TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta strojní
ANALÝZA OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE V ČR
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
Liberec 2014 Jan Havel
ANALÝZA OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE V ČR
Bakalářská práce
Studijní program: B2341 - Strojírenství
Studijní obor: 2302R022 - Dopravní stroje a zařízení Autor práce: Jan Havel
Vedoucí práce: doc. Ing. Lubomír Moc, CSc.
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č.
121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
Poděkování
Chtěl bych zde poděkovat svému vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Lubomíru Mocovi, CSc. za řadu cenných rad při tvorbě mé bakalářské práce. Také bych chtěl poděkovat svému konzultantovi doc. Ing. Josefu Laurinovi, CSc.
ANOTACE:
Cílem bakalářské práce byla analýza obnovitelných zdrojů energie, jejich základní princip zařízení, systémů a technologií v České republice a také možnost jejich využití v mobilních či stacionárních zařízeních využívajících jako pohonnou jednotku spalovací motor. Proto byla udělána rešerše o jednotlivých zdrojích a vypracován časový vývoj objemu získané energie z obnovitelných zdrojů energie. Dále byl zjišťován vliv na životní prostředí a právní podmínky pro provozování těchto zařízení.
Klíčová slova: energie, biopaliva, elektrárna, výkon, výroba
ANNOTATION:
The aim of this work is the analysis of renewable energy sources, the basic principle of devices, systems and technology in the Czech Republic and the possibility of their use in mobile and stationary power unit using a combustion engine. Therefore, research has been done on individual sources and drafted the time evolution of the volume of energy obtained from renewable energy sources. It was also investigated the influence of environmental and legal conditions for the operation of these facilities.
Keywords: energy, biofuels, power station, power, production
5
Obsah
1.Úvod ...7
2. Primární energie ...8
3. Obnovitelné zdroje energie ...8
3.1 Definice ...8
3.2 Energetika České republiky ...9
4. Vodní energie ...10
4.1 Voda ...10
4.2 Historie využívání vodní energie ...11
4.3 Právní podmínky pro provozování vodní elektrárny ...12
4.4 Využití vodní energie v České republice ...12
4.5 Rozdělení vodních elektráren ...13
4.6 Typy turbín ...13
4.6.1 Kaplanova turbína ...14
4.6.2 Francisova turbína ...14
4.6.3 Peltonova turbína ...14
4.6.4 Bánkiho turbína ...15
4.7 Pracovní princip vodní elektrárny ...16
4.8 Výhody a nevýhody vodních elektráren ...16
4.9 Energetický vývoj vodních elektráren v České republice ...17
5 Větrná energie ...18
5.1 Historie ...18
5.2 Právní podmínky pro stavbu větrných elektráren v České………….……….18
5.3 Využití větrné energie v České republice ...18
5.4 Rozdělení větrných motorů ...19
5.4.1 Odporový motor ...19
5.4.2 Vztlakový motor ...20
5.5 Větrná elektrárna a její princip ...20
5.6 Typy strojoven ...21
5.6.1 Strojovna elektrárny s převodovkou a asynchronním generátorem (VESTAS) ………..………..……21
5.6.2 Strojovna bez převodovky s multiplovým synchronním generátorem ...22
5.6.3 Strojovna s převodovkou, variátorem a synchronním generátorem ...23
5.7 Životní prostředí ...23
5.8 Energetický vývoj větrných elektráren v České republice ...24
6 Sluneční energie ...25
6.1 Historie ...25
6.2 Podpora stavby fotovoltaických elektráren v České republice ...25
6.3 Využití sluneční energie v České republice ...26
6
6.4 Technická řešení přeměny sluneční energie na energii elektrickou………27
6.5 Instalace solární elektrárny ...28
6.6 Výhody a nevýhody solárních elektráren ...29
6.7 Energetický vývoj solárních elektráren v České republice ...29
7. Biomasa ...30
7.1 Historie ...30
7.2 Biomasa ...31
7.3 Zpracování biomasy ...31
7.4 Bioplyn ...32
7.4.1 Složení bioplynu ...32
7.4.2 Výroba bioplynu ...33
7.5 Potenciál využitelnosti biomasy v České republice ...34
7.6 Technologie spoluspalování biomasy s fosilními palivy ...35
7.7 Emisní faktory ...36
7.8 Vývoj energie z biomasy a z bioplynu v České republice ...36
8. Geotermální energie ...37
8.1 Využitelnost geotermální energie ...37
8.2 Využití geotermální energie v České republice ...38
8.3 Geotermální projekt v Litoměřicích ...38
8.4 Geotermální systém teplých suchých hornin ...39
9. Termojaderná energie ...40
9.1 Historie termojaderné fúze ...40
9.2 Termojaderná fúze ...41
9.3 Tokamak ...42
9.4 Projekt ITER ...43
9.5 Budoucnost termojaderné fúze ...45
10. Biopaliva pro spalovací motory ...45
10.1.1 Bioethanol ...45
10.1.2 Historie ...46
10.1.3 Provoz vozidla na E85 ...46
10.2.1 Bionafta ...47
10.2.2 Použití bionafty v dopravních prostředcích ...48
10.3 Rostlinný olej ...49
Závěr ...50
Seznam použité literatury ...52
7
1. Úvod
Využívání obnovitelných zdrojů energie sahá již do dávné historie. Kromě svalové síly tažných zvířat a palivového dřeva se až do začátku 20. století intenzivně využívalo obnovitelných zdrojů energie. V 17. a 18. století se v Evropě využívalo až 600 000 vodních mlýnu pro mletí obilovin a jen v Nizozemí pak 8000 mlýnu větrných.
Jedním z prvních počinů využití bylo získávání tepelné energie při spalování dřeva. Později bylo vynalezeno vodní kolo, které bylo využívané jako zdroj mechanické práce pro roztáčení například mlýnských kamenů nebo pily. Tak byla využívána energie vody. Energie větru zaznamenala své využití také pro mletí obilovin v podobě větrného mlýnu. S rostoucí populací a technickým rozvojem rostly i nároky na energii. Následně na to byly vyvíjeny jednotlivé formy obnovitelných zdrojů nezávisle na sobě.[5]
Neobnovitelné zdroje energie začaly být aktuální především za průmyslové revoluce (18. až 19. století). Nejprve se začalo používat uhlí pro pohon parních strojů a výrobu koksu. Komerční použití zemního plynu začala využívat jako první Velká Británie. Kolem r. 1785 se zemní plyn, který byl vyrobený z uhlí, začal používat k osvětlení domů a také ulic. Zemní plyn je považován za nejčistší z fosilních nosičů energie, protože jeho spalováním vzniká méně škodlivých zplodin (např. oxidu uhličitého) ve srovnání s ropnými produkty nebo uhlím. Koncem 19. století, a to hlavně s vynálezem spalovacího motoru, se začala v hojném měřítku používat ropa tzv. její jednotlivé složky (benzín, nafta, metan, propan, butan…). Od druhé světové války se začalo využívat atomové energie. V roce 1938 se podařilo rozštěpit jádro atomu uranu, 1945 byly svrženy atomové bomby na Hirošimu a Nagasaki, 1951 se podařilo získat první energii z jaderného reaktoru, 1986 došlo k závažné havárii reaktoru v Černobylu na Ukrajině. Podíl jaderné energie na celosvětových primárních zdrojích energie činí 13%, v ČR činí 35%, v Německu 16,1%, v EU 30%. Takto vyrobená energie prakticky nezatěžuje životní prostředí, ale potýká se i s určitými problémy, například: výnosné zásoby uranu jsou omezené, cena uranu v posledních letech prudce stoupla, vedlejším produktem je radioaktivní odpad a další. Budoucnost jaderné energetiky muže zachránit lepší využívání dostupných zásob uranu, další přepracování použitého jaderného paliva.
Obnovitelné zdroje energie v ČR z hlediska výroby elektrické energie sice nehrají rozhodující roli, jejich význam však spočívá v šetrném přístupu k životnímu prostředí a případně v možnostech budoucího využití ve větším rozsahu. K obnovitelným zdrojům energie se v podmínkách ČR řadí využití energie vody, větru, slunečního záření, biomasy a bioplynu, energie prostředí využívaná tepelnými čerpadly, geotermální energie a energie kapalných biopaliv. Obnovitelným zdrojem s největším energetickým potenciálem využívaným skupinou ČEZ je vodní energie, z hlediska dalšího rozvoje se největší šance dává spalování biomasy, především dřevní štěpky a dalších rostlinných produktů lesního a zemědělského původu. [6]
8
2. Primární energie
Pokut chceme hovořit jak o obnovitelné, či neobnovitelné energii, musíme si uvědomit, že veškerá energie, kterou používáme, vznikla díky naší nejbližší hvězdě - Slunci. Nebýt Slunce, tak by na Zemi nevznikl život, tím pádem by nevznikly rostliny, ze kterých by následně po milionech let nevzniklo uhlí a ropa. Celá naše planeta by byla jen zmrzlou hroudou země bez života. Na jejím povrchu by netekla voda, která pohání vodní turbíny, nefoukal by vítr potřebný k provozu větrné elektrárny ani by na povrch planety nedopadalo dostatek světla potřebné pro solární elektrárny. Dokonce bychom nemohli využívat ani jadernou energii, protože potřebný uran by bez hvězd ani nevzniknul. Po velkém třesku vyplňoval vesmír pouze vodík a helium. Až hvězdy vytvořily těžší prvky.
Proto bychom se neměli dívat na obnovitelné zdroje energie jako na absolutně nevyčerpatelné, i když z pohledu jednoho lidského života tomu tak je.
Slunce je staré cca 5 miliard let a asi po přibližně dlouhou dobu bude ještě tak stabilní, jak ho známe dnes. Po uplynutí této doby, kdy spotřebuje veškerý vodík, dojde k pozastavení termojaderných reakcí a promění se v tzv. rudého obra, kdy několikanásobně zvětší svůj objem, aby mohlo začít s jadernou fúzí helia. Po vyčerpání zásob hélia v jádře dojde opětovně k pozastavení termojaderných reakcí, což povede k tomu, že již žádná síla nebude působit proti gravitačnímu působení a Slunce se začne smršťovat do malého tělesa. Jádro zkolabuje, scvrkne se a změní se na bílého trpaslíka. Bílý trpaslík bude pozvolna chladnout, až vychladne zcela. Dokud nám tedy bude svítit Slunce, tak máme možnost využít jeho energii, ať už za pomocí vody, větru, biomasy, světla, přílivu a odlivu a dalších.
3. Obnovitelné zdroje energie 3.1 Definice
Definice obnovitelného zdroje energie (OZE) je v české legislativě uvedena v zákoně č.
180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře a využívání obnovitelných zdrojů): „Obnovitelnými zdroji se rozumí obnovitelné nefosilní přírodní zdroje energie, jimiž jsou energie větru, energie slunečního záření, geotermální energie, energie vody, energie půdy, energie vzduchu, energie biomasy, energie skládkového plynu, energie kalového plynu a energie bioplynu.“ [4]
9
3.2 Energetika České republiky
V ČR se elektrická energie vyrábí především v konvenčních zdrojích, zejména v parních elektrárnách, které se na výrobě elektřiny podílejí z 59,0 % (stav v roce 2012). Ty jsou však z hlediska dopadu na životní prostředí nejméně vhodné, neboť spalují zejména hnědé uhlí (v malém měřítku též biomasu, plyn či oleje). Produkce elektřiny z parních elektráren v posledních sedmi letech stagnuje nebo mírně klesá. V roce 2012 bylo v parních elektrárnách vyrobeno 51 696 GWh elektřiny.
Dále se elektrická energie vyrábí v jaderných elektrárnách Dukovany a Temelín.
Jaderná elektrárna Dukovany vyprodukovala 15 680 GWh a jaderná elektrárna Temelín 15 065 GWh elektrické energie za rok 2013, čímž se podílely na výrobě elektřiny 34,6%.
Jejich podíl na výrobě elektrické energie roste, avšak jedná se o velice diskutovaný zdroj energie, neboť na jednu stranu představuje téměř bezemisní technologii, což je hlediska dopadu na životní prostředí, resp. na ovzduší a klima, příznivé. Na druhou stranu však produkuje odpady ve formě vyhořelého jaderného paliva, u nichž dosud není zcela vyřešeno jejich konečné uložení, resp. využití. Přesto představují jaderné elektrárny jednu z možných a dostupných variant dalšího rozvoje výroby elektrické energie v ČR pro uspokojení domácí poptávky po elektřině s minimálními dopady na životní prostředí. Z pohledu využití obnovitelných zdrojů energie nemá Česká republika příliš dobré podmínky. Náš stát je na tzv. ,,střeše Evropy“ tím pádem nemáme příliš významný hydroenergetický potenciál, sluneční svit u nás nedosahuje tak dobrých parametrů jako v jižních zemí a ani větrné podmínky tu nejsou tak příznivé .
Ale i přes tyto překážky se každoročně zvyšuje podíl OZE na výrobě elektřiny (graf 1). V roce 2013 bylo díky těmto zdrojům vyrobeno 10 197,7 GWh elektrické energie, což odpovídá 9,1% podílu z celkového množství elektřiny vyrobené v ČR (v roce 2011 byl tento podíl 8,3 %). Skladba a podíl jednotlivých zdrojů energie úzce souvisí se skladbou emisí znečišťujících látek a skleníkových plynů, které jsou vypouštěny z energetických zdrojů. Vlivem emisí skleníkových plynů přispívá ke změně klimatu (častější výskyt hydrometeorologických extrémů – vln sucha, povodní či extrémních teplot), k defoliaci lesů, k celkovému narušení krajiny a má negativní vliv na častější výskyt respiračních potíží a alergií, astmatu či zvýšené nemocnosti. Převaha využívání domácích fosilních paliv, jako zdroje zaručujícího energetickou bezpečnost, vede k narušení krajinného rázu a s tím souvisejícímu snižování atraktivity území. Řada zdrojů energie rovněž zabírá velké plochy území, ovlivňuje mikroklima v dané lokalitě či narušuje estetickou a rekreační funkci krajiny.
10 Typ zdroje
Instalovaný výkon (MW)
Hrubá výroba elektřiny (MWh)
Podíl na hrubé výrobě elektřiny (%)
Vodní 2 215,7 3 761,7 4,32
Větrná 270 478,3 1,89
Fotovoltaické elektrárny
2 132,4 2 070,2 2,45
Biomasa - 1 647,2 0,55
Bioplyn - 2 133,7 2,4
Skládkový plyn - 107,6 0,12
Celkem - 10 197,7 11,73
Tab. 1: Hrubá výroba elektřiny z OZE v roce 2013 [7]
Graf 1: Výroba elektrické energie podle typu paliv - Česká republika 2013
4. Vodní energie 4.1 Voda
Výskyt vody na naší planetě je mnohem vyšší než na ostatních planetách sluneční soustavy. Voda zaujímá 71% povrchu naší planety, z toho většinu tvoří slaná voda (viz tab. 2). Slaná voda obsahuje průměrně 35 g solí v jednom litru. Veškerý život tak, jak ho
11 známe, závisí na vodě (kapalné vodě). Díky Slunci je 98% vody na naší planetě v kapalném stavu a také může probíhat koloběh vody.
Forma Množství (mil. km3) Procentuální zastoupení
Moře a oceány 1370 97,25 %
Ledovce 29 2,05 %
Spodní voda 0,5 0,68 %
Jezera 0,125 0,01 %
Půdní vlhkost 0,065 0,005 %
V atmosféře 0,018 0,001 %
Řeky 0,0017 0,0001 %
Biosféra 0,0006 0,000004 %
Celkem 1 409 100 %
Tab. 2: Zastoupení vody na Zemi [8]
Vodní energie je technicky využitelná potenciální, kinetická nebo tepelná energie veškerého vodstva na Zemi. Nejvíce se dnes využívá přeměny potenciální energie ve vodních elektrárnách na elektrickou energii.
4.2 Historie využívání vodní energie
Energie vody byla jednou z prvních energií, kterou se člověk naučil využívat. Nejprve se využívala k dopravě lodí, splavování vorů, dřeva po proudu řek. Vodní kolo bylo vynalezeno až později v Řecku. Od 12. století je vodní kolo známo už po celé Evropě.
V 18. století se jen v Evropě točilo asi 500 000 až 600 000 vodních mlýnů. Vodní kola nepoháněla jen mlýny, ale sloužila i jako pohon dalších pracovních a výrobních strojů.
Rostoucí počet mlýnů na řekách a potocích vyvolal potřebu regulace využívání vodních toků, která provozovatelům mlýnů předepisovala dobu, po kterou může mlýn běžet, a velikost zařízení.
Moderní turbíny s vysokou účinností, které se ve zdokonalených variantách využívají i u soudobých vodních zdrojů, byly vyvinuty již v 19. století. Zavedení parního stroje pomalu vytlačovalo vodní stroje. Když se koncem 19. století začala prosazovat elektrifikace, byla u toho právě vodní energie. První hydroelektrárnu postavil T. A.
Edison. v roce 1882. V roce 1896 byla vystavěna vodní elektrárna pod Niagarskými vodopády vyrábějící střídavý elektrický proud.
Na našem území byla v 19. století první hydroelektrárna u Písku, jejímiž generátory byla tři dynama. Později na počátku 20. století byly postaveny další dvě
12 elektrárny v Praze. První byla na Těšnově a druhá na Štvanici. Štvanická hydroelektrárna funguje až dodnes. Od 30. až do 60. let 20. století byla budována na Vltavě - Vltavská kaskáda. Zprvu byla tyto vodní díla budována ještě s ohledem na plavební účely. Po druhé světové válce se zbývající vodní díla budovala zejména pro energetické, akumulační a také regulační účely. Celkový instalovaný výkon Vltavské kaskády činí 758,1 MW.
4.3 Právní podmínky pro provozování vodní elektrárny
Podle metodiky EU se přečerpávací vodní elektrárny a malé vodní elektrárny s instalovaným výkonem nad 10 MW mezi zařízení vyrábějící elektřinu z obnovitelných zdrojů nepočítají, nicméně z hlediska jejich významu pro elektroenergetiku ČR a především pro svůj přínos k zachování životního prostředí jsou i ony předmětem zájmu.
[9]
4.4 Využití vodní energie v České republice
I když v ČR nejsou přírodní poměry pro budování velkých vodních energetických děl ideální, hrají v rámci obnovitelných zdrojů u nás vodní elektrárny prim [9]. Význam vodních elektráren v hydrologických podmínkách ČR nespočívá v objemu výroby elektrické energie, jaký poskytuje např. jaderná energetika, ale ve specifických vlastnostech jejich provozu. Vodní elektrárny dokážou velmi pohotově reagovat na okamžitou potřebu elektrické energie v energetické soustavě, nezatěžují životní prostředí odpady, jako je např. vyhořelé palivo, není třeba budovat úložiště odpadu apod. Vodní elektrárny představují levný zdroj elektrické energie, který se využívá zejména v období špičkové spotřeby. Přečerpávací vodní elektrárny navíc umožňují i účelné využití elektřiny produkované méně flexibilními energetickými zdroji v období nízké spotřeby.
Vodní elektrárny mají i vodohospodářský význam.
Převážná část hydropotenciálu, kterou bude ještě možno využít, je soustředěna na menších tocích, kde pro výstavbu velkých elektráren (nad 10 MW) již nejsou k dispozici příznivé podmínky. Rozvoj hydroenergetiky v oblasti malých vodních elektráren, tj. do výkonu 10 MW, doznal v období od roku 1990 na území České republiky výrazného pokroku. Hodnota uvádějící využití celého našeho hydropotenciálu (cca 1500 GWh) je zhruba 50 %. Přijatelnější odhad počítá již se 70 % využitého potenciálu a pouze se 30 % k dispozici pro využití. Potenciál zbývající k využití má již výrazně horší hydrologické podmínky než potenciál využitý, z čehož vyplývá, že ekonomie u budoucích realizací se bude vyznačovat delší dobou návratnosti investic a tím i sníženým zájmem investorů. Z provedených šetření lze rozdělit dosud nevyužívaný hydroenergetický potenciál podle četnosti lokalit na vodních tocích se zřetelem na získání spádu do tří skupin:
• spád větší než 5 m četnost 10 %,
13
• spád od 2do 5 m četnost 55 %
• spád menší než 2 m četnost 35 % (extrémně nízké spády)
Z tohoto pohledu je zřejmé, že obecně udávaná hodnota našeho využitelného potenciálu v malých vodních elektrárnách na úrovni 1500 GWh/r představuje teoreticky plné pokrytí vodních toků stávajícími a nově doplněnými vzdouvacími objekty navazujícími svým vzdutím navzájem. V současné době však rozhodující vodoprávní orgány povolují stavby nových jezových stupňů jen velmi zřídka a ani perspektivně nelze uvažovat o jiných.
Znamená to vyhledávat jezové stupně, které jsou dosud bez energetického využití, a lokality po bývalých vodních dílech, kde je možná obnova. Je také třeba hledat nové možnost využití hydroenergetického potenciálu, aby pokračoval další rozvoj hydroenergetiky. [2]
4.5 Rozdělení vodních elektráren
Vodní elektrárny se rozdělují na tři základní typy:
akumulační vodní elektrárny: Přehradní hráz akumuluje vodu pro výrobu energie.
Slouží také jako nádrže pitné vody pro vodárny a také k regulaci stavu vody na vodních tocích, čímž zabraňují nebo alespoň zmírňují povodně. Příkladem akumulační vodní elektrárny může být vodní elektrárna Orlík.
průtočná elektrárna: Využívá přirozený průtok vody a vyrábí elektřinu nepřetržitě.
Protože spád činí u těchto elektráren jen několik metrů, tak jejich výkony většinou nepřesahují 100 MW. Zpravidla se nedají dobře regulovat. Příkladem může být vodní elektrárna Střekov.
přečerpávací elektrárna: Pracují na principu dvou výškově různě položených vodních nádrží. Pro jejich činnost je nutný přirozený přítok, jímž řeka vyúsťuje do horní nádrže.
Jestliže nemají přirozený přítok, jde o tzv. čistě přečerpávací přehrady. Nádrže jsou spojené tlakovým potrubím. Na dolním konci potrubí je umístěna turbína s elektrickým generátorem. Ta vyrábí elektřinu pro elektrizační soustavu v době potřeby energie. V době nízké spotřeby (například v noci) se využívá přebytku energie (a její nižší ceny) a voda se přečerpává do horní nádrže. Generátor tak funguje jako elektromotor a turbína jako čerpadlo. Velké přečerpávací vodní elektrárny svým pružným pokrýváním spotřeby zvyšují efektivnost elektrizační soustavy. Příkladem přečerpávací elektrárny může být PVE Dlouhé stráně nebo Dalešice.
4.6 Typy turbín
Vodní turbína je rotační mechanický stroj, který přeměňuje kinetickou či tlakovou energii vody na mechanickou energii. Hřídel turbíny může být svislý nebo vodorovný. Voda je na oběžné kolo přiváděna rozváděcím zařízením, které je tvořeno tryskami nebo
14 natáčecími lopatkami. Podle průběhu tlaku v rozváděcím a oběžném kole se turbíny dělí na rovnotlaké – akční (mají stejný tlak vody před oběžným kolem i za ním) a přetlakové – reakční (mají na výstupu tlak nižší než na výstupu). Výběr správné turbíny záleží na účelu a podmínkách celého díla.
4.6.1 Kaplanova turbína
Turbínu vynalezl profesor brněnské techniky Viktor Kaplan. Jde o přetlakovou turbínu.
Od svého předchůdce, Francisovy turbíny, se liší především menším počtem lopatek, tvarem oběžného kola a především možností regulace náklonu lopatek u oběžného i rozváděcího kola. Tlakový ráz při náhlém odlehčení je tlumen vzduchem, který se v takovém případě vpustí do sání zavzdušňovacím ventilem. Protože při vysokých otáčkách hrozí utržení lopatek odstředivou silou, musí být turbína zajištěna proti překročení přípustných otáček. Jedná se o jednu z nejpoužívanějších turbín na světě. Kaplanova turbína se u nás používá např. ve vodních elektrárnách Orlík (obr. 4), Slapy, Kamýk, Vranov.
Účinnost : ~ 90 % Spád: 1-70 m
Průtok: 250 - 636 m3/s Výkon: 5 - 200 MW
4.6.2 Francisova turbína
Francisova turbína (obr. 1) je přetlaková a může pracovat jako čerpadlo. Oběžné kolo má pevné lopatky, navržené pro konkrétní podmínky použití (výkon, spád, otáčky). Regulace výkonu se provádí změnou průtoku natáčením rozváděcích lopatek. Vysokotlakou Francisovu turbínu je třeba také pojistit proti tlakové vlně při náhlém odlehčení.
Francisovu turbínu u nás používají hlavně přečerpávací elektrárny Dlouhé Stráně, Dalešice, Štěchovice II, ale i akumulační elektrárny např. Lipno I, Práčov.
Účinnost: ~ 90 % Spád: 1-500 m Průtok: 250-636 m3/s Výkon: 10-100 MW
4.6.3 Peltonova turbína
Jedná se o turbínu rovnotlakou (obr. 3) s jednou nebo více ostřikovacích trysek, z nichž voda proudí na lopatky ve tvaru dvojitých misek. Je velice vhodná pro vysoké spády.
Regulace se provádí změnou průřezu dýzy posuvnou jehlou v ose trysky. Je dosti náročná
15 na výrobu. Peltonovu turbínu využívá například přečerpávací elektrárna Černé jezero nebo malá vodní elektrárna Bedřichov o výkonu 182 kW.
Účinnost: 80 - 95 % Spád: 30 - 1770 m Průtok: 0,0015 - 34 m3/s Výkon: do 200 MW
Obr. 3: Peltonova turbína [12]
4.6.4 Bánkiho turbína
Jedná se taktéž o rovnotlakou turbínu (obr. 2). Je velmi jednoduchého tvaru, a proto ji lze vyrobit i doma, a to i s docela dobrou účinností. Lopatky oběžného kola jsou obtékány ve dvou směrech. Hlavní využití nachází na malých vodních elektrárnách. Bánkiho turbína je nainstalovaná například v Liberecké přehradě a má výkon 11kW. Rovněž je instalována na malé vodní elektrárně
Bílý potok.
Účinnost: 78 - 84 % Spád: 1,5 - 200 m Průtok: do 9 m3/s Výkon: do 1 MW
Obr. 2: Bánkiho turbína [11]
Obr. 1: Francisova turbína [10] Obr. 4: Kaplanova turbína [13]
16
4.7 Pracovní princip vodní elektrárny
Ve vodních elektrárnách (obr. 5) voda roztáčí turbínu, ta je na společné hřídeli s elektrickým generátorem (dohromady tvoří tzv. turbogenerátor). Mechanická energie proudící vody se tak mění na energii elektrickou, která se transformuje a odvádí do míst spotřeby. Obdobný princip využívá i uhelná nebo jaderná elektrárna. Hráz přehrady bývá nejčastěji tvořena železobetonem, ale mohou se vyskytovat i menší hráze sypané.
Elektrárna se obvykle nachází pod přehradní hrází; někdy je do ní rovnou vestavěna.
Obr. 5: Schéma vodní elektrárny
4.8 Výhody a nevýhody vodních elektráren
Výhody Nevýhody
- regulace vodního průtoku - trvalý zásah do krajiny a hospodaření s vodou - ovlivňování spodních vod - zajišťování splavnosti toku - tvoření úsadeb na dně - možnost využít vodu pro zavlažování - vyšší počáteční investice - možnost vzniku rekreačních oblastí - závislost na stavu vody - možnost akumulace energie - riziko havárie
- dlouhá životnost
- rychlá dodávka elektrické energie - vykrývání špiček ve spotřebě - menší náklady na provoz oproti jiným elektrárnám
17
4.9 Energetický vývoj vodních elektráren v České republice
Rok Výroba elektřiny včetně PVE (MWh)
Instalovaný výkon (MW)
2001 2 467,40 2 145,20
2002 2 845,50 2 143,80
2003 1 794,20 2 149,30
2004 2 562,80 2 159,40
2005 3 027,00 2 166,00
2006 3 257,30 2 175,00
2007 2 523,70 2 175,50
2008 2 376,30 2 191,80
2009 2 982,70 2 183,00
2010 3 380,60 2 202,60
2011 2 835,00 2 201,10
2012 2 963,00 2 215,70
2013 3 761,70 2 229,13
Tab. 3: Energetický vývoj vodních elektráren v České republice [7], [13], [14]
Graf. 2: Vývoj výkonu vodních elektráren v České republice
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
903,2 1 070,71 964,4 1 001,845 966,884 1 082,683 1 238,819 1 017,878 1 026,254 Tab. 4: Produkce malých vodních elektráren (MWh) [14]
2 100,00 2 120,00 2 140,00 2 160,00 2 180,00 2 200,00 2 220,00 2 240,00
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Výkon [MW]
Vývoj výkonu vodních elektráren v ČR
18
5 Větrná energie 5.1 Historie
Používání větrné energie sahá až do starověku. Nejprve se větrná energie převáděla přímo na mechanickou práci například pro mletí obilí, čerpáni vody, lisování oleje, pohon katru, ale i také pro pohon lodí. Od 13. století se začaly v Evropě používat větrné mlýny.
Největší rozmach větrných mlýnů byl ve 14. století, a to hlavně v Holandsku. Holandsko se tak už ve středověku stalo větrnou velmocí. Velký rozmach větrné energie nastává začátkem 19. století, a to především v USA, kde se větrná energie používá hlavně pro čerpání vody. První využití větrné energie pro výrobu elektrické energie se taktéž objevuje už v 19. století, ale díky zdokonalení parního stroje se další vývoj větrné energie utlumil. Znovuvzkříšení využití větrné energie přišlo v 70. letech 20. století, a to hlavně díky embargu vývozu ropy do průmyslově vyspělých zemí. Na našem území se začalo se stavbou větrných elektráren na konci 80. let 20. století.
5.2 Právní podmínky pro stavbu větrných elektráren v České republice
Při stavbě větrných elektráren musí být respektován zákon o ochraně přírody a krajiny ČNR č. 114/92 Sb. Nejsou přípustné stavby v národních parcích, v přírodních rezervacích, v chráněných krajinných oblastech první zóny a v blízkosti národních památek. Shodou okolností se však na území ČR většinou plochy chráněných krajinných oblastí ztotožňují s oblastmi vysokého větrného potenciálu (zhruba 60–70 %). [2]
5.3 Využití větrné energie v České republice
Ideální podmínky pro výstavbu větrných elektráren jsou místa, kde je vyšší rychlost větru a kde vítr fouká po většinu roku. Taková vhodná místa jsou například moře, pouště či horské pustiny. V České republice takováto místa nenajdeme, proto se většinou větrné elektrárny stavějí v nadmořských výškách nad 600 m. n. m., kde jsou příznivější větrné podmínky.
Česká republika má několik výhod ve výstavbě větrných elektráren. Stavba na moři, poušti či na horské pustině je technicky a tím i ekonomicky náročnější. Jde například o budování dlouhých rozvodných sítí, budování přístupových cest, náročnější údržba či velmi vzdálená místa spotřeby. Tyto nevýhody se u nás minimalizují, protože připojit se na rozvodnou síť nevyžaduje vybudování desítek či stovek kilometrů vedení i přístup k jednotlivým lokalitám je tak mnohem lepší. Nevýhodou je hlavně to, že u nás nejsou tak dobré větrné podmínky co se týče síly a pravidelnosti větru. Tato nevýhoda se v dnešní době dá minimalizovat díky pokročilým technologiím konstrukce větrné
19 elektrárny. Celkový potenciál využitelnosti větrné energie v České republice nám ukazuje následující tabulka.
Kraj Počet VTE Výkon [MW] Výroba [GWh/rok]
Středočeský 47 141 337
Jihočeský 52 156 398
Plzeňský 30 90 226
Karlovarský 33 99 254
Ústecký 160 480 1361
Liberecký 16 48 126
Královéhradecký 9 27 67
Pardubický 34 102 253
Vysočina 140 420 1088
Jihomoravský 83 249 595
Olomoucký 46 138 360
Zlínský 10 30 68
Moravskoslezský 99 297 788
ČR 759 2277 5922
Tab. 5: Potenciál využitelnosti větrné energie v České republice [16]
5.4 Rozdělení větrných motorů
Větrné motory jsou zařízení, která se používají k přeměně kinetické energie větru na mechanickou energii. Ve větrných elektrárnách se nejprve kinetická energie větru přeměňuje v mechanickou energii, která je následně transformována v elektrickou energii. Rozdělení větrných elektráren může být provedeno podle mnoha různých hledisek, ale základní dělení je provedeno podle aerodynamického principu funkce větrného motoru, a to na:
- motory odporové (Obr.6) - motory vztlakové (Obr.7)
Další rozdělení větrných motorů může být provedeno podle uložení osy rotace (horizontální a vertikální), podle instalovaného výkonu a podle rychlostního součinitele (λ) na pomaluběžné a rychloběžné.
5.4.1 Odporový motor
Z hlediska využití patří odporové větrné motory mezi nejstarší. Podstatou těchto motorů je skutečnost, že plocha nastavená proti větru mu vytváří aerodynamický odpor. Tím se na této ploše vytváří síla, která se mechanicky přeměňuje na rotační pohyb. Aby mohl u
20 tohoto typu větrného motoru vzniknout hnací točivý moment, musí být obvodová rychlost vždy menší než rychlost větru. Bez odběru energie z hřídele jsou otáčky úměrné rychlosti větru a při zdvojnásobení rychlosti větru se i otáčky zvýší dvojnásobně. Větrné motory pracující na odporovém principu pracují s účinností v rozmezí 15 – 23%, což je důvodem jejich nízkého výskytu v moderní energetické koncepci.
5.4.2 Vztlakový motor
Mezi větrné motory pracující na vztlakovém principu patří rotory a větrná kola s vodorovnou osou otáčení, které jsou orientovány rovinou otáčení kolmo ke směru větru.
Nejčastěji jsou vztlakové rychloběžné motory konstruovány jako dvou nebo třílisté, ale můžeme se setkat i s jednolistým nebo čtyřlistým provedením.
Obr. 6: odporový motor [17] Obr. 7: vztlakový motor [18]
5.5 Větrná elektrárna a její princip
Proudící vzduch předává svojí kinetickou energii na listy rotoru, kde jí větrná turbína přemění na mechanickou energii rotační, kterou následně generátor přemění na energii elektrickou. Výkon větrné elektrárny je přímo úměrný třetí mocnině rychlosti proudění vzduchu, ale jelikož proud vzduchu neproudí stále stejnou rychlostí ani nefouká po celý rok, nemůžeme od větrné elektrárny očekávat konstantní výkon. U větrné elektrárny se musí brát také ohled na tzv. ,,koeficient ročního využití k‘‘, definovaný jako poměr skutečně odvedeného výkonu k teoreticky možnému výkonu zdroje za rok. V našich podmínkách se k pohybuje mezi 0,1-0,2. Podle statistyky byl v roc 2007 koeficient ročního využití 12,71 %. Ku příkladu naše jaderné elektrárny měli v roce 2013 průměr 82,3 %. Celková účinnost větrné elektrárny se pohybuje od 20 – 45 %. Konstrukce větrných elektráren je v podstatě stejná (obr. 8). Ale liší se od sebe zejména vnítřním uspořádáním soustrojí. V České republice se nejčastěji používají tři různé systémy.
21 Obr. 8: Typická konstrukce větrné
elektrárny: Větrná elektrárna se skládá z následujících základních částí: 1 – větrný motor s rotorovouhlavou, 2 – brzda rotoru, 3 – převodovka, 4 – spojka, 5 – generátor, 6 – servopohon
pro natáčení strojovny, 7 – brzda strojovny, 8 – ložiska, 9 – senzor pro snímání
rychlosti a směru větru, 10 – tubus elektrárny (stožár), 11 – betonový základ elektrárny,
12 – elektrorozvaděče silnoproudého zařízení a řídícího obvodu, 13 – elektrická přípojka. [1]
5.6 Typy strojoven
5.6.1 Strojovna elektrárny s převodovkou a asynchronním generátorem (VESTAS)
Obr. 9: Uspořádání VESTAS [16]
Největší světový výrobce větrných elektráren, dánská firma VESTAS, používá ve své konstrukci uspořádání rotor - převodovka - asynchronní generátor (obr. 9). Jedná se o spolehlivé konstrukční spojení, kdy asynchronní generátor je schopen činnosti v rozmezí otáček, a tedy regulace celého systému je snazší.
Charakteristické znaky:
- Spolupráce frekvenčního měniče s asynchronním generátorem s kroužkovou kotvou.
- Systém v kaskádním zapojení. Pokud systém pracuje v kaskádě, je stator generátoru přímo připojen do elektrizační soustavy (přes NN/VN transformátor) a rotor generátoru je napájen z frekvenčního měniče.
22 - Chod zařízení je zabezpečován multiprocesorově. Průběh napětí a proudu na rotoru generátoru je řízen tak, aby docházelo k maximu využití větrné energie a minimu negativních vlivů na distribuční soustavu.
- Rotorové vinutí je napájeno přes kroužky z frekvenčního měniče.
- Pro omezení proudových rázů je využito přepínání zapojení generátoru Y-D. [16]
5.6.2 Strojovna bez převodovky s multiplovým synchronním generátorem (ENERCON)
Obr. 10: Uspořádání ENERCON [16]
Německý výrobce větrných elektráren Enercon od začátku svojí existence používá princip mnohapólového generátoru (obr. 10). Úplně vynechal převodovku a snížil tak hmotnost, hlukové emise a možnost potenciálních poruch a eliminoval tak ztráty, které vznikají v převodovce. Na rotoru je přímo umístěn jeden prstenec cívek (pólů), druhý prstenec je statorový. Podle síly větru, tedy podle velikosti vyvozeného točivého momentu se zapínají jednotlivé pólové dvojice (čím vyšší rychlost větru, tím je zapnuto více pólových dvojic). Vyrobená elektrická energie se ale ještě musí upravovat výkonovou elektronikou, aby mohla být dodána do sítě (zde vznikají určité ztráty).
Charakteristické znaky:
- Prstencový synchronní generátor s velkým počtem pólových párů a malými otáčkami bez přímého připojení na síť.
- Systém bez převodovky.
- Výstupní napětí a frekvence generátoru se mění s rychlostí a jsou přes usměrňovač a střídač vedeny do distribuční soustavy.
- Parametry sítě sledovány mezi střídačem a transformátorem.
- Dle parametrů sítě je elektrárna regulována pomocí multiprocesoru. [16]
23
5.6.3 Strojovna s převodovkou, variátorem a synchronním generátorem (WIKOV)
Obr. 11: Uspořádání WIKOV [16]
Český výrobce větrných elektráren, firma Wikov, použila systém, který by teoreticky měl mít nejvyšší účinnost ze všech tří představených principů (obr.11).
Proměnlivé otáčky rotoru větrné elektrárny „zpracovává“ převodovka s variátorem (převodovka SPG – super position gear s proměnlivým převodovým poměrem). Její výstupní otáčky jsou stále konstantní. Toho využívá synchronní generátor, který při těchto stálých otáčkách vyrábí elektrickou energii, jenž se již nemusí nijak upravovat a je možné ji přímo dodávat do rozvodné sítě.
Charakteristické znaky:
- Synchronní generátor s přímým připojením na síť (6,3kV).
- Odpadá nutnost frekvenčních měničů a silnoproudé elektroniky.
- Systém osazen převodovkou s proměnným převodovým poměrem – systém SPG (super position gear). Převodovka umožňuje plynulou změnu převodového poměru v celém rozsahu pracovních otáček rotoru větrné elektrárny a tím udržení konstantních otáček synchronního generátoru. [16]
Při rychlosti větru kolem 3 m.s-1 nejsou větrné elektrárny schopny vyrábět elektrickou energii a při rychlostech kolem 25 m.s-1 jsou větrné elektrárny odpojovány od sítě. Je tedy zřejmé, že je velmi obtížné zajistit konstantní dodávku elektrické energie do místa spotřeby a větrné elektrárny mohou mít v případě chybné regulace výkonu nepříznivý vliv na elektrizační soustavu.
5.7 Životní prostředí
Všeobecně se bere v potaz, že žádná technologie výroby elektrické energie není zcela bez záporných ekologických vlivů. Porovnáme-li výrobu elektrické energie za pomocí větru a neobnovitelných zdrojů, vychází nám, že větrné elektrárny nezatěžují své okolí žádnými odpady, neprodukují žádné plynné či tuhé emise včetně CO2, není třeba řešit ukládání
24 použitého paliva či popílku a také pro svůj provoz nepotřebují žádnou vodu a tudíž ji ani neznečišťují. Stavba elektrárny je poměrně rychlá, trvá cca 2 měsíce a její následná demontáž je otázkou cca 2 dnů. Z pohledu prostoru zástavby je větrná elektrárna taktéž velmi přijatelná. Spodní část tvoří základ, který se po vybetonování zahrne vrstvou zeminy, takže je možno dále ohospodařovat místo, kde je elektrárna vystavěna, kromě místa které zaujímá tubus.
Kdybychom ovšem chtěli postavit větrné elektrárny se stejným výkonem jako má jaderná elektrárna, muselo by se spotřebovat přibližně 12krát více betonu a 14krát více ocele, což není zanedbatelný rozdíl. Větrné elektrárny jsou také často kritizovány za vytváření hluku, který je monotónní. Hlavním zdrojem hluku je především strojovna a aerodynamický hluk od listů rotoru. Tyto zdroje se dají částečně eliminovat odhlučněním strojovny a úpravou geometrie listů. Dalšími negativními vlivy na životní prostředí mohou být smrtelná zranění ptáků s pohybujícími se listy rotoru, vliv na krajní ráz, stroboskopický efekt či v minulosti hojně používaný argument rušení elektromagnetického vlnění, který v dnešní době nemá prakticky žádný význam díky moderním konstrukcím elektráren.
5.8 Energetický vývoj větrných elektráren v České republice
Rok Výroba elektřiny
(MWh)
Instalovaný výkon (MW)
2001 200 1,2
2002 1 600 6,4
2003 3 900 10,6
2004 9 900 19,6
2005 21 280 21,9
2006 49 375 43,5
2007 125 098 113,1
2008 244 661 150,0
2009 288 067 193,2
2010 335 493 217,8
2011 397 003 218,9
2012 415 817 263,0
2013 478 300 270,0
Tab. 6: Energetický vývoj větrných elektráren v České republice [7], [14], [15]
25 Graf 3: Vývoj výkonu větrných elektráren v České republice
6 Sluneční energie 6.1 Historie
S prvním využitím sluneční energie se lze setkat přibližně v 7. století př. n. l., kdy se začalo používat zvětšovací sklo k rozdělání ohně. Archimédes měl údajně v roce 212 př.
n. l. za pomocí bronzových zrcadel zapálit lodě římské flotily. První solární kolektor byl vynalezen v roce 1767. V roce 1839 experimentoval Alexandre Edmond Becquerel s elektrolytickým článkem, přičemž zjistil, že když článek vystaví světlu, zvýší se jeho výkon. Skutečně první fotovoltaický článek byl sestrojen až v roce 1883 díky objevu změn vodivosti selenu při osvitu.
Nemalou měrou přispěl k pochopení fotovoltaického jevu Albert Einstein, který popsal fotovoltaický jev spolu s teorií relativity. Významný vývoj fotočlánků začal v 50.
letech minulého století především díky rozvoji kosmonautiky. Zprvu byly fotočlánky velice drahé, ale postupem doby se jejich cena snížila natolik, že je bylo možno použít ke komerčnímu použití například pro fotovoltaické elektrárny. I jejich účinnost se postupem času zvyšuje, od účinnosti 1% až po 25% (laboratorně i 40%).
6.2 Podpora stavby fotovoltaických elektráren v České republice
Kromě podpory výkupními cenami je v současnosti rozvoj fotovoltaiky stimulován také pomocí finančních prostředků ze Strukturálních fondů EU v rámci Operačních programů (OPI, OPPP) a prostřednictvím Národních programů MŽP a MPO. Od roku 2007 začalo nové šestileté programovací období pro čerpání peněz z Evropské unie a aktuálně se připravují nové podmínky pro poskytování podpory v rámci Operačních programů Životní prostředí a Podnikání a inovace. V rámci OPI (program Eko–energie) by měla
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Výkon [MW]
Vývoj výkonu větrných elektráren v ČR
26 podpora směřovat zejména podnikatelským subjektům, které by při investici do fotovoltaiky mohly získat až 60% dotaci (podle regionální mapy veřejné podpory). [2]
6.3 Využití sluneční energie v České republice
Přímé využití energie slunečního záření patří z hlediska ochrany životního prostředí k nejčistším a nejšetrnějším způsobům výroby elektřiny. Slunce má výkon asi 4×1026 W, přičemž na Zemi dopadá asi 45 miliardtin tohoto výkonu a část tohoto dopadajícího výkonu pohltí atmosféra. Teoretické množství dopadající energie za jednotku času na jednotku plochy (mimo atmosféru) se nazývá sluneční konstanta, jejíž přibližná hodnota je 1360 W.m-2. Velikost sluneční konstanty je ovlivněna obsahem příměsí a atmosférickým tlakem.
V tuzemsku se intenzita slunečního záření pohybuje mezi 940 až 1340 kWh.m-2 za rok (obr. 12). Dále se musí vzít v úvahu při provozu fotovoltaické elektrárny počet slunečních hodin v roce, což je doba trvání slunečního svitu za rok. V tuzemsku je tato hodnota 1330–1800 hodin za rok. Pro stanovení teoretického potenciálu využití fotovoltaiky v České republice je prakticky jedno omezení a tím je vhodná plocha pro stavbu elektrárny. Toto omezení se dá částečně eliminovat díky tomu, že solární panely se dají nainstalovat na vhodně orientované střechy a fasády všech možných typů budov jako jsou například rodinné domy, banky haly, školy, hospodářské budovy atd. Pro zajímavost, kdyby se celá Česká republika pokryla solárními panely, byl by teoretický výkon cca 9 470 GW.
Obr. 12: Roční úhrn průměrného slunečního záření (kWh / m2) [19]
27
6.4 Technická řešení přeměny sluneční energie na energii elektrickou
V dnešní době existuje několik způsobů jak přeměnit sluneční energii na energii elektrickou. Tyto typy se dají rozdělit na dva druhy: s přímou metodou a nepřímou metodou. Mezi metody nepřímé patří termoelektrický článek nebo sluneční tepelné elektrárny (obr. 14), které využívají velkých pohyblivých zrcadel (heliostatů), které soustředí sluneční paprsky na zásobník (absorbér), kde se posléze získá horká pára a elektrárna funguje jako klasická tepelná elektrárna. Tento typ elektráren se používá například ve Španělsku, Francii, Austrálii, USA. V tuzemsku a ve většině světa se nejčastěji používá metoda přímá s využitím fotovoltaických článků.
Pro funkci FV článku je zásadní, aby foton ze slunečního záření uvolnil v látce elektron a vznikl pár elektron – díra. V kovech ovšem dojde k jejich okamžité rekombinaci, které je potřeba zabránit a vzniklý náboj tedy odvézt z článku. Pro tento účel se využívá polovodičů, ve kterých jsou elektrony a díry separovány vnitřním elektrickým polem PN přechodu. Nejjednodušší fotovoltaický článek můžeme tedy popsat jako velkoplošnou diodu s jedním PN přechodem. [1]
V dnešní době pracují všechny fotovoltaické systémy na bázi křemíku, který je poměrně levný a snadno dostupný, ale pracuje se na fotovoltaických článcích, které jsou na bázi organických polymerů, nanostruktur a mnoha dalších materiálech.
Ale i křemíkové články mají spoustu druhů a variací. Zde jsou uvedeny nejčastější typy, se kterými se může člověk běžně setkat.
Články z monokrystalického křemíku (Obr.13 a) jsou vývojově nejstarším typem s nejvyšší účinností. Typickým poznávacím znakem je to, že panely jsou složeny ze čtvercových článků s kulatými rohy (to je dáno výrobní technologií, kdy se destičky řežou z válcové tyče křemíku.).
Články z polykrystalického křemíku (Obr.13 b) mají o něco horší účinnost, ale nižší cenu díky tomu, že nevyžadují tak čistý křemík jako monokrystalické články. Panely jsou složeny z destiček čtvercového tvaru s jasně viditelnou kontaktní mřížkou.
Panely z amorfního tenkovrstvého křemíku (Obr.13 c) mají zhruba poloviční účinnost oproti monokrystalickým článkům. Spotřeba materiálu je mnohonásobně nižší než u předchozích technologií, což snižuje cenu. Další výhodou je možnost aplikace na ohebné materiály, zejména střešní fólie. Panely jsou na pohled tvořeny jednolitou tmavou plochou, s nevýraznou kontaktní mřížkou.
28 Obr. 13: a) b) c) [20], [21]
Obr. 14: tepelná solární elektrárna v Andalusii [22]
6.5 Instalace solární elektrárny
Největší celkovou investicí (kolem 80 %) do solární elektrárny jsou fotovoltaické panely, invertory a nosná konstrukce. Proto je velice důležité najít vhodné technické řešení, které bude pro dané místo a typ instalace nejvýhodnější z pohledu návratnosti investic.
Při návrhu fotovoltaické elektrárny je důležitá správná orientace fotovoltaických panelů. Pro maximální využití energie slunečního záření je ideální orientace panelů směrem k jihu. Odklon panelů o několik stupňů směrem na jihozápad nebo na jihovýchod má pouze minimální vliv na celkovou vyrobenou energii. Obecně se uvádí, že při změně orientace do 20° od jižního směru, je snížení výkonu elektrárny do 5%. V případě orientace panelů směrem na západ nebo východ je pokles výroby výraznější, a to až 25%.
Ideální sklon pevně instalovaných panelů v našich zeměpisných šířkách je okolo 33°. Jde o kompromis mezi výtěžností elektrárny při Slunci nízko nad horizontem (zimní období) a vysoko na obloze (letní období). I zde platí, že rozdíl v instalaci mírně odlišné od optimální polohy má pouze malý negativní vliv na celkovou energetickou výtěžnost. Při instalaci v rozmezí 10°- 60° je pokles výkonu do 10%. Vyšší pokles výkonu bude při osazení panelů svisle (např. na fasádu), a to cca 25-30%. Uvedené parametry platí pro panely vyrobené z krystalického křemíku. Panely amorfní mají obecně nižší účinnost, na druhé straně nejsou tak citlivé na potřebu přímého slunečního záření a např. při instalaci
29 na svislou stěnu mohou při stejné ploše dodávat obdobný výkon jako polykrystalické nebo monokrystalické panely. [1]
Velice důležitou částí fotovoltaické elektrárny je její nosná konstrukce. Obecně se dají rozdělit do několika typů. Konstrukce pro volná prostranství, kdy je konstrukce pevně spojena se zemí buď závrtnými šrouby, pozinkovanými profily zatlačenými do země nebo betonovými základy. Nejlepším uchycením, co do výtěžnosti elektrárny jsou polohovatelné systémy tzv. trackery. Jeho nevýhodou je vyšší investice oproti pevné konstrukci.
Fotovoltaické panely vyrábějí pouze stejnosměrný proud, který je třeba přeměnit na střídavý, aby bylo možno elektrický proud přenést do rozvodné sítě. K těmto účelů slouží měniče tzv. invertory. Invertory dokážou podávat informace o aktuální výrobě elektrické energie. Na invertor se klade důraz na jeho účinnost, která se dá zvýšit odstraněním transformátoru a snížením tepelných ztrát.
6.6 Výhody a nevýhody solárních elektráren
Výhody Nevýhody
- dlouhá životnost elektráren - velká zástavbová plocha více jak 30 let - velké výkyvy výkonu - návratnost vložených - riziko tzv. blackoutu
investic do 8 až 12 let - malá účinnost fotovoltaických - malý vliv na životní prostředí článků
- snižující se výrobní náklady - narušení krajinného rázu
fotovoltaických článků - výroba elektrické energie závislá - prakticky žádné riziko havárie na době a intenzitě svitu
6.7 Energetický vývoj solárních elektráren v České republice
I když masový rozvoj fotovoltaiky začal až v roce 2004, a to především díky dotacím, čímž se snížila také doba návratnosti investic z 15 na 8 let, tak jsme se v roce 2010 dostali na třetí místo na světě, co do počtu instalovaného výkonu, před námi byly pouze Německo a Itálie. V roce 2010 stát musel zbrzdit dotaci fotovoltaiky kvůli riziku rozkolísání elektrizační sítě a aby nedošlo k prudkému nárůstu cen za elektřinu. V roce 2011 dosáhl instalovaný výkon fotovoltaických elektráren hranici 2000 MW, což je výkon jaderné elektrárny Temelín. To že ve fotovoltaice je větší výkon než v Temelíně neznamená, že vyrobí více elektřiny. Jaderná elektrárna pracuje 24 hodin denně 7 dní v týdnu 365 dní v roce bez ohledu na okolní počasí (nepočítáme-li povinné odstávky), což znamená, že fotovoltaické elektrárny vyrobí 7 krát méně elektřiny než stejně výkonná jaderná elektrárna.
30
Rok Výroba elektřiny
(MWh)
Instalovaný výkon (MW)
2003 0 0
2004 100 0,1
2005 68 0,1
2006 170 0,2
2007 1 754 3,4
2008 12 937 39,5
2009 88 807 464,6
2010 615 702 1 959,1
2011 2 182 018 1971,0
2012 2 148 624 2 086,0
2013 2 070 200 2 132,4
Tab. 7: Energetický vývoj větrných elektráren v České republice [7], [15]
Graf 4: Vývoj výkonu fotovoltaických elektráren v České republice
7. Biomasa 7.1 Historie
Využívání biomasy je staré jako objev ohně. Biomasa se využívala až do 18. století, kdy jí vystřídala fosilní paliva díky rozvoji průmyslu. Ale i dnes se najdou země, kde většinu energetické spotřeby tvoří právě energie z biomasy. Znovu objevení využívání biomasy začalo na přelomu 20. a 21. století především díky rostoucím cenám ropy.
0,00 500,00 1 000,00 1 500,00 2 000,00 2 500,00
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Výkon [MW]
Vývoj výkonu fotovoltaických elektráren v
ČR
31
7.2 Biomasa
Biomasa je látka biologického původu, která zahrnuje rostlinnou biomasu pěstovanou v půdě a vodě, živočišnou biomasu, produkci organického původu a organické odpady. V podmínkách České republiky představují biomasu zejména:
- dřevní odpady: štěpky, piliny, hobliny, kůra, větve a pařezy
- nedřevní fytomasa: zelená biomasa, obilná a řepková sláma, energetické plodiny (tzv.
nová biomasa)
- průmyslové a komunální odpady rostlinného původu: např. papírenské odpady - produkty živočišné výroby: kejda, chlévská mrva
- čistírenské kaly, skládky odpadů, tříděný komunální odpad - kapalná biopaliva.
Využívání přírodních odpadů představuje nejlevnější zdroj biomasy, přičemž nejpoužívanějším druhem biomasy je právě odpad dřevní. V České republice při zpracování a těžbě dřeva vzniká zhruba polovina odpadu (těžba dřeva činí zhruba 30 % odpadu, následné zpracování cca 25 %). [2]
Důležitým faktorem biomasy je její výhřevnost, která je závislá na typu, kvalitě a vlhkosti. V poslední době se začíná postupně rozvíjet pěstování energetických rostlin na plantážích. Tyto plantáže mají tu výhodu, že se nemusejí zakládat na místech, kde se dobře pěstují plodiny pro obživu a krmiva, nýbrž kde je půda nevhodná. Bylo zjištěno, že energetické rostliny mohou být pěstovány na zdevastovaných místech důlní činností nebo složištích elektrárenského popílku. Mezi energetické plodiny patří dřeviny i byliny.
Byliny mohou být jednoleté, což se projevuje vyššími náklady na produkci fytomasy nebo mohou být víceleté či vytrvalé.
7.3 Zpracování biomasy
Při zpracování biomasy se využívá několik chemických procesů, které jí přemění na jiný druh paliva nebo přímo přemění na tepelnou energii. Zde je uveden přehled těchto procesů.
- termochemická přeměna biomasy (suché procesy) - spalování – dřevo, obiloviny, sláma, pícniny
- zplyňování – částečná přeměna pevného paliva na plynné palivo - pyrolýza – úprava biomasy na palivo lepší kvality (dřevěné uhlí) - biochemická přeměna biomasy (mokré procesy)
- alkoholové kvašení – používají se zejména brambory, cukrová řepa, obiloviny - metanové kvašení – přeměna biomasy na bioplyn
- fyzikální a chemická přeměna biomasy
- mechanicky (štípání, drcení, lisování, peletování) - chemicky (esterifikace surových bioolejů)
32 - získávání odpadního tepla při zpracování biomasy
- kompostování
- aerobní čištění odpadních vod
- anaerobní fermentace pevných organických odpadů
Z hlediska energetického využití lze biomasu rozdělit následujícím způsobem:
a) lokální a centrální vytápění
b) elektroenergetiku (centralizovaná výroba elektrické energie, kogenerace lokální i centralizovaná)
c) doprava [1]
7.4 Bioplyn
Biomasa je také významným producentem bioplynu, který má velmi široké použití.
Bioplyn lze použít k výrobě tepla, tepla a elektřiny (tzv. kogenerace, což je nejčastější způsob), tepla, elektřiny a chladu (trigenerace) nebo k pohonu dopravních prostředků, jakými jsou autobusy, vlaky, zemědělské stroje či automobily.
7.4.1 Složení bioplynu
Při rozkladu organických látek bez přístupu vzduchu (tzv. anaerobní fermentací nebo digescí) vzniká bioplyn, což je směs několika plynů (tab. 8). Bioplyn se velice podobá zemnímu plynu, má totiž asi 75 % jeho výhřevnosti. Aby se mohl použít pro pohon vozidel na stlačený zemní plyn (CNG), musí se vyčistit, a to na hodnotu cca 95 % obsahu metanu. Často se provádí sušení bioplynu, což znamená odstranění vlhkosti. Provádí se zejména kvůli snížení tvorby koroze v zařízeních využívající bioplyn.
Složka Procentuální
zastoupení
Metan CH4 40-75 %
Oxid uhličitý CO2 25-55 % Vodní pára H2O 0-10 %
Dusík N2 0-5 %
Kyslík O2 0-2 %
Vodík H2 0-3%
Čpavek NH3 0-1 %
Sirovodík H2S 0,1–1 % Tab. 8: Složení bioplynu
33
7.4.2 Výroba bioplynu
Produkce bioplynu nemusí být jen umělá, ale i přirozená napři. v mokřadech, trávicí soustavě živočichů (zejména přežvýkavců), zemědělské skladování hnoje a kejdy, skládky odpadu (skládkový plyn) nebo čističky odpadních vod. Hlavním umělým producentem bioplynu je bioplynová stanice, což je technologické zařízení využívající procesu anaerobní fermentace ke zpracování biomasy. Pod názvem anaerobní fermentace se skrývá technologický proces, při kterém bez přístupu vzduchu dochází za pomocí mikroorganismů k přeměně biomasy (bioodpadu) na bioplyn. Celý tento proces probíhá ve čtyřech fázích:
1. Hydrolýza: Při hydrolýze není vyžadováno bezkyslíkaté prostředí. Vyžaduje se pouze dostatečný obsah vlhkosti potřebné pro štěpení makromolekulárních
organických látek mikroorganismy na jednoduší organické sloučeniny.
2. Acidogeneze: Produkty hydrolýzy jsou štěpeny na jednodušší látky, jako jsou kyseliny, alkoholy, CO2 a H2.
3. Acetogeneze: Při acetogenezi se přeměňují vyšší organické kyseliny na kyselinu octovou, která je spojujícím článkem při produkci metanu.
4. Methanogeneze: Zde jsou dva procesy. V prvním procesu bakterie rozkládají kyselinu octovou na metan a oxid uhličitý, v druhém procesu zase bakterie produkují z vodíku a oxidu uhličitého metan.
Vedlejší produktem anaerobní fermentace je degestát (tuhý vyhnilý kal vláknitého charakteru) a perkolát (tekutina vzniklá při procesu, obsahující základní živiny). Tyto dva produkty se dají využít jako organické hnojivo, ale jsou limitovány hodnotami obsahu rizikových látek podle platné legislativy. Degestát lze využít jako hnojivo, pokud obsahuje minimálně 25 % spalitelných látek a 0,6 % dusíku. Produkce bioplynu podle použitého substrátu je uvedena v tabulce 9.
Substrát sušina bioplyn
% objemu m3.t-1
hovězí kejda 7 25
prasečí kejda 9 36
jateční odpady 18 65
zeleninové odpady 22 90
slamný hnůj 22 100
domovní bioodpad 35 100
travní senáž 30 150
kuchyňské odpady 33 245
obilní odpad 55 360
odpadní tuky 800
Tab. 9: Produkce bioplynu podle použitého substrátu[1]
34 Zvláštním druhem získávání bioplynu je skládkový plyn tvořící se samovolně ve skládkách odpadů, které obsahují biologicky rozložitelné složky. Složení skládkového plynu je, ale oproti anaerobní fermentaci poměrně proměnlivější, obsahuje především metan a oxid uhličitý. Legislativou je nařízeno skládkový plyn spálit bez dalšího využití, aby se zabránilo jeho úniku do atmosféry nebo jej využít pro výrobu tepla a elektřiny.
Odhadovaná produkce skládkového plynu je mezi 100 až 300 m3 z jedné tuny komunálního odpadu. Zachytitelné a využitelné množství je 20 až 70%. Produkce skládkového plynu není po léta stejná a s rostoucím časem klesá. Největší produkce je mezi 5. až 13. rokem po uložení odpadu.
7.5 Potenciál využitelnosti biomasy v České republice
Biomasa má v podmínkách České republiky největší technicky využitelný potenciál z obnovitelných zdrojů energie pro výrobu elektřiny i tepla. Využívání biomasy je tradiční hlavně v oblasti výroby tepla. Ale využívá se i k výrobě elektřiny, především spalováním spolu s fosilními palivy. Využívání biomasy má svá omezení - produkční limity (rozloha půdy, roční období, …) a dopravní dostupnost. Pěstování biomasy k energetickým účelům je efektivní pouze v určité vzdálenosti od uvažovaného využití. V roce 2011 bylo k výrobě elektřiny celkem použito 1 351 767 tun biomasy. [4]
Graf 5: Výroba elektrické energie podle druhu biomasy v České republice
51%
820,001 GWh
3%
526,203 GWh 12%
111,021 GWh 18%
218,020 GWh 16%
9,327 GWh
Výroba elektrické energie podle druhu biomasy v České republice, rok 2011
Dř. štěpka, odpa d
Celulózové výluhy Rostlinné materiály Brikety a pelety
Kapalná biopaliva
