ÚLOHA SPOTŘEBITELŮ ENERGIE PŘI OVLIVŇOVÁNÍ ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ TŮMA J., HABEL J. ČVUT Praha, fakulta elektrotechnická, Technická 2, 166 27 Praha 6, tuma@feld.cvut.cz Redukce vlivů energetických systémů na životní prostředí není záležitostí pouze vlastního energetického odvětví,ve kterém se realizuje přeměna a přenos energie do míst center spotřeby. Na tomto procesu redukce se musí podílet i vlastní spotřebitelé energie, kteří ji potřebují pro výkon své vlastní technologické a jiné činnosti nebo pro zajištění pohody v domácnostech. Vliv zdrojů na znečišťování ovzduší a jeho vývoj Vývoj celkových emisí hlavních druhů látek znečisťujících ovzduší od roku 1990 do roku 1998 můžeme dokumentovat údaji (viz obr.1), převzatými z Registru emisí zdrojů znečisťování ovzduší (REZZO), kde REZZO 1 udávají data o znečisťování ovzduší z 2300 velkých energetických zdrojů REZZO 2. zpracovávají data z více než 30000 středních zdrojů REZZO 3 zachycují bilanci malých zdrojů ( domácí topeniště ) REZZO 4 zahrnuje silniční, železniční, vodní a leteckou dopravu Uvedené údaje nám dovolují vyslovit následující závěry: 1. V období let 1990 1998 dochází k výraznému poklesu emisí tuhých částic, oxidů síry a oxidů dusíku 2. Příznivějších výsledků se z velké míry dosahuje díky opatřením provedeným v odvětví elektroenergetiky 3. Součástí těchto výsledků je i vliv průmyslu, jehož produkce si vyžádala snížení spotřeby energie v závislosti na tempu tvorby HDP. Projevuje se i pokles spotřeby energie v domácnostech. Spotřebitelé energie Významnou úlohu při snižování vlivu energetiky na životní prostředí mají i technologie, zvyšující účinnost přeměn při užití energie.jejich uplatnění je možné ve všech oborech národního hospodářství. Průmysl : V PRŮMYSLU, KTERÝ JE NEJVĚTŠÍM KONSUMENTEM ENERGIE, JSOU OBLASTI UMOŽŇUJÍCÍ TAKÉ NEJVĚTŠÍ ÚSPORY ENERGIE. Možné aplikace, vyznačující se vysokou energetickou účinností : Řešení spalovacích procesů pro různé průmyslové technologie. Potenciální úspory dosažitelné tímto způsobem jsou významné,protože zhruba jedna třetina fosilních paliv je spotřebována v této oblasti národního hospodářství. - Regenerativní spalování Regenerativní spalovací systémy jsou založeny na vícenásobném využití tepla,získaného např.spalováním plynu a vzduchu.jejich realizace může přinésti zvýšení termické účinnosti z 50 % u konvenčních způsobů na 85 % u zařízení tohoto typu. - Spalování s použitím kyslíku Při tomto způsobu spalování je možné dosáhnout teploty až 3000 C bez předehřevu vzduchu.objemové množství vzduchu je sníženo až o 25% ve srovnání s normálním způsobem spalování. Termická účinnost se zvýší až o 50 %. - Kotle, využívající latentní teplo spalin V konvenčních kotlích je teplota plynu, z důvodů prevence před korozí udržována v rozmezí 150 200 C. Využití latentního tepla plynu dovoluje snížit teplotu plynu na méně než 00 C bez vzniku koroze.termická účinnost je o 15% vyšší než u konvenčních kotlů. - Paroplynový cyklus Jedná se o kombinaci stávající parní turbiny s dodatečně nainstalovanou předřazenou plynovou turbinou. Odpadní teplo spalin plynové turbiny je využito v parní turbině. Termická účinnost může být zvýšena o 10 20 %. Nejvíce jsou používány následující procesy: Integrované využívání energie IUAPPA Praha 2000 304 Section: C
- Optimální využití energie na všech teplotních úrovních. Základní myšlenkou tohoto technologického typu je teplotní kaskáda, dovolující využití tepla od nejvyšší úrovně 1500 C směrem poklesu teploty, bez vzniku ztrát. Hlavní užití tepla na různých úrovních je např.: - vysoká teplota okolo 1500 C je využita pro výrobu elektrické energie - teplota okolo 700 C, pára a výstup z plynové turbiny jsou využity pro výrobu elektrické energie a pohony - vysoko a nízkotlaká pára a horká voda jsou použity pro klimatizaci a dodávku teplé vody. Kogenerace Představuje jednu z význačných aplikací kaskádního využití tepla. Jedná se o paralelní výrobu elektrické energie a tepla. - Generace elektrické energie Nejvýznačnější technologie v oblasti zdrojů elektrické energie, projevující se větší efektivností zhodnocení primárních zdrojů jsou : a) Kogenerace ( Advanced Combined Cycle ) Vysoká teplota plynů je určena pro výrobu elektrické energie v plynové turbině, nižší teplota výfukových plynů k výrobě elektrické energie v parní turbině. Kombinace obou typů turbin má za následek zvýšení termické účinnosti do 50 %, což je o více než 5-10 % více než dosahují moderní tepelné elektrárny.nové ACC systémy,u nichž bude zvýšena teplota při spalování plynu přes 1450 C, by měly dosahovat úrovně účinnosti k 60 %. b) Integrovaný kombinovaný paroplynový cyklus (Integrated Gasification Combined Cycle) Jde o velmi perspektivní technologii, spojenou se spalováním uhlí a ropy.ekologicky příznivá a termická účinnost dosahuje úrovně 43%. c) Tlakové fluidní spalování, spojené s kombinovaným cyklem (Pressurised Fluid-Bed Boiler Combined Cycle ) Jedná se o technologický systém, sloužící pro možné spalování různých druhů uhlí. Systém fluidního spalování přináší i významná ekologická zlepšení a termická účinnost dosahuje 41%. Využití energie odpadů V městských aglomeracích jsou k disposici energie, které nejsou doposud ve větší míře využívány.jsou to energie vznikající na skládkách odpadů,v čistírnách odpadních vod, podzemní dopravě, transformačních stanicích a budovách apod. Objem tohoto nízkopotenciálního tepla je velký a předpokládá se,že může být využit pomocí tepelných čerpadel. Využití této energie, v závislosti na jejich ekonomické výhodnosti, může přinést 10 30 % úspory potřebné energie. Dálkové otopné a chladící systémy. Nahrazení individuálních zdrojů tepla a teplé užitkové vody teplárenským zdrojem,který pracuje na principu kogenerace. Do systému centralizovaného zásobování teplem mohou být zapojeny i místní využitelné formy energie ( např. obnovitelné zdroje ). Přináší úspory celého technologického systému o cca 20%. 5. Další možnosti úspor energie Další možností úspor energie všech forem v oblasti průmyslu je omezení nebo náhrada energeticky náročných procesů,použití jiných materiálů apod.: - destilační procesy, včetně separací tekutin - elektrotepelná technika s využitím mikrovlného ohřevu - katalyzátory, urychlující chemické procesy - nové druhy materiálů, jako jsou plasty, supravodivé materiály Doprava: V oblasti dopravy jde hlavně o nové typy motorů, pracující s vyšší účinností. V úvahu přicházejí i alternativní druhy paliv, jako je metanol, etanol, zemní plyn, elektrická energie nebo vodík. Tato alternativní paliva jsou navíc pro životní prostředí přijatelnější než paliva dnes běžně používaná. Možnosti jsou i ve vývoji nových typů baterií, nebo využití palivových článků. Nové typy automobilových motorů jsou úspornější ve spotřebě paliva (až o 40 % k roku 2010). Uplatnění najdou tyto motory v pozemní i letecké dopravě. IUAPPA 2000 305 Section: C
Vývoj elektrických pohonů vede ke snížení elektrického příkonu při srovnatelném výkonu na výstupu. Jejich uplatnění bude nejen v průmyslu, dopravě, ale i v domácnostech. Domácnosti : V domácnostech máme význačnou možnost snížení spotřeby energie. (např. v průmyslových zemích činí spotřeba elektrické energie v domácnostech přes 30 % celkové spotřeby elektřiny). Směrem, který vede k úsporám v této oblasti, je používání nových elektrických motorů. Jsou uváděny údaje, dokumentující možnost snížení spotřeby elektrické energie u ledniček až o 60 % oproti stávající spotřebě. Celkové snížení potřeb energie v domácnostech se oceňuje cca 25 % z jejich dnešní spotřeby. Způsob jak těchto úspor dosáhnout je ve využívání celkového energetického managementu a v koordinaci užití jednotlivých nositelů energie. Specifický charakter má spotřeba elektrické energie pro osvětlování.uvádí se možnost úspor až o 30 % oproti stávajícímu stavu při současném zvýšení kvality osvětlování. Opatření ke snížení emisí CO 2 Praktická realizace opatření v Evropské unii, směřujících ke snížení emisí CO 2 je rozdělena do těchto oblastí : přijetí flexibilních mechanismů a opatření, dodávka energie, spotřeba energie, doprava a průmysl. Vnitřní náplň těchto jednotlivých oblastí pak tvoří koordinovaná doporučení pro další postupy, které dále rozvádíme. Dodávka energie : - Další vývoj plynárenského trhu a trhu elektrické energie respektující vztahy na životní prostředí - Umožnění přístupu k sítím decentralizovaným energetickým zdrojům, a zvýšit tak podíl obnovitelných zdrojů - Snížení emisí metanu při důlních činnostech - Uskladňování CO 2 v podzemních zásobnících - Podpora technologiím, představujícím vyšší efektivnost přeměn fosilních paliv Průmyslový sektor : - Zlepšení standardů pro zařízení využívající elektrickou energii - Zlepšení standardů pro průmyslové procesy - Zlepšení energetické účinnosti při limitování CO 2 - Vývoje politiky pro zavedení obchodu s emisemi Terciální sektor a domácnosti : - Široká osvěta výrobků s výbornými energetickými vlastnostmi - Provádění energetických auditů - Zlepšování osvětlování v interiérech budov Doprava : - Řešení cen jednotlivých druhů dopravy, revise dopravní politiky - Rozvoj typů vozidel s omezeným vlivem na životní prostředí - Rozvoj satelitního navigačního systému Kvantifikace úspor energie Kvantifikace úspor energie a tím současně dosažení nižšího vlivu na životní prostředí je součástí řady modelů, řešících rozvoj elektroenergetiky pro budoucí období. Zaměřili jsme se proto na jednu možnost, která oceňuje možnosti úspor elektrické energie při využití moderních efektivních světelných zdrojů. Představu o úsporách elektrické energie, kterých je možno docílit při využití moderních efektivních světelných zdrojů s elektronickými předřadníky, mohou přiblížit následující příklady : - odhaduje se, že v evropských domácnostech je instalováno přibližně 4,3 miliardy zdrojů světla a z nich, že je pouze asi 2% osazeno zdroji s elektronickými předřadníky. Z nově instalovaných osvětlovacích zařízení je elektronickými prvky vybaveno zatím jen asi 15%. Proto jsou možnosti snižování energetické náročnosti umělého osvětlení i z tohoto hlediska poměrně velké. - žárovku 60 W (730 lm), resp. 75 W (960 lm) lze nahradit kompaktní zářivkou 15 W (900 lm) se závitovou paticí E27, např.firmy Osram, Philips, General Electric, Sylvania, Tesla a dalších. Příkon jediného zdroje se sníží o 45 W, resp. o 60 W. Doba života kompaktní zářivky dnes již dosahuje cca 12000 h, což v běžné domácnosti při ročním svícení asi 1000 h představuje až 12 let provozu. Při svícení jednou kompaktní IUAPPA 2000 306 Section: C
zářivkou o příkonu 15 W se za dobu 12000 h v porovnání s provozem zmíněných žárovek uspoří 540 kwh, resp. 720 kwh elektrické energie. - v ČR je přibližně 4 miliony domácností. Nahradí-li se v každé domácnosti jen jedna žárovka 60 W kompaktní zářivkou 15 W a předpokládá-li se její roční využití v domácnosti 1000 h, uspoří se ročně celkem 0,18 TWh elektrické energie, což odpovídá energii asi 220 tisíc tun měrného paliva (tmp) s výhřevností 29,3 MJ/kg. Ušetřená energie 0,18 TWh představuje současně snížení znečištění životního prostředí o 600 t SO 2, 214 t NO x a 24 t CO 2. - v Evropě se provozuje asi 1,2 miliardy kusů běžných zářivek s induktivním předřadníkem. Kdyby se využitím elektronického předřadníku snížil příkon každé zářivky s předřadníkem v průměru o 5 W a kdyby každá svítila 4000 h ročně, snížila by se roční spotřeba elektrické energie v Evropě asi o 24 TWh. To odpovídá energii cca 3 milionů tmp, resp. to představuje téměř dvojnásobek roční dodávky elektrické energie do domácností v celé naší republice. I když je cena kompaktních zářivek s EP poměrně vysoká, přesto s narůstající cenou elektrické energie bude zanedlouho efektivní nahrazovat žárovky kompaktními zářivkami i v domácnostech a tedy nejen v obchodech, v kancelářích, ve školách, zdravotnických zařízeních a v dalších objektech, kde už nyní cena za elektrickou energii přesahuje 3 Kč/kWh. Tento trend je zřejmý z grafů na obr.2 a obr.3, kde jsou nakresleny průběhy závislosti doby návratnosti finančních nákladů vynaložených na nákup a provoz kompaktních zářivek 20 W, 15 W a 11 W v porovnání s náklady na pořízení a provoz žárovek o příkonu 100 W, 75 W a 60 W. Výsledky jsou zpracovány jednak pro maloobchodní cenu 10 Kč za žárovku a 380 Kč (obr.2), resp. 280 Kč (obr.3) za kompaktní zářivku. Maloobchodní ceny kompaktních zářivek byly v posledních letech sníženy, což pochopitelně vede k výraznějšímu zkrácení doby návratnosti. Z průběhů na obr.2 a obr.3 vyplývá, že při nákladech za elektrickou energii vyšších než 3 Kč/kWh je záměna žárovky 100 W [75 W, 60 W] kompaktní zářivkou 20 W [15 W, 11 W] výhodná asi od 2300 h [2500 h, 2800 h] provozu (při ceně kom. zářivky 380 Kč), resp. asi od 1600 h [1800 h, 2200 h] provozu (při ceně kom. zářivky 280 Kč). V řadě případů to může představovat přibližně i jen jeden rok provozu. V domácnosti pravděpodobně nepřesáhne doba provozu kompaktní zářivky 1000 h za rok. Z obr.1 je vidět, že při ceně elektrické energie převyšující 3,00 Kč/kWh bude doba návratnosti klesat pod 2000 h. Při růstu bytových sazeb za elektrickou energii se bude doba návratnosti postupně blížit ke 1500 h, tedy asi k 1,5 roku a nákup kompaktní zářivky s elektronickým předřadníkem se pak stane i pro naše domácnosti nejen provozně výhodný, ale také investičně přijatelný. Záměna konvenčních indukčních předřadníků elektronickými předřadnými systémy znamená nejen snížení ztrát v samotném předřadníku, ale současně dovoluje při zachování stejného světelného toku instalovat i zářivky nižších příkonů (např. místo zářivky 36 W postačí zářivka 32 W). Měrný výkon zářivek, které jsou při provozu s elektronickými předřadníky napájeny proudem vyšší frekvence (cca 30 khz), totiž podstatně stoupá. Kromě toho se život zářivek z 8000 h až 10000 h prodlužuje na 12000 h až 15000 h, tj. o více než 30%. Zářivky s konvenčními indukčními předřadníky se doporučuje používat tam, kde na jedno zapnutí připadají alespoň 3 h svícení. Zářivky s elektronickými předřadníky mohou být zapínány stejně často jako žárovky, aniž by se zkracoval jejich život, pokud ovšem nebudou spínány v pravidelných časových cyklech kratších než jedna minuta. Proto lze kompaktních zářivek s elektronickými předřadníky v řadě případů použít pro bezprostřední náhradu za žárovky zvláště tehdy, nejsou-li na překážku jejich větší geometrické rozměry, odlišné rozložení svítivosti či konstrukční řešení svítidel. Při použití elektronických předřadníků se dosahuje vyšší kvality umělého osvětlení. Je totiž zajištěna vysoká stabilita světelného toku zdroje. Vyloučena je možnost vzniku stroboskopického jevu a prakticky je odstraněno míhání vyzařovaného světla, neboť rozkmit kolísání světelného toku, který činí u zdrojů s konvenčním předřadníkem i 40%, se snižuje asi jen na 5%. Elektronické předřadníky zabezpečí jak klidný start zdrojů, jejich běžný provoz, včetně kompenzace účiníku 1.harmonické proudu a rovněž automatické odpojení blikajících vadných zdrojů na konci jejich života. Odpadá tedy nejen instalace těžkých tlumivek, ale i zapalovačů a kompenzačních kondenzátorů. V případech, kdy by podíl proudu světelných zdrojů s elektronickými předřadníky na celkovém proudu daného objektu byl velký, mohly by se v napájecí síti nepříznivě projevit zpětné vlivy vyšších harmonických proudu. Kvalitní elektronické předřadníky jsou již proto vybaveny potřebnými filtry. IUAPPA 2000 307 Section: C
Většinu nově vyvinutých světelných zdrojů, včetně speciálních vysokotlakých sodíkových výbojek s možností volby teploty chromatičnosti (2500 K nebo 2900 K) vyzařovaného světla nebo bezelektrodových indukčních zdrojů s vysokou dobou života, lze již provozovat jen s elektronickými napájecími systémy. Ty řídí a regulují pracovní režim zdrojů, aby byly provozovány v optimálních podmínkách. V důsledku toho mohou pak být samotné světelné zdroje řešeny konstrukčně jednoduššími způsoby. Na výrobu jednoho elektronického předřadníku se sice spotřebuje více energie než na výrobu běžného indukčního předřadníku, ale tato výrobní spotřeba je v porovnání s energií uspořenou při provozu zářivky zanedbatelná. Výrobci světelných zdrojů obvykle uvádějí, že na výrobu jedné kompaktní zářivky spotřebují cca 2 kwh, což je v porovnání se zmíněnou úsporou 450 kwh, resp. 600 kwh opravdu nepatrné. Z uvedeného vyplývá, že při správné aplikaci světelných zdrojů s elektronickými předřadníky v kvalitních moderních svítidlech se dociluje podstatně vyšší jakosti osvětlovacích soustav a navíc v důsledku nižších ztrát v předřadnících klesá asi o 30% i tepelné zatížení prostoru. Proto se doporučuje využívat elektronické předřadníky všude tam, kde je to technicky možné, světelně technicky přínosné a ekonomicky výhodné. Literatura [1] [Statistická ročenka životního prostředí ČR 1999. MŽP ČR, Český statistický úřad [2] ECI inform ENERGY, Issue 81, April 2000, Elstead, Surrey GU8, UK [3] WEC Climate Change Report No 9: Industrys Technical Initiaves towards Climate Change Mitigation, 17. Congress of WEC, Texas, 1998 [4] Zpráva o provozních výsledcích ČEZ za rok 1998 IUAPPA 2000 308 Section: C