká cena solárních článků a také závislost výroby energie na počasí.

21 Elektrárny Geotermální elektrárny Geotermální elektrárny využívají energii zemského jádra, kterou získávají z několik kilometrů hlubokých vrtů do nitra Země. Z těchto vrtů je obvykle získávána pára nebo horká voda. Možnost stavby elektrárny závislí na geologických podmínkách dané lokality. Geotermální energie je nejčastěji uvolňována jako doprovodný jev při sopečné aktivitě, což klade vysoké nároky na stavbu elektrárny v seismicky aktivních oblastech.

22 Elektrárny v ČR Velikost elektrárny můžeme měřit podle jejího výkonu. Výkon představuje okamžité množství energie, které je elektrárna schopna dodat do sítě. Udává se obvykle v megawatech (MW), u menších zdrojů v kilowatech (kw). Největší elektrárnou v ČR je jaderná elektrárna Temelín. Její instalovaný elektrický výkon je 2x 1000 MW. Elektrický výkon tepelných elektráren se pohybuje mezi 200 až 1000 MW. Největšími jsou elektrárny Prunéřov II (1050 MW) a Počerady (1000 MW). Některé tepelné elektrárny vyrábějí spolu s elektřinou také teplo pro vytápění. Tepelné elektrárny mohou kromě fosilních paliv spalovat také biomasu, případně kombinaci obou paliv. Výkon vodních elektráren se pohybuje v desítkách MW, pouze 5 vodních elektráren v ČR má výkon větší než 100 MW. Největší vodní elektrárna v ČR je přečerpávací elektrárna Dlouhé Stráně (650MW). Z přehradních je největší Orlík (364 MW) na Vltavě. Výkony větrných elektráren se pohybují kolem 1-3 MW, stavějí se jednotlivě nebo ve větším počtu (tzv. větrné farmy). Největší farma na Měděnci má 21 větrníků a výkon 42 MW, je ale v ČR jediná, ostatní mají výkon do 10 MW. V ČR funguje také několik solárních elektráren. Jejich výkon nepřekračuje 1 MW.

23 Elektrárny v ČR Rozdělení elektráren v ČR 2007 podle výkonu Jaderné 21% Vodní 12% Větrné 1% Výroba elektřiny v ČR 2007 Jad e rn é 30% Tepelné 66% Ostatní 0,3% Vodní 3% Větrné 0,2% Tepelné 67% Ostatní 0,2% Solární 0,002%

24 Rozvodné soustavy Rozvodnou soustavou nazýváme soubor zařízení, která slouží k přenosu elektřiny z místa výroby na místo spotřeby. Rozeznáváme soustavu přenosovou a distribuční. Přenosová soustava slouží k přenosu energie na větší vzdálenosti a mezi jednotlivými státy. Distribuční soustava slouží k rozvodu elektřiny k zákazníkům (odběratelům). Přenosová a distribuční soustava se obvykle také liší parametry přenášené elektřiny, přenosová soustava obvykle pracuje s vyšším napětím. Rozvodné soustavy se skládají z jednotlivých vedení (dráty na stožárech, kabely v zemi) a rozvoden. Rozvodny slouží k propojení jednotlivých vedení, ke změně parametrů přenášené elektřiny a k ochraně součástí rozvodné soustavy. Rozvodné soustavy pracují s třífázovým střídavým napětím. Na větší vzdálenosti se elektřina přenáší o napětí 400 kv, 220 kv nebo 110 kv. Směrem k odběratelům se napětí snižuje podle druhu odběru až na konečných 220V ve vašich zásuvkách. Soustava je řízena z centrálního dispečinku. Operátoři udržují celou soustavu v rovnováze, tak aby výroba elektřiny odpovídala spotřebě. Regulují výkony elektráren, připojují nebo odpojují jednotlivé zdroje a vedení a sledují síť, aby nedošlo k jejímu poškození vlivem přetížení.

25

26 Teplo Teplo, stejně jako elektřina, je druhem energie. Jeho jednotkou je Joule, obvykle se můžeme setkat s megajouly nebo gigajouly. Vyrobené teplo nejčastěji používáme k vytápění a ohřevu teplé vody. Umožňuje nám nejenom přežít klimaticky nepříznivé období roku, ale také umožňuje abychom mohli i v zimě pracovat, učit se, bavit se a vykonávat mnoho dalších činností bez ohledu na nepříznivé klimatické podmínky. Nejběžnějším způsobem získávání tepla je hoření. Jako palivo se používá uhlí, topný olej, zemní plyn, koks, dřevo, biomasa. Teplo umíme získávat také ze země, ze slunečního záření nebo z některých chemických reakcí. Teplo umíme vyrobit také pomocí elektřiny. Teplo se prostředím šíří třemi základními způsoby: Vedením - energie se postupně šíří v nepohyblivé hmotě Prouděním -k přenosu tepla dochází promícháváním různě ohřátých částí hmoty Tepelným zářením - energie ve formě elektromagnetických vln je vyzařována ze zdroje a pohlcována ozařovaným tělesem. Tyto principy využíváme při výrobě a distribuci tepla odběratelům.

27 Centrální teplo Teplo se vyrábí lokálně nebo centrálně. Lokální vytápění znamená, že vyrobené teplo se spotřebuje přímo na místě spotřeby. Vytápěný prostor musí mít vlastní zdroj tepla. Příkladem může být třeba rodinný dům vytápěný kotlem na zemní plyn. Centrální vytápění znamená, že teplo se vyrábí ve velkém centrálním zdroji (nebo více zdrojích) a prostřednictvím soustavy rozvodů tepla se dopravuje do místa spotřeby. Hovoříme pak o soustavě CZT neboli o soustavě Centralizovaného Zásobování Teplem. Soustava CZT se skládá z jednoho nebo více zdrojů tepla výměníkové a čerpací stanice primárních rozvodů tepla výměníkových stanic sekundárních rozvodů tepla a teplé vody tepelných spotřebičů (radiátorů) Výhody CZT Vyšší účinnost při využití paliva díky společné výrobě tepla a elektřiny tzv. kogeneraci Ekologie díky CZT se snižuje počet malých lokálních kotelen, které přispívají ke zvyšování emisí v obydlených lokalitách (zejména ve městech). Bezpečnost teplonosným médiem je obvykle voda ve formě horké vody nebo páry, tedy látka netoxická, bezpečná, neškodící člověku ani životnímu prostředí.

28 Teplo soustava CZT

29 Výměník tepla Základní součástí předávací (výměníkové) stanice je zařízení, které zajišťuje přenos tepelné energie mezi jednotlivými okruhy tepelné soustavy tepelný výměník. V současnosti se nejčastěji používají výměníky deskové a trubkové (tzv. protiproudé). Výměníky se nepoužívají pouze pro vytápění, ale také v potravinářském nebo chemickém průmyslu.

30 Předávací stanice Kompaktní předávací stanice. Předávací stanice.

31 Doporučení ke studiu Pokud vás dnešní exkurze zaujala a přemýšlíte o tom, že byste třeba mohli v budoucnu pracovat v energetice, doporučujeme vám pokračovat ve studiu na následujících školách: Střední průmyslová škola, Most, Topolová 864, tel , obory: Strojírenství, Management strojírenství, Provoz a ekonomika dopravy, Technické lyceum Střední průmyslová škola, Chomutov, Školní 50, tel , obor: Elektrotechnika a strojírenství se specializacemi - automatizační systémy, automatizované konstrukce ve strojírenství, silnoproudá elektrotechnika, výpočetní systémy, elektronická a sdělovací technika a digitální telekomunikační technika. Střední škola Educhem, a.s., Okružní 128, Meziboří, tel , obory: Aplikovaná chemie, Mechanik elektronik Schola Humanitas Litvínov, střední odborná škola pro ochranu a obnovu životního prostředí Ukrajinská 379, Litvínov, tel , obory: Ochrana a obnova životního prostředí, Přírodovědné lyceum Střední škola energetická a stavební Chomutov Na Průhoně 4800, Chomutov, tel , vybrané obory: Mechanik silnoproudých zařízení, Mechanik elektronik, Mechatronika, Strojírenská a elektrotechnická zařízení Bližší informace o možnostech studia vám rádi poskytnou pracovníci uvedených škol. Informace můžete získat také na webových stránkách škol.

32 Použitá literatura a zdroje: archiv United Energy právní nástupce, a.s., Encyklopedie energie v1.0 (SIMOP s.r.o.), J. Opava - Elektřina kolem nás (Albatros), Dětská encyklopedie, fyz. pokusy-videa webové stránky společností Pražská Teplárenská, ČEPS, Danfoss, Systherm, Roční zpráva ERÚ za r. 2007, Wikipedia otevřená encyklopedie