Obnovitelné zdroje energie

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Obnovitelné zdroje energie Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Praha 2011 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Obsah Téma Slide Obnovitelné zdroje energie 3 Solární energie 34 Solární energie fototermální soustavy 51 Solární energie fotoelektrické systémy 164 Energie prostředí tepelná čerpadla 199 Biomasa 253 Geotermální energie 288 Palivové články 313 Energie větru 318 Energie vody

2 Obnovitelné zdroje energie 3 Životní úroveň Životní úroveň je možné vyjádřit jako míru uspokojování materiálních i nemateriálních potřeb a přání jednotlivce nebo skupiny osob zbožím a službami. S rostoucí životní úrovní rostou požadavky na komfort (v současné době vyšší než před několika desítkami let) S rostoucími požadavky na komfort roste spotřeba energie budov (klimatizace, elektronická zařízení) anj.: Standard of living Česká republika: Informace poskytuje Ministerstvo práce a sociálních věcí ( 4 2

3 Týdenní náklady domácností na jídlo a pití Životní úroveň obvykle vyjadřována podle norem jako reálný příjem na osobu. Existují různá další statistická srovnání Zajímavé srovnání z pohledu týdenních nákladů na potraviny poskytuje publikace Hungry planet. ( Velká Británie: $253 Bhutan: $5 5 Počet obyvatel dle zemí Počet obyvatel v mil. (3/2009) Počet obyvatel v roce mil. Počet obyvatel v roce mil. 6 3

4 Atmosféra Země vrstva plynů obklopující planetu udržovaná u země zemskou gravitací chrání pozemský život před nebezpečnou sluneční a kosmickou radiací tepelná setrvačnost ovlivňuje podmínky na zemi atmosférický tlak vyplývá z hmotnosti vzduchu nad daným místem Atmosféra Země Složení atmosféry Dusík 78% Kyslík 21% Argon 0,93% Skleníkové plyny CO 2 0,035% CH 4 0,0002% Další látky: vodní kapičky, ledové krystalky a různé znečišťující příměsi původu přírodního (prachové částečky, pylová zrna) i antropogenního (produkty člověka) 8 4

5 Skleníkové plyny Skleníkové plyny plyny absorbující dlouhovlnné infračervené záření dochází k ohřívání spodní vrstvy atmosféry a zemského povrchu vodní pára - hydrosféra oxid dusný N 2 O- lesy, půda, hnojiva, spalování paliv (dle některých názorů největší nebezpečí pro ozónovou vrstvu země, >60% se uvolňuje přirozeně) oxid uhličitý CO 2 spalování fosilních paliv metan CH 4 močály, zemědělství, zpracování paliv, freony CFC chladící zařízení, aerosoly, pěny ozón O 3 - fotochemický smog v blízkosti povrchu Skleníkové plyny Snížení produkce antropogenních skleníkových plynů - úspory energií a využívání obnovitelných zdrojů energie. Snížení rychlostí kácení lesů možnost snižování CO 2 pomocí fotosyntézy. 5

6 Globální cyklus uhlíku Jednotky - bilióny tun uhlíku 11 Skleníkové plyny v atmosféře 12 6

7 Emise oxidu uhličitého 13 Emise CO 2 v roce 2006 Emise oxidu uhličitého Emise odvozené ze spalování fosilních paliv (není započtena zemědělská výroba) 14 7

8 Emise oxidu uhličitého 15 Emise oxidu uhličitého 8

9 Snižování emisí oxidu uhličitého vyšší účinnost využívání energie obchodovatelná emisní povolení obnovitelné zdroje energie nové technologie využití fosilních paliv (dosud zaměřovány na snížení množství polutantů jiných než CO2) významný přesun z uhlí na plyn (spalování plynu produkuje pouze polovinu množství CO2 na jednotku energie, než spalování uhlí) separace a zachycování CO2při spalování fosilních paliv a jeho injektování do hlubokomořských sedimentů nebo do podzemních prostor (zásobníků). jaderná energie? Ekologická stopa Ekologické hodnocení Ekologická stopa je uměle vytvořená jednotka, která určuje kolik metrů čtverečních (hektarů) Země potřebuje člověk k dané činnosti Koncept ekologické stopy byl vytvořen, aby odpověděl na otázku, zda lidská populace žije v hranicích únosné ekologické kapacity planety ( 18 9

10 EJ obnovitelné Scénář využití zdrojů energie ve světě Scenář Shell - vývoj spotřeby prvotních energetických zdrojů geotermál mořská energie solár nová biomasa vítr voda dřevo jádro plyn nafta uhlí Spotřeba energie 40% veškeré energie v Evropě spotřebovávají budovy 65% spotřeby budov tvoří domácnosti teplo teplá voda chladnička sporák pračka osvětlení pv.trouba vysavač TV a video rv.konvice žehlení rádio 60% budov na Evropském trhu je starší více než 25 let 20 10

11 Snížení emisí a snížení závislosti na dodávkách energie v ČR Základem je transformace struktury zdrojů. Prvním směrem je přechod na energetické zdroje spalující čistší" fosilní paliva, zejména zemní plyn. Druhým směrem je redukce ztrát tepla a elektrické energie při přenosu a distribuci. Třetím směrem je podpora rozvoje energetiky obnovitelných zdrojů. Velmi důležitým prvkem je zvyšování účinnosti výroby energie cestou zavádění moderních technologií spalování fosilních paliv (zvýšení účinnosti o 5 20 %) a cestou kombinované výroby elektrické energie a tepla (až 40% zvýšení účinnosti). Energetické ztráty představovaly v roce % energie vyrobené v ČR (Statistická ročenka ŽP ČR, 2000). Pojmy souvisící s obnovitelnými zdroji Obnovitelné zdroje energie - obnovitelné nefosilní zdroje energie (vítr, sluneční energie, geotermální energie, energie vln a přílivu, energie vody, biomasa, plyn ze skládek, z čistíren odpadních vod a bioplyny). Termín používán ve vyhlášce 214/2001Sb. (zákon 406/2006Sb.) Alternativní zdroje energie zdroje energie poskytující alternativu ke zdrojům tradičním, využívajícím fosilní paliva (netradiční zdroje energie) Trvale udržitelný rozvoj hospodářský a společenský pokrok s plnohodnotným zachováním životního prostředí Kyótský protokol závazek snižování emisí skleníkových plynů (do roku 2012) Energetická politika EU začleněno do dalších odvětví (obchod, průmysl EU), regulace vlivem politiky životního prostředí, vnitřního trhu a obchodní politiky. Zvlášť řešena energie jaderná. Povolenky produkce CO 2 do ovzduší Cíle: snižování závislosti na dovozu energie, efektivní využívání vlastních zdrojů, bezpečnost, konkurenceschopnost, udržitelnost 11

12 Legislativa Zákon 406/2000Sb. (2006) o hospodaření energií Vyhláška 214/2001Sb. Vyhláška Ministerstva průmyslu a obchodu, kterou se stanoví vymezení zdrojů energie, které budou hodnoceny jako obnovitelné Vyhláška 148/2007Sb. O energetické náročnosti budov - souvislost s OZE Zákon 17/1992 Sb. o životním prostředí se změnami danými zákonem č. 123/1998 Sb. a zákonem č. 100/2001 Sb. 17/1992 Sb. o životním prostředí 7 Přírodní zdroje Obnovitelné přírodní zdroje mají schopnost se při postupném spotřebovávání částečně nebo úplně obnovovat, a to samy nebo za přispění člověka. Neobnovitelné přírodní zdroje spotřebováváním zanikají. Primárním zdrojem energie je energie slunce. Obnovitelnost některých zdrojů může být sporná (v textu chybí výraz nefosilní). Fosilní paliva-(uhlí, ropa, zemní plyn) nejsou OZE, neboť při jejich spalování dochází k uvolňování CO 2 do ovzduší a jejich vznik je podmíněn dlouhodobými procesy. Žádný zdroj energie není zcela obnovitelný,na provoz technických zařízení je vždy třeba využít určitou neobnovitelnou surovinu. 12

13 Vyhláška 214/2001Sb. Obnovitelné zdroje energie pro výrobu elektřiny: a) vodní energie v zařízeních do 10 MWe, b) sluneční energie, c) větrná energie, d) biomasa v zařízeních do 5 MWe, e) bioplyn, f) palivové články, g) geotermální energie. Vyhláška 214/2001Sb. Obnovitelným zdrojem pro výrobu tepelné energie: a) sluneční energie, b) geotermální energie, c) biomasa v zařízeních do 20 MWt, d) bioplyn, e) palivové články. 13

14 Diagram energetických toků ČR Prognóza vývoje - OZE v ČR Celkový energetický potenciál OZE v ČR odhadnut na 25 % současné spotřeby Do roku 2020 se předpokládá využití zhruba 50 % teoretického potenciálu OZE Dominantním zdrojem bude i nadále biomasa 14

15 Prognóza vývoje výroby elektřiny Do roku 2020 (zpráva Pačesovy komise) Energetický potenciál vodních elektráren může být zvýšen o cca 10%. Větrné elektrárny mohou dosáhnout úrovně vodních elektráren a pak dále až dvojnásobné. Fotovoltaika může tvořit cca 50% výroby energie větrem. Hodnocení životního cyklu- Metoda LCA Celková spotřeba PEZ a energetická náročnost ekonomiky ČR v letech

16 Výroba elektřiny v ČR v roce 2005 Celkově OZE Výroba elektřiny z OZE

17 Druhy energií Slunce jaderné přeměny sluneční záření působení na Zemi Sluneční energie -aktivní, pasivní solární systémy Větrná energie -větrné pohony, elektrárny Biomasa -lesní, odpad z dřevozpracujícího průmyslu, zemědělství, komunální odpad, kapalná paliva Geotermální energie -geotermální elektrárny, využití tepla suchých hornin, teplo prostředí (TČ) Vodní energie -elektrárny průtokové, akumulační, přílivové Nejde jen o to energii vyrobit ale také ji využít Solární energie 34 17

18 Nejbližší hvězda (150 mil km =1AU) Koule žhavých plynů Stáří 4,6 miliardy let Teplota na povrchu Slunce cca K =žlutá barva Teplota v jádru 1, K a hustota plazmy se zde pohybuje okolo kg.m -3. V tomto prostředí se vodík postupně a velmi pomalu mění na helium za uvolnění obrovského množství energie Slunce Slunce a jeho projevy vznik slunce vznik zřejmě ve velké mlhovině spolu s mnoha dalšími hvězdami mlhovina se stejnou teplotou a hustotou byla ovlivněna zřejmě výbuchem blízké supernovy rázová vlna způsobila změny rozložení hmoty 18

19 Sluneční erupce, skvrny, zemětřesení Sluneční erupce se odehrává ve sluneční koroně a chromosféře zahřátím plasmy. Erupce vytvářejí elektromagnetické záření v elektromagnetickém spektru na všech vlnových délkách. Erupce vznikají především v okolí slunečních skvrn. Erupce může ovlivnit provoz elektronických přístrojů na Zemi Působení slunce na Zemi (magnetosféru) Slunce ovlivňuje ostatní tělesa Sluneční soustavy gravitačně zářením v širokém spektru vlnových délek magnetickým polem proudem nabitých částic 19

20 Vnímání slunce ze Země Slunce zdánlivý pohyb po obloze Poloha slunce na obloze 20

21 Solární konstanta Na vnějším okraji zemské atmosféry na ploše kolmé k záření je intenzita záření průměrně W/m 2, (solární konstanta I o ) Atmosférou projde jen část záření -v závislosti na vlnové délce záření. Průchod záření atmosférou 21

22 Mapa denního solárního oslunění Roční suma globálního ozáření na horizontální povrch 22

23 23

24 Přímé sluneční ozáření G b (W/m 2 ) Solární záření přímé záření na jednotku plochy bez rozptylu v atmosféře Intenzita záření velmi závislá na směru dopadu paprsků Difúzní sluneční ozáření G d (W/m 2 ) difúzní záření vzniká rozptylem o molekuly plynů ve vzduchu, částečky prachu, vodní páru při prostupu atmosférou Intenzita záření je stejná ve všech směrech zaclonění mraky (vodní pára, kouř,..) Celkové sluneční ozáření: Solární energie jasný slunečný den léto W/m 2 lehce zataženo W/m 2 silně zataženo W/m 2 24

25 Solární energie Roční úhrn globálního záření Průměrně 3800 MJ/m 2.rok Skutečné množství dopadající energie MJ/m 2 rok Atlas podnebí ČR Solární energie Celková doba slunečního svitu h/rok 25

26 Solární soustavy Soustavy pro využití solární energie Fototermální Fotoelektrické (fotovoltaické) Pasivní Aktivní Kapalinové Vzduchové Fototermální soustavy 52 26

27 Architektura domů Pasivní využití solární energie Prosklené plochy orientované na jih Teplotní zónování Akumulační konstrukce Akumulační stěny Trombeho stěna sálání Konvekce Zimní zahrada Pasivní využití solární energie Trombeho stěna masivní stěna natřenou tmavou barvou ze strany exteriéru Teplo se šíří do místnosti radiací ze stěny (s příslušným fázovým zpožděním) a konvekcí přes průduchy ve stěně. 27

28 Trombeho stěna v ČR Pasivní využití solární energie Energetická fasáda Vzduchový kolektor Zima-snížení tep. ztrát, využití pro vytápění Léto-snížení tepelné zátěže odvětrávání Dvojitá fasáda Sklo před stínícími prvky Ochrana proti hluku, odvod tepelné zátěže,.. 28

29 Energetická střecha Pasivní využití solární energie Vzduchový kolektor v šikmé střeše Možné propojení s výměníkem tepla Transparentní tepelná izolace Izolační schopnost, propustnost slunečního záření, odolnost proti UV záření Sklo, plasty S orientovanými komůrkami, pěnové Přenos tepelné energie s časovým posunem (léto?) Solární komín Podpora přirozeného větrání objektu Ohřev odváděného vzduchu způsobuje větší průtok větracího vzduchu Funguje pouze při působení slunečního záření Bilance celoročního provozu 29

30 Kapalinová Aktivní solární soustava (hydronický)- hydronic -využití vody pro vytápění případně chlazení Vzduchová využití vzduchu pro přenos tepla Schéma (kapalinové) solární soustavy 1. Solární kolektory 2. Solární jednotka 3. Pojistný ventil 4. Odvod kapaliny 5. Zásobník 6. Výměník tepla 7. Regulátor 8. Čidlo teploty, termostat 9. Odvzdušnění 10. Výměník tepla 30

31 Základní dělení dle tvaru: Ploché (deskové) Trubkové (trubicové) Koncentrační Dělení dle média kapalinové vzduchové Dělení dle zasklení bez zasklení jednoduché vícevrstvé prizmatické Dělení podle umístění horizontální vertikální Kapalinové solární kolektory Účinnost solárního kolektoru 31

32 Účinnost solárního kolektoru η = užitečný výkon / energie ozáření Závisí na teplotě absorbéru a teplotě okolí Kapalinové solární kolektory Plochý kolektor s plastovým absorbérem - zejména pro dohřev vody v bazénu - sezónní použití 32

33 Kapalinové solární kolektory Plochý kolektor se selektivním povrchem (plochý selektivní kolektor) -deskový kolektor se spektrálně selektivním povlakem, kovový absorbér, celoroční provoz, 320 až 530 kwh/m 2 r - nejběžnější typ kolektoru - v podmínkách ČR vhodné zejména pro ohřev TV (úspora až 80 %), možné vytápění (až 30 %). 1 zasklení 2 selektivní povrch 3 absorbér 4 tepelná izolace 5 nosný rám 33

34 Kapalinové solární kolektory Hlavní technické vlastnosti Selektivní povrch Kontakt absorbéru s registrem Typ zasklení Výstupní teplota Průtok kolektorem Použití odrazných ploch Zasklení solárního kolektoru solární sklo tvrzené odolávající sněhu a krupobití, 3-4mm s nízkým obsahem oxidu železa (omezení optických ztrát na 9%) antireflexní povlak -použití tenkovrstvého povlaku s definovaným indexem lomu (SiO2), odolnost prizmatické zasklení -úprava tvaru povrchu na vnitřní straně zasklení - vhodné zejména při nízkých úhlech dopadu solární sklo solární antireflexní sklo 34

35 Selektivní povrch Pro snížení tepelných ztrát do okolí při zachování vysoké pohltivosti Co nejlepší vlastnosti pro oblast solárního záření Řešení pomocí vrstvení kompozitu keramiky a kovu na povrchu absorbéru. Absorpce a emise jsou při stejné teplotě (ve stejné vlnové oblasti) stejné. Ideální černá plocha, která absorbuje stejnoměrně všechny vlnové délky, vydává také mnohem silněji tepelné záření (v infračervené oblasti). Tepelné vyzařování absorbéru se snažíme redukovat pomocí selektivní vrstvy. V oblasti viditelného světla (teplota záření cca K) dobře absorbují (α>90%), v oblasti dlouhovlnného záření (teplota záření cca 400 K) nízká emisní schopnost (součinitel emise ε < 20 %). Příklad vlastností kolektorů Kolektor se selektivním povrchem Absorptivita 95% Emisivita 5% Kolektor se NEselektivním povrchem Absorptivita 93% Emisivita 11% 35

36 Kontakt absorbéru s registrem Řešení registru kolektoru Meandrový příčný, podélný, dvojitý Lyrový, dvojlyrový Horizontální i vertikální umístění Lyrový absorbér umožňuje paralelní propojení kolektorů do velkých sérií Horizontální i vertikální umístění Dvojlyrový absorbér Vertikální umístění Lyrový absorbér umožňuje paralelní propojení kolektorů do velkých sérií 36

37 Orientace kolektoru Na diagramu jsou vyznačeny oblasti poloh kolektoru a vliv na jeho výkon Sklon kolektoru Optimální sklon kolektoru závisí na době jeho využívání a účelu Zima Léto Celoroční 45 37

38 Kapalinové solární kolektory Trubkový vakuový kolektor - plochý nebo válcový selektivní absorbér ve vakuované skleněné trubce, tlak <1kPa, vysokoteplotní aplikace, 380 až 760 kwh/m 2 r Konstrukce: vakuová izolace skleněných trubic větší využití difúzní radiace vysoká účinnost, vyšší teploty až 200 C vyšší energetický zisk v přechodném období lehká konstrukce Kapalinové solární kolektory 38

39 Kapalinové solární kolektory Tepelná trubice (heat pipe) Trubkový vakuový kolektor Vyšší investiční náklady Vhodný zejména pro využití v zimním období tzn. vhodný pro vytápění, technologii Optimální sklon (zimní období, nedochází k zakrytí sněhem) Výkon lze zvýšit použitím zrcadel 1) Sluneční záření 2) CPC-zrcadla 3) Vakuová trubice 4) Vysokoselektivní povrch 5) Vakuum 6) Cu trubka 7) Teplonosný plech 39

40 Použití zrcadel přínos použití odrazivých prvků Solární kapalinové kolektory Plochý kolektor s plastovým absorbérem nezakrytý - plastová rohož, bez zasklení, pro ohřev bazénové vody Plochý kolektor -deskový kolektor, kovový absorbér, sezónní ohřev vody, 250 až 370 kwh/m 2 r Plochý selektivní kolektor -deskový kolektor se spektrálně selektivním povlakem, kovový absorbér, celoroční provoz, 320 až 530 kwh/m 2 r Plochý vakuový kolektor -deskový kolektor, tlak v kolektoru 1-10kPa, celoroční provoz, vysokoteplotní aplikace Trubkový vakuový kolektor -plochý nebo válcový selektivní absorbér ve vakuované skleněné trubce, tlak <1kPa, vysokoteplotní aplikace, 380 až 760 kwh/m 2 r Koncentrující kolektor -kolektor s optickými prvky pro soustředění slunečního záření (zrcadla, čočky) 40

41 Počet kolektorů a způsob zapojení udává výrobce Běžně dle typu 4-8ks kolektoru v jedné sérii Výhodné zapojení Tiechelmann Zapojení kolektorů Zapojení kolektorů 41

42 Stagnační stav kolektoru Není odběr energie Porucha dodávky elektrické energie Stagnační teploty různých typů kolektorů Přehřívání kolektoru 1. Nárůst objemu kapaliny 2. Vytlačování tekutiny z kolektoru parou-vypařování lze potlačit zvýšením tlaku v soustavě, zvýšením koncentrace teplonosné látky, 3. Vyprazdňování vody z kolektoru-var zbytkové vody ( C) 4. Přehřátá (suchá) pára v kolektoru-klesá objem páry (200 C)-trvá do poklesu solární radiace 5. Plnění kapalinou při poklesu teploty pod bod varu, kondenzace 42

43 Vyprazdňovací schopnost kolektoru Špatná Dobrá Vzájemné zapojení kolektorů 43

44 Alternativní řešení chlazení primárního okruhu Nosná konstrukce kolektorů Umístění kolektorů hliníková eloxovaná, nevyžaduje údržbu umístění většího kolektorového pole, umístění ve výšce nad 20m - nutný samostatný projekt Nad střešní krytinu Šikmá střecha (optimum 45, jih ±30 ) rámová konstrukce nad střešní krytinou Integrace do střešního pláště 44

45 Příklad umístění kolektorů na šikmé střeše 45

46 Integrace solárních kolektorů Umístění kolektorů Nad střešní krytinu Plochá střecha-nosná konstrukce samostatná Připevnění k vystupujícím prvkům nad střešní izolaci (min. 0,5m, konstrukce různé zátěžové skupiny Přitížení zátěží Samostatný nosný rám mimo objekt Pevný Otočný-mechanický, motorický 46

47 Nad střešní krytinu Umístění kolektorů Svislá stěna-integrace nebo nad povrch Kapalinový Aktivní solární soustava (hydronický)- hydronic -využití vody pro vytápění případně chlazení Vzduchový využití vzduchu pro přenos tepla 47

48 Kapalinová solární soustava Přímý Nepřímý Přirozený Nucený uzavřený Samotížná solární soustava Pracuje na principu přirozeného oběhu vody v soustavě Soustava otevřená nebo uzavřená Výhody - jednoduchost - možná nezávislost na elektrické energii NEvýhody - nemožnost regulace teplot - při celoročního užívání nutné opatření proti zamrznutí (TV) - menší variabilita - hmotnost? 48

49 Prvky systému Samotížná solární soustava Solární kolektory Solární zásobník. Elektrická topná vložka a termostat. Spojovací a instalatérský materiál. Nosná konstrukce (plochá, sedlová střecha, terén) Použití: Rekreační objekty Sezónní provoz Objekty bez nebo s problematickou dodávkou el. energie Cena soustavy: cca 11-13tis. Kč/m 2 bez DPH Schéma (kapalinové) solární soustavy 1. Kolektory 2. Solární jednotka 3. Pojistný ventil 4. Odvod kapaliny 5. Zásobník 6. Výměník tepla 7. Regulátor 8. Čidlo teploty, termostat 9. Odvzdušnění 10. Výměník tepla 49

50 Prvky solární soustavy Solární soustava popis Potrubí-materiály Cu, ocel (často jen nepozinkovaná) Odolnost teplotám kolem 180 C Tepelné izolace na bázi minerálních, sklených vláken, kaučuku Vnější provedení odolné vůči UV záření, nenavlhavé (5mm mezera mezi skříní kolektoru a izolací potrubí) Cu potrubí-pájení na tvrdo-vývod z kolektorů, jinak pájení na měkko Expanzní nádoba Použití uzavřených expanzních nádob Vyšší pracovní přetlaky omezují zavzdušnění Velikost dle zvětšení objemu látky v kolektorech - běžně 6litrů/kolektor Max. pracovní přetlak 600kPa Teploměr, tlakoměr, filtr, průtokoměr Teplonosná kapalina (životnost 5-8 let) Na bázi propylen-glykolu (etylenglykol nevyhovuje v ČR) Ekologicky šetrná (ne fosfáty, dusičnany), inhibitory koroze Nelze přímo ohřívat TV 50

51 Solární soustava Druhy solárních systémů: High flow system (systém s vysokým průtokem)- průtok l/h.m 2 kolektoru, ohřev média o 8-12 C, vhodné pro menší solární soustavy, pozvolné ohřívání zásobníku Low flow system (systém s nízkým průtokem)- průtok 8-15 l/h.m 2 kolektoru, ohřev média až o 50 C, vhodné v kombinaci se stratifikovaným zásobníkem, nutné vychlazení zpátečky, úspory na čerpací práci a účinnosti až 20% Matchet flow system ( kombinovaný systém)- průtok l/h.m 2 kolektoru, kombinace předchozích systémů Drain back systém kdy médium z kolektorů vyteče do zásobní nádrže, pokud nedochází k jeho ohřívání, lze použít čistou vodu Solární soustava Pouze systémová řešení Soustava bez expanzní nádoby a odvzdušňování Kompaktní tvar a integrace komponent Rychlá montáž Nižší účinnost (cca o 5%) 51

52 Zásobník tepla Solární soustava životnost souvisí s kvalitou vnitřního povrchu zásobníku, výměníku (nejlépe nerez, keramika, teflon,..) vhodné využít teplotní rozvrstvení (stratifikaci) v zásobníku-může zvýšit účinnost systému o 5-15% předehřev vody solárními kolektory (zvýšení teploty z 10 na cca C) zajistit pravidelnou termickou desinfekci Solární zásobníky Monovalentní solární zásobník Bivaletní solární zásobník Tri a vícevaletní solární zásobník Cena : cca 50 Kč/l(velké) - 90 Kč/l(malé) objemu bez DPH 52

53 Systém nádoba v nádobě větší objemy l akumulace energie z více zdrojů využití solární energie pro vytápění i přípravu TV Solární zásobníky Solární zásobníky Systém s průtokovým ohřevem TV větší objemy l akumulace energie z více zdrojů nižší zásoba TV menší průtok TV 53

54 Solární jednotka, modul, čerpadlová skupina 1. Solární čerpadlo 2. Zpětná klapka 3. Napouštěcí ventil 4. Pojistný ventil 5. Regulační ventil 6. Průtokoměr 7. Tlakoměr 8. Teploměr 9. Uzavírací ventil Nutná odolnost proti působení teplonosné kapaliny (propylenglykol) (kvalita těsnění) Tlaková ztráta 8ks kolektorů cca 3kPa Solární jednotka 54

55 Dvoutrubková Jednotrubková Integrovaný regulátor Čerpadlová skupina Oběhové čerpadlo Teploměry topné a vratné větve Tlakoměr Pojistný ventil Napouštěcí a vypouštěcí ventily Uzavírací ventily Separátor vzduchu Zpětný ventil Solar Regulátor průtoku s průtokoměrem Výstup pro připojení expanzní nádoby Montážní sada na stěnu Tepelná izolace Připojení Schéma zapojení solární soustavy - kolektory 55

56 Schéma zapojení solární soustavy-příprava TV Schéma zapojení solární soustavy-příprava TV 56

57 Schéma zapojení solární soustavy Schéma zapojení solární soustavy 57

58 Schéma zapojení solární soustavy Schéma zapojení solární soustavy 58

59 Příklady instalací Obytné budovy (3/2010) Ekonomika solárních systémů Především pro přípravu teplé vody Cena solárního systému na klíč (bez akumulačního zásobníku) m 2 cena /m m 2 cena /m 2 Cena může být ovlivněna dalšími specifickými náklady-integrace do pláště, délky rozvodů, podpůrný systém /m 2 Čím větší solární systém tím nižší náklady na zařízení potřebné pro provoz kolektorů Cena solárního systému 65% solární systém 15% instalace 10% projekt 5% další náklady (PR,..) 59

60 Vzduchová solární soustava teplonosná látka vzduch, technicky nejjednodušší solární systémy pro ohřev větracího vzduchu, vysoušení,možné i temperování pohon ventilátorem nebo komínovým efektem Vzduchové kolektory Konstrukčně jednoduché provedení Možná kombinace s dalšími solárními systémy (PV, TK) bez vzduchové mezery se vzduchovou mezerou mírné klimatické pásmo v letním období příprava teplé vody v zimním období ohřev větracího vzduchu (t<30 C) 60

61 Vzduchový solární systém Návrh solárních systémů Návrh solárních systémů Typická řešení - odhad dle zkušeností z podobných aplikací - použití směrných hodnot - výpočet Atypická řešení - vhodné využít výpočtů, simulací Bilancování solárních systémů Výpočet provozních vlastností systému v konkrétních podmínkách. Nutnost využití výpočtů, simulací. 61

62 Bilancování solárního systému Bilanční výpočet Směrné ukazatele (referenční hodnoty pro měsíc) Potřeba TV na osobu Potřebné množství energie Q=m.c.dT Množství solární energie Charakteristický den v měsíci Solární krytí Plocha kolektorů (účinnost solárního systému 0,5-0,7) Podklady výrobců (Thermosolar, Regulus, Viessmann,..) Specializované publikace Simulace systému Počítačové programy Určení potřeby tepla: Návrh solárních systémů Potřeba tepla na přípravu TV Potřeba tepla na vytápění Potřeba tepla na technologické účely (sušení paliva, ) Potřeba tepla na doplňkové systémy (předehřev bazénové vody,..) Určení potřebného výkonu Časové určení potřeby tepla 62

63 Potřeba tepla a solární zisky Podmínky střední Evropy Potřeba tepla na přípravu TV v průběhu roku a dodávka tepla ze solárních kolektorů Potřeba tepla na přípravu TV a vytápění v průběhu roku a dodávka tepla ze solárních kolektorů Potřeba teplé vody Potřeba tepla na přípravu teplé vody: V TV,den c t SV t TV z n průměrná potřeba teplé vody (m3/den) hustota vody (kg/m3) měrná tepelná kapacita vody (J/kg.K) teplota studené vody (15 C) teplota teplé vody (60 C) přirážka na tepelné ztráty (rozvody vody a způsob ohřevu) počet dnů sledovaného období (pokud Q p,tv má být kwh/měsíc potom n=počet dnů daného měsíce) 63

64 Potřeba teplé vody Návrhová potřeba TV (návrh systémů) Bytový dům 82 l/os.den Administrativa 25 l/os.den Skutečná spotřeba TV Bytové domy l/os.den Nízká Střední Vysoká Hotely Pokoj s vanou Pokoj se sprchou Hostely Potřeba tepla Potřeba tepla na vytápění: Qz výpočtová tepelná ztráta objektu (kw) tiv výpočtová vnitřní teplota (běžně 20 C) tip střední vnitřní teplota v daném měsíci (běžně 20 C) tev výpočtová venkovní teplota tep střední venkovní teplota v daném měsíci n počet dní v daném měsíci ε korekční součinitel, který zahrnuje snížení potřeby tepla (0,7 standard, 0,5 pasivní dům, 0,6 NED dům) v přirážka na tepelné ztráty (např. 5%) 64

65 Terminologie Solární pokrytí (podíl) udává kolik procent celoročně potřebné energie je možné pokrýt prostřednictvím solárního zařízení využitelné zisky solární soustavy potřeba tepla v dané aplikaci měrné roční využitelné zisky solární tepelné soustavy (kwh/m 2.rok)-slouží pro hodnocení úspory energie teoretické tepelné zisky (kwh/měsíc) Určení parametrů solárního systému Odhad dle zkušenosti projektantů Přibližný výpočet, obdobné realizace Reálná soustava v ČR kwh.m -2.rok -1 Teplá voda Použití Solární pokrytí (%) Zisk kwh.m -2.rok -1 Rodinný dům Bytový dům Vytápění a teplá voda Rodinný dům Bytový dům

66 Zisky solární soustavy Využitelné zisky solární soustavy nk střední denní (měsíční) účinnost solárního kolektoru H T,den skutečná denní dávka slunečního ozáření v kwh/(m 2 den) Ak plocha apertury solárních kolektorů, v m 2 p hodnota srážky z tepelných zisků solárních kolektorů vlivem tepelných ztrát solární soustavy (rozvody, solární zásobník) střední denní účinnost solárního kolektoru lineární součinitel tepelné ztráty a1 (W/(m 2 K) optická účinnost střední denní teplota teplonosné kapaliny (40-50 C) střední denní sluneční ozáření (W/m 2 ) střední venkovní teplota v době slunečního svitu (2-23 C) Údaje z protokolu o zkoušce tepelného výkonu podle ČSN EN kvadratický součinitel tepelné ztráty kolektoru a2 (W/(m 2 K 2 )) Příklad technických parametrů 66

67 Plocha kolektoru Plocha absorbéru Plocha apertury Terminologie Otvor, kterým nesoustředěné solární záření vstupuje do kolektoru Specifikace plochy kolektoru Určení parametrů solárního systému Odhad dle směrných hodnot Příprava TV RD 3-4 osoby 3m 2 kolektorů, zásobník 300L Příprava TV 0,8 až 1,5m 2 kolektoru na osobu 1 m 2 plochy kolektoru odpovídá 50l teplé vody o teplotě 45 C Objemy zásobníku se pohybují v rozmezí l.m -2 absorpční plochy kolektoru Solárnímu pokrytí na úrovni 50% odpovídá přibližně potřeba 1,3m 2 absorpční plochy kolektoru a velikost zásobníku lze předpokládat na úrovni 60 l.m -2 absorpční plochy kolektoru. plocha kolektorů vytápění = 0,25 x obytná plocha Využití diagramů Zpravidla firemní materiály, zájmová literatura 67

68 Určení parametrů solárního systému Bilanční výpočet Směrné ukazatele (referenční hodnoty dodávky energie) Potřeba energie (TV, vytápění, bazény, ) Potřebné množství energie Q=m.c.dT Podklady výrobců (Thermosolar, Regulux, Viessmann,..) Specializované publikace Bilanční návrh kolektorů Plocha kolektorů-příprava TV Rodinné domy Návrh na letní měsíce (duben-září) Střední teplota v kolektoru 40 C Pokrytí potřeby 60% (průměrná roční hodnota) Letní přebytky-bazénová voda, sušení paliva Zásobník 1,5-2x větší než denní spotřeba vody Sklon 45, 1 kolektor cca 50 l/den * * viz výpočet pomocí programů 68

69 Bilanční návrh kolektorů Využitelná solární energie Q v (kwh/den) Jižní orientace, sklon 30-50, RD Letní období (duben-září) 3,5 kwh/m 2.den-max.5,5 Přechodné období 2,5 kwh/m 2.den -max 3,5 Potřeba tepla Q p (kwh/den) Příprava TV Q p Plocha absorbéru kolektoru A (m 2 ) účinnost solárního systému 50% Návrh pro léto a přechodné období Volba vhodného počtu kolektorů (60-80% pokrytí) m c T V c T QV A Q 3-4ks kolektoru (1,76m 2 /ks) p Bilanční návrh kolektorů Plocha kolektorů-vytápění+příprava TV Návrh pro průměr duben a září Plocha kolektorů-vytápění Potřeba tepla na vytápění Q T (W) Průměrná intensita ozáření H T (800W/m 2 jasno) Plocha absorbéru kolektorů Av (m 2 ) Účinnost kolektoru 50% A V QT H T Příklad: QT=4kW, AV=4kW/(0,8. 0,5)=10m 2, tzn.6ks kolektorů (1,76m 2 ) 69

70 Bilanční návrh kolektorů Plocha kolektorů-příprava TV Bytové domy Návrh na červenec Střední teplota v kolektoru 40 C Pokrytí potřeby 40-50% (průměrné roční, větší pokrytí-nebezpečí stagnace v letním období) m 2, (1 kolektor cca l/den * pouze první odhad) Pro návrh doporučena podrobnější simulace * viz výpočet pomocí programů Počítačové programy Výpočetní software Podpora výrobce (bilanční) Specializované - simulace T*sol (Katedra TZB) Polysun (cz) F-Chart (měsíční bilance) Výzkumné a univerzální - simulace TRNSYS (Katedra TZB) Dynamická simulace s využitím hodinových údajů Detailní simulace prvků systému 70

71 Solární soustavy TNI :2009 Energetické hodnocení solárních tepelných soustav - Zjednodušený výpočtový postup Bilancování solárních soustav 71

72 Měsíční bilance F-chart Polysun light professional designer Dynamická simulace 72

73 GetSolar Dynamická simulace T*sol Detailní dynamická simulace TRNSYS 73

74 Příklad Systém přípravy teplé vody (RD) 3ks solárních kolektorů (TS 300N), 45, jih 400l zásobník TV Praha (50,1 ) 4 osoby á 50l /den GETSOLAR 2218 kwh/rok SF 55% Účinnost 38% T*sol 74

75 Firemní počítačový program Kolektory 3ks NSC 18 (4,95m 2 ) Příklad Systém přípravy teplé vody (BD) 30ks solárních kolektorů (TS 300N), 45, jih 2500l zásobník TV Praha (50,1 ) 45 osob á 50l /den GETSOLAR kwh/rok SF 56% Účinnost 41% 75

76 Zásobník 2500l Stagnační stavy kolektoru Zásobník 3500l Zásobník 1500l Bilance solárních systémů Nejvyšší účinnost mají velké solární systémy Návratnost solárních systémů (bez dotace) RD cca 15 let BD cca 11let Hodnocení provozu solárních systémů doporučeno využití počítačové simulace Zákonná povinnost využití OZE v Německu od r Solární systémy min. 15% potřeby energie 76

77 Koncentrační solární systémy Koncentrování solárního záření pomocí čoček nebo zrcadel na malou plochu. Výroba tepla nebo elektrické energie Solární energie-tepelná energie-pára-turbína-generátor Koncentrátory - použití pokud energie dopadajícího záření větší než kwh m-2 rok1 (zhruba pod 40 rovnoběžkou). Geometrický koncentrační faktor Cgeo=Aa/AA Aa - plocha apertury (vstupní plocha nebo plocha odrážející vstupní světlo) AA - plocha absorbéru Oblasti vhodné pro solární tepelné elektrárny Technologie koncentrátorů Parabolické žlaby (Parabolic trough) 2D traker nejrozvinutější technologie koncentrátorů v ohnisku zrcadla umístěna vakuová trubice s teplonosnou látkou médium ohříváno na C C geo<80 osa S-J, otáčení za sluncem možná Osa V-Z, pevná poloha, sezónní změna tepelná účinnost 60-80% účinnost výroby elektrické energie 15% (odpovídá FV systémům) hybridní zdroje (kombinace solar-fosilní paliva) max. podíl fosilních paliv omezen např. 27% 77

78 Technologie koncentrátorů Fresnelova zrcadla (Fresnel reflectors) 2D traker zrcadla v jejichž společném ohnisku je potrubí s teplonosnou látkou technologie je levnější než parabolická zrcadla zrcadla zabírají méně místa, jsou odolnější větru Technologie koncentrátorů Solární věž (Solar power tower) 3D traker zrcadla v jejichž společném ohnisku je věž s výměníkem s teplonosnou látkou C geo<2000 teplota C využití jako zdroj páry nebo zdroj tepla např. pro tavení látek 78

79 Technologie koncentrátorů Stirlingův talíř, parabola (Dish stirling) 3D traker zrcadla odrážející záření do jednoho bodu C geo<4600 teplota C tepelný motor pro výrobu elektrické energie Poruchy zařízení Skleněná zrcadla odrazivost 94 % (klasická 70 %) Nutná údržba - čištění, ochrana proti větru Hlavní problém - silný vítr, nutné polohování pro ochranu Rok 1999 exploze a požár nádrže 3500m3 Chráněná pozice zrcadel 79

80 Solární chlazení Využití tepla pro výrobu chladu Možnost kombinované výroby TV a chladu Solární chlazení Solární absorpční cykl uzavřený systém, kapalný sorbent Tepelná energie ze solárních kolektorů (SK) je využita v desorbéru (D) pro vypuzení chladiva z roztoku při vysoké teplotě a tlaku. Páry chladiva se poté srážejí v kondenzátoru (K) a po expanzi (EV) na nízký tlak se opět vypařují ve výparníku (V). Ve výparníku je odebíráno teplo chladicí vodě určené pro účely chlazení. Páry chladiva jsou potom navráceny do roztoku v absorbéru (A), kde se znovu srážejí. Mezi absorbérem a desorbérem se oběhovým čerpadlem dopravuje bohatý a ochuzený roztok s rekuperací tepla ve výměníku (VT). Především výrobky pro výkony nad 200kW 80

81 Solární absorpční cyklus Solární chlazení uzavřený systém, tuhý sorbent kapalné chladivo adsorbováno do vysoce porézní pevné látky (vodasilikagel) Vyšší cena a hmotnost jednotek Jednotka může pracovat při teplotách kolem 80 C Kombinovaná výroba tepla a chladu Zdroje chladu alternativní možnosti Chlazení sorpčním odvlhčováním vzduchu (chlazení přiváděného vzduchu) otevřený cyklus, tuhý sorbent Chlazení sorpčním odvlhčováním - schéma Chlazení sorpčním odvlhčováním hx diagram

82 Solární soustavy Soustavy pro využití solární energie Fototermální Fotoelektrické (fotovoltaické) Pasivní Aktivní Kapalinové Vzduchové Fotoelektrické systémy

83 Fotovoltaické systémy (FV) Přímé využití solární energie Rozšířené využití v zařízeních s malým odběrem elektrické energie (kalkulačky) nebo na odlehlých místech (osvětlení, doprava) Větší uplatnění cena fotovoltaických panelů Dotace instalace pilotních, demonstračních zařízení (fotovoltaika do škol,..) Garance výkupních cen elektrické energie Rozvoj FV systémů Princip: Křemíkový krystalický článek Fotovoltaické systémy Dopadem světelného záření se vlivem předávání energie z fotonů na atomy krystalické mřížky uvolňují elektrony, které díky přechodu PN nemohou přecházet do vrstvy typu P a hromadí se ve vrstvě typu N. Stejně tak se v oblasti typu P hromadí díry. Tato nerovnoměrnost rozdělení nosičů náboje vytváří elektrický potenciál (cca 0.6 V). Připojí-li se na elektrody článku elektrický obvod se spotřebičem, začnou elektrony procházet vodičem z N vrstvy, kde je jich přebytek, do vrstvy P. PN přechod umožňuje snadnější přechod volných elektronů z vrstvy P do vrstvy N. 83

84 Fotovoltaické systémy Fotovoltaický článek - pevný, ale křehký Fotovoltaický panel - složen s článků, nosné a ochranné konstrukce Monokrystalické články Fotovoltaické systémy dlouhá životnost vysoké výrobní náklady hl. monokrystalické články z křemíku Si (arzenid galia GaAs - kosmický program) účinnost laboratorní až 24 %, reálná % využití především přímého solárního záření, difuzní záření jen omezeně (problémy se stíněním) použití koncentrátorů (až 30%) 84

85 Polykrystalické články Fotovoltaické systémy použití Si nižší výrobní náklady, nižší účinnost laboratorně 18 %, v praxi %. pokles parametrů během životnosti větší schopnost zachytit difuzní záření opticky rozlišitelné dle struktury (ledové květy) Amorfní články oblasti malých výkonů napařování slabé vrstvy Si (kapesní kalkulátory atd.) Účinnost 2-7 % Vícevrstvé články Fotovoltaické systémy účinnosti až 30 % (laboratorní) perspektivní trend vysoká degradace možnost integrace do střešního pláště, folie, šindele materiály: měd, indium, galium a selenium (CIGS) 85

86 Organické články Fotovoltaické systémy tekuté články (Graetzelovi, barvocitlivé, polymerové) schopnost pracovat i s menším množstvím světla levné materiály, možnost nátěru,tisku výhodnější ekologie výroby předpokládána nižší cena barevnost, průhlednost účinnost do 10% Fotovoltaika integrovaná do budov Building Integrated Photovoltaics (BIPV) architektonická variabilita vztah k životnímu prostředí ekonomický přínos 86

87 Fotovoltaické systémy Zvyšování účinnosti článků Koncentrátory, čočky, zrcadla (korýtková, plošná)-nutná větší teplotní odolnost článku, nutné polohovací zařízení Oboustranné moduly-využití průsvitnosti článků Natáčecí systémy Jednoosé natáčecí zařízení 87

88 Natáčecí zařízení-sledovače slunce Fotovoltaické systémy Autonomní ostrovní systém ( grid-off ) 12/24V nebo 230V Spotřebiče s nízkou spotřebou 88

89 Fotovoltaické systémy Spotřebiče s nízkou spotřebou Problém s přebytky-cena akumulátorů Fotovoltaické systémy Zapojení do sítě ( grid-on ) vyžadují měnič (střídač) pro přeměnu stejnosměrného proudu na střídavý 89

90 Umístění panelů FV panely Jih+15, sklon 30-40% Schopny využívat i difúzní záření Fasádní systémy-využití svislých ploch, jinak energeticky neaktivních Nutné chlazení vzduchem proti přehřívání (nad 80 C klesá účinnost) Vlastnosti panelů typ konstrukce panelu, provedení teplotní koeficienty napěťové parametry bypass diody, konektory certifikace pro EU, IEC záruka výrobce, pokles výkonu v čase reference výrobce, světové zkušenosti časová dostupnost panelů cena forma plnění záručních podmínek 1 kwp = cca kwh/rok = cca 8 10 m 2 plochy Fotovoltaika Volt-Ampérová charakteristika článku Isc-proud nakrátko Uoc- napětí naprázdno V-A charakteristika panelu Základní parametr špičkový výkon ve wattech, uváděný s označením Wp, ( watt-peak) 90

91 Upevnění panelů 91

92 : : : : : : : : : : : : :00 El. výkon [kw] Fotovoltaické systémy Nestálost výkonu FV panelů-příklad [-] čas [hod] Skutečný denní výkon FVE 92

93 Trendy vývoje Fotovoltaické systémy Fasádní a střešní integrace Fotovoltaické elektrárny-samočistící, bezúdržbové panely Kombinace termických a fotoelektrických panelů Životnost panelů 25 a více let dle typu Dotační politika-garantovaná cena výkupu (Vyhláška 150/2007Sb. a cenová rozhodnutí ERÚ) 93

94 Elektrická energie a fotovoltaika v ČR Elektrická energie a fotovoltaika v ČR 94

95 Postup výstavby FV systému Posouzení vhodnost instalace FV panelů dle dispoziční plochy (sklon, orientace,..) Stanovení systému využívání vyrobené energie Žádost provozovateli distribuční soustavy o připojení (ČEZ, EON, PRE - schválení s uvedením podmínek Stavební úřad-umístění FV panelů na střeše-územní souhlas Realizace-malé FV systémy(do 10kWp) cca 2-7dnů Licence výrobce elektrické energie-erú. Fyzická osoba provozující systém do 20kWp nemusí mít odborné vzdělání. Smlouva o připojení s provozovatelem distribuční sítě Legislativa Zákon 180/2005Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie. Vyhláška 475/2005Sb. ve znění 363/2007Sb., kterou se provádějí některá ustanovení zákona o podpoře využívání obnovitelných zdrojů. Životnost FV elektrárny je 20let. Vyhláška č. 51/2006 Sb. o podmínkách připojení k elektrizační soustavě. Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu č. 7/2007 V roce 2008 je výkupní cena elektřiny dodané do sítě: 13,46 Kč/kWh, zelené bonusy: 12,65 Kč/kWh. Vyhláška 150/2007Sb. Vyhláška o způsobu regulace cen v energetických odvětvích a postupech pro regulaci cen Roční zvyšování cen v průběhu životnosti zařízeni. Zákon 586/1992Sb. Příjmy z obnovitelných zdrojů jsou 1+5 let osvobozeny od daně. 95

96 Cenové rozhodnutí ERÚ Výkupní cena elektrické energie z FV systémů 96

97 Výstavba FVE Skladba ceny elektřiny pro domácnosti v roce

98 Údržba pozemku FV elektrárny Údržba FV systému Řešení likvidace po končení životnosti Nutné zabezpečení proti krádeži Označení panelů Obvod pozemku střežen buď infračervenými čidly, nebo detekčním kabelem nataženým v plotu PV-GIS Návrh FV systémů 98

99 PV Sol Návrh FV systémů Porovnání Solární FV systémy a FT soustav Účinnost systému (odhad) Maximální měrný výkon Optimální orientace / Celoroční sklon Další vlastnosti Fotovoltaický systém Fototermická soustava 15% 60% 125 W/m 2 Zatažená obloha (5% výkon) Jih Sklon Zakrytí panelů Pokles účinnosti Nízké náklady na údržbu Dlouhá životnost 800 W/m 2 Jih Sklon 45 Sklon v závislosti na době využití tepelné energie. Zimní sklon Menší plocha Vyšší náklady na údržbu a provoz Malý pokles účinnosti 99

100 Energie prostředí Tepelná čerpadla 199 Tepelná čerpadla v roce 2008 v ČR Statistické údaje dle MPO 100

101 Tepelná čerpadla v roce 2006 v ČR Statistická data rok 2006 ČR Tepelné čerpadlo Tepelný stroj, umožňující využití nízkopotenciálního tepla okolí pro energetické systémy budov. Typy tepelných čerpadel Absorpční tepelná čerpadla - pracují bez kompresoru, méně nehlučná, nutný zdroj tepla Kompresorová tepelná čerpadla pohon zajišťuje kompresor Elektrická Plynová 101

102 Kompresorové tepelné čerpadlo výparník kompresor kondenzátor expanzní ventil PLYN PLYNOVÝ SPALOVACÍ MOTOR Kompresorové tepelné čerpadlo TČ se spirálovými kompresory Scroll - dražší, nejlepší topný faktor, nejpoužívanější typ. Životnost kompresoru Scroll min. 20 let. TČ s pístovými kompresory - levnější, hlučnější, nižší topný faktor. Životnost 15 let. TČ s rotačními kompresory -u klimatizačních zařízení a levnějších TČ. Chladivo Neobsahující freony, nejedovaté, biologicky odbouratelné a nehořlavé. Etanol, ethylenglykol Pozor na možné problémy s doplňování/změnou nevhodného chladiva v TČ (např. dříve R22 (freon) zákaz používání pro údržbu a servis, zákaz používání zařízení) 102

103 Absorpce pohlcování jedné látky druhou např. pohlcování Tepelný plynu s kapalinou. Absorpční tepelné čerpadlo Ohříváním směsi vody s chladivem dochází k odpaření chladiva (exsorpce) chladivo je pohlceno zpět do vody (absorpce) Absorpční tepelné čerpadlo oběh GAX 103

104 Topný faktor Tepelné čerpadlo Vyjadřuje poměr dodaného tepla k množství spotřebované energie (2-5). Q množství tepla, které TČ vyrobí (kwh) E množství energie spotřebované na provoz TČ (kwh) COP - Coefficient of Performance Trocha teorie.. Charakteristika kompresoru, vznikl pro odlišení vlastností tepelných čerpadel Udávají výrobci za laboratorních-určených podmínek EER-Energy Efficiency Ratio (označení COP dle současných EN) Topný faktor vztažen k primárnímu okruhu Pro TČ voda-voda, země-voda i provoz čerpadel 104

105 Trocha teorie.. COSP - Coefficient of System Performance SEER-System Energy Efficiency Ratio Charakteristika celého vytápěcího/chladícího systému Provozní topný faktor (reálný, vhodný pro výpočet ekonomiky provozu) Dle podmínek na primární i sekundární straně TČ. Čím vyšší je teplota prostředí, ze kterého je teplo odebíráno a čím nižší je teplota soustavy, do které je teplo odevzdáváno, tím vyšší má TČ topný faktor. Díky vyššímu topnému faktoru u TČ země-voda než vzduchvoda má toto řešení cca o 20% nižší spotřebu elektrické energie. Tepelné čerpadlo Základní požadavky kladené na zdroj energie pro TČ: dostupnost kapacita vyšší teplota Zdroj tepla Teploty Vzduch +25 až -18 C Země 2-10 C Spodní voda (studny) 8-12 C Povrchová voda (vodoteč) +18 až 0 C 105

106 Tepelné čerpadlo Tepelné čerpadlo vzduch-voda Nižší cena Provozně horší COP Nutnost řešení hlučnosti ventilátoru na výparníku Provedení Samostatná venkovní a vnitřní jednotka Kompaktní provedení vnitřní Kompaktní provedení venkovní Zdroj tepla Okolní vzduch Levnější varianta, výměník vně nebo uvnitř objektu, nutné velké množství vzduchu vyšší hlučnostnároky na umístění, funkce do cca -12 C, nebezpečí namrzání výměníku. Odpadní vzduch Výhodný zdroj tepla pokud je v dostatečném množství. 106

107 Tepelné čerpadlo vzduch-voda Samostatná venkovní jednotka Venkovní jednotka s ventilátorem je propojena s vnitřní částí izolovaným potrubím, délka bývá do 10 m. Jednotka umístění střecha venkovní stěna země Umístění venkovní jednotky musí být zvoleno tak, aby hluk kompresoru a ventilátoru byl co nejmenší. Nejvhodnější umístění u objektu jižní strana Průtok vzduchu dle výkonu (např. 2000m3/h pro 6kW, 5000 pro 12kW) Tepelné čerpadlo vzduch-voda Akustické vlastnosti ventilátoru výparníku 107

108 Tepelné čerpadlo vzduch-voda Samostatná venkovní jednotka Výparník musí být umístěn na betonovém bloku či loži poblíž venkovní stěny budovy Vzdálenost mezi stěnou a jednotkou musí být nejméně 180 mm (rohové umístění 250 mm) Výfuk vzduchu alespoň 1m Podloží musí umožňovat odtok kondenzátu a roztátého sněhu - pod venkovní jednotkou kamenný obrubník, cm vyplněno štěrkem Tepelné čerpadlo vzduch-voda Umístění venkovní jednotky-příklad 108

109 Tepelné čerpadlo vzduch-voda Odebírání energie okolí ve výparníku s ventilátorem EC motory-elektronicky řízené otáčky-úspora energie, snížení hluku Tepelné čerpadlo vzduch-voda Kompaktní provedení vnitřní Celé tepelné čerpadlo je umístěno ve vnitřním prostoru. Sání i výfuk vzduchu musejí být v dostatečné vzdálenosti od sebe, aby nedocházelo k míchání vzduchu. Umístění v technickém prostoru uvnitř budovy je výhodné i s ohledem na hluk v exteriéru, umístěni však musí odpovídat dispozici budovy a umístění pobytových místností. 109

110 Tepelné čerpadlo vzduch-voda Tepelné čerpadlo vzduch-voda 110

111 Tepelné čerpadlo vzduch-voda Kompaktní provedení venkovní Řešení, kdy je celé tepelné čerpadlo je umístěno ve venkovním prostoru. Výhodou je, že toto zařízení nezabírá žádný vnitřní prostor a lze tu využít i hořlavá chladiva např. propan. TČ na střeše bytového domu Plynová tepelná čerpadla + plynové kotle 111

112 Zdroj tepla Tepelné čerpadlo země-voda soustava vrtů plošný zemní výměník Vrty Tepelné čerpadlo země-voda výkon vrtu závisí na typu horniny a typu sondy hydrogeologický průzkum průměrně lze počítat s výkonem 50 W.m -1 délky vrtu, vrty běžně do hloubky 130 m, rozteč vrtů cca 10m, volíme zpravidla stejnou hloubku vrtů např. 2x70m 112

113 Důležitý vliv má voda Hlubinné vrty Hlubinný vrt Suché podloží (sedimenty s vodivostí do 1,5 W/m.K) Normální podloží Pevné skalní podloží Vodou nasycené sedimenty Pevné skalní podloží (skála s vodivostí nad 3 W/m.K) (W/m) Hlubinné vrty Nesmí být poškozeny hydrogeologické vrstvy-bentonit, zacelení!! Vždy platí, že materiál použitý pro primární systém potrubí TČ by měl být vzhledem k ekonomické náročnosti vrtů co nejlepší, aby vrty bylo možné využívat co nejdéle. Životnost vrtů dle materiálů 50 let 113

114 výstroj vrtu tvarové uspořádání výměníku Hlubinné vrty Hlubinné vrty v průběhu životnosti vrtu dochází k úbytku potenciálu závislé na vzdálenosti vrtů, typu zeminy a odebíraném výkonu 114

115 Hlubinné vrty-příklad provádění Povrchové vrty Vrty hloubky 5m vzdáleny 3-4 m, odstup od budovy 2m Délka sondy 3m (délka 40m, průměr 40cm) Vhodné pro malé pozemky kde není možné provést hloubkové vrty. Paralelní zapojení nebo až 3 sondy sériově. Výkon W/m (dle typu zeminy a množství vody) 115

116 Tepelné čerpadlo země-voda Plošné výměníky Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z plastového potrubí (např.pe) plněného nemrznoucí směsí Ochlazování půdy. Teplota zeminy únor květen listopad srpen 116

117 Teplota zeminy. Tepelný tok 117

118 min. 1,5 m od budovy Plošné výměníky výkon 16W.m -2 plochy kolektoru při běžné hloubce uložení zemního výměníku 1,5m výskyt spodní vody až 40W.m -2 smyčky potrubí ukládané v rozteči 0,5-1m, délka m pokud více než 5 smyček-vhodné použít rozdělovač a sběrač Výkonové charakteristiky plošného výměníku Standardní plošný zemní kolektor výkony pro odběr tepla (W/m2) Suchá písčitá půda Vlhká písčitá půda Suchá jílovitá půda Vlhká jílovitá půda Půda s protékající spodní vodou

119 Prefabrikovaný rozdělovač a sběrač primárního okruhu Výkopové provedení plošného výměníku Plošný kolektor se skládá z jednotlivých výkopů Rozměry 20 x 1m,hloubka 1,2-1,8m. Na dno každého výkopu se uloží (do pískového lože) 200m plastového (PE) potrubí. Menší plocha - vyšší cena 119

120 Ukládání plošného výměníku do rýh v zemi šetrnější přístup k ukládání potrubí rychlejší provedení výkopu a zásypu využití strojní mechanizace Tepelné čerpadlo voda-voda Povrchová voda - Voda v toku nebo rybníku, výměník ve vodě, na břehu. Pozor na teploty v zimním období. Podzemní voda - Voda se odebírá ze sací studny a po ochlazení se vypouští do vsakovací studny nebo vodoteče (platba stočného). Zdroj podzemní vody musí být dostatečně vydatný (přibližně l/min pro TČ s výkonem 10 kw). 120

121 Dimenzování TČ výkon TČ 75-90% celkového požadovaného výkonu zdroje tepla (pozor na žádané parametry interiéru -20 C?) Výkon TČ 100% ekonomika, vestavba elektrokotle Dimenzování TČ Bod bivalence představuje bod, kdy je nutné připojit k tepelnému čerpadlu, s ohledem na potřebu tepla, další zdroj. Monovalentní zdroj Vícevalentní zdroj 121

122 Dimenzování TČ vzduch-voda Energetická potřeba objektu 122

123 TČ vzduch-voda S poklesem teploty pod určitou mezní teplotu (zde cca 2 C) se zvyšuje energetická náročnost TČ (skok v charakteristice). Nárůst je potřebný pro odtávání námrazy, která na výparníku při odvádění tepla ze vzduchu vzniká. Mezní teplota a velikost skoku závisí na použitém způsobu odtávání výparníku. S poklesem teploty pod teplotu bivalence se snižuje množství tepla hrazené tepelným čerpadlem. TČ země-voda 123

124 Tepelné čerpadlo navrhnout TČ tak, aby pracovalo co možná nejvíce a po co nejdelší dobu omezit krátkodobé zapínání a vypínání, překlenout např. tarifní přerušení dodávky elektrické energie-elektronika tč max. 3-4 starty za hodinu, min. doba provozu 20min, řízení výkonu kompresoru (frekvenční měnič, rozsah) objem otopného systému zvýšit pomocí akumulačního zásobníku tepla vhodná kombinace s nízkoteplotním systémem vytápění (soustava nejlépe <40 C např. 45/30 C PDL, 50/40 C OT) nejčastěji jako bivalentní zdroj tepla-doplnění např. elektrokotlem nutná kapacita elektrické přípojky, využití speciálního tarifu max. teplota 55 C (při úpravě primárního okruhu až 65 C) Tepelné čerpadlo Primární okruh musí mít pro vyrovnávání objemových změn vybaven vyrovnávací nádobou a pojistným ventilem. Kontrola skutečného provedení vrtu pomocí označených potrubí TČ vzduch-voda hrozí vznik kondenzátu/námrazy. Umístění TČ ve větrané a temperované místnosti. Hluk z provozu TČ-pozor zvláště u lehkých staveb Přerušované vytápění a TČ-výhodný většinou jen u NED domů (3-5kW), pozor na setrvačnost podlahových systémů 124

125 125

126 Chlazení pomocí TČ Reversní provoz - obrácení provozu TČ, tedy odebírání tepla v interiéru a jeho odevzdávání v primární části. Technicky je nutné provést instalaci speciálních armatur, které toto obrácení běhu umožní. Přímé chlazení - kompresor TČ není v provozu a teplo z interiéru je odváděno do země nebo vody. Chlazení interiéru přímo chladem ze země nebo vody. Tento způsob chlazení je energeticky úsporný a má využití u budov s nízkou spotřebou energie. Energetické piloty Objem betonu a zeminy pod slouží jako akumulátor chladu nebo tepla. Využití stavebních pilot. Piloty o průměru 0,12-1,2m a hloubce 3-30 m. Možné použití systému přímého chlazení (bez TČ). Min. teplota-2 C (nebezpečí promrzání zeminy) 126

127 Biomasa 253 Biomasa Biomasa je hmota organického původu (rostlinného i živočišného). Rostlinná biomasa (fytomasa) složena z vody, kysličníku uhličitého ze vzduchu, malého procenta různých prvků z půdy a za existence fotosyntézy a slunečního záření o volné vlnové délce 0,38 až 0,79 mikronů: 6 CO H 2 O + energie + stopové prvky = C 6 H 12 O O 2 Vytváří se cukry, škrob, lignin, bílkoviny, tuky, latexy, vláknina-celulóza a další látky. Fotosyntéza - pomocí zeleného barviva (chlorofylu) je zachycována do org. sloučenin sluneční energie. Hlavní přínosy biomasy: redukce skleníkových plynů snížení závislosti na dovozu energie regionální rozvoj 127

128 Biomasa Způsoby získávání energie Termo-chemicky (spalování)-problematika vlhkosti- např. dřevo za 1,5 roku w=20%, výhřevnost závisí na množství hořlaviny (organická část, směs hořlavých uhlovodíků). Spalování přímé nebo spalování vyrobených kapalných nebo plynných produktů (olej,..) C 6 H 12 O O 2 = 6 CO H 2 O + energie + popel Bio-chemicky (fermentace, alkoholové kvašení, anaerobní vyhnívání, metanové kvašení (bioplyn)) Mechanicko-chemická přeměna (lisování olejů, štípání, drcení, lisování, peletování, výroba bionafty) Biomasa Pěstovaná k energetickým účelům Lignocelolůzové Dřeviny (vrba, olše), obiloviny Travní porosty (sloní tráva) Ostatní porosty (šťovík,..) Olejnaté (řepka, slunečnice) Škrobo-cukernaté (brambory, kukuřice) Nutný dobrý ekonomický rozbor záměru. 128

129 Odpadní produkty Biomasa Rostlinné odpady - zemědělská prvovýroba (řepková sláma, sekaná tráva, sláma..) Lesní odpady (dendromasa) - nevyužitá stromová hmota po lesní výrobě (větve, pařezy) Organické odpady z průmyslové výroby (dřevařská výroba, cukrovary, mlékárny,..) Odpady ze živočišné výroby (hnůj, kejda,..) Komunální organické odpady (kal, komunální tuhý odpad) Rostlinné odpady Biomasa Sláma Je možné přímé spalování vysoký podíl zplynovaných částí hoří vysokým plamenem nevýhodou je nízká měrná hmotnost a vysoké nároky na skladovací prostory nízký obsah popelovin (kolem 5 %) 129

130 Rostlinné odpady Zelené rostliny Biomasa - zbytky z krmných rostlin a zeleniny - vysoká vlhkost vede k z pracování technologií bioplynu - průměrný obsah sušiny 17MJ/kg Biomasa Rostliny pěstované pro energetické účely Výběr vhodných plodin -energetická výtěžnost -biodiverzita -obslužnost běžnou zemědělskou technikou -účinnost spalování+škodliviny ve spalinách -legislativa 130

131 Biomasa Rychle rostoucí rostliny Dřeviny (RRD)-výmladkové platáže využitelnost po 8 letech, životnost let nejedná se o zemědělskou půdu, (cca 1h/1RD) topoly, vrby (ověřované jilm, olše) Byliny (energetické byliny) Jednoleté, víceleté, vytrvalé, nižší energetický zisk např. šťovík, sklizeň od 2 roku každý rok, životnost 10 let, cena energie cca 100 Kč/GJ Rostliny obsahující škrob a cukr výroba etanolu (brambory, kukuřice) Olejnaté rostliny výroba oleje, využití vedlejších produktů (řepka, slunečnice) Sklizeň rostlin Biomasa 131

132 Biomasa Mechanicko-chemická přeměna Výroba paliv štípání, řezání-výroba možná i v malospotřebě drcení, lisování, peletování, štěpkování -nutné speciální stroje, jejichž pořízení se vyplatí pro větší zdroje tepla nebo pro prodej-centrální kotelny pro spalování biomasy s dálkovým rozvodem tepla Doprava paliva-manuální, automatická Biomasa Palivo upravené do lépe využitelné podoby: (výroba paliva-cena energie-dostupnost) štěpka -použití: kotle na kusové dřevo, interiérové kotle, krbová kamna, kotelny na automatické spalování biomasy dřevo-použití: kotle na kusové dřevo, interiérové kotle, krbová kamna dřevní brikety-použití: kotle na kusové dřevo, interiérové kotle, krbová kamna piliny- kotle na kusové dřevo, kotelny na automatické spalování biomasy pelety-slisované piliny a hobliny v podobě malých válečků. Umožňují automatizovat dopravu paliva do kotle. Výhřevnost do 18MJ/kg 132

133 Biomasa Pelety použití: automatické kotle na obilí a pelety, kotelny na automatické spalování biomasy Pelety z řepky Pelety ze šťovíku Dřevní pelety s kůrou Dřevní pelety bez kůry Obilniny Použití: automatické kotle na obilí a pelety pšenice, oves, hořčice Dřevo energetické vlastnosti závislé na obsahu vody w=50% výhřevnost je poloviční ve srovnání s w=10% cca 16 MJ/kg Parametry 133

134 Termíny Výhřevnost -množství tepla, uvolněného dokonalým spálením jednoho kilogramu paliva při stejné teplotě, vodní pára nezkondenzuje Spalné teplo -je množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením 1kg paliva o teplotě 20 C při ochlazení spalin znovu na 20 C, přičemž zkondenzuje vodní pára zpět na vodu Obsah vody max 100% m1 hmotnost vzorku surového dřeva m2 hmotnost vzorku po vysušení Technický pohled Dřevozprac. průmysl Energetické vlastnosti Biomasa 134

135 Spalování biomasy přímé spalování ekonomické u produktů ze dřeva (polena, štěpka, brikety, pelety) a slámy nutný nízký obsah vlhkosti u slámy vysoký obsah létavých částeček zplyňování přeměna pevných paliv v plynná paliva teploty 500 až 1200 C, způsob konverze ligninu (tvoří cca % biomasy), kdy je objem hmoty redukován až o 90 %. Jako vstupní surovinu na výrobu syntetického plynu lze použít různé druhy obilovin, trávu, rychle rostoucí dřeviny (topoly, vrby). Nejlepší účinnosti zařízení se dosáhne, pokud je konstruováno speciálně pro daný druh paliva. pyrolýza zužitkování tuhých odpadů Malé zdroje tepla Spalování biomasy Lokální topidla dřevo, brikety Krby, krbová kamna -teplovzdušné; s teplovodní vložkou Kachlová kamna Výkon 7kW, spotřeba paliva 3,6 kg/h, doba hoření 3h. 135

136 Biomasa Kotle pro centrální vytápění dřevo, brikety, štěpka, pelety. Výkon běžně do 100 kw. Nutné řešit uskladnění a dopravu paliva Automatický kotel na pelety, výkon do 20kW Kotel na dřevo 45 kw, účinnost 85% Zplyňovací kotel na dřevo 99kW, účinnost 85-90% Zpravidla na sypká paliva Kotle se zásobníkem Lze používat i kusová paliva Zásobník ocelový, textilní, plastový 136

137 Kotle se zásobníkem Objem zásobníku běžně 3-5 m 3 Doprava paliva do kotle Sypká paliva (pelety,..) Šnekový dopravník, pneumatická doprava 137

138 Peletové kotle Peletové kotle Výhodné použití akumulačního zásobníku Doporučená velikost 20l/1kW výkonu Umožněno spalování s vysokou účinností Lepší provozní vlastnosti vzhledem k odtahu spalin Nutné posoudit zda komín nemusí být řešený jako mokrý (nebezpečí kondenzace spalin v komíně) 138

139 Velké zdroje Biomasa Automatické kotle umožňují spalovat i méně kvalitní paliva jako jsou dřevní štěpka, sláma, kůra. Kotle vhodné zejména pro CZT. Náklady na výstavbu zdroje tepla jsou investičně závislé na dostupnosti vhodného zázemí. Provozní náklady pak na dostupnosti paliva a případně nutnosti jeho dopravy. 2,7 MW Dešná Jidřichův Hradec Kotel na spalování balíků slámy 139

140 Kotel na spalování balíků slámy Zdroj na spalování balíků slámy 140

141 Výtopna na spalování slámy Bioplyn Nejrychleji se rozvíjející oblast v ČR, dříve spojeny především s ČOV. Kompostování zemědělského a komunálního odpadu Oddělení frakcí-fermentor (ohřev na cca 40 C) bakterie rozkládají odpad-výroba bioplynu a hnojiva, odpad je nutné hygienizovat. Hnojivo je ekologicky nezávadné, kvalitní. Bioplyn dosahuje 70% výhřevnosti zemního plynu cca 21MJ/m 3 141

142 Schéma bioplynové stanice Zjednodušené schéma bioplynové stanice fermentor sběrná nádrž zásobník zpracované biomasy plynojem kogenerační jednotka 142

143 Bioplynová stanice Výtěžnost: 10kW=1ha plantáže bylin 1kW=cca 10 dobytčích jednotek Možno zpracovat všechnu biologickou hmotu mimo dřeva. Kogenerační jednotky bioplynových stanic-nutné zajistit vhodné složení bioplynu Při využití kogenerace nutno najít účelné využití tepla v letním období. BCM metoda Bioplynová stanice Zpracování bioplynu na zemní plyn v požadované kvalitě a CO 2. Vyráběn může být methan, soda, CO 2. Nejvhodnější metoda závisí na množství zpracovávaného bioplynu. 143

144 Skládkový plyn Směs plynů vznikajících při mikrobiologickém rozkladu organických složek odpadu. Skládky tuhých komunálních odpadů (TKO) Nepříjemný zápach v okolí, možná exploze skládkového plynu Skládkový plyn musí být odváděn a využíván ČR cca 312kg TKO/os.rok cca 35% organického původu Geotermální energie

145 Geotermální energie Zdroj tepla: vznik planety + rozpad radioaktivních látek Využití: zásobování teplem výroba elektřiny (ohřev >150 C) zásobníky tepla, chladu Praktické využití vázáno na cenu energie a její využitelné množství. Teplotní gradient C/km hloubky Umístění geotermálních elektráren 145

146 Geotermální energie Nízkoteplotní geotermální energie -využitelná téměř všude, nutné respektovat lokální podmínky Výměník, tepelné čerpadlo, (pod 100 C) Vysokoteplotní geotermální energie -nutné podrobné technicko-ekonomické posouzení, voda často silně mineralizovaná, přímá výroba elektřiny parními turbínami, kogenerace (nad 150 C) Středně teplotní ( C) - využívají se na výrobu elektrické energie nepřímo -teplá voda nebo pára předá tepelnou energii jinému mediu, které pak pohání turbíny Základní princip provozu geotermální elektrárny 146

147 Geotermální energie Hlavní sledované fyzikální veličiny tepelný tok Průměrný tepelný tok (množství tepla, které projde jednotkovou plochou na zemském povrchu) na Zemi je 60 +/- 10 mwm -2. tepelná vodivost hornin hydrogeologické parametry lokality Přímé využití geotermální energie 1. Vrt 2. Hlava vrtu 3. Přívodní potrubí geotermální energie 4. Průtočný bazén 5. Vypuštění bazénu 6. Přepad 147

148 Nepřímé využití geotermální energie 1. Vrt 2. Hlava vrtu 3. Výměník tepla 4. Ochlazená geotermální voda pro další použití 5. Odpadní geotermální voda 6. Recipient 7. až 10 Vytápěcí systém Nepřímé uzavřené využití geotermální energie 1. a 11. Vrt 2. a 10. Hlava vrtu 3. Výměník tepla 4. a 7. Odběrná místa 5. a 9. Čerpadlo 6. Výměník tepla 7. až 10 Vytápěcí systém 148

149 Přímé využití horké páry 1. Geotermální vrt 2. Hlavní uzávěr vrtu 3. Parní turbína 4. Generátor Přímé využití horké páry s kondenzátorem 1. Geotermální vrt 2. Hlavní uzávěr vrtu 3. Parní turbína 4. Generátor 5. Kondenzátor 6. a 8. čerpadla chladícího okruhu 7. Chladící věž 9. Reinjektážní čerpadlo 149

150 Kogenerace 299 Kogenerace Kombinovaná výroba elektrické energie a tepla (KVET, CHP) Jedná se zpravidla o přeměnu primární energie na energii elektrickou tak, aby bylo možné využít odpadní teplo. Podmínkou využití kogenerace je celoroční zajištění odběru tepla v blízkosti zdroje (např. příprava TV, technologie, vytápění). Do budoucna nutno počítat s využíváním různých paliv. Situace v ČR: Teplárny v blízkosti měst, elektrárny v blízkosti zdroje paliva. Trigenerace - výroba tepla, chladu a el. energie 150

151 Porovnání spotřeb energie Kogenerace Kogenerace Hodnocení zdrojů KVET dle ukazatelů: Teplárenský modul Účinnost výroby el. energie ve zdroji KVET Účinnost výroby tepla ve zdroji KVET Celková účinnost zdroje KVET Celková roční doba provozu zdroje KVET Doba využití maximálního výkonu zdroje KVET Výkonový teplárenský součinitel Roční teplárenský součinitel 151

152 Kogenerace Technologie zdrojů KVET: Parní protitlaková turbína Parní odběrová turbína Plynová turbína s rekuperací tepla Paroplynové zařízení s dodávkou tepla Spalovací pístový motor Další technologie mikroturbína, Stirlingův motor, palivový článek, parní stroj, organický Rankinův cyklus a kombinace uvedených technologií a zařízení Kogenerace Parní odběrová turbína Mezi první a druhým stupněm turbíny se část páry využívá pro teplárenské účely. Neodebraná pára kondenzuje. Plynová turbína s rekuperací tepla V podstatě proudový motor s využíváním energie spalin. Lopatkový kompresor stlačuje vzduch, dochází k ohřevu spalinami a k expanzi v prostoru turbíny. 152

153 Kogenerace Spalovací pístové motory Motor spalující levné palivo s přeměnou mechanické práce na elektrickou energii v generátoru a s využitím vznikajícího tepla. Nejběžněji využito v malých a středních kog. jednotkáchnemocnice, sportovní haly, bazény, obchodní a administrativní centra, ČOV, bioplynové stanice, okrskové kotelny. Provedení od malých 2 válcových kompaktních motorů až po oddělené 18 válcové umístěné z důvodu hluku v samostatných prostorách. Palivo kogeneračních jednotek Běžně jednotka pro spalování zemního plynu Spalování alternativních plynných paliv bioplyn (ze zemědělských bioplynových stanic) kalový plyn (z čistírnách odpadních vod) skládkový plyn (ze skládek komunálního odpadu) důlní plyn (z uhelných dolů) 153

154 Kogenerace Spalovací pístové motory Odvod tepla běžně 2 stupňový-předehřev olej/voda a dohřev výfukové plyny/voda Vyráběné teplo má omezenou teplotu (100 C). Vhodné ve spojení s akumulátorem tepla-není nutné maření tepla při potřebě elektřiny. Snížení výkonu nemá výrazný vliv na snížení účinnosti. Kogenerace Parní stroj využití k redukci páry pára přiváděna do pístů princip znám z historických strojů Organický Rankinův cyklus Pro nižší teploty je výhodnější využití organických látek místo vody Jednodušší turbína, látky známé z chlazení (obrácený R.cyklus)-freony, alkany, aromatické uhlovodíky 154

155 Kogenerace Další technologie: Mikroturbína-vysokootáčková plynová turbína (10-100kW), rychlost, nízká hmotnost, účinnost 80% (elektřina 30%), vyšší cena, poměr výroby elektřina/teplo ½ Stirlingův motor - motor s uzavřeným vnitřním prostorem, možnost využití jakéhokoliv paliva, levný provoz, životnost,nízká hlučnost, nyní vyšší cena Kogenerace Mikrokogenerace využití kogenerace v oblasti malých výkonů Využívání plynových motorů Účinnost až 90% Podpora na vyrobenou energii (spotřebovanou i prodanou+prodej elektřiny) Dimenzování na potřebu tepla (zima provoz až 12h, léto provoz ve špičkách 2-8h) RD výkon elektrický 1-2kW, tepelný do 10kW - vysoká pořizovací cena, nízká výkupní cena elektrické energie, jednotky nejsou v nabídce běžných výrobců (jednotka 5kWe cca 3000EUR/kWe) 155

156 Testování mikrokogeneračních jednotek Plynový kondenzační kotel kombinovaný se Stirlingovým motorem pro RD 1kWe 6-18kW tepla Cenové rozhodnutí ERÚ 156

157 Palivové články 313 Palivový článek Výroba elektrické energie a vzniku tepla změnou chemické energie paliva. Dochází k přívodu paliva k anodě a okysličovadla ke katodě. Palivo-vodík v kapalném nebo plynném stavu, paliva obsahující vodík. Tichý proces, nízká zátěž životního prostředí, účinnost 85%, elektřina/teplo=1/1,2 Využití při vytápění, v kogeneračních jednotkách malých výkonů, při pohonu automobilů. 157

158 Palivové články Typy článků dle provozní teploty a elektrolytu: (kyslíko-vodíkové články) Alkalické články (AFC)-nejstarší typ, vysoké nároky na čistotu paliva a okysličovadla, drahý provoz (družice, vojenství 400W-20kW) Články s polymerovou membránou (PEMFC)- vhodné pro automobily, pracovní teplota C, perspektivní i pro vytápění Články s kyselinou fosforečnou (PAFC)- připraveno pro komerční využití, kogenerace. Karbonátové články (MCFC) -ověřovací provoz, články 2 generace, teplota 650 C, pro průmyslové aplikace. Články s pevným elektrolytem (SOFC) - demonstrační provoz, teplota až 1000 C, velké zdroje energie, elektrárny. Palivový článek Palivové články dělíme podle elektrolytu a teploty: Článek Elektrolyt Pracovní teplota ( C) Nízkoteplotní Alkalický (AFC) Membránový (PEMFC) Roztok KOH Iontoměničová membrána Rozmezí výkonů (kw) 0,5-100 kw do 500 kw Středněteplotní Kyselý (PAFC) Roztok kyseliny fosforečné do 15 MW Vysokoteplotní Z tavených karbonátů (MCFC) Z vodivých oxidů (SOFC) Tavenina karbonátů Li, Na, K Keramické oxidy zirkonia do 100 MW do 100 MW 158

159 Palivový článek Komunikace (palivo metanol) Automobilový průmysl Energetika Palivový článek dodává 4kW elektrické a 9kW tepelné energie. Vyrobená energie se používá pro vytápění, ohřev teplé vody a dodávku elektřiny. Palivem je zemní plyn. 317 Energie větru

160 Slunce nerovnoměrně zahřívá zemi-vznikají vzdušné proudy Snadné využití pro výrobu elektrické energie Rozvoj větrné energetiky v souvislosti se státními garancemi výkupních cen Možnost likvidace po skončení životnosti Energie větru Systém výroby elektrické energie 160

161 Energie větru Konstrukční provedení větrné turbíny vodorovná osa otáčení svislá osa otáčení Větrná energie-konstrukční provedení větrné turbíny Vodorovná osa otáčení nejběžnější typ vztlakový princip využívá princip vztlaku-podobně jako letecké křídlo» podél rotorových listů vznikají aerodynamické síly; listy proto musejí mít speciálně tvarový profil velmi podobný profilu křídel letadla» energie větru je převedena na rotační energii mechanickou. Ta je poté prostřednictvím generátoru zdrojem elektrické energie. natáčení rotoru kolmo na směr větru 161

162 Větrná energie-konstrukční provedení větrné turbíny Svislá osa otáčení vztlakový princip-možnost vyšší rychlosti otáček, nižší hlučnost (možnost výstavby ve větší blízkosti), nižší životnost-vyšší namáhání, nižší výkony odporový princip Větrná turbína Vícelopatkový rotor desítky listů rotoru (např. americké kolo) malá náběhová rychlost (cca od 0,2m/s) účinnost % Vrtule 1-4 listy rotoru náběhová rychlost 3-6m/s nejpoužívanější typ pro výrobu elektrické energie účinnost % Savoniův rotor 2 listy rotoru účinnost do 20 % náběhová rychlost od 2 m/s Darrierův rotor 2-3 listy rotoru účinnost do 40 % náběhová rychlost 5-8 m/s (nutnost roztočení) 162

163 Výkon větrné turbíny Maximální účinnost větrného stroje 59 % (Betzovo pravidlo - odvedená práce bude rovna rozdílu kinetické energie na vstupu a výstupu z rotoru) Teoreticky dosažitelný výkon Pt Betzův koeficient kb=0,59 Reálný výkon P D průměr rotoru (m) v rychlost větru (m/s) ρ měrná hmotnost vzduchu (m3/s) Cp součinitel výkonnosti (ideálně 0,59)-závisí na rychlosti větru Roční využití větrné elektrárny 10-30% Výkon je velmi závislý na rychlosti větru. Výkonový součinitel větrné turbíny Reálná účinnost 35-45% 163

164 Rozdělení větrných elektráren podle výkonu Malé větrné elektrárny Střední větrné elektrárny Velké větrné elektrárny s výkonem do 60kW s výkonem kW s výkonem kW Velikost větrných turbín 164

165 Větrná elektrárna s výkonem 55kW 400V,pracovní rozsah 3,5-25m/s Energie větru Větrná elektrárna s výkonem 8kW 230/400V,pracovní rozsah 2,5-25m/s Energie větru - konstrukce gondoly 1) Hlavní hřídel 2) Nosný rám strojovny 3) Převodovka 4) Spojení mezi převodovkou a generátorem 5) Generátor 6) Systém natáčení strojovny 7) Hydraulické systémy 165

166 Příklad větrných elektráren Protivanov výkon 1,5MW Ukazatele využitelnosti: Energie větru Rychlost větru (m/s) v dané výšce -běžně 10m (logaritmický profil rychlosti v závislosti na drsnosti povrchu) Výkon roste se třetí mocninou rychlosti Četnost rychlosti větru (distribuční charakteristika) Vhodné lokality je možné stanovit pomocí analýzy dat dostupných z meteorologických stanic Dostupnost lokality Nadmořská výška (námraza,..) Majetkoprávní vztahy Zátěž ŽP 166

167 Energie větru Nutné provést měření ve vybrané vhodné lokalitě Min. 4m/s (2,5m/s-dělené generátory) Plný výkon běžné elektrárny 10 (15) m/s Maximální rychlost větru 25 m/s Značně proměnlivý výkon - nutný transformátor pro vyrovnání napětí Energie větru Proudění větru kolem překážek 167

168 Energie větru X Energie větru 168

169 Využití energie Energie větru Grid-off systém - systém nezávislý na elektrické síti malé výkony synchronní generátor stejnosměrné napětí 12V nebo 24V zpravidla malé elektrárny výkon 0,1-5 kw+baterie+elektronika možné propojení se systémem fotovoltaických panelů Využití energie Energie větru Grid-on systém -propojení s elektrickou sítí Zpravidla komerční výroba elektrické energie Trend výstavba velkých elektráren (omezené území, nižší náklady na výkon) Velké výkony Asynchronní generátor 660V, střídavé napětí Nelze použít pro autonomní systémy Rotor m, stožár >100m Výkon kW (moře, pobřeží 5MW) Většinou konstantní otáčky a 3-listé provedení-s rostoucí silou větru se zvyšuje zátěž Výstavba většího počtu elektráren - větrné farmy ČR systém výkupní ceny elektřiny nebo zelené bonusy 169

170 Energie větru Problematika větrných elektráren Hlučnost-lze řešit umístěním do vhodné vzdálenosti od obydlí, nutná hluková studie Rušení zvěře a ptactva -údajně není významné, umístění mimo tahy ptáků Rušení signálu TV, rádio, telefony -technicky řešitelné posílením signálu Stroboskopický efekt (vhání pohyblivých stínů) -umístění Narušení rázu krajiny Otázka vhodného výběru lokality Příklad větrné elektrárny Jednotkový výkon 3MW (2ks) Pchery (Kladno) 170

171 Cenové rozhodnutí ERÚ 171

172 Energie větru Ukazatele využitelnosti: Rychlost větru (m/s) v dané výšce -běžně 10m (logaritmický profil rychlosti v závislosti na drsnosti povrchu) Četnost rychlosti větru (distribuční Větrná růžice charakteristika) Vhodné lokality je možné stanovit pomocí analýzy dat dostupných z meteorologických stanic Dostupnost lokality Nadmořská výška (námraza,..) Majetkoprávní vztahy Zátěž ŽP Rychlost větru měření CHMI 172

173 Celkový instalovaný výkon větrných elektráren EU 173

174 Instalovaný výkon větrných elektráren v roce 2010 v EU Spotřeba energie pokrytá energií vyrobenou z větru 174

175 Nově instalovaný výkon zdrojů energie (MW) Umístění větrných elektráren Větrný park - větrná farma onshore offshore Využití kontinentálního šelfu - větrné turbíny jsou nákladnější ale výkonnější 175

176 Kontinentální šelf Šelf-oblast mělkého moře v blízkosti pevniny (dříve do 200m hloubky) Podle mezinárodního práva má na zdroje v kontinentálním šelfu právo stát, který šelfu přiléhá. Příklad Větrný park Baltic 1 Německo, Baltské moře Oficiální připojení , 1 komerční projekt, výstavba cca 3 roky Instalovaný výkon 48,3MW (21 turbín 2,3MW, turbína 140t, průměr 93m, výška m) Baltské moře-průměrná rychlost 9m/s nárazy větru až 120km/h, vlny až 5m, nutná ochrana proti ledovým krám hloubka moře 20m Příprava projektu Baltic 2 288MW (2012) 176

177 Větrný park Transformátor na moři (na 150kV pro dopravu na větší vzdálenosti) Technické vybavení, krátkodobé ubytování Kabel průměr 23,5cm, hmotnost 105kg/m Základy větrné elektrárny v moři 177

178 Využití větrné energie ve městech Zpravidla využití malých větrných turbín Umístění turbín na budově integrace s budovou samostatné umístění turbín Využíváno z důvodu nutného použití obnovitelných zdrojů energie pro dosažení lepší energetické bilance Větrné turbíny jsou výrazným prvkem budovy Nutné řešení akustiky, vlivu vibrací Energie větru Možnost spojení architektury s výrobou energie 178

179 Příklad budovy Bahrain World Trade Center prestižní budova určená pro reprezentaci (2008) první mrakodrap s integrovaným systémem výroby el. energie z větru využití energie větru vanoucího od moře výška budovy 240m Příklad budovy Bahrain World Trade Center tvar mrakodrapů koncentruje energii větru na turbíny 3x větrná turbína - průměr 29m, výkon 225kW zajištění zhruba 11-15% celkové spotřeby elektřiny obou budov (1100 až 1300 MWh/a) 179

180 Směr vývoje vývoj velkých turbíny s výkonem 20 MW a průměrem 200 metrů vytváření infrastruktury pro rozvoj větrných parků rozvoj mořských větrných parků vývoj větrných elektráren pro hlubší moře Větrná elektrárna ve vzduchu airborne wind turbine design concept 180

181 Energie vody 361 Vodní energie Vodní elektrárny - založeny na přeměně potenciální energie vodního toku Využitelná energie závisí na průtoku a spádu Výroba elektrické energie Základní části (vodní dílo) Vodní stavba - přehrada, jez vodní stroj - turbína generátor elektrické energie Stabilní výkon zdroje Nutnost údržby toku 181

182 Vodní elektrárny Přehradní vodní elektrárny Vltavská kaskáda - Orlík (364MW), Slapy (144MW) a Lipno (120MW) Přečerpávací vodní elektrárny Dlouhé stráně (650 MW) a Dalešice (480 MW) reakční doba s do plného výkonu největší elektrárna Čína, Tři soutěsky na řece Jang-c'-ťiang, instalovaný výkon přes 18000MW Vodní elektrárny Dle instalovaného výkonu: MVE do 10MW domácí, mikroelektrárny, minielektrárny, průmyslové SVE MW VVE nad 200MW Typ zařízení Přehradní Přečerpávací Přílivové - umístění v ústí řek nebo v moři 182

183 Použití turbín Vodní energie-rovnotlaké turbíny Peltonova turbína Bánkiho turbína Turgo turbína 183

184 Vodní energie-přetlakové turbíny Přetlaková turbína-osa turbíny horizontální i vertikální Francisova turbína Kaplanova turbína Konec 184