Energetické zdroje pre 4. ročník stredných odborných škôl

Transcript

1 Energetické zdroje pre 4. ročník stredných odborných škôl Učebné texty pre študijný odbor Technik energetických zariadení budov

2

3 O projekte refuge Projekt REFUGE Renewable Energy for Future Generations Obnoviteľná energia pre budúce generácie bol podporený v rámci Programu celoživotného vzdelávania, podprogramu Leonardo da Vinci mnohostranné projekty Prenos inovácií v roku 2011 pod číslom Projekt realizoval EkoFond, neinvestičný fond zriadený SPP. Partnermi projektu boli školiaca a konzultačná firma IDEC S.A. z Grécka, Integrovaná střední škola z Českej republiky, SOŠ elektrotechnická Trnava, Spojená škola Kremnička Banská Bystrica, SOŠ technická Prešov a Štátny inštitút odborného vzdelávania. Hlavnými cieľmi projektu bolo identifikovať a analyzovať nové povolania v oblasti obnoviteľnej energie, pripraviť školenie pre výchovných a kariérnych poradcov o nových povolaniach a pripraviť učebné texty zamerané na oblasť obnoviteľných zdrojov pre študijný odbor technik energetických zariadení budov vyvíjaný EkoFondom spolu so zapojenými strednými školami a Štátnym inštitútom odborného vzdelávania (ŠIOV). Viac informácií o projekte na Tento projekt je financovaný Európskou komisiou z Programu celoživotného vzdelávania. Za obsah tohto učebného textu zodpovedajú autori. Učebný text nereprezentuje názor Európskej komisie a Európska komisia nezodpovedá za použitie informácií, ktoré sú jeho obsahom.

4

5 O projekte Technik energetických zariadení budov EkoFond, neinvestičný fond, zriadený Slovenským plynárenským priemyslom, a. s., od roku 2009 riadi prierezový stredoškolský odbor s výučným listom a maturitou Technik energetických zariadení budov. Podnet na jeho vytvorenie prišiel priamo z praxe od odborníkov pôsobiacich v energetickom sektore, ktorí dlhodobo avizovali nedostatok technických odborníkov so zameraním na energetiku budov. Energetický sektor ako jeden z kľúčových pilierov každej ekonomiky ponúka žiakom mimoriadne perspektívne a vysokokvalifikované remeslo. EkoFond v rámci tohto projektu zrealizoval vybudovanie moderných odborných pracovísk, kde sa žiaci môžu prakticky učiť inštalovať energeticky efektívne technológie na báze obnoviteľných zdrojov energie (OZE) a plynu, ďalej podporil odborné vzdelávanie pedagogických pracovníkov a majstrov odborného výcviku, ako aj prípravu a vydanie učebných textov. Projekt bol podporený sumou viac ako eur. Absolventi študijného odboru TEZB budú mať široké uplatnenie nielen v oblasti plynárenstva, ale aj v oblasti energetického poradenstva a služieb pri kúpe, inštalácii, servise a údržbe energetických zariadení do domácností a malých prevádzok. Vedomosti a zručnosti získané počas štúdia umožnia budúcim zákazníkom týchto absolventov priamo usporiť energiu spotrebovávanú v ich domácnosti alebo pri prevádzke malých budov.

6

7 František Janíček Anton Cerman Štefan Motyčák Energetické zdroje pre 4. ročník stredných odborných škôl Učebné texty pre študijný odbor Technik energetických zariadení budov Bratislava 2013

8 Autori: prof. Ing. František Janíček, PhD., Ing. Anton Cerman, Ing. Štefan Motyčák Jazyková a grafická úprava: JAGA GROUP, s. r. o. Vydal EkoFond, n. f., Mlynské Nivy 44/a, Bratislava Všetky práva vyhradené. Doslovné ani čiastočné preberanie tohto materiálu nie je povolené bez predchádzajúceho písomného povolenia vydavateľa EkoFond, n. f.

9 Obsah Úvod Premeny energie Slnečná energia Slnečné žiarenie na zemskom povrchu Fotovoltika výroba elektrickej energie Systémy nepripojené na sieť Systémy pripojené na sieť Akumulácia energie Malé FV systémy pre domácnosti Veľké FV systémy FV elektrárne Fototermálna premena výroba tepla Slnečné elektrárne Slnečné elektrárne s parabolickými zrkadlami v tvare koryta Slnečné elektrárne s parabolickými zrkadlami v tvare taniera Termálne solárne veže Fresnelove slnečné elektrárne Komínové slnečné elektrárne Slnečné kolektory Stacionárne kolektory Koncentračný kolektor Výber solárneho kolektora Systémy na solárne ohrievanie vody Termosifóny Kolektor integrovaný so zásobníkom Systém s priamou cirkuláciou Veterná energia Rozdelenie veterných zariadení Veterné zariadenia s horizontálnou osou otáčania Veterné zariadenia so zvislou osou otáčania turbíny Savoniusov rotor Darrieusov rotor Biomasa Spôsoby využitia biomasy na energetické účely Spaľovanie Pyrolýza Splynovanie Fermentácia Anaeróbne vyhnívanie Spoločné spaľovanie uhlia a biomasy Biomasa ako palivo Pevné biopalivá Kvapalné biopalivá Plynné biopalivá Kotly na biomasu Kotly s prehrievaním dreva Kotly so spodným horením...39

10 4.3.3 Kotly na splynovanie dreva Drevo ako biopalivo Brikety Štiepky Pelety Slama Geotermálna energia Technológie geotermálnej premeny Parné geotermálne elektrárne Hydrotermálne elektrárne Tepelné čerpadlá Princíp činnosti tepelného čerpadla Absorpčné tepelné čerpadlá Adsorpčné tepelné čerpadlá Typy tepelných čerpadiel Systém vzduch voda Systém voda voda Systém zem voda Systém vzduch vzduch Zapojenie tepelných čerpadiel Energetická efektívnosť tepelných čerpadiel Dimenzovanie tepelného čerpadla Vodná energia Hydroenergetický potenciál Vodné kolesá Vodné turbíny Rovnotlakové turbíny Pretlakové turbíny Druhy vodných elektrární Tepelné elektrárne Tepelný obeh Znižovanie škodlivých emisií produkovaných elektrárňami Programy na modernizáciu tepelných elektrární Teplárne Paroplynový cyklus Kogenerácia Jadrové elektrárne Štiepna reakcia v jadrových reaktoroch Jadrová elektráreň Typy jadrových elektrární Jadrové palivo Ďalšie aspekty porovnania elektrární Záver...75 Literatúra...76 Príloha A: Reálna štúdia zásobovania areálu Letná TU Košice energiou z kogenerácie..75

11 Zoznam použitých skratiek AC DC EE ETČ FV HEP JE KGJ KVET MHD MVE OZE PPC PTČ TČ TE TV VE VVE striedavý prúd jednosmerný prúd elektrická energia elektrické tepelné čerpadlo fotovoltika hydroenergetický potenciál jadrová elektráreň kogeneračná jednotka kombinovaná výroba elektriny a tepla magnetohydro-dynamický (menič) malá vodná elektráreň obnoviteľný zdroj energie paroplynový cyklus plynové tepelné čerpadlo tepelné čerpadlo tepelná elektráreň teplá voda veterná elektráreň veľká vodná elektráreň

12 predhovor Predhovor Predmet Energetické zdroje podáva žiakom cenné informácie o smerovaní a nových trendoch vo využívaní elektrickej energie. Cieľom tohto predmetu je teoreticky a prakticky pripraviť žiakov na ich budúce povolanie technika energetických zariadení budov. Tomu je prispôsobený obsah predmetu, ktorý žiakom zrozumiteľnou formou predkladá okrem základných poznatkov aj odborné vedomosti a zručnosti potrebné na montáž a prevádzkovanie vykurovacích sústav využitím klasických, obnoviteľných alebo kombinovaných energetických zdrojov v budovách s využitím aktuálnych platných technických noriem a predpisov. Predmet poskytuje informácie o súčasných a perspektívnych technológiách vhodných na efektívne a ekonomické vykurovanie budov, prípravu teplej vody a výrobu elektrickej energie. Žiak sa oboznámi s technickými parametrami tepelných zdrojov, ich funkciou, činnosťou a spôsobom zapojenia. Okrem toho získa vedomosti o jednotlivých druhoch palív v kombinácii so zdrojmi tepla, ktoré sa využívajú na zníženie energetickej náročnosti stavebných celkov. V procese výučby sa najväčší dôraz kladie na schopnosť žiakov uplatniť získané vedomosti v praxi, preto je predmet rozsiahlo zameraný na reálne ukážky zapojenia zdrojov energií. Prevažnú väčšinu obsahu tvoria technológie obnoviteľných zdrojov energie vzhľadom na ich stále väčšiu penetráciu v energetickom mixe Slovenskej republiky, ktorá je spôsobená napĺňaním smernice Európskej únie 20/20/20 o obnoviteľných zdrojoch energie, ako aj menším zaťažením životného prostredia v porovnaní s výrobou energie z konvenčných zdrojov. Predmet Energetické zdroje umožňuje pochopiť funkciu, konštrukciu a procesy prebiehajúce pri získavaní energie v jednotlivých obnoviteľných zdrojoch energie, možnosti ich prevádzky pri zapojení do elektrizačnej sústavy alebo pri ostrovnej prevádzke, s ktorou je úzko spätá problematika akumulácie elektrickej a tepelnej energie. Popísané sú základné princípy činnosti fotovoltických a fototermálnych systémov, veterných elektrární, kotlov na biomasu, tepelných čerpadiel, vodných, tepelných a jadrových elektrární. Predmet zároveň mapuje súčasný stav a zastúpenie obnoviteľných zdrojov energie v Slovenskej republike. Obsah je štruktúrovaný do tematických celkov podľa technológie získavania energie na energiu získavanú zo slnka, vetra, vody, energiu získavanú spaľovaním fosílnych palív a energiu zo štiepenia jadra. 10

13 Úvod Úvod Základným pilierom udržateľného života je rešpektovanie pravidiel trvalo udržateľného rozvoja v energetike v najširšom zmysle. Požiadavka dosiahnuť udržateľný rozvoj sa premieta do hlavného cieľa energetickej politiky Slovenskej republiky: Dosiahnuť konkurencieschopnú nízkouhlíkovú energetiku zabezpečujúcu bezpečnú, spoľahlivú a efektívnu dodávku všetkých foriem energie za prijateľné ceny s prihliadnutím na ochranu spotrebiteľa, životného prostredia, trvalo udržateľný rozvoj, bezpečnosť zásobovania a technickú bezpečnosť. Tento cieľ je premietnutý do troch hlavných priorít energetickej politiky Slovenskej republiky: zvyšovanie energetickej bezpečnosti, zvyšovanie energetickej efektívnosti, trvalo udržateľný rozvoj energetiky. Súhrnne je význam týchto priorít premietnutý do snahy dosiahnuť optimálny energetický mix (nasadenie rôznych technológií z pohľadu využitia jednotlivých foriem energie) so znižujúcim sa podielom fosílnych palív, ktoré umožnia poskytovať energiu v základnom aj špičkovom pásme. Súčasný liberalizovaný trh s energiou výrazne ovplyvňuje požiadavky na získavanie energie a to najmä z pohľadu, že v súčasnosti sa využívajú dlhodobé kontrakty a spotové obchody na pokrytie výkyvov v odbere spotrebiteľov. Tomu sa musia prispôsobiť aj prenosové a distribučné siete. Problém je o to zložitejší, že v súvislosti s očakávaním a využívaním elektromobility a distribuovanej výrobe v malých zdrojoch (často s využívaním obnoviteľných zdrojov, vysokoúčinnej kogenerácie, ale aj možnosti hľadania nových technológií akumulačných systémov) je nevyhnutný rozvoj inteligentných sietí a nových spôsobov riadenia prenosu a spotreby energie. Celosvetové snahy o dekarbonizáciu energetiky vytvárajú tlak na segment fosílnych palív, kde je viditeľný prudký rozvoj využívania zemného plynu ako čistejšej náhrady za spaľovanie uhlia. Nové technológie a technologické postupy vyvolali dlhodobý pokles cien plynu, ale trh sa zároveň nárastom prepravy skvapalneného zemného plynu globalizuje a na ceny v Európe má vplyv požiadavka na potrebu energie pre rozvojové krajiny sveta. Predmet Energetické zdroje má poukázať na možnosti, ktoré poskytujú jednotlivé formy energie v reálnom využití pre konečného spotrebiteľa, ale zároveň efektívne využívať energiu na svoje potreby optimálne a z ekonomického hľadiska hľadať cesty jej potenciálneho zlacňovania, ale predovšetkým dostupnosti. Predmet Energetické zdroje svojím obsahom nadväzuje na učivo z predmetu fyzika a odborných predmetov stavebné konštrukcie, technológia, vybrané konštrukčné cvičenia, elektrotechnické zariadenia a odborný výcvik, ktoré rozvíja, rozširuje a prehlbuje. Obsah predmetu Energetické zdroje je rozčlenený do viacerých tematických celkov a je zameraný na oblasť obnoviteľných zdrojov, ale aj vybraných primárnych zdrojov. Cieľom tohto predmetu je poukázať na možnosti využívania jednotlivých druhov energie pre potreby obyvateľstva bez ohľadu na to, či ide o rodinný dom, alebo bytovú jednotku. V zásade ide o poznanie jednotlivých funkcií a konštrukcií využitia obnoviteľných zdrojov a ich nasadenia pre konečného odberateľa v optimalizovanom režime a využitím vhodných zdrojov. V predmete Energetické zdroje sú popísané základné princípy funkcie a zásady dimenzovania jednotlivých druhov zdrojov a ich vzájomné súvislosti z hľadiska využitia. Súčasťou obsahu sú aj základné normy a predpisy potrebné na využitie u konečného spotrebiteľa. Energetické zdroje 11

14 Premeny energie 1 Premeny energie Elektrická energia je neoddeliteľnou súčasťou modernej spoločnosti. Získavame ju premenou z iných foriem energie. Základný reťazec premeny energie na elektrickú energiu je zobrazený na nasledujúcom obrázku. Obr. 1.1 Diagram opisujúci premenu chemickej energie na elektrickú Zdroje energie sa dajú rozdeliť do troch základných skupín: zdroje viazané na určite miesto s klesajúcou zásobou energie (uhlie, plyn, urán), zdroje viazané na určité miesto s obnoviteľnou zásobou energie (vodný tok, biomasa), zdroje, ktoré nie sú viazané na určité miesto s prakticky nevyčerpateľnou zásobou (slnečné žiarenie, energia vetra). Tab. 1.1 Prevodová tabuľka vybraných jednotiek energie J kwh kcal Btu J 1 2, , , kwh 3, ,86 3, kcal , Btu , , Obr. 1.2 Diagram premeny rôznych foriem energie na elektrickú energiu 12

15 Premeny energie Elektrická energia ako konečná forma sa využíva pre jej výhody, medzi ktoré patria: jednoduchá premena na iné formy energie, jednoduchý prenos na veľké vzdialenosti, možnosť generovať veľké množstvo tejto formy energie. Ako to už v technike býva, všetko ma svoje výhody, ale aj nevýhody. Hlavnou nevýhodou elektrickej energie je problematická akumulácia. Podľa použitej formy energie, ktorej premenou získavame elektrickú energiu, delíme elektrárne na: tepelné využívajú energiu uvoľnenú spaľovaním fosílnych palív, napr. uhlie, nafta, plyn a iné, jadrové využívajú energiu jadrových reakcií, vodné využívajú energiu vody, ostatné využívajú slnečnú energiu a jej transformácie. Obr. 1.3 Priemerná ročná energetická bilancia Zem kozmický priestor Energia primárneho zdroja prejde radom transformácií počas jej transportu, až sa na konci celého reťazca sa transformuje na užitočnú energiu. Chemická energia primárneho zdroja sa mení na tepelnú, mechanickú a následne na elektrickú energiu, ktorá sa po transformácii na vhodnú napäťovú úroveň prenáša do miesta spotreby, kde sa opätovne napäťovo transformuje. V mieste spotreby sa elektrická energia mení na požadovanú formu energie (mechanickú, svetlo, teplo...). Energetické zdroje 13

16 Premeny energie Obr. 1.4 Premena chemickej energie na elektrickú až ku koncovému užívateľovi Porovnanie obnoviteľných a neobnoviteľných zdrojov elektrickej energie Primárne zdroje používané pri výrobe elektrickej energie sa delia na neobnoviteľné (fosílne palivá), obnoviteľné (vodná energia, veterná energia, slnečná energia, tepelné čerpadlá, biomasa, jadrová energia, palivové články, bioplyn). Obnoviteľné zdroje Výhody: ekologické, nevyčerpateľné, nulové náklady na primárne zdroje energie Nevýhody: nízka výkonová pohotovosť, nízka výkonová hustota, vysoké výrobné náklady v porovnaní s ostatnými zdrojmi elektrickej energie, značný rozdiel medzi inštalovaným výkonom a reálnym výkonom elektrárne Neobnoviteľné zdroje Výhody: vysoká výkonová hustota, vysoká výkonová pohotovosť Nevýhody: negatívny vplyv na životné prostredie, obmedzené zásoby 14

17 Slnečná energia 2 Slnečná energia Energia slnečného žiarenia Svetlo je energia. Priame slnečné žiarenie je biele. Toto biele svetlo vzniká kombináciou zložiek elektromagnetického svetelného žiarenia rôznych farieb, t. j. rôznych vlnových dĺžok, resp. rôznych frekvencií. Priemerné množstvo mimozemského slnečného žiarenia, ktoré dopadá na zemskú atmosféru zvonka pred jeho oslabením zemskou atmosférou, sa označuje ako slnečná konštanta. V súčasnosti je hodnota slnečnej konštanty podľa dostupnej literatúry W/m Slnečné žiarenie na zemskom povrchu Energia slnečného žiarenia, ktorá dopadá na zemský povrch, asi osemtisícnásobne prekračuje celkovú momentálnu hrubú spotrebu energie ľudstva. Problémom však zostáva nízka hustota slnečnej energie na Zemi, jej časová nestabilita a značne nerovnomerná distribúcia. Hlavné faktory, ktoré ovplyvňujú množstvo dopadajúceho žiarenia sú: a) geografická lokalita: zemepisná dĺžka, nadmorská výška, tieniaci reliéf, vlastnosti okolitého prostredia, (Pozn.: Výber lokality vhodnej na stavbu veľkých solárnych projektov patrí medzi prvoradé úlohy projektanta. Údaje o množstve dopadajúcej slnečnej energie na zvolený povrch v danej lokalite sa dajú získať buď pomocou priamych pyranometrických meraní, alebo zložitým analytickým výpočtovým spôsobom.) b) klimatické a poveternostné podmienky: premenlivosť počasia, výskyt hmiel, snehu a námraz, oblačnosť, Obr. 2.1 Prehľadná mapa Slovenska s vyznačeným globálnym slnečným žiarením za rok v kwh/m 2 v prípade optimálne naklonených solárnych modulov Energetické zdroje 15

18 Slnečná energia c) poloha solárneho panela: umiestnenie panela, orientácia plochy panela, sledovacie systémy. Pomocou solárnych systémov vieme aktívne alebo pasívne využiť slnečnú energiu premenou na tepelnú energiu systémom fototermálnej premeny alebo na elektrickú energiu fotovoltickým systémom. Spôsoby využitia solárnej energie: pasívny využitie slnečnej energie na základe stavebných a architektonických princípov (nízkoenergetické domy), aktívny premena slnečného žiarenia na tepelnú alebo elektrickú energiu. 2.2 Fotovoltika výroba elektrickej energie Svetelné žiarenie absorbované v materiáli vplýva na energetické pomery elektrónov. Vhodným výberom materiálov a z nich vytvorenej vrstvovej štruktúry vieme absorbovanú energiu svetelného žiarenia premeniť na elektrickú energiu. Táto premena sa koná bez mechanického pohybu a bez tvorby akýchkoľvek vedľajších produktov. Hlavné obmedzenia fotovoltiky sú: vysoké investičné náklady, nízka hustota dopadajúcej energie, nerovnomernosť dodávok elektrickej energie. Fotovoltika (FV) sa zaoberá priamou premenou energie svetelného žiarenia na elektrickú energiu. Na premenu sa využívajú veľkoplošné polovodičové štruktúry. Základným materiálom na fotovoltiku od päťdesiatych rokov stále zostáva polovodičový kremík v jeho monokryštalickej, polykryštalickej aj amorfnej podobe. Teoretická hodnota účinnosti premeny slnečného žiarenia je nad 80 %. Najvyššie reálne namerané hodnoty účinnosti premeny energie slnečného žiarenia priamo na elektrickú energiu sú nad 40 %. Výkon jednotlivého článku je podľa veľkosti plochy rádovo jednotky wattov. Spájaním môžeme výkon v podstate ľubovoľne meniť. Rozdelenie fotovoltických systémov Rozdelenie fotovoltických systémov sa môže urobiť z mnohých hľadísk. Napríklad na základe ich aplikácie, pripojenia alebo nepripojenia na sieť, z ekonomického hľadiska, z hľadiska inštalovaného výkonu atď. Najčastejšie sa fotovoltické systémy delia podľa ich pripojenia, respektíve nepripojenia k verejnej sieti na dve základné skupiny: systémy nepripojené na sieť (grid-off), systémy pripojené na sieť (grid-connected) Systémy nepripojené na sieť Systémy nepripojené na sieť, nazývané tiež autonómne, sú vhodné najmä na miestach bez dosahu verejnej elektrickej siete, v prípade menších odberaných výkonov alebo pri aplikáciách, kde nie je možná iná alternatíva na získanie elektrickej energie. V tomto prípade sú aj najlacnejším spôsobom získania elektrickej energie. Autonómne systémy s priamym napájaním Ide o priame prepojenie solárneho modulu alebo iného zdroja elektrickej energie a spotrebiča bez možnosti akumulácie elektrickej energie. Takéto riešenie je vhodné, ak spotrebič nevyžaduje spoľahlivú dodávku elektrickej energie, napr. pumpa na čerpanie vody. Zariadenie pripojené k modulu je funkčné len pri dostatočnej intenzite slnečného žiarenia. 16

19 Slnečná energia Obr. 2.2 Príklad autonómneho systému s priamym napájaním Autonómny systém s akumuláciou elektrickej energie Súčasťou systému sú akumulátorové batérie, ktoré sa nabíjajú pri prebytku energie v systéme a zaisťujú prevádzku spotrebičov v prípade nedostatku žiarenia dopadajúceho na solárne panely. V prípade nedostatku energie dodávanej panelmi sa energia primárne dodáva z akumulátorov. Po ich vybití systém nezabezpečuje prísun elektrickej energie zo žiadneho iného zdroja. Tento systém nachádza uplatnenie pri napájaní telekomunikačnej, navigačnej a signalizačnej techniky alebo obydlia bez prístupu k elektrizačnej sústave. Solárne panely sú zdrojom jednosmerného napätia, preto ak chceme napájať aj spotrebiče využívajúce striedavé napätie, je nutné do systému zaradiť DC-AC menič. Obr. 2.3 Príklad autonómneho systému s akumuláciou energie Hybridný autonómny systém Hybridné autonómne systémy kombinujú fotovoltické systémy s inými zdrojmi energie, ako sú napríklad dieselové generátory, biomasa, veterné turbíny a iné. Akumulátory sa nabíjajú z viacerých zdrojov. Výhodou je vyššia spoľahlivosť a neustály prístup aspoň k jednému zdroju elektrickej energie, ktorý je schopný nahradiť solárne moduly pri nepriaznivých podmienkach alebo pri zvýšenom odbere. Využíva sa na odľahlých miestach bez prístupu k elektrizačnej sústave. Energetické zdroje 17

20 Slnečná energia Obr. 2.4 Hybridný autonómny systém s veternou turbínou Systémy pripojené na sieť Systémy pripojené na sieť možno vo všeobecnosti rozdeliť na: systémy pripojené na sieť umožňujú dodávať vyrobenú elektrinu do elektrickej rozvodnej siete alebo v prípade potreby ju zo siete odoberať, systémy s podporou siete nadbytočná FV elektrina sa využije na nabíjanie záložných akumulátorov a až po ich nabití sa dodáva do rozvodnej elektrickej siete. V prípade nedostatku elektrickej energie sa najskôr spotrebuje elektrina z batérií a až potom sa odoberá z rozvodnej siete. V oboch prípadoch systém spolupracuje s verejnou distribučnou sieťou. Častejšie sa používa práve systém pripojený na sieť pre jeho nižšie počiatočné náklady. Obr. 2.5 Schéma využitia systému pripojeného na sieť v domácnosti 1 FV panely, 2 istiaci rozvádzač FV systému, 3 menič (striedač), 4 hlavný domový rozvádzač (ovládač, HDO), 5 prívod el. energie z verejnej distribučnej siete, 6 domový istiaci rozvádzač, 7 zásuvkový okruh/spotrebiče, 8 svetelný okruh/svietidlá 18

21 Slnečná energia Akumulácia energie Akumulácia elektrickej energie je jedným z nedoriešených technických problémov v súčasnosti neustále rastúce nároky na jej spotrebu sú spojené s veľmi rýchlym nárastom jej ceny. Uplatňuje sa tu fyzikálny princíp zachovania energie, ktorý hovorí, že energia nevzniká ani nezaniká, ale sa mení z jednej formy na inú. Elektrická energia je neskladovateľná, preto je lepšie ju ukladať do iných, stabilnejších foriem energie. Možnosti ukladania energie sú: Potenciálna energia Gravitačná energia viazaná na polohu telesa v zemskom gravitačnom poli. Energia závisí od hmotnosti a výšky umiestnenia telesa. Príkladom uskladnenia energie vo forme potenciálnej energie sú prečerpávacie vodné elektrárne. Tie fungujú na princípe čerpania vody do nádrže, ktorá je umiestnená vo vyššej nadmorskej výške pri prebytku elektrickej energie v systéme. Pri nedostatku elektrickej energie sa voda pustí dolu, kde roztáča turbíny pripojené ku generátorom elektrickej energie. Tlaková potenciálna energia práca, ktorú môže vykonať plynné médium, napr. plyn stlačený v tlakovej nádobe, ktorý roztáča turbínové koleso alebo kľukový mechanizmus s generátorom. Kinetická energia Energia pohybujúcich sa častí, ktorá závisí od hmotnosti a rýchlosti. Na uskladnenie energie sa využívajú rýchlo rotujúce elektrodynamické zotrvačníky uložené na špeciálnych ložiskách vo vákuu, ktoré akumulujú kinetickú energiu a premieňajú ju na elektrickú energiu cez pripojený motor/generátor. V súčasnosti nachádza uplatnenie prevažne v hybridných pohonoch vozidiel spolu so spaľovacím motorom. Vnútorná energia (vyjadruje obsah energie viazanej v danej látke a je závislá od teploty) Tepelná energia nadbytočné teplo sa ukladá do izolovaných tepelných zásobníkov s nízkymi stratami tepla. Teplo sa v prípade potreby premieňa na elektrickú energiu, napr. v termočlánkoch. Účinnosť tohto systému je na úrovni až 0,85. Magnetická energia prejavujúca sa v magnetickom poli. Jadrová energia je obsiahnutá v jadrách atómov, uvoľňuje sa pri štiepení alebo fúzii. Chemická energia je väzbová energia molekúl látky, kedy počas chemických reakcií dochádza k uvoľneniu alebo viazaniu energie. Vo veľkej miere sa využíva práve táto forma energie. Chemická energia Elektrochemické akumulátory energie zariadenia, ktoré sú po nabití a pripojení záťaže schopné spustiť opačnú chemickú reakciu, ktorou vzniká jednosmerný prúd. Dochádza pri tom k vratnej chemickej zmene. Články sú združované do akumulátorových batérií, čím vieme dosiahnuť vyššie napätie. Nevýhodou tohto spôsobu uskladnenia je malá objemová a hmotnostná energetická hustota a dlhý čas chemického procesu, ktorý bráni okamžitému absorbovaniu pomerne veľkého množstva energie. Akumulátory majú obmedzený počet nabíjacích/vybíjacích cyklov pohybujúci sa v rozmedzí 500 až 3000 cyklov. Negatívnym procesom je tiež samovybíjanie, keď časom dochádza k znižovaniu kapacity akumulátorov. Elektrostatická akumulácia energie využíva technológiu superkapacitorov. Sú to elektrolytické kondenzátory vyrobené špeciálnou technológiou a vyznačujúce sa kapacitou rádovo stoviek faradov. Energia je v superkapacitore uložená elektrostaticky. Po privedení vonkajšieho napätia dochádza k presunu kladných iónov v elektrolyte smerom k zápornej elektróde a k presunu záporných iónov ku kladnej elektróde. Účinnosť samotného superkondenzátora až 0,98. Výhodou v porovnaní s elektrochemickými akumulátormi je ich vyššia životnosť a výkonová hustota, ale naopak, nižšia energetická hustota. Sú vhodné na krátkodobú akumuláciu energie napr. z rekuperačného brzdenia, no nedokážu akumulovať dostatok energie na dostatočný dojazd. Energetické zdroje 19

22 Slnečná energia Obr. 2.6 Princíp činnosti superkapacitora Malé FV systémy pre domácnosti Ide o malé fotovoltické systémy s výstupným výkonom niekoľko kw elektrickej energie. Výhodou je menšia závislosť od vývoja cien energie, systém však nie je dostačujúci na plnohodnotnú prevádzku počas celého roka. Solárne pole je umiestnené samostatne na nosných konštrukciách alebo ako súčasť striech a fasád domov s cieľom čo najmenej ovplyvňovať ich bežný charakter a funkciu. Slnečná energia sa v segmente domácností v súčasnosti využíva oveľa viac na ohrievanie vody a vykurovanie ako na výrobu elektrickej energie. Obr. 2.7 Príklady FV inštalácií na rodinných domoch Veľké FV systémy FV elektrárne Spájaním jednotlivých solárnych modulov do väčších celkov vznikajú veľké fotovoltické elektrárne. Výkon elektrárne nie je technologicky obmedzený. V prípade fotovoltických elektrární ide o výkony rádovo v MW. Bežné sú najmä 1 MW systémy. V našich podmienkach na 1 MW inštalovaného výkonu je potrebná plocha okolo m 2. Obr. 2.8 Veľká FV elektráreň 20

23 Slnečná energia 2.3 Fototermálna premena výroba tepla Fototermálna premena je premena slnečnej energie na teplo. Solárny ohrev vody využíva v prevažnej miere ploché kolektory. Teplo získané zo solárnych kolektorov môžeme využiť na prípravu teplej vody (TV) alebo použiť na vykurovanie v teplovzdušných systémoch, prípadne prostredníctvom vody. Systémy na ohrev TV a vykurovanie sú väčšinou nízkoteplotné teplota nepresahuje 100 C. Premena slnečnej energie na elektrickú sa robí buď nepriamo, napr. s využitím vysokoohriatej pary na pohon generátora, alebo priamo vo fotovoltických systémoch. 2.4 Slnečné elektrárne Princíp slnečnej elektrárne spočíva v sústave zrkadiel alebo šošoviek, na ktoré sa usmerňuje slnečné žiarenie. Slnečný kotol zachytáva v ohnisku zberača koncentrované žiarenie a odovzdáva absorbované teplo cirkulujúcej látke v uzavretom okruhu. Vygenerovaná para mechanicky otáča turbínu. V elektrickom generátore sa kinetická energia turbíny premieňa na elektrickú energiu. V kondenzátore sa kondenzuje para prichádzajúca z turbíny. Kondenzačné teplo sa odvádza chladiacou vodou poháňanou čerpadlom chladiacej vody do chladiacej veže. Výhody slnečných elektrární: akumulácia energie, plynulosť výroby elektrickej energie, vyšší výkon na jednotku plochy, spoľahlivosť, ekologická prevádzka. Bežne sa teploty pohybujú do hodnoty 600 C, pri niektorých typoch môžu byť aj vyššie. Slnečné elektrárne na báze koncentrovanej slnečnej energie rozdeľujeme do štyroch základných typov: slnečné elektrárne s parabolickými zrkadlami v tvare koryta, slnečné elektrárne s parabolickými zrkadlami v tvare taniera, termálne solárne veže, Fresnelove slnečné elektrárne Slnečné elektrárne s parabolickými zrkadlami v tvare koryta Parabolické zrkadlá v tvare koryta odrážajú a koncentrujú priame slnečné žiarenie na absorbér sklenenú trubicu ležiacu v ohnisku lineárne pozdĺž zrkadiel. Absorbér je naplnený teplonosným médiom, ktoré sa ohrieva až na teplotu 400 C, následne generuje pary a poháňa parnú turbínu silového bloku. Bežne sa ako teplonosné médium používa syntetický olej, roztavené soli alebo natlakovaná para. Sledovací systém otáča parabolické zrkadlá počas dňa za slnkom po jednej osi. Priemerná ročná účinnosť je okolo 15 %. Obr. 2.9 Parabolické zrkadlá v tvare koryta s absorbérom Energetické zdroje 21

24 Slnečná energia Slnečné elektrárne s parabolickými zrkadlami v tvare taniera Systémy využívajú sústavu parabolických zrkadiel v tvare taniera, ktoré koncentrujú slnečné žiarenie do absorbéra umiestneného v ohnisku taniera. Štandardne sa pri tomto type elektrární využíva na výrobu elektrickej energie Stirlingov motor, niekedy aj parný motor. Výhodou elektrární s parabolickými zrkadlami v tvare taniera (kombinovaných so Stirlingovým motorom) je nielen ich stavebnicový charakter, nízke straty energie, ale najmä ich relatívne vysoká účinnosť okolo 27 %. Obr Parabolické zrkadlá v tvare taniera Termálne solárne veže Vežová slnečná elektráreň je typická svojou vysokou vežou, ktorá je obklopená rozsiahlou plochou pokrytou zrkadlami sledujúcimi pohyb slnka heliostatov. Heliostaty koncentrujú slnečné žiarenie na absorbér, ktorý sa nachádza v ohnisku a je umiestnený na vrchole veže. Dosiahnutá pracovná teplota teplonosného média sa pohybuje od 800 do C, čo umožňuje väčšiu efektívnosť prevádzky v porovnaní s elektrárňami s parabolickými zrkadlami v tvare koryta. Médiom môžu byť aj roztavené soli, ktoré majú dobré akumulačné vlastnosti. Nevýhodou termálnych slnečných veží je, že každé zrkadlo musí mať vlastný dvojosový sledovací systém, s tým je spojená aj investičná náročnosť. Obr Principiálna schéma vežovej slnečnej elektrárne 22

25 Slnečná energia Obr Solárna vežová elektráreň Fresnelove slnečné elektrárne Zrkadlá s malým zakrivením usporiadané podľa Fresnelovho princípu usmerňujú slnečné žiarenie na absorbér. Ten má tvar trubice a nachádza sa nad zrkadlami v ich ohnisku. Dosahuje najnižšiu účinnosť: 8 %. Obr Fresnelova slnečná elektráreň Komínové slnečné elektrárne Sú špeciálnym typom slnečnej elektrárne. Ich princíp spočíva v ohriatí vzduchu pod skleníkom. Slnkom zahriaty vzduch vytvára vzduchové prúdenie, ktoré stúpa smerom hore. Toto prúdenie roztáča veterné turbíny nachádzajúce sa v spodnej časti elektrárne. Aby elektráreň mohla pracovať aj v noci, časť slnečného žiarenia ohrieva nádrže so slanou vodou, ktoré udržujú ťah vzduchu aj bez dopadu slnečného žiarenia. Energetické zdroje 23

26 Slnečná energia Obr Princíp slnečnej komínovej elektrárne Obr Komínová slnečná elektráreň 2.5 Slnečné kolektory Energetické zariadenia, ktoré sú súčasťou solárneho systému a dochádza v nich k premene energie slnečného žiarenia na teplo, sa označujú ako slnečné tepelné kolektory alebo len slnečné kolektory. Hlavným prvkom kolektora je absorbér, v ktorom prebieha samotná premena slnečnej energie na teplo. Teplo sa prostredníctvom vedenia tepla v absorbéri prenáša na teplonosné médium, ktoré preteká v rúrkach absorbéra, a následne sa prepravuje do zásobníka. Výsledkom procesu ohrevu je tepelná energia akumulovaná vo vode alebo v inom, väčšinou kvapalnom médiu. Kolektory sa najčastejšie používajú na tieto účely: príprava teplej vody, podpora vykurovania budov, ohrev vody v bazénoch, priemyselné teplo a chladenie. 24

27 Slnečná energia Kolektory podľa konštrukcie rozdeľujeme na: stacionárne pevne uchytené, pracujúce pri štandardnom žiarení; koncentračné umiestnené na pohyblivom zariadení, žiarenie sa zameriava na malú plochu, používajú sa sledovače slnka. Teplonosným médiom môže byť: vzduch, voda, nemrznúca kvapalina, olej Stacionárne kolektory Plochý solárny kolektor Ploché kolektory sa obvykle navrhujú ako stacionárne zariadenia. Preto je dôležité dôkladne zvážiť ich umiestnenie, sklon a orientáciu, aby sa maximalizoval energetický zisk a zabezpečila sa optimálna funkčnosť podľa účelu. Ploché kolektory sa obvykle využívajú na prípravu teplej vody, podporu vykurovania alebo ohrev vody v bazéne. Teplonosným médiom je kvapalina. Absorbér tvorí čierny povrch tepelne vodivo spojený s medenou rúrkou, napr. v tvare meandra, v ktorej prúdi kvapalina a odvádza teplo. Je vyrobený tak, aby absorboval maximum žiarenia. Množstvo absorbovanej energie závisí najmä od uhla dopadu žiarenia. Zadná strana kolektora je izolovaná. Môže byť vyhotovený z medi, hliníka alebo ocele. Na krytie kolektora sa najčastejšie používa tvrdené bezpečnostné sklo. Obr Ukážka konštrukcie plochého kolektora rez Nekryté ploché kolektory (bazénové absorbéry) slúžia na ohrev vody v bazénoch. Ukladajú sa buď voľne na plochy vedľa bazéna, alebo na strechy s nízkym sklonom. V kolektoroch prúdi a ohrieva sa priamo voda z bazéna. Príklad inštalácie na streche v blízkosti bazéna je na obr Obr Bazénový kolektor a príklad inštalácie Energetické zdroje 25

28 Slnečná energia Vákuový trubicový kolektor Absorbér takéhoto kolektora sa nachádza v evakuovanej sklenej trubici. Vákuum izoluje a znižuje tepelné straty, čím sa docieli vyšší výkon a aj vyššie teploty pracovného média. V porovnaní s plochými kolektormi je účinnosť vyššia v prípade menších uhlov dopadu. Sú dva druhy trubicových kolektorov: s prietokovou trubicou, s tepelnou trubicou. Vákuový trubicový kolektor s tepelnou trubicou V kolektoroch s tepelnou trubicou sa zmes ohrieva v trubici a teplo sa odovzdáva vo výmenníku tepla, v ktorom preteká teplonosná látka. Zmes v tepelnej trubici sa cyklicky vyparuje a kondenzuje. Po odovzdaní tepla vo výmenníku sa zmes ochladí, kondenzuje a klesá dolu. Princíp činnosti trubicového kolektora s tepelnou trubicou je na obr Veľkou výhodou kolektorov s tepelnou trubicou je skutočnosť, že sa nemôžu poškodiť prehriatím alebo zamrznutím zmesi v trubici. Obr Princíp vákuového trubicového kolektora s tepelnou trubicou Obr Vákuový trubicový kolektor a príklad inštalácie V porovnaní s plochými kolektormi sa prednosti vákuových trubicových kolektorov prejavia vo vyšších zemepisných šírkach. Celý systém kolektora je vákuovo uzavretý, preto odpadajú viaceré nepriaznivé vonkajšie vplyvy a degradačné procesy materiálov. 26

29 Slnečná energia Vákuový trubicový kolektor s prietokovou trubicou Pri tomto systéme rúrky vytvárajú slučku, ktorá prechádza cez paralelne zapojené vákuové trubice. Voda, ktorú ohrievame, prichádza vo valci do priameho styku s absorpčným povrchom každej vákuovej trubice. Ako sa voda ohrieva, postupne sa čerpá cez trubice kolektora a nakoniec prechádza sekundárnou špirálou bojlera. Táto sekundárna špirála ohrieva zásobník teplej vody. Výhodou technológie prietokovej trubice je možnosť inštalovať modul v uhle od 0 až do 90 a tak nasmerovať povrch absorbéra do optimálnej polohy smerom na slnko. Obr Princíp vákuového trubicového kolektora s prietokovou trubicou Obr Vákuový trubicový kolektor príprava TV a podpora vykurovania Koncentračný kolektor Cieľom koncentrácie slnečného žiarenia je zvýšiť efektívnosť solárneho zariadenia zvýšením teploty absorbéra nad teplotu, ktorú možno dosiahnuť v nekoncentrujúcich systémoch. Koncentračná optika koncentruje žiarenie z veľkej plochy na malú plochu. Koncentračné kolektory majú dva dôležité komponenty: zrkadlový povrch (čiže koncentračnú časť) a druhý komponent absorbujúci povrch. Ako izolant absorbéra sa používa vákuum. Obvyklé usporiadanie koncentrátorov je takéto: parabolické zrkadlá v lineárnom (korytá, korýtka) alebo v tanierovom (miskovom) usporiadaní, rovinné zrkadlá heliostaty, ktoré reflektujú slnečné žiarenie na jeden bod, Fresnelova optika. Energetické zdroje 27

30 Slnečná energia V solárnej technológii sa používajú dva druhy koncentračnej geometrie zobrazujúca a nezobrazujúca. Nezobrazujúca optika odráža slnečné žiarenie na absorbér, ale nevytvára obraz slnka, preto nevyžaduje pohyblivý, slnko sledujúci mechanizmus. Nezobrazujúca optika odráža žiarenie na absorbér, pričom toto žiarenie môže prichádzať v širokom intervale uhlov. Zobrazujúca optika vytvára obraz slnka, a preto vyžaduje presné sledovanie polohy slnka alebo časti oblohy, ktorá svieti najviac. Výhodou koncentračných kolektorov je: vyššia teplota pracovného média, vyššia termodynamická účinnosť, jednoduchšia konštrukcia, menšia plocha absorbéra. Kolektory so sledovaním slnka Kolektory so sledovaním slnka pracujú v prevažnej miere s priamym slnečným žiarením. To si vyžaduje použitie mechanizmu, ktorý zabezpečí v každom okamihu optimálnu polohu kolektora k zdroju svetla. Mechanizmus sleduje slnko a ovláda pohyb kolektorov. Sledovač môže byť jednoosový (sleduje slnko len v jednom smere) alebo dvojosový (kontroluje výšku slnka a jeho azimut). Obr Sledovací systém s trubicovými kolektormi Príklad montáže trubicových kolektorov na stožiar so sledovacím mechanizmom je na obr Využitie sledovacích zariadení je častejšie v oblasti slnečných elektrární, resp. vysokoteplotných systémov. Plochý kolektor s plochým reflektorom Konštrukčne jednoduchý koncentrátorový kolektor je spojením plochého solárneho kolektora a zrkadlového rovinného reflektora, ktorý zvyšuje množstvo dopadajúceho žiarenia na absorbujúcu plochu. Systém je stacionárny. Na zlepšenie efektivity je povrch absorbéra zdrsnený. Využíva sa najmä vo vyšších zemepisných šírkach a v prípade väčších solárnych zariadení, keď sú jednotlivé kolektory v radoch. Obr Koncentrujúci plochý kolektor 28

31 Slnečná energia Parabolický korýtkový kolektor Parabolický kolektor môže mať tvar taniera alebo korýtka. Bežný je korýtkový kolektor. Tvar kolektora je navrhnutý tak, aby maximalizoval množstvo svetelnej energie na povrchu absorbéra. Využíva nielen priame, ale aj difúzne žiarenie. Absorbér sa nachádza v ohnisku parabolického koncentrátora a môže byť lineárny, plochý alebo cylindrický (obr. 2.24). Kolektor býva prekrytý sklom, aby sa zabránilo znečisteniu zobrazujúcich plôch. Môže byť stacionárny alebo pohyblivý. Obr Parabolické koncentrátory s cylindrickým absorbérom Teplota pracovného média v parabolickom korýtkovom kolektore môže dosiahnuť až 400 C. Získaná energia sa využíva ako technologické teplo alebo slúži na pohon turbíny v slnečnej elektrárni. Parabolický tanierový kolektor má podobnú geometriu, ale absorbér sa nachádza v bodovom ohnisku (obr. 2.25). Parabolický tanierový kolektor vyžaduje dvojosový sledovací mechanizmus. Teplota pracovného média môže dosiahnuť až C. Parabolické tanierové kolektory dosahujú najvyššiu účinnosť medzi všetkými kolektormi. Môžu pracovať samostatne alebo ich môžeme spájať do veľkých systémov. Obr Parabolický tanierový kolektor Energetické zdroje 29

32 Slnečná energia Kolektory s Fresnelovou optikou Fresnelove kolektory využívajú buď Fresnelove šošovky, alebo reflektor s Fresnelovým zrkadlom. Fresnelove šošovky sú plastové, špeciálne tvarované. Usporiadanie reflektorov môže byť: lineárne absorbér je umiestnený na veži, nemusí sa pohybovať, systém rovinných zrkadiel je segmentovaný (obr. 2.27), parabolické absorbér je umiestnený na veži, zrkadlá sú na parabolickej ploche, ale ich povrch je rovinný (obr. 2.26). Teplonosné médium s teplotou aj nad C sa najčastejšie využíva na výrobu elektrickej energie. Obr Koncentrácia svetelného žiarenia parabolickým zrkadlom Fresnelovho typu Obr Lineárny Fresnelov reflektor 2.6 Výber solárneho kolektora Najdôležitejšími parametrami pri výbere je nadobúdacia cena zariadenia, účinnosť, predpokladané použitie, lokalita inštalácie a ekonomickosť prevádzky. V podmienkach Slovenskej republiky sú rozšírené ploché alebo trubicové kolektory, resp. jednoduché bazénové kolektory. Kolektor sa vyberá vzhľadom na účel použitia a výber je podstatným krokom vedúcim k návrhu solárneho systému. Okolnosti, ktoré sa majú zvážiť, sú: lokalita inštalácie celková dostupnosť svetelného žiarenia v danej lokalite, miestne klimatické podmienky, terénne a stavebné okolnosti, prípadne aj predpokladané stavebné konštrukcie umiestnenie slnečného kolektora najvyššia účinnosť je pri kolmom dopade svetla, v našich podmienkach sa používa pevné umiestnenie kolektorov so sklonom 45 30

33 Slnečná energia nízke straty znižovanie strát konštrukčnými riešeniami (obmedzením dĺžky rozvodov alebo tepelnou izoláciou), optimalizácia všetkých častí systému (rozvody, zásobník) 2.7 Systémy na solárne ohrievanie vody Solárny kolektor je hlavným prvkom systému na ohrev vody. Teplo zo slnečného žiarenia sa absorbuje a prenáša priamo na teplú vodu alebo teplonosné médium. Získaná teplá voda sa môže akumulovať alebo priamo použiť. Solárny kolektor má štyri hlavné časti: kolektor, absorbér, výmenník pri použití teplonosného média, čerpadlo na vynútený pohyb ohriateho média. Ako teplonosné médium môže slúžiť aj vzduch. Vzduchové systémy sú systémy s nepriamym ohrevom, ktoré používajú výmenník vzduch/kvapalina. Médium prenáša získanú energiu do výmenníka/zásobníka pitnej vody, ktorú tým ohrieva. V okruhu sa nachádza expanzná nádoba, ktorá vyrovnáva tlaky vnútri systému. Výhodou vzduchových systémov je, že nepotrebujú ochranu proti prehriatiu a zamrznutiu. Vzduchové rozvody sú však náročnejšie na priestor Termosifóny Sú jednoduché a celosvetovo rozšírené zariadenia. Na svoju činnosť využívajú prirodzené stúpanie teplej vody, takže zásobník/výmenník sa nachádza nad solárnymi panelmi, čo zároveň určuje celkové usporiadanie a nízku estetickú úroveň (obr. 2.28). Nevyžaduje si vnútený obeh vody pomocou čerpadla. Obr Princíp činnosti termosifónu Kolektor integrovaný so zásobníkom Zásobník, ako hovorí názov tohto systému, je integrovaný priamo do kolektora a tvorí kompaktný kus. Ide o pasívny systém, ktorý nemá pohyblivé časti a nevyžaduje vnútený obeh vody. Tento systém sa využíva typicky na predohrev vody pre existujúci elektrický, plynový alebo iný ohrev. Veľké straty vznikajú v noci a počas chladných dní Systém s priamou cirkuláciou Solárne systémy používajúce čerpadlo sa označujú ako aktívne. Voda zo zásobníka sa čerpá do kolektorov, tam sa ohrieva a vracia sa späť do zásobníka. Dochádza k premiešaniu teplej a studenej vody; teplá stúpa nahor, kde sa odoberá. Používa sa pitná voda, teda okruh s kolektorom je prepojený s okruhom distribúcie pitnej vody. Systém s priamou cirkuláciou je citlivý na zamrznutie a prehriatie, ako aj na chemické vlastnosti vody. Energetické zdroje 31

34 Veterná energia 3 Veterná energia Vietor vzniká vplyvom nerovnomerného ohrevu zemského povrchu slnečným žiarením, je to teda jav spôsobený povrchom zeme. Suché časti povrchu sa ohrievajú omnoho rýchlejšie než vlhké plochy. Teplý vzduch stúpa smerom nahor, pretože je ľahší ako studený vzduch. Prízemný vietor nad pevninou je veľmi silno ovplyvnený tvarom povrchu na rozdiel od mora a pobrežnej časti pevniny. Vietor tesne pri povrchu sa vyznačuje nestálosťou: intenzity, rýchlosti, smeru. Rozhodujúcim faktorom využívania veternej energie je priemerná rýchlosť vetra za rok. Minimálna priemerná ročná rýchlosť vetra vhodná na efektívnu prevádzku má byť aspoň 4,8 m.s -1 a viac. Ideálne veterné podmienky však poskytujú morské pobrežia, kde priemerná rýchlosť vetra bežne dosahuje 8 až 10 m.s -1. Obr. 3.1 Veterné farmy Premena veternej energie na elektrickú energiu Pôsobením prúdu vzduchu na listy veternej turbíny vzniká aerodynamická sila, ktorá je príčinou rotačného pohybu turbíny. Rotačný pohyb turbíny sa využíva na pohon generátora vhodného typu, ktorý je priamym zdrojom elektrickej energie. Energia získaná z vetra závisí od: hustoty vzduchu, plochy rotora, rýchlosti vetra. 32

35 Veterná energia 3.1 Rozdelenie veterných zariadení Veterné motory transformujú kinetickú energiu vzduchu na mechanickú. Obdobne ako všetky energetické stroje rozdeľujeme ich podľa rôznych kritérií: podľa aerodynamického princípu: odporové, vztlakové, podľa polohy osi otáčania: veterné zariadenia s horizontálnou osou otáčania, veterné zariadenia s vertikálnou osou otáčania, podľa účelu na: veterné zariadenia slúžiace na čerpanie vody, veterné elektrárne, podľa spôsobu dodávky elektrickej energie: systémy nezávislé od rozvodnej siete, autonómne systémy, ktoré slúžia na lokálne zásobovanie elektrickou energiou s výkonom rádovo kw, systémy dodávajúce energiu do rozvodnej siete, slúžia výhradne na komerčnú výrobu elektrickej energie a na dodávku elektrickej energie veternou elektrárňou do rozvodnej siete. (veterné elektrárne veľkých výkonov), podľa spôsobu regulácie výkonu: pasívna regulácia (stall) odtrhnutím prúdnic vzduchu od listu rotora, aktívna regulácia (pitch) využíva natáčanie celého listu rotora podľa okamžitej rýchlosti vetra. 3.2 Veterné zariadenia s horizontálnou osou otáčania Pomalobežné rotory: 6 až 8 lopatiek, jednoduchšia konštrukcia, použiteľné pri nízkej rýchlosti vetra, nízka hmotnosť. Rýchlobežné rotory: 3-listová vrtuľa, možnosť natáčania lopatiek, regulácia otáčok rotora. Moderné veterné elektrárne s horizontálnou osou otáčania sú konštruované zásadne ako rýchlobežné veterné motory s tromi, prípadne dvomi listami rotora. Podľa spôsobu technického riešenia elektrárne z pohľadu dosiahnutia optimálnych otáčok potrebných na generovanie elektrickej energie v prevádzkových podmienkach charakterizovaných nekonštantnou hustotou výkonu vetra možno rozdeliť do troch skupín: elektrárne so stall reguláciou, pevnou geometriou listov rotora prevodovkové, elektrárne s pitch reguláciou, premenlivou geometriou listov rotora prevodovkové, bezprevodovkové elektrárne s premenlivou geometriou listov rotora. Energetické zdroje 33

36 Veterná energia Elektrárne s pevnou geometriou listov rotora prevodovkové Listy vrtule sú upevnené na náboji rotora, ktorý je uchytený na hlavnom hriadeli, prenášajúcom krútiaci moment rotora. Regulácia otáčok rotora sa realizuje pôsobením aerodynamickej regulácie, čiže odtrhnutím prúdnic od aerodynamického profilu a tiež pôsobením brzdného účinku magnetického poľa generátora. Na úplné zastavenie rotora pri silných vetroch musí byť zariadenie hydraulickou kotúčovou brzdou. Hlavný hriadeľ prenáša krútiaci moment z rotora do trojstupňovej prevodovky do rýchla. Na výstupe z prevodovky je cez spojku pripojený rýchlootáčkový hriadeľ, ktorý prenáša krútiaci moment na asynchrónny generátor. Elektrárne s premenlivou geometriou listov rotora prevodovkové Veterná elektráreň s premenlivou geometriou rotora má listy uchytené v ložiskách, ktoré umožňujú ich otáčanie okolo pozdĺžnej osi. Otáčací mechanizmus zabezpečuje súčasné nastavovanie všetkých listov vrtule do príslušnej polohy podľa požadovaného nábehového uhla. Prevodovka pracuje do rýchla a brzdenie sa realizuje natáčaním listov vrtule. Hydraulická brzda sa používa len pri odstávkach elektrárne. Bezprevodovkové elektrárne s premenlivou geometriou listov rotora Nevyhnutnou súčasťou bezprevodovkovej elektrárne je mnohopólový prstencový synchrónny generátor s niekoľkometrovým priemerom. Výsledkom inštalácie špeciálneho generátora je vynechanie prevodovky z vybavenia strojovne veternej elektrárne. Generátor pracuje v režime premenlivých otáčok. Takto generovaný prúd s premenlivými parametrami je prostredníctvom výkonovej elektroniky transformovaný a frekvenčne prispôsobený parametrom siete, do ktorej je elektráreň pripojená. Veľkou výhodou tohto systému je schopnosť pracovať aj pri malej rýchlosti vetra 3.3 Veterné zariadenia so zvislou osou otáčania turbíny Sú to najstaršie historicky preukázané zariadenia slúžiace na konverziu energie vetra. Koncepciou je rotácia krídiel vďaka tlakovému účinku vetra na plochu krídla. Veterné zariadenie s vertikálnou osou otáčania rotora má umiestnený generátor a celú strojovňu v dolnej časti zariadenia, čo je veľká konštrukčná výhoda. Rovnako toto zariadenie nemusí byť otáčané v smere vetra. Na druhej strane ich pracovná časť sa nachádza v prízemnom turbulentnom prúdení, čo sa prejavuje na nižšej účinnosti ako pri zariadeniach s horizontálnou osou otáčania Savoniusov rotor Najznámejším a najjednoduchším veterným rotorom tohto usporiadania je tzv. Savoniusov rotor. Je to pomalobežný veterný stroj pracujúci na tlakovom princípe, využívajúc pritom rozdiel tlakov pôsobiacich na vypuklú a dutú plochu polkruhovej lopatky pri prúdení vzduchu. Účinnosť sa pohybuje len okolo 20 %. Má dobré rozbehové vlastnosti aj pri malých rýchlostiach vetra a veľký záberový moment, preto sa hodí na pohon objemových čerpadiel Darrieusov rotor Skladá sa z dvoch alebo troch krídel rotujúcich okolo zvislej osi, ktoré majú súmerný aerodynamický profil. Rotor pracuje, obdobne ako pri vrtuľových elektrárňach, na vztlakovom princípe a patrí medzi rýchlobežné veterné stroje. Darrieusove rotory rozdeľujeme podľa tvaru krídel na: 1. Rotor so zakrivenými krídlami: klasický Darrieusov rotor sa podľa charakteristického tvaru taktiež nazýva Φ rotor. Základným znakom rotorov typu Darrieus je to, že jeho prevádzka je možná len pri špecifických poveternostných podmienkach, inak môže byť moment nulový alebo záporný rotor je brzdený. Problémom riešenia je aj rozbeh pri slabšom vetre. 34

37 Veterná energia 2. Rotory s priamymi listami: H rotor s vodorovným ramenom a zvislými krídlami, Δ rotor s krídlami hornými koncami uchytenými v mieste osi otáčania, pričom dolná strana od osi rozbiehajúcich sa krídel je upevnená o radiálne ramená. Obr. 3.2 Darrieusov Φ rotor Obr. 3.3 Darrieusov H rotor Veterné zariadenia s Darrieusovým Φ rotorom Špecifickou nevýhodou tejto koncepcie je nemožnosť meniť geometriu listov, čo má za následok obmedzené možnosti regulácie a nie úplné využitie celej plochy rotora. Akékoľvek obmedzenie výkonu alebo ochrana proti víchriciam je možná len brzdením stroja. Konštrukciu je nutné spevňovať pomocou výstužných lán, ktoré sú vedené z vrcholu zvislého hriadeľa na zem. Tento fakt znamená vyššiu náročnosť na záber pôdy. Veterné zariadenia s Darrieusovým H a Δ rotorom Ich názov je odvodený podľa dvojlistových turbín. Rameno má na konci dve zvislé, resp. naklonené krídla. Táto konfigurácia vytvára písmeno H, resp. Δ. Najjednoduchšie typy majú zvislé krídla uchytené pevne, bez možnosti zmeny geometrie. Majú všetky nevýhody spojené s koncepciou veterných turbín so zvislou osou. Pri zvýšených otáčkach dochádza pri tomto type k samoregulácii a k ďalšiemu zvyšovaniu výkonu a otáčok nedochádza. Veterné turbíny s vertikálnou osou sa zatiaľ väčšieho rozšírenia nedočkali. Ich nevýhody prevažujú nad výhodami. Uplatnenie nachádzajú len v špecifických podmienkach. Energetické zdroje 35

38 Biomasa 4 Biomasa Biomasa je biologický materiál vhodný na energetické využitie, ktorý sa tvorí vo voľnej prírode alebo je vyprodukovaný činnosťou človeka. Je to zakonzervovaná slnečná energia, ktorú rastliny premieňajú na organickú hmotu. Tá, či už ako drevo, rastliny, alebo iné poľnohospodárske zvyšky vrátane exkrementov úžitkových zvierat, dokáže vhodnou premenou poskytnúť užitočné formy energie elektrickú energiu, teplo i kvapalné palivá do motorových vozidiel. Biomasa má teda nezastupiteľnú úlohu v znižovaní skleníkových plynov, z ktorých najvýznamnejší je CO Spôsoby využitia biomasy na energetické účely Možnosti využitia biomasy na energetické účely predurčujú hlavne jej fyzikálne a chemické vlastnosti. Veľmi dôležitým parametrom je vlhkosť, resp. obsah sušiny v biomase. Hodnotu 50 % sušiny možno považovať za hraničnú medzi procesmi mokrými (obsah sušiny je menší ako 50 %) a suchými (obsah sušiny je vyšší ako 50 %). Podľa princípu samotnej konverzie energie možno definovať niekoľko spôsobov získavania energie z biomasy: 1. termochemická premena biomasy (suché procesy): spaľovanie, splynovanie, pyrolýza, 2. biochemická premena biomasy (mokré procesy): alkoholické kvasenie, metánové kvasenie, 3. fyzikálna a chemická premena biomasy: mechanická (štiepenie, drvenie, lisovanie, briketovanie, peletovanie, mletie atď.), chemická (esterifikácia surových rastlinných olejov), 4. získavanie odpadového tepla pri spracovávaní biomasy (napríklad pri kompostovaní, aerobnom čistení vôd, anaeróbnej fermentácii a pod.). Obr. 4.1 Princíp spracovania biomasy a jej ďalšie použitie 36

39 Biomasa Bezprostredným produktom týchto procesov je teplo využívané v mieste výroby alebo v jej blízkosti. Teplo možno využívať buď priamo na prípravu teplej vody, alebo na výrobu elektrickej energie pomocou agregátu poháňaného parou Spaľovanie Technológia priameho spaľovania biomasy je najbežnejším spôsobom jej energetického využitia. Spaľovacie zariadenia sa dodávajú v rôznych vyhotoveniach a výkonoch, pričom sú schopné spaľovať prakticky akékoľvek palivo od dreva cez baly slamy až po slepačí trus alebo komunálny odpad. Význam má predovšetkým spaľovanie odpadového dreva a odpadov z poľnohospodárskej produkcie. Na účinné spaľovanie treba zabezpečiť: dostatočne vysokú teplotu, dostatok vzduchu, dostatok času, aby mohlo prebehnúť úplné spálenie biomasy Pyrolýza Pyrolýza je spôsob úpravy biomasy na palivo vyššej kvality, tzv. drevné uhlie. Na jeho výrobu okrem dreva možno využiť aj iné suroviny, napríklad slamu. Pyrolýza spočíva v zohrievaní biomasy (ktorá je často rozdrvená a dodávaná do reaktora) za neprítomnosti vzduchu na teplotu 300 až 500 C až dovtedy, pokiaľ z nej neuniknú všetky prchavé látky. Výhody výroby drevného uhlia: palivo s dvojnásobnou energetickou hustotou, horenie pri vyššej teplote, menšie množstvo emisií. Rýchla pyrolýza dreva pri teplote 800 až 900 C vedie k produkcii len 10 % drevného uhlia a až 60 % materiálu sa mení na energeticky hodnotné palivo plyn bohatý na vodík a oxid uhoľnatý. Táto metóda nie je dostupná na komerčnej úrovni Splynovanie Splynovanie je proces, pri ktorom sa produkujú horľavé plyny, ako sú vodík, oxid uhoľnatý, metán a niektoré nehorľavé produkty. Celý proces prebieha pri nedokonalom horení a ohrievaní biomasy teplom vznikajúcim pri horení. Vznikajúca zmes plynov má vysokú energetickú hodnotu a môže byť použitá ako iné plynné palivo pri výrobe tepla a elektriny. Uvoľnené teplo udržuje celý proces bez dodávania energie zvonku. Na konci procesu je tak užitočnejší a využiteľnejší produkt Fermentácia Fermentácia roztokov cukrov je spôsob výroby etanolu z biomasy. Je to biologický proces bez prístupu vzduchu, pri ktorom sa cukry menia pôsobením mikroorganizmov (kvasinky) na alkohol etanol, resp. metanol. Etanol je veľmi kvalitné kvapalné palivo, ktoré podobne ako metanol možno využiť ako náhradu za benzín v motorových vozidlách. Na výrobu etanolu (ale aj metanolu) sa ako vhodné suroviny dajú využiť viaceré rastliny, napríklad obilie, zemiaky, kukurica či cukrová repa Anaeróbne vyhnívanie Je proces hnitia účinkom baktérií bez prítomnosti vzduchu. Hnitie organických zvyškov prebieha všade v teplom a vlhkom prostredí, dokonca aj pod vodou, kde vedie k tvorbe plynov vystupujúcich na hladinu. Plyn vznikajúci pri hnití organických látok v umelom prostredí sa nazýva bioplyn a skladá sa hlavne z metánu a oxidu uhličitého. Získavanie bioplynu z odpadov a jeho spaľovanie plynovými turbínami je nenáročný proces a technologické prvky sú bežne dostupné na trhu. Energetické zdroje 37

40 Biomasa Spoločné spaľovanie uhlia a biomasy Spoločné spaľovanie uhlia a biomasy je vzhľadom na podobnosť uvedených palív možné. Takisto je to jedna z ciest znižovania emisií spojených s výrobou elektriny v uhoľných elektrárňach. Elektrárne sa od seba môžu líšiť zastúpením biomasy v zmiešanom palive. Bežne ide o 5- až 20-percentné zastúpenie, zvyšok tvorí uhlie. Obr. 4.2 Schéma kombinovanej výroby elektrickej energie a tepla z biomasy na základe splynovania 4.2 Biomasa ako palivo Všetky fosílne palivá využívané v súčasnosti, ako napr. uhlie, ropa a zemný plyn, sú fosílnou formou biomasy. Toto palivo vznikalo ako výsledok veľmi pomalých chemických procesov. Z hľadiska vplyvu na životné prostredie je veľký rozdiel medzi fosílnymi palivami a obnoviteľnou biomasou. Pri fosílnych palivách dochádza k ovplyvňovanou životného prostredia tým, že pri ich spálení sa do atmosféry dostávajú látky, ktoré boli po mnoho milión rokov uložené pod zemským povrchom. Na rozdiel od nich je napríklad spaľovanie čerstvej biomasy z hľadiska emisií skleníkových plynov neutrálne Pevné biopalivá Drevo je v súčasnosti najpoužívanejším druhom biopaliva. Vo svete existuje značný potenciál jeho využitia na energetické účely. Súvisí to s tým, že pri ťažbe a spracovaní dreva na iné ako energetické účely vzniká veľké množstvo odpadu, ktorý často zostáva nevyužitý. Drevné štiepky, resp. piliny, z ktorých sa vyrábajú tzv. pelety, sú cenným palivom. Tradičné pece používané v domácnostiach majú účinnosť využitia energie obsiahnutej v dreve pod hodnotou 30 %, moderné zariadenia na splynovanie dosahujú okolo 90 %. K pevným palivám patria aj dreviny vyznačujúce sa rýchlym rastom, ktoré možno jednoducho pestovať za účelom ich budúceho energetického využitia. Dĺžka ich produkcie je zvyčajne 3 až 8 rokov, niektorých druhov tráv len 6 až 12 mesiacov. 38

41 Biomasa Kvapalné biopalivá Na rozdiel od pevných a plynných biopalív sa kvapalné biopalivá využívajú predovšetkým na pohon motorových vozidiel. Výroba alkoholu (metanolu a etanolu) z biomasy na technické účely je známa už od začiatku 20. storočia. V súčasnosti sú najdôležitejšími palivami, vyrábanými z biomasy, etanol, metanol a bionafta. Bionafta vyrábaná z repky olejnatej je jediným kvapalným biopalivom, ktoré sa využíva aj u nás Plynné biopalivá Z energetického hľadiska plynné biopalivá nedosahujú úroveň napríklad zemného plynu a energia obsiahnutá v drevoplyne je podstatne nižšia ako pri bioplyne. Zloženie bioplynu a drevoplynu však nie je konštantné a mení sa v závislosti od podmienok ich výroby. Výhodou plynných palív je, že pri spaľovaní sa lepšie miešajú so vzduchom, a preto lepšie horia ako kvapalné palivá. Ďalšou výhodou týchto palív v porovnaní s benzínom a naftou je, že majú vyššie oktánové číslo. Vyššia kvalita plynných palív umožňuje použitie vyššieho kompresného pomeru, čo má za následok vyšší výkon a účinnosť motora. Aplikácia bioplynu sa v súčasnosti koncentruje prevažne v stacionárnych motoroch kogeneračných jednotkách (výroba elektriny a tepla). 4.3 Kotly na biomasu Sú to zariadenia určené na spaľovanie suchej drevnej hmoty pri súčasnej výrobe tepelnej energie, ktorá môže byť využitá na vykurovanie. Podľa princípu činnosti ich delíme na kotly s prehorievaním, so spodným horením a na splynovanie dreva Kotly s prehorievaním dreva Sú najjednoduchšími kotlami na drevo a pracujú na podobnom princípe ako klasické pece na drevo. Vzduch vniká zospodu do kotla a prechádza hore cez palivo. V takomto prípade drevo prehorieva veľmi rýchlo a plyny nestihnú zhorieť úplne, pretože teplota kotla je relatívne nízka. Väčšina plynov uniká do komína a spolu s ňou aj užitočná energia. Plyny majú tiež veľmi obmedzený priestor na odovzdanie svojej energie inému médiu, napríklad vode. Takéto kotly zväčša nie sú vhodné na spaľovanie dreva, pretože ich účinnosť je nízka približne 50 % Kotly so spodným horením Vzduch sa k palivu v kotle privádza len zo spodnej časti, pričom horí len spodná vrstva dreva. Zvyšok dreva sa ohrieva a vysušuje, pričom sa pomaly z neho uvoľňujú plyny. Pridaním dodatočného vzduchu priamo do plameňa dochádza k spaľovaniu týchto plynov. V moderných kotloch tohto typu je spaľovacia komora z keramiky, ktorá je dobrým izolantom a udržuje teplo vnútri komory. Tým sa dosiahne vysoká teplota spaľovania a účinnejšie horenie. Bežná účinnosť takýchto kotlov je asi 65 až 75 % Kotly na splynovanie dreva Kotly sú konštruované tak, aby pri horení paliva dochádzalo k pyrolytickej destilácii, pri ktorej sa všetky spáliteľné zložky paliva splynujú. Spaľovanie prebieha trojstupňovým procesom v jednotlivých zónach kotla: zóna vysúšanie a splynovanie drevnej hmoty, zóna horenie drevného plynu na dýze s prívodom predohriateho sekundárneho vzduchu, zóna dohorievanie v nechladenom spaľovacom priestore. Takto riadený systém spaľovania sa vyznačuje možnosťou plynulej regulácie výkonu a zaručuje vysokú účinnosť, často až 90 %. Prevádzka zariadenia kladie minimálne nároky na obsluhu. Kotly sú určené na montáž do systému s núteným obehom aj samotiažnou cirkuláciou. Kotol zvyčajne musí mať samostatný komín. V splynovacích kotloch možno spaľovať suchú drevnú hmotu, prírodné drevné odpadky v celej škále podôb od štiepkov cez polená s dĺžkou 80 cm a priemerom 30 cm až po drevené brikety alebo pelety. Energetické zdroje 39

42 Biomasa Obr. 4.3 Princíp splynovacieho kotla 1 rošt, 2 dýza na splynovanie, 3 ťah spalín, 4 spalinovod, 5 popolník, 6 riadiaca jednotka 4.4 Drevo ako biopalivo Drevo patrí medzi veľmi cennú energetickú biomasu, kg suchej drevnej hmoty sa svojou energiou vyrovná: 450 kg čierneho uhlia, 520 kg koksu, 340 kg vykurovacieho oleja, 320 kg butánu. Drevo je vhodné pred jeho použitím nechať vysušiť. Proces sušenia pri vhodných podmienkach počas prvých dvoch až troch rokov zvyšuje energetický obsah dreva. Pri spaľovaní vlhkého dreva klesá teplota spaľovania, dochádza k dymeniu, zanášaniu dymových potrubí a k znižovaniu životnosti kotla. Pri správnom spaľovaní a pri správnej vlhkosti drevo horí prakticky bez dymu, ľahko sa zapaľuje, nešpiní pri manipulácii a tvorí málo popola, asi 1 % pôvodnej hmotnosti. Najdlhšie sa oheň udrží pri aplikácii tvrdých druhov dreva, najľahšie horia ľahké listnaté a ihličnaté drevá. Výborne však horí každé drevo, ktoré má nízky obsah vlhkosti, t. j. 15 až 20 % Brikety Brikety (obr. 4.4) sú valcovité telesá s dĺžkou asi 15 až 25 cm vyrobené z odpadovej biomasy drvením, sušením a lisovaním bez akýchkoľvek chemických prísad. Lisovaním sa dosahuje vysoká hustota (1 200 kg.m -3 ), čo je Obr. 4.4 Brikety 40

43 Biomasa dôležité na minimalizáciu objemu paliva. Vysoká výhrevnosť (19 MJ.kg -1 ) je zárukou nízkych nákladov na vykurovanie. Nízka popolnatosť, časovo neobmedzená skladovateľnosť, bezprašnosť a jednoduchá manipulácia sú vlastnosti, ktoré tomuto palivu dávajú špičkové parametre Štiepky Štiepky sú 2 až 4 cm dlhé kúsky dreva, ktoré sa vyrábajú štiepkovaním z drevných odpadov, napríklad z tenčiny z prerieďovania porastov alebo konárov. Štiepky (obr. 4.5) sú odpadovým produktom drevárskeho priemyslu a ich energetické zužitkovanie sa stalo v mnohých krajinách bežné. Obr. 4.5 Drevná štiepka V Dánsku aj v Rakúsku existuje viacero väčších obecných kotolní spaľujúcich štiepky. Výhodou štiepok je, že rýchlejšie schnú a umožňujú automatickú prevádzku kotlov pri použití zásobníka a dopravníka paliva Pelety Ide o granulu s kruhovým prierezom s priemerom približne 6 až 8 mm a dĺžkou 10 až 30 mm. Vyrábajú sa výhradne z odpadového materiálu, ako sú piliny alebo hobliny, bez akýchkoľvek chemických prísad. Lisovaním pod vysokým tlakom sa dosahuje vysoká hustota paliva. Ich veľkou výhodou je, že majú nízky obsah vlhkosti asi 8 až 10 %. Relatívne vysoká hustota materiálu (min. 650 kg/m 3 ) garantuje aj vysokú výhrevnosť až 20 MJ/kg. Týmito parametrami sa pelety vyrovnajú uhliu. Obr. 4.6 Drevné pelety Energetické zdroje 41

44 Biomasa Obr. 4.7 Schéma kotla na spaľovanie peliet Zásobníky poloautomatických kotlov na pelety (obr. 4.7) sú konštruované tak, aby množstvo paliva v ňom obsiahnuté dovoľovalo jeho bezobslužnú prevádzku počas 1 týždňa. Po tejto lehote treba vybrať popol a doplniť palivo. Dlhší cyklus prikladania umožňuje vybudovanie zásobníkového sila, z ktorého sa pelety premiestňujú do kotla dopravníkom. Prevádzka kotlov spaľujúcich pelety je automatická. Dodávka paliva sa vykonáva pred vykurovacou sezónou. 4.5 Slama Odpady z poľnohospodárskej produkcie sú z hľadiska obsahu energie veľmi významným zdrojom. Slama má vyššiu výhrevnosť (hmotnostnú energiu) ako hnedé uhlie a ako palivo na vykurovanie sa dnes využíva v mnohých vyspelých krajinách. Účinnosť spaľovania slamy v kotloch je tiež relatívne vysoká, priemerne 80 až 85 %. Kotly na slamu bývajú dimenzované na 60 až 70 % maximálnej záťaže, čo umožňuje jednoduchšiu a ekonomickejšiu prevádzku počas letných mesiacov s nízkym odberom tepla. Slama dodávaná do spaľovní musí vyhovovať istým požiadavkám. Kritickým parametrom slamy je obsah vlhkosti, ktorá sa zvyčajne pohybuje na úrovni 10 až 25 %. Obr. 4.8 Balíky slamy na poli 42

45 Geotermálna energia 5 Geotermálna energia Pod pojmom geotermálna energia rozumieme teplo (termálnu energiu), ktorá sa nachádza vnútri našej planéty a pomaly preniká na povrch. Vnútri Zeme sa zhromažďuje veľké množstvo tejto energie, no na zemský povrch sa jej dostane len nepatrné množstvo. Blízko pri povrchu teplota rastie pozvoľne, približne 30 C na každý kilometer hĺbky, tzn. že v hĺbke tri kilometre teplota dosahuje v priemere 100 C. Využívanie geotermálnej energie je preto technicky zložité a nákladné, ale v regiónoch s výdatnými geotermálnymi prameňmi sa ukazuje ako efektívne. Ak vzniknú trhliny v skalách zemskej kôry, medzery sa v týchto miestach naplnia vodou presakujúcou z povrchu. Voda sa zohrieva na rovnakú teplotu, akú majú skaly, a v ich prasklinách sa vytvárajú tzv. geotermálne nádrže s podzemnou horúcou vodou. Obr. 5.1 Priebeh teplôt vnútri zeme Využívať geotermálnu energiu znamená: energiu z obnoviteľného zdroja, malú závislosť od vonkajších vplyvov, minimálne znečistenie prostredia, vysoké investičné náklady, rozsiahle výkopové práce, veľký záber pôdy. 5.1 Technológie geotermálnej premeny Geotermálne elektrárne rozdeľujeme podľa zdrojovej látky na: Parné Pracovným médiom je para s vysokou teplotou, ktorá zaručuje vysokú účinnosť premeny energie. Látka na povrch uniká z vrtu bez vynaloženia energie. Hydrotermálne Využívajú geotermálnu tekutinu v tekutej fáze s nižšou teplotou a dosahujú nižšiu účinnosť. Treba vynaložiť energiu na úpravu a transport tekutiny na povrch. Hydrotermálne geotermálne elektrárne využívajú ako zdrojovú látku geotermálnu tekutinu v kvapalnej fáze, teda horúcu vodu. Horúca geotermálna voda má nižšiu teplotu ako geotermálna para, a tak aj účinnosť týchto elektrární je o niečo nižšia. Geotermálne tekutiny majú vplyvom okolitých hornín vysoký obsah minerálnych prvkov, ktoré majú nepriaznivé účinky na technológiu elektrárne. Agresívna povaha a vysoký korózny potenciál geotermálnych tekutín spôsobil, že ich využitie na výrobu elektrickej energie muselo počkať na vývoj použiteľných antikoróznych materiálov. Energetické zdroje 43

46 Geotermálna energia Aby sa mohlo zdrojové teplo geotermálnej tekutiny využiť, treba vynaložiť vstupnú energiu na transport a úpravu fyzikálnych vlastností primárnej pracovnej tekutiny. Táto energia je niekoľkonásobne prevýšená výstupnou elektrickou (mechanickou) alebo tepelnou energiou, ktorá sa získa geotermálnou premenou Parné geotermálne elektrárne Parnú elektráreň poháňa priamo horúca para z podzemných zásobníkov. Takto vzácne zásoby sa nachádzajú len v niekoľkých lokalitách a musia sa vyznačovať vysokou teplotou geotermálnej tekutiny. Získaná para putuje sústavou potrubí do centrálnej budovy elektrárne, odkiaľ ide priamo na turbínu. Počas celého procesu sa od pary oddeľuje vlhkosť. Tá sa ako prebytočná v kvapalnom skupenstve vracia reinjektážnym vrtom naspať do geotermálneho zásobníka, čím sa predlžuje životnosť zásobníka. Obr. 5.2 Principiálna schéma parnej geotermálnej elektrárne Hydrotermálne elektrárne Poháňa ich horúca geotermálna voda tvorená zmesou kvapaliny a pary. Podľa princípu činnosti ich rozdeľujeme na hydrotermické, elektrárne s kombinovaným cyklom a Hot Dry Rock. Hydrotermické elektrárne bez nízkotlakovej turbíny Z vrtu sa čerpá geotermálna tekutina obsahujúca obe skupenstvá vodu a paru. Pri prvom technologickom procese sa v cyklónovom separátore tieto zložky oddelia. Následná sústava potrubí je veľmi podobná ako pri parnej elektrárni, ale využíva väčšie množstvo ventilov a uzáverov. Reinjektážny vrt musí byť prispôsobený na väčšie množstvo prebytočnej vody, ktorá vzniká v tomto type elektrárne. Obr. 5.3 Principiálna schéma hydrotermickej geotermálnej elektrárne bez nízkotlakovej turbíny Hydrotermická elektráreň s nízkotlakovou turbínou Princíp činnosti je podobný ako pri predchádzajúcom type, konštrukčne sa však líšia použitím tlakových nádob a nízkotlakovej turbíny, ktorá je navyše schopná zužitkovať aj sekundárnu, menej energeticky výdatnú nízkotlakovú paru. Tak možno zvýšiť výkon elektrárne o 20 až 25 % toho istého geotermálneho zdroja. 44

47 Geotermálna energia Elektráreň s kombinovaným cyklom Tepelná energia geotermálnej tekutiny sa v tepelnom výmenníku odovzdá sekundárnej tekutine. Elektrárne s kombinovaným cyklom prinášajú výhody najmä pri nízkych teplotách geotermálnych vôd (do 150 C), pri vodách s vysokou koncentráciou plynov alebo pri vodách s vysokým koróznym potenciálom. Väčšina kombinovaných elektrární sa prevádzkuje z vrtov, kde geotermálne vody zostávajú v kvapalnej fáze počas celého procesu spracovania. Elektráreň možno vytvoriť v modulárnom vyhotovení a na mieste vrtu vhodne tieto moduly pospájať na efektívne využitie zdroja. Obr. 5.4 Principiálna schéma základnej geotermálnej elektrárne s kombinovaným cyklom Elektráreň Hot Dry Rock Koncept spočíva vo vedení primárnej vody systémom čerpadiel a potrubí hlboko pod zemský povrch, kde sa ohreje vlastným teplom hornín, a získané teplo sa využije na výrobu elektrickej energie. Systém elektrárne sa skladá z dvoch oddelených častí zásobníka hlboko pod povrchom a vlastnej elektráreň na povrchu. Ako primárna voda sa používa voda z prírodných zásobníkov, napr. jazier, a pumpuje sa do hlbinného zásobníka. Ohriata voda sa následne čerpá pomocou čerpadiel na povrch. Obr. 5.5 Elektráreň typu Hot Dry Rock Elektráreň pracuje na podobnom systéme ako elektráreň s kombinovaným cyklom, premieňa získané teplo na elektrickú energiu. Získaná horúca voda z vrtu sa vedie do tepelného výmenníka, v ktorom odovzdáva nadobudnuté teplo pracovnej tekutine charakteristickej nízkym bodom varu. Skondenzovaná voda sa vracia späť do hlbinného zásobníka. Energetické zdroje 45

48 Tepelné čerpadlá 6 Tepelné čerpadlá Voda, zem, vzduch tri základné a najrozsiahlejšie zložky životného prostredia sú okrem iného zdrojom využiteľného nízkopotenciálneho tepla pomocou tepelných čerpadiel. Tepelné čerpadlá (TČ) sú oficiálne zaradené medzi obnoviteľné zdroje energie, množstvo vyrobenej tepelnej energie však musí byť vyššie ako spotrebovaná vstupná primárna elektrická energia. V súčasnosti sú vo svete v prevádzke milióny TČ, ktoré využívajú rôzne kombinácie zdrojových a pracovných médií. Podľa princípu činnosti ich delíme na: kompresorové, absorpčné, adsorpčné. 6.1 Princíp činnosti tepelného čerpadla Tepelné čerpadlo je tepelný stroj, ktorý pracuje na základe prvého termodynamického zákona. Spotrebováva privedenú mechanickú prácu na prenos tepla zo zásobníka s nižšou teplotou do zásobníka s vyššou teplotou. Na tento účel je nutné použiť elektrickú energiu na chod kompresora. Odoberá teplo z vonkajšieho prostredia a premieňa ho na teploty použiteľné na vyhrievanie objektov. Účinnosť premeny je 33 %, pričom vypočítaná dosiahnuteľná hodnota je okolo 50 %. Fyzikálnym základom je Carnotov cyklus (ideálny obeh pracovnej látky pozostávajúci z vratných zmien, ktorý prebieha medzi dvoma kúpeľmi s rôznou teplotou), pričom na prenos energie sa využíva zmena skupenstva pracovnej látky. V súčasnosti najrozšírenejším typom sú kompresorové tepelné čerpadlá. Obr. 6.1 Princíp činnosti kompresorového (elektrického) tepelného čerpadla Hlavné konštrukčné časti tepelného čerpadla sú: kompresor nasáva odparované chladiace médium a stláča ho, dochádza k zvýšeniu tlaku a teploty média, kondenzátor médium sa ochladzuje a prechádza naspäť do kvapalného skupenstva, uvoľňuje sa energia, expanzný ventil znižuje tlak kvapalného chladiva, výparník energia zo zdroja premieňa pracovné médium na plynné skupenstvo. 46

49 Tepelné čerpadlá Vo výparníku chladivo pri nízkom tlaku a teplote odoberá teplo nízkopotenciálnemu zdroju a dostáva sa do varu. Pary chladiva sa nasávajú a stláčajú elektricky alebo plynom poháňaným kompresorom, zahrievajú sa, kondenzujú a v kondenzátore odovzdávajú teplo ohrievanej látke. Týmto sa chladivo opäť ochladzuje a skvapalňuje. Po prechode sušiacim filtrom zachytávajúcim všetku vlhkosť putuje naspäť do výparníka cez nádrž a expanzný ventil, ktorý znižuje tlak kvapalného chladiva. Nádrž slúži na to, aby bolo chladiva v kondenzátore stále dostatok. Ide o proces transformácie tepla, pri ktorom je vynaložená práca niekoľkonásobne menšia ako je hodnota získanej tepelnej energie. Tepelné čerpadlo teda teplo nevyrába spaľovaním žiadneho paliva, ale ho len prečerpáva z miesta, kde ho nepotrebujeme, na miesto, kde ho prevedieme na vyššiu tepelnú hladinu. V tejto fáze teplo cielene privedieme vykurovacím telesám za účelom vykurovania, ohrevu vody či na ohrev vody v bazénoch a naopak, odobratia tepla z chladiacich technológií. Nevyužité neostane ani teplo produkované samotným kompresorom tepelného čerpadla, ktoré sa započítava do celkovej získanej energie. Kompresor tepelného čerpadla môže byť poháňaný: elektrickým motorom, plynovým motorom. 6.2 Absorpčné tepelné čerpadlá V porovnaní s kompresorovými TČ ide o menej rozšírený systém, ktorý funguje na princípe spaľovania plynu. Plynové tepelné čerpadlo (PTČ) využíva viaceré zdroje tepla. Teplo získava nielen z nízkopotenciálneho zdroja tepla, ale aj z okruhu motora a odpadového tepla spalín. To robí PTČ energeticky veľmi účinným systémom. Plynové tepelné čerpadlo a elektrické tepelné čerpadlo (ETČ) sú konštrukčne takmer identické s tým rozdielom, že v PTČ je elektrický motor nahradený plynovým motorom s vlastným dochladzovacím okruhom a výfukovým systémom, ktorý slúži na zásobovanie pracovného cyklu teplom. Pracovnými látkami absorpčných systémov je vždy dvojica absorbent a chladivo: voda (chladivo) a lithium bromid (absorbent), amónium (chladivo) a voda (absorbent). Vysokopotenciálne teplo z plynového spaľovacieho motora nahrieva generátor, ktorý obsahuje zmes chladiva a absorbentu. Dochádza k ich rozdeleniu v dôsledku výrazne odlišných bodov varu. Proces kompresie pracovnej látky je teda nahradený procesom absorpcie a vypudzovania tepelnou cestou. Chemickou reakciou týchto látok v absorbéri potom vzniká teplo. Spoločne s teplom získaným z výparníka, rovnako ako pri kompresorových tepelných čerpadlách odoberaním nízkopotenciálneho tepla z prírodného zdroja, dostávame celkový výkon absorpčného čerpadla. Obr. 6.2 Schéma výroby tepla PTČ Energetické zdroje 47

50 Tepelné čerpadlá Výkonové číslo (COP) zariadenia pracujúceho na princípe absorpcie sa pohybuje od 1 do 1,4. V blízkej budúcnosti môžeme očakávať vďaka výskumu v oblasti výrazné zvyšovanie účinnosti a energetickej efektívnosti. Veľkou výhodou PTČ sú nízke prevádzkové náklady s celoročnými úsporami 30 až 50 % v porovnaní s ETČ a ostatnými tepelnými zdrojmi, pričom vstupné náklady na jednotku výkonu zdroja sú s ETČ porovnateľné. PTČ sú konštruované ako vonkajšie jednotky. Sú vhodné na vykurovanie väčších priestorov, ako sú napr. hotely, priemyselné a administratívne budovy, kde dosahujú vyššiu energetickú efektívnosť ako kompresorové TČ. Vo všeobecnosti je plynové tepelné čerpadlo vhodné pre objekty s tepelnou stratou viac ako 20 kw. 6.3 Adsorpčné tepelné čerpadlá Tepelné čerpadlá, ktoré pracujú na princípe tepelnej kompresie, nazývame adsorpčnými tepelnými čerpadlami. Prevádzka adsorpčného tepelného čerpadla je založená na vlastnosti pevných látok (adsorbentov) adsorbovať pary pri nízkych teplotách a desorbovať ich pri zahrievaní. Základný systém sa skladá z dvoch prepojených kontajnerov, generátora a prijímača. V generátore sa nachádza pevný adsorbent, prijímač je kombinovaný výparník a kondenzátor, v ktorom sa chladivo odparuje alebo kondenzuje. Kým je tepelné čerpadlo v prevádzke, teplá a studená voda prúdi v protifáze do dvoch oddielov so sorbentom (silikagél, zeolit). Vytvára sa tým neustály tok pary z výparníka do chladeného sorbentu a z ohrievaného sorbentu do kondenzátora (obr. 6.3). Po odovzdaní tepla v kondenzátore kondenzát tečie cez vyrovnávač tlaku späť do výparníka. Na konci regenerácie a sorpčnej fáze sa vymení prívod chladiacej a horúcej vody do oddelení. Čas jedného cyklu trvá 250 až 300 sekúnd. Obr. 6.3 Princíp činnosti adsorpčného tepelného čerpadla Adsorpčné tepelné čerpadlo produkuje priebežne horúcu alebo studenú vodu využitím javov adsorpcie a desorpcie vodnej pary privedeným teplom bez potreby kompresora. 48

51 Tepelné čerpadlá Obr. 6.4 Fázy adsorpčného cyklu Desorbčná fáza Plynový horák ohrieva zeolit, dokým sa viazaná voda nevylúči v podobe pary. Para prúdi do modulu s kondenzátorom a uvoľňuje užitočné teplo do vykurovania. Keď sorbent neobsahuje už žiadnu paru, horák je vypnutý, a tým sa skončí prívod tepla do sorbenta. Systém sa prepne do fázy adsorpcie. Adsorpčná fáza Počas ochladzovania sorbentu dochádza k znižovaniu tlaku v celom systéme tepelného čerpadla. Nízkopotenciálne teplo z okolia (rovnako ako v prípade ostatných typov tepelných čerpadiel) sa privádza do kondenzátora, kde jeho pôsobením dochádza k odparovaniu chladiva, ktoré sa adsorbuje v sorbéri. Takisto aj teplo vytvorené adsorpciou sa využije a odvedie do vykurovacieho systému. 6.4 Typy tepelných čerpadiel Tepelné čerpadlá možno rozdeliť podľa typu zdroja a pracovnej látky, ktoré využívajú na svoju činnosť. Existuje viacero kombinácií zdroja a pracovnej látky, medzi najbežnejšie patria: systém vzduch voda, systém voda voda, systém zem voda, systém vzduch vzduch Systém vzduch voda Energia sa odoberá priamo z vonkajšieho prostredia. Toto riešenie je energeticky najmenej efektívne, zároveň však technicky a finančne najmenej náročné. Účinnosť systému je ovplyvnená teplotou vonkajšieho vzduchu. Poklesom vonkajšej teploty klesá aj účinnosť a množstvo tepla dodaného čerpadlom. Obr. 6.5 Systém vzduch voda s vonkajšou a vnútornou jednotkou Energetické zdroje 49

52 Tepelné čerpadlá Čerpadlá sa vyrábajú v jednofázovom aj trojfázovom vyhotovení, v závislosti od ich tepelného výkonu. Výparník pri tomto systéme je umiestnený vo vonkajších priestoroch, kde sa ohrieva okolitým vzduchom Systém voda voda Ide o najúčinnejší typ tepelných čerpadiel. Zdrojom je buď voda z vrtov hlbokých 5 až 15 m, alebo povrchová voda. Voda sa odoberá zo zdrojovej studne, prechádza výparníkom a ochladená sa vracia naspäť do vsakovacej studne. Veľkou výhodou je teplotná stálosť podpovrchovej vody 8 až 12 C. Ide o najteplejší zdroj, ktorého vykurovací faktor sa pohybuje okolo hodnoty 6. Tento typ čerpadla potrebuje zabezpečiť výdatný zdroj vody. Pre bežný rodinný dom ide zhruba o 0,4 až 0,8 l za sekundu na 10 kw tepelného výkonu. Obr. 6.6 Systém tepelného čerpadla voda voda Systém zem voda Zem je ako médium pomerne teplotne ustálená. V našich klimatických podmienkach v hĺbke väčšej ako 0,8 m nezamŕza. Prenos tepla medzi zemou a tepelným čerpadlom sprostredkúva plastové potrubie uložené v zemi. Systém zem voda existuje v dvoch podobách, a to vodorovne alebo v kolmých vrtoch. Plošný kolektor Vodorovné uloženie je finančne menej náročné, až o 50 %. Na vykúrenie rodinného domu je potrebný nezastavaný pozemok s plochou trojnásobnej rozlohy vykurovaného priestoru. Potrubie sa ukladá do hĺbky 1,5 až 2 m. Plochou približne 30 m 2 dokážeme zo zeme odobrať 1 kw energie. Hĺbkový vrt Na pozemkoch menších rozmerov sa používajú hĺbkové vrty. Výhodou vrtov je tepelná stabilita, ktorá dokáže poskytnúť na 12 až 18 m hĺbky 1 kw vykurovacieho výkonu. Na pokrytie spotreby domácnosti obvykle potrebujeme 50 až 120 m. Celkovú dĺžku možno rozdeliť do viacerých rovnakých plytších vrtov vzdialených medzi sebou minimálne 5 m. Odoberaním energie sa zem podchladzuje, čo sa prejavuje napríklad jej neskorším rozmŕzaním. Obr. 6.7 Uloženie horizontálneho kolektora pri systéme zem vzduch 50

53 Tepelné čerpadlá Systém vzduch vzduch Systém vzduch vzduch sa bežne nazýva klimatizácia. Tieto TČ čerpajú teplo z okolitého vzduchu a vyprodukované teplo odovzdávajú cirkuláciou vzduchu do vnútorného priestoru. Výhodný je pre komerčné a industriálne objekty, do veľkoobjemových priestranných hál s vysokými stropmi. Tepelné čerpadlá vzduch vzduch sa skladajú spravidla z dvoch prepojených častí: vonkajšia časť výparník, vnútorná časť všetky funkčné časti pracovného cyklu čerpadla a riadiaci systém. Obr. 6.8 Systém tepelného čerpadla vzduch vzduch 6.5 Zapojenie tepelných čerpadiel Tepelné čerpadlá možno zapojiť do systému ako monovalentné, bivalentné alebo multivalentné systémy. Spôsob zapojenia závisí najmä od účelu použitia čerpadla, požiadaviek na dodávku energie v priebehu ročných období, výdatnosti zdroja a s ohľadom na čo najekonomickejšiu prevádzku. Monovaletné tepelné čerpadlo pracuje v systéme samostatne pokrýva 100 % potrebného vykurovacieho výkonu objektu energeticky najúspornejší variant Obr. 6.9 Schéma zapojenia monovalentného TČ Bivalentné tepelné čerpadlo pracuje v systéme spoločne s ďalším zdrojom tepla (plynový kotol, elektrický kotol) bivalentné monoenergetické tepelné čerpadlo vykuruje samostatne až po takzvaný bod bivalencie, čo je vonkajšia teplota, pri ktorej začína dokurovať aj bivalentný zdroj; najčastejšie je to elektrošpirála zabudovaná do systému tepelného čerpadla Energetické zdroje 51

54 Tepelné čerpadlá Obr Schéma zapojenia bivalentného monoenergetického TČ bivalentné alternatívne tepelné čerpadlo vykuruje samostatne až po určitú teplotu, potom sa zapne alternatívny zdroj, ako napríklad kotol na plyn, drevo, elektrokotol a podobne, ktorý ďalej vykuruje samostatne Obr Schéma zapojenia bivalentného alternatívneho TČ Multivalentné tepelné čerpadlo je zapojené v systéme s viacerými zdrojmi tepla (kotol, slnečný kolektor) Energetická efektívnosť tepelných čerpadiel Energetickú efektívnosť činnosti tepelného čerpadla možno určiť ako pomer užitočného vyrobeného tepla k dodanej elektrickej energii potrebnej na jeho výrobu. Tento pomer sa nazýva výkonové číslo alebo tiež COP coefficient of performance (vykurovací faktor). Slúži na porovnanie jednotlivých tepelných čerpadiel medzi sebou. Na výpočet výkonového čísla tepelného čerpadla platí: (6.1) kde COP TČ vykurovací faktor tepelného čerpadla ( ) Q TČ užitočný tepelný výkon kondenzátora (W) P elektrický príkon kompresora (W) Na porovnanie energetickej efektívnosti tepelného čerpadla s klasickým spôsobom výroby energie je potrebný tzv. súčiniteľ efektívnosti φ. Je to pomer tepelného výkonu tepelného čerpadla a tepelného výkonu porovnávaného klasického zariadenia výroby tepla pri rovnakej spotrebe primárnej energie. (6.2) kde φ súčiniteľ efektívnosti tepelného čerpadla ( ) Q k tepelný výkon porovnávaného kotla spaľujúceho fosílne palivo (W) η k účinnosť daného porovnávaného kotla ( ) η e účinnosť výroby elektrickej energie vrátane rozvodu ( ) Hodnoty súčiniteľa φ > 1 znamenajú efektívnejšiu energetickú premenu, hodnota φ = 1 znamená rovnakú efektívnosť, a teda nulové úspory primárnych energetických zdrojov. 52

55 Tepelné čerpadlá Dimenzovanie tepelného čerpadla Tepelné čerpadlá sú schopné získať 50 až 80 % svojho výkonu premenou nízkopotenciálneho tepla okolitého prostredia. Na efektívne vykurovanie tepelným čerpadlom je najvýhodnejšie zvoliť podlahové alebo stenové vykurovanie, prípadne nízkoteplotné radiátory, kde na vykurovanie stačí voda s teplotou 35 C. Vykurovací systém sa väčšinou navrhuje ako bivalentný. Pri tomto riešení sa tepelné čerpadlo dimenzuje spravidla na 60 až 90 % potrebného vykurovacieho výkonu a tak sa dosahuje optimálny pomer medzi zabezpečovacími a prevádzkovými nákladmi. Energetické zdroje 53

56 Vodná energia 7 Vodná energia Energia vody predstavuje 0,4 % z celkovej energie dodanej slnkom na zem. Voda v prírode je nositeľom mechanickej, chemickej a tepelnej energie. Mechanická energia vôd zahŕňa: mechanickú energiu atmosférických zrážok, mechanickú energiu ľadovcov, mechanickú (hydraulickú) energiu vodných tokov, mechanickú energiu morí. Efektívne vieme využívať len energiu vodných tokov a práve v tejto oblasti dosiahol technický rozvoj už svoj vrchol. 7.1 Hydroenergetický potenciál Predstavuje množstvo energie vodného toku, ktoré je určené množstvom pretečenej vody a rozdielom výšok, na ktorých táto voda preteká. Pri jeho výpočte sa pozdĺžny profil rozdelí na kaskádu stupňov bez straty geodetickej výšky. Celkový hydroenergetický potenciál (HEP) toku sa potom určí ako súčet: absolútnych výkonov jednotlivých stupňov, absolútnych výrob, ktoré sa vyrátajú vynásobením absolútnych výkonov počtom hodín v roku. HEP je teda funkciou prietoku a spádu. Teoretický primárny hydroenergetický potenciál, ktorým sa označuje množstvo energie, ktoré možno získať z tokov určitého územia, sa počíta pri účinnosti premeny η = 1, t. j. 100 % podľa vzťahu: P t = g. ρ. Q. H (kw, m 3. s -1, m) (7.1) kde g konštanta gravitačného zrýchlenia 9,81 (m. s -2 ) ρ hustota vody (kg. m -3 ) Q prietok v jednotlivom úseku (m 3. s -1 ) H spád toku v jednotlivom úseku (m) Potenciálny výkon úseku toku medzi dvoma zvolenými profilmi 1 a 2 s prietokom na začiatku a na konci úseku Q 1 a Q 2 a spádom H 1 2 sa počíta podľa vzťahu: (7.2) 7.2 Vodné kolesá Vodné koleso je vodný stroj, ktorý využíva polohovú alebo pohybovú energiu vodného toku na premenu na mechanickú energiu. V súčasnosti dosahujú účinnosť η = 0,6 až 0,7. Vodné kolesá sú vhodné na použitie: pri nízkych spádoch do 1,5 m, pri nízkych prietokoch aj pod 0,1 m 3. s -1, vo veľmi znečistených vodách. 54

57 Vodná energia Podľa konštrukcie vodných kolies, pri ktorých sa mení mechanická energia vody na energiu rotujúceho hriadeľa, sa vodné kolesá delia na: korčekové, ktoré využívajú potenciálnu energiu vody, lopatkové, ktoré využívajú kinetickú energiu vody. Podľa miesta nátoku vody sú vodné kolesá s nátokom vrchným, stredným a spodným. Vodné kolesá majú nízke obrátky, a preto je pri ich využívaní potrebná prevodovka. Obr. 7.1 Typy vodných kolies 7.3 Vodné turbíny Vodná turbína je rotačný vodný motor, ktorý je poháňaný pohybovou energiou vody a premieňa kinetickú a tlakovú časť jej mechanickej energie na mechanickú energiu rotujúceho hriadeľa. Tlak prúdu vody na zakrivené lopatky obežného kolesa spôsobuje jeho pohyb rotáciu Rovnotlakové turbíny Peltonova turbína Je rovnotlakovou turbínou, v ktorej sa voda na obežné koleso privádza cez jednu alebo viacero dýz (obr. 7.2). Lopatiek býva 12 až 40. Regulácia prietoku vody v dýze, a tým aj výkonu turbíny, sa robí ihlovým uzáverom v osi dýzy. Musí byť plynulá, bez skokových zmien, aby nedochádzalo k rázom v prívodnom potrubí. Peltonova turbína sa používa spravidla pri vysokých spádoch a menších prietokoch. Obr. 7.2 Peltonova turbína Bánkiho turbína Je rovnotlaková turbína (obr. 7.3). Voda pritekajúca cez vtokové potrubie preteká týmto kolesom dvakrát: najprv z vtoku cez lopatky do vnútra obežného kolesa a na druhej strane vyteká z vnútra kolesa von do odpadového potrubia. Prietok sa reguluje klapkou alebo špeciálne upraveným segmentom vo vtokovom potrubí tesne pred obežným kolesom. Účinnosť dosahuje často až 85 %. Svoje uplatnenie nachádza v malých vodných elektrárňach. Energetické zdroje 55

58 Vodná energia Obr. 7.3 Bánkiho turbína Pretlakové turbíny Francisova turbína Je to pretlaková turbína (dochádza k zmene tlaku pracovnej kvapaliny medzi vstupom a výstupom z turbíny) s pevnými lopatkami obežného kolesa a riadenými lopatkami rozvádzacieho kolesa (obr. 7.4). Otváraním lopatiek rozvádzacieho kolesa sa riadi prietok vody turbínou a zároveň aj jej výkon a úplným uzavretím sa prívod vody do turbíny zastaví. Voda je smerovaná rozvádzacími lopatkami na rotor turbíny, kde sa jej rotačná rýchlosť znižuje, a tým dochádza k odovzdaniu energie rotoru. Francisova turbína má pre navrhnutý spád vysokú účinnosť, ale pri iných spádoch účinnosť klesá. Používa sa na miestach, kde sa spád mení len v malom rozsahu. Obr. 7.4 Francisova turbína Kaplanova turbína Je najčastejšie používaným typom turbíny (obr. 7.5). Turbína sa reguluje riadením otvárania lopát rozvodného aj obežného kolesa súčasne, ale na požadovaný výkon a daný spád musí byť presne dodržaná väzba ich vzájomného otvorenia. Dosahuje sa tak vysoká účinnosť až 96 %. Používajú sa na spády od 1,5 až do 75 m alebo aj viac tam, kde sa počas prevádzky spád mení. Obr. 7.5 Kaplanova turbína vo vodnej elektrárni 56

59 Vodná energia 7.4 Druhy vodných elektrární (VE) Základným delením vodných elektrární je delenie podľa veľkosti inštalovaného výkonu, podľa STN : 1989 Vodné hospodárstvo. Názvoslovia využitia vodnej energie sú: malé vodné elektrárne s inštalovaným výkonom do 10 MW, stredné vodné elektrárne s inštalovaným výkonom od 10 do 200 MW, veľké vodné elektrárne s inštalovaným výkonom nad 200 MW. Samotné malé vodné elektrárne sa podľa tejto normy delia na: domáce vodné elektrárne s inštalovaným výkonom do 35 kw, vodné mikroelektrárne s inštalovaným výkonom od 35 do 100 kw, vodné minielektrárne s inštalovaným výkonom od 100 kw do 1 MW, priemyslové vodné elektrárne s inštalovaným výkonom od 1 do 10 MW. Podľa využívaného spádu sa vodné elektrárne delia na: nízkotlakové využívajúce spád do 20 m, stredotlakové využívajúce spád od 20 do 100 m, vysokotlakové využívajúce spád nad 100 m. Podľa získania spádu uvažujeme s nasledujúcimi typmi vodných elektrární: Priehradové Spád je vytvorený priehradnou hrádzou. Majú veľký zásobný objem vody, a preto sa využívajú ako špičkové. Tento typ VE je málo navrhovanou elektrárňou aj z hľadiska ekonomického, vodohospodárskeho a krajinárskeho. Nádržové Spád je tvorený haťou. VE obyčajne pracujú ako prietokové. Tento typ je z hľadiska vplyvu na prietokové pomery najvhodnejší, nenarúša kontinuitu prietokov. Prečerpávacie Pracujú s objemom akumulovanej vody prečerpávanej z dolnej nádrže do hornej spravidla reverzibilným hydroelektrickým agregátom. Spád je vytvorený rozdielom hladín týchto nádrží. Derivačné Využíva sa získanie spádu v derivácii. Nevyžaduje veľkú vzdúvaciu stavbu, postačujúci je nízky stupeň umožňujúci odber vody do derivačného privádzača. Privádzač môže byť riešený ako beztlakový s voľnou hladinou vyhotovený ako otvorený alebo uzavretý, alebo tlakový s použitím tlakového potrubia. Energetické zdroje 57

60 Tepelné elektrárne 8 Tepelné elektrárne Prvotná energia privádzaná vo forme chemickej energie viazanej v palive sa mení pomocou chemických reakcií v kotle na teplo, ktoré plyny (produkty horenia) odovzdávajú ďalej pracovnej látke. Pracovná látka svoju energiu odovzdáva v turbíne, ktorá ju mení na mechanickú, a roztáča generátor vyrábajúci elektrickú energiu. Pri všetkých premenách energie dochádza k stratám, takže výsledná energia je oproti chemickej energii viazanej v palive znížená o hodnotu strát pri jednotlivých premenách. Proces premeny energie možno rozčleniť do piatich hlavných okruhov, podľa nositeľov energie. vzduchový ventilátor vzduch B prísun paliva M mlyn kotol para dymový ventilátor C vyvedenie výkonu E palivo M M škvara troska ohnisko napájačka M spaliny M vodný ejektor turbína kondenzátor generátor chladička D odvod tepla do atmosféry M A A obvod palivo škvara B obvod vzduch spaliny C obvod chladiacej vody E obvod elektrickej vody A C A B voda M Obr. 8.1 Bloková schéma kondenzačnej elektrárne 1. Palivový okruh Chemická energia v palive sa mení pomocou chemickej reakcie nazývanej horenie v kotle na teplo viazané v produktoch horenia, ktorými sú horúce plyny a škvara. Pri menej kvalitných palivách s nízkym obsahom horľavín vzniká 40 % i viac škvary a tuhého odpadu. Palivo sa do elektrárne dopravuje železnicou, loďami alebo v prípade blízkeho zdroja lanovkou alebo dopravnými pásmi, prípadne hydraulicky. Palivo sa pred dodaním do zásobníkov kotlov a samotným spálením upravuje drvením a sušením. Zo zásobníkov potom dopadá na rošt ohniska alebo sa pomocou tlaku vzduchu rozptýli vo forme prášku v priestore ohniska. Zhorené palivo padá na dno kotla a odvádza sa vo forme trosky. Škvara a popolček zmiešané s vodou sa dopravujú hydraulicky na skládky alebo ďalšie spracovanie. 2. Vzduchový okruh Na správne horenie treba veľké množstvo vzduchu. Vzduch sa nasáva ventilátormi z priestorov kotolne alebo zvonka. Na zvýšenie tepelnej účinnosti cyklu sa vzduch zohrieva vo vzduchovom ohrievači a potom sa vháňa do priestoru ohniska ako primárny, sekundárny alebo terciárny vzduch (líši sa podľa stupňa horenia, ktoré podporujeme). Kyslík zo vzduchu umožňuje oxidáciu spáliteľných látok v palive a horenie. Horúce spaliny odovzdávajú svoju energiu cez výmenníky tepla pracovnému médiu a prúdia do atmosféry. 3. Okruh voda para Tento okruh je uzavretý. Teplom odovzdaným spalinami v kotle sa voda ohrieva v ekonomizéri, mení sa na paru vo výparníkovej časti a v prehrievači kotla sa prehrieva na požadovanú teplotu. Para s vysokým tlakom a teplotou sa privádza na lopatky turbíny, kde vykonáva mechanickú prácu. Po prejdení turbínou para kondenzuje v kondenzátore. Kondenzát sa kondenzátnymi čerpadlami dopraví do kotla a obeh vody sa opakuje. Napájacia voda sa odplynuje a zohrieva odberovou parou z turbíny. Takouto regeneráciou sa zlepšuje tepelná účinnosť cyklu. Prípadné straty v tomto okruhu sa dopĺňajú chemicky upravenou a odplynenou vodou. 58

61 Tepelné elektrárne 4. Obeh chladiacej vody Obvod chladiacej vody môže byť otvorený alebo uzavretý, podľa toho, aké chladenie používame. V prípade, že je dostatok vody a používa sa prietokové chladenie, hovoríme o otvorenom obvode. Ak je obeh chladiacej vody cirkulačný, hovoríme o uzavretom okruhu. Chladiaca voda prúdi rúrkami kondenzátora, kde sa ohrieva zvyškovým teplom kondenzujúcej pary. Pri otvorenom okruhu sa teplo odvádza do tepelného toku. V prípade uzavretého cyklu sa teplo dovádza pomocou chladiacej veže do atmosféry. Úbytok chladiacej vody sa dopĺňa z blízkeho zdroja. 5. Elektrický okruh Cieľom elektrárne je získať elektrickú energiu na výstupe z elektrárne. Mechanická energia sa prenáša pomocou hriadeľa z turbíny na generátor. Na svorkách generátora získavame elektrickú energiu, ktorá sa po úpravách dodáva do elektrickej siete. Najčastejšie sa používa blokové zapojenie elektrárne typu blok turbína, na menšie výkony sa niekedy používajú dva kotly a jedna turbína. Parametre pary v súčasných tepelných elektrárňach sa pohybujú na úrovni 13 MPa a teplote okolo 565 C s jedným medziprihrievaním pary. 8.1 Tepelný obeh Najrozšírenejším tepelným obehom v oblasti energetiky je Rankin-Clausiov tepelný obeh. Možno ho zobraziť v takzvanom T-S diagrame ako závislosť teploty T od entropie s (obr. 8.2). Obr. 8.2 Vľavo T-S diagram R-C parného obehu, vpravo T-S diagram s vyznačením dôležitých veličín Medzné krivky (obr. 8.2) znázornené červenou farbou zodpovedajú sýtej kvapaline (x = 0) a sýtej pare (x = 1). Pretínajú sa v kritickom bode K. Oblasť mokrej pary je zhora ohraničená medznými krivkami. Oblasť prehriatej pary je nad medznou krivkou sýtej pary (x = 1). Medzi bodmi 1 a 2 v T-S diagrame R-C parného obehu dochádza k zvýšeniu tlaku privádzanej vody. Voda je takmer nestlačiteľná, preto je práca turbočerpadla veľmi malá vzhľadom na celkový energetický tok v obehu. V parnom kotle sa najskôr voda pri vysokom tlaku ohrieva až na hranicu sýtosti kvapaliny 2 3. V ďalšej časti kotla dochádza k varu vody do stavu sýtej pary 3 4. Zvyčajne je vzniknutá para ešte prehrievaná do stavu 5. Expanzia pary v parnej turbíne prebieha z bodu 5 do bodu 6. Rotor turbíny je spojený s elektrickým generátorom, ktorý poháňa a tým generuje elektrickú energiu. V kondenzátore kondenzuje para z bodu 6 do bodu 1. Tým je obeh uzatvorený, pretože voda je opäť v počiatočnom stave 1. Tepelnú účinnosť R-C parného obehu možno odvodiť z práce A získanej Rankin-Clausiovým obehom z tepla dodaného do obehu q D a z tepla odvedeného z obehu q OD, čo zodpovedá jednotlivým plochám zobrazeným na obr (8.1) Na obr. 8.3 je základná schéma zapojenia obehu s kondenzačnou turbínou bez bežne používaných modifikácií zaisťujúcich zvýšenie tepelnej účinnosti. Podstatná časť tohto procesu je termálneho charakteru, preto musí prebiehať v súlade s prvým a druhým termodynamickým zákonom. Zákony termodynamiky teda určujú hranice a možnosti celého systému. Energetické zdroje 59

62 Tepelné elektrárne Obr. 8.3 Tepelný obeh parnej elektrárne Prihrievanie pary Účinnosť obehu 3 (obr. 8.2) je vyššia ako pri obehoch 1 a 2 na tom istom obrázku. Opakovanie tejto časti R-C cyklu zvyšuje teda celkovú účinnosť energetického zariadenia. Odborne sa tento postup nazýva prihrievanie pary. Po dosiahnutí vhodného tlaku pary sa expanzia v turbíne preruší a para sa vráti späť do parogenerátora, kde sa zvýši jej teplota obvykle na pôvodnú hodnotu. Prehriata para sa následne privádza do ďalšej turbíny, kde pokračuje v expanzii. Základná schéma spomínaného obehu spolu s T-s diagramom je zobrazená na obr Obr. 8.4 Rankin-Clausiov obeh s prihrievaním pary a T-s diagram tohto obehu Regeneračný ohrev napájacej vody Cieľom regeneračného ohrevu napájacej vody parou odoberanou z turbíny je potlačiť nepriaznivý vplyv prvého čiastkového obehu zobrazenom na obr Schéma regeneračného ohrevu je na obr Voda sa počas prepravy medzi kondenzátorom a kotlom ohrieva v sústave tepelných výmenníkov. V spomínanej sústave dochádza ku kondenzácii pary privádzanej z turbíny a k ohrevu vody teplom, ktoré sa uvoľňuje pri skupenskej premene pary. Podstata zvýšenia tepelnej účinnosti spočíva v znížení množstva tepla odvedeného v kondenzátore bez úžitku. Celkové množstvo odvedenej tepelnej energie sa teda zníži a tepelná účinnosť celého systému stúpne. Zvýšenie tepelnej účinnosti týmto spôsobom sa pohybuje až na úrovni 10 %. 60

63 Tepelné elektrárne Obr. 8.5 Schéma zapojenia regeneračného ohrevu napájacej vody 8.2 Znižovanie škodlivých emisií produkovaných elektrárňami Tepelné elektrárne produkujú veľké množstvo spalín, z ktorých je potrebné odseparovať predovšetkým oxidy dusíka a síru, ktorá spôsobuje kyslé dažde. Obsah síry v palive závisí od druhu paliva a miesta ťažby. Uhlie obsahuje v priemere 1 až 3 % síry. V palive sa síra vyskytuje v rôznych formách. V pyritickej forme (FeS 2 ) sa nachádza 30 až 70 % síry. V tejto forme ma síra väčšiu mernú hmotnosť ako uhlie, čo sa využíva na fyzikálnu separáciu síry. Zomleté palivo sa premýva prúdom vody, ktorá unáša ľahké čiastočky paliva, zatiaľ čo ťažšia síra vo forme pyritu zostavá na dne. Týmto spôsobom sa dá znížiť obsah pyritu o 30 až 60 %. Zníženie obsahu síry v spalinách Zníženie obsahu síry v spalinách spočíva v zachytení SO 2 pred vypustením spalín do ovzdušia odsírovacou technológiou umiestnenou na konci spaľovacieho cyklu. Medzí základné odsírovacie technológie patrí mokrá a suchá vápencová metóda separácie síry zo spalín. Mokrá vápencová metóda Vo vysokej nádobe prechádzajú spaliny vápencovou emulziou, s ktorou oxid siričitý (SO 2 ) reaguje za vzniku sadrovca, ktorý sa ďalej využíva v stavebníctve. Polosuchá vápencová metóda Vápencová emulzia sa vstrekuje do prúdu teplých spalín, kde sa voda odparí, a produkt reakcie sa zachytí vo forme pevnej látky. Denitrifikácia Ide o odstránenie oxidov dusíka (NO x ) zo spalín primárnou a sekundárnou metódou. Primárna metóda zabraňuje vzniku oxidov dusíka (NO x ) konštrukciou kotla a riadením spaľovania. Sekundárna metóda rozkladá vzniknutý oxid dusíka (NO x ) na dusík a vodu selektívnou katalytickou reakciou v špeciálnom reaktore. 8.3 Programy na modernizáciu tepelných elektrární Modernizácia tepelných elektrární vyžaduje podstatne nižšie náklady v porovnaní s výstavbou nového energetického bloku. Dosiahne sa tým však len čiastočné zlepšenie parametrov a tiež kratšia životnosť v porovnaní s novou elektrárňou. Energetické zdroje 61

64 Tepelné elektrárne V súčasnosti sú v rámci obnovy tepelných elektrární naplánované tieto kroky: postupné dožívanie odsírených elektrární, modernizácia vybraných elektrární, výstavba nových moderných zdrojov energie, likvidácia elektrární, ktoré nespĺňajú ekologické normy. Modernizácia tepelných elektrární Cieľom modernizácie tepelných elektrární je: zvyšovanie tepelnej účinnosti systému, zníženie škodlivých emisií. Splniť tieto ciele možno s použitím moderných kogeneračných jednotiek s technológiou splynovania uhlia. Vyprodukovaný plyn následné expanduje v plynovej turbíne, pracujúcej kombinovaným paroplynovým cyklom. Metódy splynovania paliva Tlakové splynovanie a paroplynový cyklus. Uhlie sa splynuje pod tlakom fluidnou alebo horákovou technológiou. Pri jeho styku s kyslíkom alebo parou vzniká plyn s obsahom CO a H 2. Plyny, ktoré unikajú pod tlakom z kotla, sa odsíria a očistia od prachových nečistôt. Po vyčistení sa plyn privádza do plynovej turbíny, ktorá poháňa elektrický generátor. Odpadové teplo sa použije na výrobu vysokotlakovej pary, ktorá následne poháňa parnú turbínu. Dvojfázová metóda spaľovania. V prvej fáze je uhlie splynené a získaný plyn sa následne použije vo vysokoteplotných plynových turbínach. V druhej fáze je koksový zvyšok zo splynovacieho procesu spálený v kotle klasického parného okruhu. V prípade, že sa podarí vyrobiť turbínu, ktorá bude schopná pracovať pri teplote pary na úrovni 700 C, by účinnosť celého cyklu mohla dosiahnuť hodnotu 50 %. 8.4 Teplárne Teplárne slúžia na dodávku tepla a s tým súvisiacu vynútenú výrobu elektrickej energie ako vedľajšieho produktu. Teplo sa obvykle distribuuje pomocou vodnej pary alebo horúcej vody. Zdrojom tepla v teplárni je rovnako ako v prípade elektrárne parný kotol alebo jadrový reaktor s parogenerátorom. Na výrobu elektrickej energie v teplárňach sa používajú protitlakové turbíny, v ktorých para z turbíny nejde do kondenzátora, ale môžeme ju využiť na dodávku tepla na technologické účely a vykurovanie (vlastné alebo vonkajších odberateľov). Dodávka tepla je prioritná a množstvo vyrobenej elektriny je dané veľkosťou dodávky tepla z turbíny. Použitím kondenzačnej turbíny s regulovaným odberom, ktorá predstavuje spojenie kondenzačnej a protitlakovej turbíny, vieme zaistiť väčšiu vzájomnú nezávislosť dodávky tepla a elektrickej energie. Obr. 8.6 Bloková schéma teplárne 62

65 Tepelné elektrárne 8.5 Paroplynový cyklus Vhodným prepojením parného obehu s plynovou turbínou do jedného celku možno využiť výhodné vlastnosti týchto obehov a súčasne potlačiť niektoré nežiaduce parametre. Takýto obeh, ktorý týmto spôsobom vznikne, má vyššiu účinnosť v porovnaní s účinnosťou, ktorú by dosiahli spomínané obehy, ak by pracovali samostatne. Cyklus realizovaný v plynovej turbíne je teoreticky opísaný Braytonovým obehom, ktorý je znázornený pomocou T-s diagramu na obr Obr. 8.7 T-s diagram Braytonovho cyklu Pracovným médiom celého cyklu je plyn. Podobne ako Rankin-Clausiov obeh aj Braytonov obeh je realizovaný v niekoľkých zariadeniach, ktoré obvykle tvoria kompaktný celok. Niektoré zariadenia sú spoločne prepojené nielen potrubím, ale aj mechanicky (turbína s turbokompresorom). Obeh začína stlačením pracovného plynu zo stavu 1 do stavu 2 v turbokompresore. Následne sa pracovný plyn v komore plynovej turbíny izobaricky ohrieva až do bodu 3. V turbíne plyn expanduje zo stavu 3 do stavu 4. Pritom koná prácu, ktorá sa odvádza vo forme točiaceho sa hriadeľa. Turbína často poháňa turbokompresor, ktorý spotrebuje časť práce vyprodukovanej turbínou. Zvyšná časť mechanickej energie sa dá využiť na pohon elektrického generátora. V chladiči sa izobarický pracovný plyn ochladzuje do stavu 1 a celý obeh sa môže opakovať. V prípade otvoreného obehu turbokompresor nasáva priamo atmosférický vzduch. Stlačený vzduch sa privádza spolu s palivom do spaľovacej komory. Palivo sa premieša so vzduchom a zapáli (podobne ako v prípade výbušného obehu spaľovacieho motora s tým rozdielom, že v turbíne prebieha horenie kontinuálne). Vzniknuté spaliny majú mnohonásobne vyššiu teplotu a tlak v porovnaní so zápalnou zmesou. Horúce spaliny sa teda následne privedú do turbíny, kde expandujú. Po expanzii sa odvádzajú preč z turbíny cez výmenník tepla parného obehu do atmosféry. Principiálna schéma paroplynového cyklu je na obr Obr. 8.8 Bloková schéma paroplynového obehu Energetické zdroje 63

66 Tepelné elektrárne Ak ide o uzavretý Braytonov obeh, tak sa teplo dodáva plynu len v spaľovacej komore turbíny a odvádza sa v chladiči. Mechanická energia je generovaná v plynovej turbíne. Veľkú časť tejto energie však spotrebuje turbokompresor. Výstavba a prevádzka moderných paroplynových elektrární sa ukazuje ako jedná z alternatív v rozvoji súčasnej energetiky vďaka vysokej účinnosti a pomerne malej ekologickej záťaži. 8.6 Kogenerácia Primárne energetické zdroje, ako napríklad fosílne palivá (uhlie, ropa, zemný plyn) alebo obnoviteľné zdroje energie (slnko, voda, vietor, biomasa, geotermálna energia a pod.), možno využiť na výrobu, resp. na transformáciu na požadovanú formu energie sekundárny zdroj energie. Najčastejšia sa požaduje transformácia na sekundárnu tepelnú energiu (viazanú zvyčajne na vodu, resp. jej paru) a elektrickú energiu (zvyčajne striedavý, príp. jednosmerný elektrický prúd). Ako sekundárny zdroj energie však možno použiť i chlad (chladivo kompresorového alebo absorpčného systému, chladnú vodu, prípadne nemrznúcu zmes a pod.), stlačený vzduch a pod. Ak v technologickom zariadení transformujeme primárnu energiu zámerne na dva druhy sekundárnej energie, hovoríme o kogenerácii. Kogenerácia je teda široký pojem, ktorý sa však zaužíval na označenie súčasnej výroby elektriny a tepla, pričom kogeneráciou by sme mohli označiť napríklad aj výrobu tepla a stlačeného vzduchu alebo tepla a chladu a pod. Ak v technologickom zariadení energetického zdroja produkujeme tri druhy energie, napríklad elektrickú energiu, teplo a chlad, potom hovoríme o trigeneračnom systéme. Chlad vieme vyrábať napríklad z mechanickej energie kompresorovými systémami alebo z tepla prostredníctvom absorpčných systémov. Ak chceme presne a výstižne označiť súčasnú výrobu tepla a chladu, ktorá sa realizuje najčastejšie v tzv. kogeneračných jednotkách (malé výkony rádovo od jednotiek kw do jednotiek MW) alebo napríklad v teplárňach a paroplynových cykloch (veľké jednotky zvyčajne minimálne stovky kw), lepšie je použiť pojem kombinovaná výroba elektriny a tepla KVET. Aby výrobca týchto komodít mohol používať toto označenie pre svoju výrobňu, musí preukázať, že sa teplo vznikajúce pri výrobe elektriny (alebo elektrina vznikajúca pri výrobe tepla) skutočne využilo. A potom môže žiadať o pridelenie príslušnej zvýhodnenej výkupnej tarify stanovenej Úradom pre reguláciu sieťových odvetví. Na rozdiel od samostatnej výroby elektriny a tepla, keď sa elektrina vyrába v elektrárni a teplo napríklad v centrálnej kotolni, sa pri kombinovanej výrobe teplo aj elektrina vyrábajú v jednom a tom istom zariadení, a teda na tom istom mieste. Takáto výroba má opodstatnenie v tom, že pri akejkoľvek výrobe elektriny, resp. transformácii primárneho energetického zdroja na požadovanú elektrickú energiu sa vytvárajú v technologic- Obr. 8.9 Rozdiel medzi oddelenou výrobou a KVET 64

67 Tepelné elektrárne kom zariadení straty prevažne vo forme tepla. Toto teplo možno využiť na iné účely, napríklad na vykurovanie budov, skleníkov, bazénov, ohrev vody a pod. To, že sa teplo v týchto prípadoch nemusí vyrábať samostatne, má za následok úsporu primárneho zdroja energie. Z pohľadu možnosti využitia tepla z procesu výroby elektriny je vhodné umiestňovať výrobne s KVET do blízkosti spotrebičov tepla, pričom ich inštalovaný výkon je vhodné voliť tak, aby pokrýval práve základné pásmo lokalizovanej spotreby tepla. Ak sa základné pásmo spotreby tepla bude rovnať minimálnemu odporúčanému redukovanému výkonu jednotky, získame možnosť pokryť i stredné, prípadne špičkové pásmo (v závislosti od charakteru spotreby). Stretávame sa tu potom s pojmom decentralizovaná výroba elektriny, čo znamená prechod od veľkých centrálnych zdrojov k menším zdrojom lokalizovaným čo najbližšie k spotrebiteľovi. Veľké zdroje majú síce potenciál lepšej účinnosti a nižšej ceny za jednotku inštalovaného výkonu, no decentralizovanej výrobe nahrávajú hlavne odľahčenie sústavy, nižšie straty na vedeniach a flexibilita s možnosťou lokálneho riadenia podľa skutočnej potreby a pod. Veľké centrálne zdroje zvyčajne nemajú možnosť racionálne využiť teplo. Rozdiel medzi oddelenou a kombinovanou výrobou tepla a elektriny názorne približuje obr Prostredníctvom technológií KVET možno ušetriť približne 40 % primárnych energetických zdrojov (napríklad zemného plynu) v porovnaní s oddelenou výrobou. Na to, aby to platilo, musí byť zabezpečený odber tepla. Technológie KVET pracujú s dobrou spoľahlivosťou a ekonomikou v maximálne kontinuálnej a neprerušovanej prevádzke nie je vhodné ich vypínať a štartovať podľa aktuálnej potreby tepla. Preto by mali pracovať do tepelnoakumulačného spotrebiča napríklad bojler na teplú vodu, bazén a pod., prípadne by mali svojím nominálnym výkonom pokrývať základné pásmo tepelnej spotreby vykurovacieho systému. Tieto zariadenia sa z pohľadu dobrej návratnosti investície neodporúča navrhovať ako špičkový zdroj vykurovania podobne ako pri tepelných čerpadlách na krátkodobé vykrytie spotreby tepla počas mrazivých dní sa projektujú špičkové kotly. Kogeneračné jednotky sú zdrojové agregáty vyhotovené zvyčajne ako blok, ktorý sa umiestňuje v strojovni v blízkosti kotolne, kde sa tepelný systém pripája do kúrenárskeho systému, resp. umiestňujú sa podľa možnosti čo najbližšie k spotrebiču tepla. Vyrábajú sa v interiérovom nekrytovanom alebo krytovanom vyhotovení, prípadne v odhlučnenom vyhotovení, ale takisto aj na priamu exteriérovú aplikáciu. Základom zvyčajnej koncepcie kogeneračnej jednotky (KGJ) je spaľovací motor, ktorého hriadeľ je pevnou spojkou spojený s rotorom generátora. Takto sa mechanický výkon motora transformuje na elektrický výkon odoberaný zo svoriek generátora. Generátory sa spravidla používajú synchrónne, asynchrónne sa používajú iba obmedzene v zariadeniach s malým výkonom. Výkon z elektrického generátora KGJ sa vyvádza zo svoriek statorového vinutia pri jednotkách s výkonom do 0,5 MW na úrovni 400 V, na väčšie výkony potom na úrovni 6 kv. Výkon sa potom v prípade vyvedenia výkonu do elektrickej siete vyvádza v závislosti od veľkosti výkonu jednotky alebo súboru jednotiek a lokálnych parametrov siete do distribučnej sústavy na úrovni 400 V alebo 22 kv (kedy sa zvyčajné generátorové napätie 400 V alebo 6 kv transformuje priamo vo výrobni na 22 kv). Tepelný výkon sa v zariadeniach KGJ zvyčajne odoberá z dvoch, prípadne troch médií, na ktoré je naviazaný. Spravidla najväčší tepelný výkon sa odoberá z chladiacej vody motora 1/2 až 2/3 celkového tepelného výkonu. Primárny motorový tepelný obvod chladiaceho média je zvyčajne oddelený od sekundárneho obvodu tepelným výmenníkom, ktorý zohrieva kúrenársku vodu vracajúcu sa tzv. spiatočkou zo systému spotreby tepla do KGJ prostredníctvom obehového čerpadla. Teplota chladiacej vody v motore sa reguluje na teplotu do 95 C a vnútorný okruh vodného chladenia motora sa otvára do okruhu výmenníka až po prekročení projektovanej teploty obvykle viac ako 70 C. Druhým základným zdrojom tepla sú spaliny, ktoré v závislosti od použitého motora a paliva majú zvyčajne 400 až 900 C. Tie sa dochladzujú v spalinovom výmenníku na teplotu približne 100 až 150 C. Energia odobratá spalinám sa dodáva kúrenárskej vode po ohriatí chladiacou vodou. Ďalším zdrojom tepelného výkonu, ktorý sa však nevyužíva pri všetkých KGJ, je motorový olej využíva sa hlavne v zariadeniach s vyšším výkonom a zvýšenými nárokmi na účinnosť. Nominálny projektovaný tepelný spád sa volí zvyčajne 90/70 C (prípadne 80/60 C). To znamená, že pri teplote vody na spiatočke 70 C bude pri nominálnom odoberanom tepelnom výkone na výstupe z KGJ teplota vody do 90 C. Regulácia elektrického a tepelného výkonu sa povoľuje zvyčajne v rozsahu 50 (niekedy aj 40) až 100 % elektrického výkonu, čo zodpovedá približne zmene tepelného výkonu v rozsahu 60 až 100 % tepelného výkonu. Principiálnu schému konvenčnej kogeneračnej jednotky vidíme na obr Energetické zdroje 65

68 Tepelné elektrárne Obr Principiálna schéma konvenčnej kogeneračnej jednotky KGJ zvyčajne dosahujú celkovú účinnosť premeny energie v palive na elektrinu a teplo 80 až 85 %, pričom z celkovo získanej energie je približne 30 až 35 % elektriny a 65 až 70 % tepla. Konvenčné kogeneračné jednotky so spaľovacím motorom s vnútorným spaľovaním a elektrickým točivým strojom možno nahradiť aj inými technológiami. Jednou z nich je použitie palivových článkov, ktoré zo vstupného paliva, napríklad zemného plynu, vyrábajú jednosmerný prúd, ktorý sa striedačom premení na striedavý. Tento potom možno vyvádzať do elektrickej siete. Aj palivové články popri generovaní elektriny generujú teplo, ktoré možno využiť napríklad na ohrev kúrenárskej vody. Preto sa začínajú vyrábať aj KGJ na báze palivových článkov. Nemajú síce rotujúce mechanické časti, pre ktoré je nutné u konvenčných KGJ riešiť relatívne častý servis, no sú citlivejšie na zníženú kvalitu paliva. Ich podstatnou výhodou je nehlučná prevádzka. Istým medzistupňom medzi spaľovacími motormi s vnútorným spaľovaním a palivovými článkami je použitie tepelných strojov s vonkajším spaľovaním, napríklad Stirlingov motor. Takéto tepelné stroje pracujú na podobnom princípe ako tepelná elektráreň. Do primárneho výmenníka tlačíme pomocným kompresorom alebo čerpadlom pracovné médium, ktoré sa v ňom ohrieva. Médiom môže byť vodík, hélium, ale aj stlačený vzduch. Ohriata pracovná látka v pracovnom valci expanduje, čím koná prácu prenášanú piestom, ojnicou a kľukovým hriadeľom na elektrický generátor. Pracovná látka z pracovného valca prúdi do sekundárneho výmenníka, v ktorom sa ochladzuje, resp. zahrieva napríklad kúrenársku vodu. Zo sekundárneho výmenníka je znova pomocným piestom tlačená do primárneho výmenníka. V primárnom, zvyčajne rúrkovom výmenníku sa teplo absorbuje najčastejšie zo spalín horenia fosílnych palív, ale aj z biomasy, bioplynu a dokonca v špeciálnych prípadoch z koncentrovaného slnečného žiarenia. V týchto strojoch sa používajú síce valce a piesty ako pri motoroch s vnútorným spaľovaním, no horenie ich neznečisťuje, čo vedie k zníženiu opotrebenia a predĺženiu servisných intervalov. Tieto motory majú tichý chod. Ich kľúčovým problémom je tesnosť vzhľadom na používané extrémne prchavé pracovné látky. Kombinovaná výroba elektriny a tepla prebieha aj v niektorých tepelných elektrárňach (TE). V TE sa zvyčajne asi len tretina energie obsiahnutej v spotrebovanom palive odvedie vo forme elektriny do elektrizačnej sústavy. Ostatná energia sa z malej časti spotrebuje na vlastnú spotrebu elektrárne a zvyšok sa odvedie do okolia vo forme tepla. Veľké tepelné elektrárne sa z pohľadu rôznych technických a bezpečnostných dôvodov, znečistenia a estetiky stavajú v lokalitách vzdialenejších od ľudských obydlí. Preto sa prebytočné teplo zvyčajne nevyužíva alebo sa iba čiastočne používa na technické účely (napríklad sušenie, vykurovanie skleníkov a hál blízkeho priemyslu). Iba v malej miere sa využíva na vykurovanie domácností napojených teplovodmi, ktoré však túto prevádzku predražujú. Pravdou je, že aj potenciál z pohľadu princípu TE na vykurovanie je nízky a v prípade snahy o jeho zvýšenie znížime účinnosť výroby elektriny. Tepelné elektrárne ponúkajú možnosť pripájať odberateľov tepla na rôzne teplotné a tlakové parametre pary alebo vody. V prípade kombinovanej výroby elektriny a tepla v TE hovoríme o tzv. teplárenskej prevádzke. 66

69 Tepelné elektrárne El. sieť Vzduch Kotol Spaliny Napájacia voda El. sieť Núdzový chladič Zemný plyn Spaliny P Spotreba tepla pary Kondenzát Odber tepla Obr Zjednodušená principiálna schéma PPC Špeciálnym prípadom KVET je princíp tzv. paroplynových cyklov (PPC). Ide o technológiu TE skombinovanú z plynovej a parnej turbíny. Princíp je zrejmý zo schémy na obr Atmosférický vzduch sa predohreje, prefiltruje a stlačí sa turbokompresorom (K), ktorý je na spoločnom hriadeli s plynovou turbínou (T 1 ) a elektrickým generátorom. Stlačený vzduch vstupuje do spaľovacej komory (SK), kde sa zmiešava a horí s palivom, ktorým je zvyčajne zemný plyn. Produktom horenia sú spaliny s vysokým tlakom a vysokou teplotou, ktoré vstupujú do plynovej turbíny. V turbíne spaliny expandujú a odovzdávajú energiu lopatkám rotora, čím ho roztáčajú. Turbína takto roztáča generátor a ten vyrába elektrickú energiu. Spaliny s teplotou viac než 500 C postupujú z plynovej turbíny do kotla, kde odovzdajú zostávajúcu tepelnú energiu vode. Voda sa v kotle najskôr predohreje zvyškovým teplom spalín v tzv. ekonomizéri a potom sa dostane do bubna (v prípade tzv. bubnových kotlov). Z bubna sa aktívnou cirkuláciou voda pretláča rúrkami výmenníka, tzv. varnicami, v uzavretom okruhu späť do bubna. Bublinky pary vznikajúce vo varniciach sa v bubne gravitačne oddelia a z bubna vychádza para do prehrievača. V prehrievači sa prípadný zvyšok vody odparí a tzv. admisná, resp. ostrá para postupuje do parnej turbíny (T 2 ), kde odovzdá svoju energiu rotoru a ten roztočí generátor. Para v prípade KVET postupuje z turbíny cez výmenník (základný), kde odovzdá teplo napríklad na vykurovanie, a podľa potreby sa vykurovacia voda prihreje v ďalšom výmenníku (špičkovom) parou z odberu z turbíny. Skondenzovaná para kondenzát, resp. voda sa odčerpáva do nádrže kondenzátu. Z nádrže kondenzátu sa napája po predohriatí nádrž napájacej vody, z ktorej sa napájacím čerpadlom (NČ) znovu cez predohrevy napája sústava kotlových výmenníkov. Predohrevy, ktoré sa tepelne napájajú z odberov parnej turbíny, nie sú v schéme zakreslené. Teplo sa môže odoberať na rôznych hladinách teploty a tlaku. Vo forme pary sa teplo zvyčajne odoberá z tzv. odberov z turbíny v mieste telesa turbíny s požadovaným tlakom a teplotou pary je projektovaný otvor, ktorým sa para s požadovanými parametrami odoberá. Prípadne para môže prejsť celou turbínou a všetka môže byť spotrebovaná na požadovanej úrovni teploty a tlaku. Jednotky PPC sa budujú s výkonom pohybujúcim sa v desiatkach až stovkách MW. Preto sa ich elektrický výkon vyvádza zvyčajne na napäťovej hladine 110 kv a viac. Pomer výkonu generátora plynovej časti k výkonu generátora parnej časti je približne 3 : 1. Celková účinnosť PPC v režime KVET môže byť aj vyššia než 85 % (v tomto prípade elektrická účinnosť na svorkách generátora môže byť blízko 50 %). Účinnosť PPC v elektrárenskom režime môže byť až 60 %. PPC je flexibilný zdroj, ktorý dokáže rýchlo meniť svoj výkon v širokom regulačnom pásme, preto je vhodný aj na krytie potrieb podporných služieb elektrizačnej sústavy. Podporné služby sa dajú definovať ako zmluvné rezervované výrobné kapacity, za ktoré regulátor sústavy platí, aj keď ich nepoužije, a ak ich využije, ich cena je podstatne vyššia ako cena za bežnú plánovanú produkciu. Energetické zdroje 67

70 Jadrové elektrárne 9 Jadrové elektrárne V poslednom období jadrová energetika prežíva krízu. Jedným z hlavných dôvodov je odmietavý postoj verejnosti k tomuto zdroju energie po haváriách v jadrových zariadeniach. Toto tvrdenie jasne vyplýva aj z nasledujúceho grafu (obr. 9.1), na ktorom je zobrazený celkový výkon jadrových zariadení vo svete. Obr. 9.1 Predikovaný a skutočný inštalovaný výkon jadrových zariadení Aj napriek tomu, že nezávislé štúdie vplyvu jadrových zariadení na ekológiu zistili ich priaznivejšiu prevádzku v porovnaní s ostatnými zdrojmi energie, vo všeobecnosti zaznamenávame pokles financovania výskumu jadrových zariadení. Tato skutočnosť negatívne ovplyvnila vývoj nových typov reaktorov vrátane termonukleárnych. Rastúca spotreba elektrickej energie a zmenšovanie zásob fosílnych palív však nevyhnutne spôsobí v budúcnosti renesanciu jadrovej energetiky. 9.1 Štiepna reakcia v jadrových reaktoroch Na využitie jadrovej energie v praxi treba udržiavať reťazovú reakciu tak, že štiepenie, ktoré sa začne v malom počte jadier, treba rozšíriť na celú sústavu, aby stále pokračovalo a bez vonkajšieho zásahu nezaniklo. Na udržanie samočinnej reťazovej reakcie treba vytvoriť také podmienky, aby aspoň jeden z neutrónov, uvoľnených pri štiepení jadra, spôsobil rozštiepenie ďalšieho jadra, t. j. aby počet novovzniknutých neutrónov nebol menší ako počet predošlých neutrónov. Obr. 9.2 Priebeh štiepnej reakcie jadra atómu 68

71 Jadrové elektrárne Sústava, v ktorej sa pomocou neutrónov udržuje kontrolovaná reťazová reakcia, sa nazýva jadrový reaktor. Látky umiestnené v aktívnej zóne reaktora, ktoré slúžia na spomalenie rýchlych neutrónov a ktoré majú veľký účinný prierez pružného rozptylu a (pokiaľ možno) malý účinný prierez pohltenia, sa nazývajú moderátory. Jadrová štiepna reakcia, ktorá je zdrojom tepelnej energie, prebieha v aktívnej zóne jadrového reaktora na jadrách izotopu uránu 235. Jadro uránu 235 sa po náraze neutrónu rozštiepi na dva štiepne fragmenty s rôznymi hmotnosťami a značnou kinetickou energiou. Tento proces sprevádza uvoľnenie 2 až 3 neutrónov, ktoré môžu vyvolať ďalšiu štiepnu reakciu v okolitých jadrách uránu 235. Pri štiepení sa uvoľní energia, ktorú vo forme tepla odoberá pracovná látka. Neutróny vznikajúce pri štiepnej reakcii sú spomaľované moderátorom na tzv. tepelné neutróny, ktoré majú väčšiu pravdepodobnosť vyvolať ďalšie štiepenie jadier uránu Jadrová elektráreň Jadrová elektráreň (JE) je energetické zariadenie, v ktorom sa pomocou štiepenia jadra získava tepelná energia, ktorá sa postupne transformuje na vyžadovanú formu elektrickú energiu. Pritom sa časť vyrobenej tepelnej energie môže odvádzať na primárne použitie. V súčasnosti sa v priemyselnom rozsahu využíva väčšinou jadrová energia štiepenia spomalenými neutrónmi v ľahkovodných reaktoroch. Výskum sa sústredil na vývoj rýchlych reaktorov, ktoré majú vyššie energetické využitie paliva. Jadrovú elektráreň môžeme rozdeliť na reaktor, strojovňu a pomocnú časť, ktorá zaisťuje prevádzku jadrovej elektrárne. Reaktor a strojovňa tvoria obvykle jeden stavebný celok. Celý jadrový reaktor aj s príslušenstvom je umiestnený v takzvanom kontajnmente, ktorého úlohou je zaistiť bezpečnosť v okolí reaktora v prípade havárie primárneho okruhu. Strojovňa jadrových elektrární je podobná ako pri tepelných elektrárňach, musí však byť zabezpečená proti uniku rádioaktívnych prvkov do okolia. Pomocnú časť jadrovej elektrárne tvoria predovšetkým zariadenia na spracovanie rádioaktívneho odpadu Typy jadrových elektrární Vývoj jadrových elektrární, ktoré pracujú zväčša ako elektrárne s kondenzátorom, sa ustálil na niekoľkých priemyselne realizovaných typoch, ktoré možno z hľadiska základnej technológie rozdeliť na jednookruhové, dvojokruhové, neúplné dvojkruhové a trojkruhové. 1. Jednookruhová Jednookruhovou elektrárňou nazývame takú JE, ktorá má spoločný okruh chladiva a pracovného média (obr. 9.3a). Para vznikajúca v reaktore expanduje v turbíne, kde vykonáva prácu. Po kondenzácii pary v kondenzátore sa dopravuje čerpadlom znova do reaktora. Takýmto spôsobom sa okruh média i chladiva a moderátora uzatvára. Reaktor môže pracovať s prirodzenou cirkuláciou chladiva alebo s nútenou cirkuláciou chladiva v reaktore. V jednookruhových typoch všetky zariadenia pracujú v rádioaktívnych podmienkach, čo komplikuje ich prevádzku. No ich veľkou výhodou je jednoduchosť a ekonomickosť v porovnaní s dvojokruhovými typmi. 2. Dvojokruhová Ak je okruh chladiva oddelený od okruhu pracovného média, nazývame takú JE dvojokruhovou (obr. 9.3b). Okruh chladiva nazývame primárnym okruhom a okruh pracovného média sekundárnym okruhom. V takýchto typoch sa reaktor chladí chladivom, ktoré sa pretláča cez reaktor a parogenerátor cirkulačným čerpadlom, resp. turbokompresorom. V prvom okruhu je kompenzátor objemu, lebo objem chladiva závisí od jeho teploty, ktorá sa počas prevádzky mení. Para z parogenerátora postupuje do turbíny, potom do kondenzátora a kondenzát sa čerpadlom dodáva do parogenerátora. V tomto prípade druhý okruh nie je rádioaktívny, čo zjednodušuje prevádzku elektrárne. 3. Trojokruhová Ide o jadrové zariadenie v experimentálnom štádiu určené na takzvané množivé reaktory. Primárny okruh je určený na chladenie jadrového reaktora, kde chladivom je tekutý sodík (Na). Primárny okruh je zároveň ako jediný rádioaktívny. V sekundárnom okruhu cirkuluje olej, ktorý zabraňuje potenciálnej reakcii medzi vodou a kovovým sodíkom. Terciárny okruh je parný (obr. 9.3c). Energetické zdroje 69

72 Jadrové elektrárne Obr. 9.3 Technológia jadrových elektrární a) jednookruhová, b) dvojokruhová, c) trojokruhová 9.3 Jadrové palivo Podmienkou vzniku a udržania riadenej jadrovej reakcie je kritická hmotnosť štiepneho jadrového paliva. Preto môžeme využívať iba tú časť paliva, ktorá ju prevyšuje a podmieňuje nadkritickosť reaktora. Nie je možné, aby štiepna reakcia prebehla vo všetkom palive jednej vsádzky reaktora. Palivo sa preto po vyhorení prepracováva a využíva na výrobu nového paliva. Vyhorením jadrového paliva označujeme zníženie počtu štiepiteľných jadier pôsobením neutrónov. Po dosiahnutí prípustného vyhorenia treba palivo vymeniť. V závislosti od druhu paliva a typu reaktora môže vyhorené palivo obsahovať až 50 % nevyužitého štiepneho materiálu. V prípade uzavretého palivového cyklu, ktorý má veľkú perspektívu vďaka rozvoju technológie rýchlych množivých reaktorov, vieme čoraz efektívnejšie recyklovať tento jadrový odpad na výrobu čerstvého jadrového paliva v prepracovacom závode a znížiť tak spotrebu prírodného uránu (obr. 9.4). Obr. 9.4 Palivový cyklus 70

73 Jadrové elektrárne Keďže jadrové reakcie nepotrebujú kyslík, nie sú zdrojom splodín horenia. Z jadrového paliva však vznikajú rádioaktívne nuklidy a ich rozpadové produkty majú krátky, ale aj veľmi dlhý polčas rozpadu. Preto vyhorené palivo má veľmi vysokú rádioaktivitu a aj po vyňatí z reaktora ďalej prebieha prirodzený rozpad a palivo je zdrojom tepla a žiarenia. Táto zvyšková rádioaktivita a tvorba tepla vo vyhorenom palive vyžaduje mimoriadne nároky na manipuláciu a uskladnenie. Sprievodným javom pri uvoľňovaní tepla z jadrového paliva je intenzívny tok rádioaktívneho žiarenia, najmä neutrónov s vysokou energiou. Obr. 9.5 Prepracovanie jadrového paliva v uzavretom palivovom cykle Energetické zdroje 71

74 Ďalšie aspekty porovnania elektrární 10 Ďalšie aspekty porovnania elektrární Porovnanie typov elektrární Elektrárne sú vo všeobecnosti rozľahlé stavby, a preto do značnej miery ovplyvňujú životné prostredie v ich okolí. Z tohto dôvodu sú obyvatelia principiálne proti výstavbe veľkých energetických komplexov v blízkosti ich domovov. To je však v rozpore s ich požiadavkou na stabilnú a spoľahlivú dodávku elektrickej energie. Hlavné vplyvy elektrární sú zhrnuté v bodoch: vplyv na krajinnú ekológiu (JE, TE, VE), emisia skleníkových plynov (TE), skladovanie jadrového odpadu a jadrová bezpečnosť (JE). Čo sa tyká rozvoja jadrových elektrární, situáciu komplikujú predovšetkým odporcovia jadrovej energetiky po haváriách v Černobyle a Fukušime. Na druhej strane jadrová energetika zaznamenala veľký pokrok v nasledujúcich oblastiach: rozvoj druhej generácie jadrových elektrární, nová konštrukcia jadrového paliva umožňuje dlhší palivový cyklus, pokrok pri riešení problematiky ukladania jadrového paliva. Zaujímavé porovnanie elektrární z finančného a ekonomického hľadiska je v tab Ide o porovnanie rôznych investičných, prevádzkových a externých nákladov. Externé náklady predstavujú náklady na procesy uskutočnené pred spustením samotnej výroby a po ukončení výroby. Tab Porovnanie nákladov na jednotlivé typy elektrární Investičné náklady Typ elektrárne Náklady /W Jadrová elektráreň 2 2,5 TE fosílne palivo 1,5 2 TE plynové palivo 1 2 Externé a prevádzkové náklady Náklady /W Primárny zdroj Externé Prevádzkové Uhlie 2 5 Nafta 1,6 4,5 Plyn 0,36 3,5 Jadro 0,04 3,5 Vietor 0,22 6 Voda 0,22 4,5 Energetický mix na Slovensku Slovensko nie je vo výrobe elektrickej energie sebestačnou krajinou. V roku 2011 tvoril import 3 % celkovej spotreby Slovenskej republiky, čo predstavuje 727 GWh elektrickej energie. Závislým od importu sa Slovensko stalo po odstávke 1. a 2. bloku jadrovej elektrárne Jaslovské Bohunice v roku 2006, resp V súčasnosti prebieha dostavba 3. a 4. bloku jadrovej elektrárne Mochovce s plánovaným uvedením do prevádzky v Spotreba elektrickej energie na Slovensku dosiahla v 2011 celkovo GWh, za to isté obdobie sa vyrobilo GWh elektrickej energie. Tab Inštalovaný výkon elektrární na Slovensku v 2011 podľa typu Typ elektrární Inštalovaný výkon (MW) Podiel na inštalovanom výkone (%) Tepelné Vodné Jadrové Závodné a OZE

75 Ďalšie aspekty porovnania elektrární Tab Množstvo vyrobenej elektrickej energie na Slovensku v 2011 podľa typu elektrárne Typ elektrární Množstvo vyrobenej elektrickej energie (GWh) Podiel na výrobe elektrickej energie (%) Tepelné Vodné Jadrové Závodné a OZE Využívanie OZE na Slovensku V roku 2005 sa na Slovensku nevyrábala takmer žiadna elektrická energia z OZE. Zmena nastala na základe záverov Rady EÚ z 2007, kde boli pre členské štáty Európskej únie vytýčené ciele do roku Štáty sa zaviazali dosiahnuť zníženie emisií skleníkových plynov o 20 %, zníženie spotreby energie o 20 % a zvýšenie podielu OZE na konečnej spotrebe energie na 20 %. Tab Ciele na využívanie OZE do 2015 (výroba elektrickej energie) Zdroj 2005 (GWh/rok) 2010 (GWh/rok) 2015 (GWh/rok) Stav k 2010 (GWh) Malé vodné elektrárne Biomasa Veterné elektrárne Bioplyn Geotermálna energia Fotovoltické články SPOLU Vďaka podpore štátu nastal najmä v rokoch 2010 a 2011 rýchly rozvoj využívania slnečnej energie. Ku koncu roka 2012 bola celková hodnota inštalovaného výkonu 512 MW. Súčasný podiel výroby z OZE je na úrovni 12,8 %. Zdrojom s najväčším technickým potenciálom je biomasa. Tá sa v súčasnosti osvedčuje najmä v systémoch centrálneho vykurovania na výrobu tepla, a to najmä z drevnej biomasy, no v budúcnosti sa predpokladá väčšie využitie spaľovania slamy. Tab Výroba elektrickej energie a tepla z OZE Technický potenciál (GWh/rok) Stav k 2010 (GWh/rok) Biomasa Vodná energia Geotermálna energia Slnečná energia Veterná energia SPOLU Energetické zdroje 73

76 Ďalšie aspekty porovnania elektrární Inštalovaný tepelný výkon (MW) Rok Obr Vývoj inštalovaného výkonu zdrojov biomasy v systémoch centrálneho vykurovania Slovensko sa vo využití hydroenergetického potenciálu zaraďuje medzi priemer Európskej únie. Najvýznamnejšími povodiami je povodie rieky Váh a Dunaj, ktoré predstavujú 82 % celkového technického HEP Slovenska, ktorý je GWh. Tab Využitie hydroenergetického potenciálu v Slovenskej republike HEP Počet elektrární Inštalovaný výkon (MW) Výroba (GWh/rok) Podiel na celkovom HEP (%) VVE (nad 10 MW) spolu , ,6 66,4 MVE (do 10 MW) spolu ,16 284,31 4,2 SPOLU , ,91 70,6 Nevyužitým zdrojom u nás ostávajú MVE, a to najmä v povodí rieky Hron. Ich budovanie sa stretáva často s odporom ochrancov životného prostredia a byrokraciou, pričom potenciál MVE je využitý približne len na 25 %. 74

77 záver Záver Vízie energetiky do roku 2050 sú analýzou predikcie, resp. scenárov budúceho vývoja spotreby elektrickej energie a primárnych nosičov, z ktorých sa vyrába. S výrobou elektrickej energie je analyzovaný aj vývoj spotreby primárnych energetických nosičov v odvetviach existenčne závislých od ich zdrojov. Spomedzi týchto odvetví je hlbšie analyzovaný vývoj v doprave, kde je výrazný rast spotreby a kde sa z dlhodobého hľadiska nedarí znižovať príspevok k tvorbe skleníkových plynov v žiadnej zo svetových ekonomík. Skúma sa možnosť získania primárnych energetických nosičov, akými sú napr. ropa, zemný plyn, urán, ale aj biomasa, pre jednotlivé technologické procesy výroby elektrickej energie. Okrem toho pri každej bežne využívanej technológii sa prihliada aj na jej vývoj a aplikovateľnosť v praxi. Primárnou stránkou záujmu je možnosť predikcie využívania týchto technológií a ich efektivity v budúcnosti so zreteľom na prevádzku výrobní elektrickej energie. Nezanedbateľným faktorom je dostupnosť zdrojov, nielen na základe technických ukazovateľov, ale aj na základe prognóz politického vývoja, najmä preto, že väčšina fosílnych palív, od ktorých je chod svetových ekonomík stále závislý, sa nachádza v politicky nestabilných krajinách Blízkeho východu. Netreba zabudnúť na možnosť transportu požadovaných zdrojov do miesta výroby elektrickej energie, tepla a výroby pohonných hmôt. Pre politické aspekty sa v tejto analýze uvažovalo nielen s konzervatívnou stránkou, ale aj s krízovými scenármi v prípade vyhrotenia sa niektorých dlhotrvajúcich sporov do vojnového konfliktu. Ďalším preberaným aspektom dostupnosti primárnych zdrojov je demografický aspekt, tu je nevyhnutné počítať s nárastom počtu obyvateľov do roku 2050 až na 9,2 miliardy. Paralelne s rastom počtu obyvateľov bude citeľný aj rast ekonomík, najmä v krajinách, akými sú napr. Čína, India, Brazília atď., v ktorých sa využívajú prevažne energeticky menej efektívne technológie. Z tohto dôvodu očakávame z dlhodobého hľadiska nárast spotreby energie o 80 až 130 %, čo bude mať za následok, že niektoré krajiny, radiace sa k tradičným vývozcom ropy, budú nútené radikálne znížiť vývoz alebo ho úplne zastaviť, aby pokryli svoj vlastný dopyt po energii. Ekonomický rast rozvojových krajín zapríčiní nielen zvýšený dopyt po energii v priemysle, ale zvýši aj kúpyschopnosť obyvateľstva. Vyššia kúpyschopnosť prinesie tlak na zvyšovanie spotreby elektrickej energie v domácnostiach, nákup áut, a teda aj spotrebu pohonných hmôt. Je predpoklad, že do roku 2050 bude po svete jazdiť 2 až 3 miliardy áut. V doprave sa venuje pozornosť aj alternatívnym typom pohonu využívajúcim napr. elektrinu alebo nové palivá, ktoré pravdepodobne prinesie aj príchod biopalív druhej generácie. Vyhodnotenie prináša odpovede na to, aká je pravdepodobnosť vývoja jednotlivých scenárov, čo bude potrebné urobiť, aby bol vývoj v oblasti výroby a spotreby energie udržateľný, a či je vôbec pravdepodobné priblížiť sa k tomuto cieľu v súčasnej spoločnosti. Energetické zdroje 75

78 Literatúra Literatúra 1. Altherma prospekt. (online). Dostupné na internete: 2. BERNÁT, A., BOBUĽA, P.: Aktuálny stav a vývoj rozvoja OZE. (online). Dostupné na internete: 3. Bydlet.cz. (online). Dostupné na internete: 4. CENEK, M. a kol.: Obnoviteľné zdroje energie. Praha: FCC PUBLIC, CIFRA, S.: Renewable energy sources in the Slovak republic. (online). Dostupné na internete: 6. DARUĽA, I., HORNÍK, V., MARKO, Š.: Elektrárne II. elektrická časť. Bratislava: STU, DI PIPPO, R.: Small geothermal power plantsdesign, performance and economics. In: Geo-Heat Center Bulletin, 1999, 20 (2), s DOLEŽAL, J., ŠŤASTNY, J., ŠPETLÍK, J., BOUČEK, S., BRETTSCHNEIDER, Z.: Jaderné a klasické elektrárny. Praha: České vysoké učení technické v Praze, ISBN DUŠIČKA, P., HODÁK, T., ŠULEK, P.: Využívanie hydroenergetického potenciálu v SR. Učebné texty pre postgraduálny kurz Progresívne metódy riešenia problémov vodného hospodárstva. Bratislava: HTE SvF STU, ESM-YZAMER. Uplatnenie plynových čerpadiel poháňaných plynovým motorom. (online). Dostupné na internete: FECKO, Š., JANÍČEK, F., ŠIMUNEK, P.: The Concept of Sustainability in the Development of Electroenergetics. In: 17th Congres of the World Energy Council, Houston, Texas, USA, s GADUŠ, J., ŠÁGROVÁ, S. (2005): Possibilities of biomass co-fermentation. In: EKOTREND 2005, zborník z medzinárodného vedeckého stretnutia, ZF Jihočeská univerzita České Budějovice, 2005, 70 s., ISBN HROMADA, Š., DARMO, A., HROMADA ml., Š.: Vodné elektrárne v Slovenskej republike. Využitie hydroenergetického potenciálu vodných tokov. Slovenské elektrárne, HUTŇAN, M.: Produkcia bioplynu z biomasy. In: Produkcia bioplynu, pyrolýza a splynovanie efektívny spôsob zhodnotenia biomasy ako obnoviteľného zdroja energie, 21. január 2010, FCHPT STU, s. 4 35, ISBN ILIAŠ, I.: Technicko-ekonomická štúdia zásobovania areálu Letná TU Košice energiou z kogenerácie. Košice: ENAS, JANÍČEK, F. a kol.: Obnoviteľné zdroje energie 2. Bratislava: Renesans, ISBN JANÍČEK, F., DARUĽA, I., GADUŠ, J., REGULA, E., SMITKOVÁ, M.: Obnoviteľné zdroje 1. Technológie pre udržateľnú budúcnosť. Bratislava: FEI STU, ISBN JANÍČEK, F., GADUŠ, J., SMITKOVÁ, M.: Renewable sources. Technologies for sustainable future. Bratislava: FEI STU, ISBN JAVYS. Palivový cyklus. (online). Dostupné na internete: KALOGIROU, S. A.: Solar thermal collectors and applications. In: Progress in Energy Combustion Science 30, 2004, s KAMINSKÝ, J., VRTEK, M.: Obnovitelné zdroje energie. Ostrava: VŠB TU, s. 22. KITLER, R., MIKLER, J.: Základy využívania slnečného žiarenia. Bratislava: SAV, SÚKK 1729/I KUBALA, M.: Meranie a porovnávanie výkonov slnečných kolektorov 2. časť. In: Techcon magazín, 2006, č. 3, s LIBRA, M., POULEK, V.: Solární, energie, fotovoltaika perspektivní trend současnosti i blízke budoucnosti. Praha: Česká zemědělská univerzita, MARKO, Š., DARUĽA, I., HORNÍK, V.: Elektrárne I. Bratislava: SVŠT, MARKO, Š., DARUĽA, I., SMOLA, A., ŠIMUNEK, P.: Energetické zdroje a premeny. Bratislava: Alfa, MARKVART, T., CASTANER, L., ED.: Practical handbook of photovoltaics: Funadamentals and applications. Oxford: Elsevier Advanced Technology,

79 Literatúra 28. MEYER, J., TETZLAFF, S.: Thermosyphonic systems. In: Sun and Wind Energy, 2010, č. 6, s Mitsubishi plastics. Zeolitic water vapor adsorbent AQSOA. (online). Dostupné na internete: MURTINGER, K., BERANOVSKÝ, J., TOMEŠ, M.: Fotovoltaika. Brno: ERA, NEDORAST, J. a kol.: Využívanie hydroenergetického potenciálu. Bratislava: VUPEX, NECHLEBA, M.: Vodní turbíny, jejich konstrukce a příslušenství. 2. vyd. Praha: SNTL, PASTOREK, Z., KÁRA, J., JEVIČ, P.: Biomasa obnovitelný zdroj energie. Praha: FCC PUBLIC, s. ISBN PZP. Tepelná čerpadla. (online). Dostupné na internete: RAPŠÍK, M., SMOLA, A., BOHÁČ, M., MUCHA, M.: Základy energetiky 1. Bratislava: STU v Bratislave FEI, s. ISBN RYBÁR, R., KUDELAS, D., FISCHER, G.: Alternatívne zdroje energie III. Veterná energia. Dočasná vysokoškolská učebnica. Košice: Edičné stredisko/ams, s. ISBN SMITKOVÁ, M., JANÍČEK, F.: Globálna energetika súčasnosť a trendy. In: Energie 21, roč. 4, č. 1., s. 6 8, ISSN SPP. Progresívne systémy pre vykurovanie a chladenie Plynové tepelné čerpadlá. [online]. 39. ŠOLTÉS, J., RANDA, M.: Výroba elektriny z biomasy. Bratislava: Slovenská energetická agentúra, ŠTOLL, Č., KRATOCHVIL, S., HOLATA, M.: Využití vodní energie. Praha: SNTL, Energetické zdroje 77

80 Príloha A Príloha A: Reálna štúdia zásobovania areálu Letná TU Košice energiou z kogenerácie Štúdia sa zameriava na technicko-ekonomické zhodnotenie možnosti nasadenia kombinovanej výroby elektriny a tepla v areáli Technickej univerzity v Košiciach na Letnej a Komenského ulici. Podľa štúdie po preskúmaní reálnych možností čo najvyššieho ročného využitia inštaláciu kogenerácie je najefektívnejšie realizovať celoročne pre odovzdávacie stanice tepla OST 1610 s čiastočným využitím (iba na letnú prevádzku) a pre OST 1609, ktoré sú zdrojom tepla na vykurovanie a ohrev TÚV pre komplex areálu budov TUKE. Odovzdávacia stanica tepla OST 1609 Odovzdávacia stanica s inštalovaným výkonom 4,46 MW je situovaná v suteréne objektu Ústavu výpočtovej techniky. A.1 znázorňuje dispozičné riešenie dodávky tepla na vykurovanie. A.1 Tepelný okruh OST 1609 Odovzdávacia stanica tepla OST 1609 Odovzdávacia stanica s inštalovaným výkonom 5,58 MW je situovaná v suteréne objektu Stavebnej fakulty. A.2 znázorňuje dispozičné riešenie dodávky tepla na vykurovanie. A.2 Tepelný okruh OST

81 Príloha A Požiadavku na čo najvyšší ročný čas prevádzky kogenerácie najlepšie spĺňajú odberné zariadenia v okruhu OST 1610, resp. OST 1609, kde je prevaha študentských ubytovacích zariadení. Tie okrem vysokej koncentrácie výkonu vyžadujú neporovnateľne dlhší čas využitia maximálneho výkonu oproti školským a laboratórnym zariadeniam ostatných okruhov odovzdávacích staníc. Tepelné bilancia vybraných OST Tab. A.1 Prehľad nameraného tepla na vstupe do OST 1609 a OST 1610 v priemere rokov 2007 až 2010 (GJ) Rozdelenie dodaného tepla na vstupoch do jednotlivých OST na spotreby na vykurovanie a prípravu TÚV je nasledovné: Tab. A.2 Rozdelenie dodaného tepla na vstupoch do OST pre ústredné kúrenie a teplú úžitkovú vodu v priemere rokov 2007 až 2010 Ročné využitie inštalovaného výkonu OST 1609 je 1 088,8 h/rok a OST 1610 je 907,2 h/rok Navrhované riešenie Funkcia strojovne V strojovni kogenerácie bude kogeneračnými jednotkami (KGJ) produkované teplo do akumulačných zásobníkov vykurovacej vody. Zásobníky sú dimenzované tak, aby v nich bolo možné akumulovať teplo vyprodukované kogeneračnou jednotkou minimálne za dve hodiny prevádzky. Teplo z akumulačných zásobníkov sa bude dopravovať potrubnými rozvodmi (DN-100) vo forme vykurovacej vody do odovzdávacích staníc tepla OST 1609 a OST V odovzdávacích staniciach tepla sa bude pomocou jestvujúcich špirálových výmenníkov tepla ohrievať vykurovacou vodou zo strojovne kogenerácie TÚV. Akumulačné zásobníky TÚV budú prerobené na dobíjacie zásobníky doplnením dobíjacích čerpadiel, čím sa získa väčší akumulačný priestor na tepelnú energiu produkovanú kogeneračnými jednotkami, zníži sa tak počet štartov jednotiek a zvýši sa miera využitia KGJ. Vykurovacia voda do sústavy okruhu KGJ sa bude dopĺňať v OST 1609 z primárneho rozvodu sústavy pomocou prepojenia s uzávermi, spätnou klapkou, solenoidovým ventilom a meračom doplnkovej vody. Na vstupe prípojky vykurovacej vody do oboch odovzdávacích staníc tepla bude realizované meranie dodávky tepla zo sústavy KGJ. Navrhuje sa inštalácia dvoch kusov kogeneračných jednotiek na zemný plyn. Elektrický výkon jednej jednotky je 70 kwe a tepelný výkon 115 kwt. Jednotky zahŕňajú vzduchom chladený synchrónny generátor na výrobu trojfázového elektrického prúdu 400 V, 50 Hz a teplej vody s úrovňou teplôt na prívode a spiatočke 90/70 C pri plnom zaťažení. Každá jednotka môže byť prevádzkovaná tepelne i elektricky nezávisle v rozsahu elektrického zaťaženia 50 až 100 %. Energetické zdroje 79

82 Príloha A Tab. A.3 Očakávaná energetická bilancia kogenerácie Tab. A.4 Bilancia prevádzky KGJ Stanovenie inštalovaného výkonu Obidve KGJ budú v prevádzke so 100-percentným výkonom nepretržite sedem mesiacov v roku (vykurovacie obdobie). Tri mesiace budú sa budú prevádzkovať so zníženým výkonom jednej z jednotiek v rozsahu 69 až 93 % inštalovaného tepelného výkonu a dva mesiace sa bude prevádzkovať iba jedna KGJ s výkonom priemerne 95 % maximálneho tepelného výkonu. Za tento čas sa uskutoční plánovaná údržba zariadenia. Technológia strojovne Strojovňa kogenerácie je projektovaná na automatickú prevádzku, ktorú zabezpečí riadiaci systém pozostávajúci z regulačných a riadiacich zostáv kogeneračných jednotiek a nadradeného riadiaceho systému. Kogeneračné jednotky budú mať zariadenie, ktoré zabezpečí vysokú účinnosť spaľovania pri dodržaní nízkych hodnôt emisií NO X, CO a dostatočnú spoľahlivosť prevádzky. Zdroj tepla Na pokrytie požadovaného tepelného výkonu budú v strojovni inštalované dve KGJ s výkonom elektrina/teplo 70/115 kw s kaskádovým odvodom spalín. Zdroj je inštalovaný s kompletne zhotoveným spaľovacím motorom so spaľovaním plynu. Teplo z chladiaceho oleja a vody sa systémom doskových výmenníkov v KGJ odvádza do vykurovacej vody. 80

83 Príloha A Tab. A.5 Základné technické údaje KGJ Energetické zdroje 81

84 Príloha A A.3 Základná technologická schéma KGJ 82