3.1 Primární zdroje energie. Ing. Petr Stloukal Ústav ochrany životního prostředí Fakulta technologická Univerzita Tomáše Bati Zlín

Transkript

1 3.1 Primární zdroje energie Ing. Petr Stloukal Ústav ochrany životního prostředí Fakulta technologická Univerzita Tomáše Bati Zlín

2 Obsah přednášky 1. Zdroje energie rozdělení 2. Solární energie 3. Geotermální energie 4. Energie vody 5. Energie větru 6. Biomasa 7. Nukleární 2

3 1) Zdroje energie 3

4 Zdroje energie Zdroje energie jsou přírodní látky a/nebo látky, které mohou obsahovat energii v několika formách (chemické, jaderné). 1. primární zdroje energie: fosilní (neobnovitelné) alternativní (obnovitelné) jaderné 2. Sekundární zdroje energie: elektrická energie, topný olej, petrolej teplo z komunální topné sítě 4

5 Zdroje energie Primární zdroje energie 1) Fosilní zdroje energie: uhlí ropa plyn 2) Obnovitelné zdroje energie biomasa a odpad geotermální energie sluneční energie voda vítr 3) Jaderná energie U 235 a Plutonium 5

6 Zdroje energie Účinnost přeměny energie 6

7 Zdroje energie Srovnání 7

8 Zdroje energie Srovnání 8

9 Zdroje energie Neobnovitelné výhody - nízká tržní cena, technická dostupnost nevýhody - devastace území těžbou - odpady - zábor území, zmenšování přírody, - poškozování složek ŽP - ekonomika náklady na sanace 9

10 Zdroje energie Obnovitelné výhody - trvalá dostupnost -ekonomická stabilita surovinové základny nevýhody - při zavedení nového zdroje obvykle potřeba investic, náklady - při intenzifikaci existujícího zdroje se zhoršuje technická dostupnost a může docházet k poškozování ŽP a sociálních vazeb 10

11 Zdroje energie Srovnání svět 11

12 Zdroje energie Srovnání ČR 12

13 1) Energie slunečního záření 13

14 Energie slunečního záření vzniká jadernými přeměnami v nitru Slunce - termonukleární fůze (při teplotě K) obnovitelný, nevyčerpatelný Slunce - Poloměr = 6,69x10 8 m - Hmotnost = 332x Země - Efektivní teplota povrchu = 5770 K Solární konstanta 1373 Wm -2 - tok sluneční energie procházející plochou 1 m², kolmou na směr paprsků, za 1 s ve střední vzdálenosti Země od Slunce měřený mimo zemskou atmosféru. Konstanta zahrnuje celé spektrum slunečního záření, nejen viditelné světlo. 14

15 Energie slunečního záření Mapa intenzity sluneční energie dopadající na Zemi 15

16 Energie slunečního záření Mapa intenzity sluneční energie dopadající na Evropu 16

17 Energie slunečního záření Mapa intenzity sluneční energie dopadající na ČR 17

18 Spektrum slunečního záření Sluneční energie je energií elektromagnetického záření záření ultrafialové (vlnová délka pod 400 nm) záření viditelné (vlnová délka 400 až 750 nm) záření infračervené (vlnová délka přes 750 nm) Elektromagnetické spekrum 18

19 Spektrum slunečního záření Intenzita záření hustota výkonu dopadajícího na povrch (W/m 2) přímé záření - paprsky světla, které nejsou ani odražené, ani rozptýlené difúzní záření - přichází z celé oblohy mimo sluneční kotouč odražené záření (albedo) - je záření odražené od okolních předmětů celkové (globální) záření = přímé + difúzní + odražené 19

20 Energie slunečního záření Způsoby získání elektrické energie ze slunečního záření 1. Přímá přeměna - využití fotovoltaického jevu - fotovoltaický článek 2. Nepřímá přeměna - založeno na získání tepla - systémy solárních kolektorů - solární věže, žlaby, talíře 20

21 Přímá přeměna Fotovoltaická přeměna - využití fotovoltaického jevu Fotovoltaický článek - tenká destička nařezaná z polovodičového materiálu (křemík) - z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (např. Bor) typ P - z druhé strany atomy pětimocného prvku (např. Arzen) typ N - při dopadu fotonů se uvolňují záporné elektrony -> vznik kladně nabitých děr - po přiložení elektrod probíhá elektrický proud 21

22 Přímá přeměna Fotovoltaický článek typ P typ N 22

23 Přímá přeměna Fotovoltaické systémy Systém s přímým napájením - elektrické zařízení funkční jenom po dobu dostatečné intenzity slunečního záření. - napájení oběhového čerpadla, akumulátory malých přístrojů Systémy s akumulací elektrické energie - spotřeba elektřiny i v době bez sluneční energie (speciální baterie) - zdroje pro objekty, dopravní signalizace, telekomunikace, atd. Hybridní systémy - občas používáno zařízení s vysokým příkonem - doplňkový zdroj energie (větrná elektrárna, elektrocentrála) - nutný celoroční provoz 23

24 Nepřímá přeměna Nízkoteplotní systémy C, účinnost 30-50% - princip skleníkového efektu - vytápění budov, skleníků, bazénů, - sluneční kolektory Vysokoteplotní systémy C, účinnost 60-75% - koncentrace slunečního záření do ohniska - Solární věže, žlaby, talíře, sluneční pece 24

25 Nepřímá přeměna Nízkoteplotní systémy Systémy slunečních kolektorů Pracuje na principu skleníkového efektu Teplo se zachytává v absorbéru Absorbér se ohřívá a odevzdává teplo teplonosnému médiu (voda, olej, vzduch ) Běžné v oblastech s intenzivnějším slunečním svitem 25

26 Nepřímá přeměna Vysokoteplotní systémy - koncentrace slunečního záření do ohniska - odrazu světla od vhodně tvarovaných a orientovaných zrcadel. - Solární věže, žlaby, talíře, sluneční pece 26

27 Nepřímá přeměna Solární věže -Záření ze zrcadel na vrchol věže - ohřev vhodné látky (olej, mletá sůl) 27

28 Nepřímá přeměna 28

29 Nepřímá přeměna Solární pec 29

30 Nepřímá přeměna Solární žlaby - Parabolická zrcadla - V ohnisku zrcadla umístěna teplosměná látka (olej, voda) 30

31 Nepřímá přeměna Solární disky, talíře - zrcadla do ohniska - menší elektrárny, experimentální zařízení 31

32 2) Geotermální energie 32

33 Geotermální energie Rozpad radioaktivních prvků v zemském nitru Využití: - ve formě tepelné energie (vytápění) - pro výrobu elektrické energie v geotermálních elektrárnách obnovitelný zdroj energie Zdroj geotermální energie - mokrý - energie páry a horké vody - suchý z hlubokých vrtů 33

34 Geotermální energie Mokrý zdroj - energie páry a horké vody Systém suché páry - Přímo přehřátá pára po odfiltrování kapiček vody pohání turbíny elektrárny. Systém mokré páry - teplota vody v podzemí od 180 C do 350 C (vysoký tlak) do odtlakovací nádrže vzniklá pára pohání turbíny elektrárny. 34

35 Geotermální energie 35

36 Geotermální energie 36

37 Geotermální energie Mokrý zdroj - energie páry a horké vody Horkovodní (binární) systém - voda s malým tlakem a poměrně nízkou teplotou pouze k ohřátí jiné pracovní kapaliny s nižším bodem varu. 37

38 Geotermální energie Suchý zdroj - z hlubokých vrtů Jde o získávání tepla ze suchých hornin. Hloubka cca metrů Finanční nákladnost 38

39 3) Energie Vody 39

40 Energie vody Energie vodních toků Energie moří vlny, příliv/odliv

41 Energie vody Energie vodních toků Princip vodní elektrárny: - přeměna potenciální nebo kinetické energie Využitelný spád Průtok (průtočné množství vody v daném profilu)

42 Alternativní zdroje energie vody vodní elektrárny Kinetická energie vody vodní rovnotlaké stroje na rotačním principu (vodní kolo, Bankiho turbína, Peltonova turbína). Obvodová rychlost stroje nižší než je rychlost proudění.

43 Alternativní zdroje energie vody vodní elektrárny Potenciální energie vody - rozdíl dvou výškových potenciálů tlak. - přetlakové rotační stroje (turbíny typu Kaplan, Francis, turbíny vrtulové). Otáčky běžného kola přetlakové turbíny několikanásobně vyšší než absolutní rychlost proudění. Francisova turbína Kaplanova turbína

44 Energie vody Energie vodních toků Rozdělení vodních elektráren podle způsobu provozu: - průtočné elektrárny - akumulační podle systému soustředění měrné energie a přívody vody k turbíně: - přehradní a jezové elektrárny - derivační - přečerpávací (akumulační) podle spádu (tlaku vody) - nízkotlaké - spády do 20 m - středotlaké - spády do 100 m - vysokotlaké spády nad 100 m

45 Energie vody Energie vodních toků Jezy - nízkotlaké průtočné Přehrady - středotlaké, vysokotlaké.

46 Energie vody Energie vodních toků Derivační

47 Energie vody Energie vodních toků Přečerpávací

48 Energie vody Energie vodních toků Přečerpávací - Dlouhé stráně

49 Energie vody Energie vodních toků Vodní elektrárny Výhody - Částečná nebo úplná energetická nezávislost - Vyšší výkon proti větrným a slunečním elektrárnám - Stabilnější zdroj proti větrné a solární energii - Žádné emise, odpady Nevýhody - Složitá výstavba a instalace - Použití jen na místech s optimálním průtokem a spádem - Investičně náročné - Ekologické dopady na ekosystémy

50 Energie vody Energie vodních toků

51 Energie vody Energie moří Energie přílivu a příboje oceánů Přílivová elektrárna - využívá periodického opakování přílivu a odlivu moře Nevýhody - Pracovní doba mnohdy nesouhlasí s energetickou špičkou - Místa vhodná pro výstavbu často značně vzdálena od míst potřeby

52 Energie vody Energie moří Vlnová elektrárna Cockerellovy plovoucí trámy pontony 1 zadní stabilizační část 2 střední část se strojovnou, vodním motorem a alternátorem 3 přední nárazová část plavidla Pozn. : energie vln cca MJ

53 4) Energie Větru 53

54 Energie větru Vítr vzniká v atmosféře při rozdílu atmosférických tlaků, který je důsledkem nerovnoměrného ohřívání zemského povrchu. Dopadající sluneční záření ohřev vzduchu horizontální proudění vzduchu Nejobvyklejší - větrné elektrárny (větrná turbína) Princip elektrárny - Přeměna kinetické energie větru na energii mechanickou (předání kinetické energie větru lopatkám turbín) - Přeměna mechanické energie v generátoru na elektrickou energii

55 Energie větru Větrné elektrárny 1 vrtule 2 brzda motoru 3 převodovka 4 řídící elektronika 5 generátor 6 mechanické natáčení 7 stožár 8 elektrická přípojka 9 rotorová hlavice

56 Energie větru Povětrnostní podmínky v ČR Průměrná rychlost větru 5 m/s bezproblémové pro umístění větrných elektráren 4 m/s 5 m/s podmíněně vhodné k instalaci větrné elektrárny

57 Alternativní zdroje energie větru Základní podmínky úspěšné instalace větrné elektrárny Správná volba lokality (topografické, morfologické, geologické poměry) Dostatečná síla větru 3 26 m/s Pravidelnost větrného proudění Správná volba typu zařízení Vlastní spotřeba vyrobené elektrické energie nebo její dodávka do veřejné sítě Zpracování důkladné ekonomické rozvahy Reálná potřeba a spotřeba elektrické energie Investiční a provozní náklady Návratnosti vložených finančních prostředků

58 Alternativní zdroje energie větru Výhody větrných elektráren - Větrná energie je obnovitelným nevyčerpatelným zdrojem energie. - Při vlastní spotřebě elektrické energie se vyhneme přenosovým ztrátám. - Při výrobě nejsou produkovány žádné škodlivé emise (SO 2, CO 2, NO x, popel) Nevýhody větrných elektráren - Poměrně vysoká hlučnost (hygienický předpis hlučnost pod 45 db) - Nestabilní zdroj. - Poměrně časově a finančně náročná předrealizační fáze. - Při stavbě větrné elektrárny o vyšších výkonech nutno vynaložit poměrně vysoké investiční náklady. - Návratnost vložených finančních prostředků závislá na využití vyrobené elektrické energie.

59 Energie větru

60 Energie větru největší větrnou farmu na světě Texasu (USA), výkon 781,5 MW, 627 větrných turbín, spotřeba domácností

61 5) Biomasa 61

62 Biomasa Veškerá hmota organického původu Odpadní biomasa - rostlinné odpady - lesní odpad - průmyslové odpady - odpady z živočišné výroby - komunální odpady Energetická biomasa - lignocelulózové plodiny - olejnaté plodiny - škrobeno-cukernaté plodiny

63 Biomasa Základní používané technologie 1. Termochemická přeměna (tj. suché procesy) Spalování (produkce tepla) Pyrolýza (produkce plynu, oleje) Zplyňování (produkce plynu) 2. Biochemická přeměna (tj. mokré procesy) Fermentace, alkoholové kvašení (produkce ethanolu) Anaerobní vyhnívání, metanové kvašení (produkce bioplynu) Aerobní vyhnívání 3. Mechanicko-chemická přeměna Esterifikace surových bio-olejů (výroba bionafty a přírodních maziv) Štípání, drcení, lisování, peletace, mletí (výroba pevných paliv) Lisování olejů (produkce kapalných paliv, oleje)

64 Biomasa 1. Termochemická přeměna (tj. suché procesy) Spalování - lignocelulózové plodiny, dřevní odpady, komunální odpady Fáze: 1. Sušení - odstraňuje se vlhkost z paliva 2. Pyrolýza rozklad na hořlavé plyny 3. Spalování plynné složky 4. Spalování pevných složek Metody: Na roštu Fluidní spalování ve vznosu

65 Biomasa 1. Termochemická přeměna (tj. suché procesy) Spalování

66 Biomasa 1. Termochemická přeměna (tj. suché procesy) Pyrolýza - tepelný proces rozkladu biomasy bez přístupu vzduchu. - lignocelulózové plodiny, dřevní odpady, komunální odpady. - olej s vysokým a nízkým bodem varu, plyn, uhlí. Schématické znázornění procesu pyrolýzy (ZBD zásobník biomasy s drtičem, D dopravník, K konvertor, C cyklón, K1, K2 kondenzátory, ZP zásobník plynu, N nečistoty, DU dřevěné uhlí, O1 olej s vysokým bodem varu, O2 směs vody a oleje s nízkým bodem varu).

67 Biomasa 1. Termochemická přeměna (tj. suché procesy) Zplyňování (produkce plynu) - Ze suché biomasy se působením vysokých teplot bez přístupu vzduchu uvolňují hořlavé plynné složky, tzv. dřevoplyn. - Při přítomnosti vzduchu by docházelo k běžnému spalování. - Plyn obsahuje hlavněco, CO2, CH4, H2, H2O, N2 a uhlovodíky.

68 Biomasa Výroba z biomasy v elektrárnách ČEZ, a. s., v ČR Výroba 2010 (MWh) Výroba 2011 (MWh) Výroba 2012 (MWh) Tisová Poříčí Teplárna Dvůr Králové Hodonín Vítkovice Celkem v ČR

69 Biomasa 2. Biochemická přeměna (tj. mokré procesy) Fermentace, alkoholové kvašení - probíhá v mokrém (na vodu bohatém) prostředí bez přístupu vzduchu. - produktem je alkohol, který je získáván následnou destilací. - energetická výtěžnost je 90 95% - vhodná biomasa cukrová řepa, obilí, kukuřice, ovoce, brambory, zelenina, celulóza energeticky náročný je zisk etanolu ze dřeva, slámy, sena. - vzniklý alkohol je plnohodnotným palivem pro spalovací motory (koroze motorů)

70 Biomasa 2. Biochemická přeměna (tj. mokré procesy) Anaerobní vyhnívání, metanolové kvašení - metanové kvašení v uzavřených nádržích bez přístupu kyslíku - produktem bioplyn - metanem (od 55 % do 70 %) - hnůj, výkaly hospodářských zvířat, zelené rostliny, č čistírenský kal - využití - pro výrobu tepla, elektřiny nebo plnění do ocelových lahví.

71 Biomasa 2. Biochemická přeměna (tj. mokré procesy) Aerobní vyhnívání - je známa z výroby kompostu, kdy za přístupu vzduchu a působení vhodných kultur mikroorganismů dochází k rozkladu organických látek. - výsledným produktem je hnojivý substrát (výroba kompostu a hnojiv), oxid uhličitý a vodní pára

72 Biomasa 3. Mechanicko-chemická přeměna Esterifikace surových bio-olejů - řepková semena - lisování oleje - katalyzátor, vysoká teplota - metylester řepkového oleje = bionafta (1. generace). - míšením s některými lehkými produkty vzniká bionafta 2.generace (min 30% metylesteru řep. oleje ) - používání bionafty je doprovázeno rychlým biologickým odbouráváním spalin.

73 Biomasa Výhody užití biomasy: obnovitelný zdroj energie, neutrální vzhledem k produkci CO 2 tuzemský zdroj energie, který není vázán jen na určitou lokalitu pěstováním energetických plodin je možné využívat přebytečnou zemědělskou půdu nebo půdu, která se nehodí k potravinářské výrobě likvidace odpadů, zbytek po zpracování lze využít jako hnojiva možnost spalování pevných komunálních odpadů.

74 Biomasa Nevýhody užití biomasy: větší obsah vody a tudíž nižší výhřevnost, větší objem paliva, vyšší nároky na skladovací prostory nutnost úpravy paliva (sušení, tvarování, atd.) vyžadují investice do nových zařízení u výroby a využití bioplynu poměrně vysoké investiční náklady na technická zařízení, což zvyšuje cenu vyrobené energie poměrně složitá manipulace s palivem ve srovnání s plynem, elektřinou, LTO nutnost likvidace popela, pouze lokální využití paliva

75 6) Jaderná energie 75

76 Jaderná energie existuje a uvolňuje se z jaderných reakcí v atomovém jádře neobnovitelný zdroj štěpení jader izotopů některých těžkých kovů vyvolané neutrony. současnosti se využívá uranu nebo plutonium. Uran (U) - smolinec; nízké koncentrace (0,04-3%) - směs izotopů: 238 U (99,276 %), 235 U (0,718 %), 234 U (0,004 %). - Obohacený 2-4% 235 U

77 Jaderná energie Štěpná jaderná reakce - rozbití jádra nestabilního atomu vniknutím cizí částice za vzniku energie. 235 U + 1 n---> 140 Ba + 93 Kr n 235 U + 1 n ---> 92 Sr Xe n

78 Jaderná energie Jaderná elektrárna V principu - tepelná elektrárna s jaderným reaktorem Dva základní typy: -jednookruhové - dvouokruhové

79 Jaderná energie Jaderná elektrárna

80 Jaderná energie Jaderná elektrárna

81 Jaderná energie Typy reaktorů Dělění podle Typu moderátotu - zpomalují neutrony - voda, těžká voda nebo grafit, případně i jiné vhodné látky Typu chladiva jaderného paliva - lehká a těžká voda, oxid uhličitý, helium, sodík

82 Jaderná energie Typy reaktorů Lehkovodní (spojené i funkcí chladicí) VVER/PWR - voda/voda; dvouokruhový; obohacený Uran, nejčastější typ (60%, Dukovany, Temelín) BWR - voda/voda, jednookruhový, druhý nejčastější, obohacený Uran (21%) Těžkovodní (spojené i funkcí chladicí) CANDU - těžká voda/těžká voda, dvouokruhový, přírodní Uran (Kanada)

83 Jaderná energie Typy reaktorů Grafitový reaktor - Grafit/voda, jednookruhový, přírodní nebo slabě obohacený uran (bývalá SSSR) Množivé (rychlé) reaktory FBR - nepoužívá moderátor - plutonium ve směsi oxidu plutoničitého a uraničitého. - cca 10x více tepla - chladivem sodík (nad 100 C tekutý) - tříokruhový

84 Jaderná energie FBR

85 Jaderná energie Typy reaktorů - shrnutí

86 Jaderná energie Řízení průběhu štěpné reakce Regulační tyče - regulují výkon neutronového toku - vysoké absorpční schopnosti - obsahují bór nebo kadmium Havarijní tyče - okamžité zastavení reakce - Vyšší koncentrace absorbéru

87 Jaderná energie Vyhořelé palivo (po 3-4 letech) Složení: - 96 % uran (~1% 235 U); 1 % transurany; 3 % štěpné produkty (stabilní, krátkodobé, dlouhodobé) Skladování - bazén vyhořelého paliva (cca 5let) - mezisklad ocelové kontejnery (desítky let) Zpracování - Recyklace doplnění U235, drahé - Hlubinná úložiště -

88 Jaderná energie Radioaktivita A(t) = - d N(t) / d t N(t) je počet dosud nepřeměněných jader A(t) je okamžitá aktivita Jednotka: 1 Bq = 1rozpad/1sekundu Poločas rozpadu - rozpad poloviny z původního počtu atomů radionuklidu

89 Jaderná energie Vyhořelé palivo poločasy 137 Cs (T 1/2 30 roků), 90 Sr (T 1/2 28,8 roků), 241 Am (T 1/2 458 roků), 239 Pu (T 1/ roků), 240 Pu (T 1/ roků)..a řada dalších dlouhodobých radionuklidů.

90 Jaderná energie termojaderná fúze sloučení atomových jader za pomoci vysoké teploty či tlaku. Palivo - deuterium Zatím se nepovedlo dosáhnout potřebných podmínek

91 Děkuji Vám za pozornost Dotazy? 91