Jdi na obsah Jdi na menu
 


2. Příklad prognózy - Nová energetika

11. 8. 2010

 

Vznikne „nová energetika“?

 

Nové nastupující energetické zdroje a jiné prvky budou stále více ovlivňovat stávající energetické systémy z důvodů, které jsou uvedeny a zhodnoceny v této kapitole. Dá se říci, že je velká společenská poptávka po těchto změnách. Tyto změny proběhnou v „malé energetice“ i ve „velké energetice“.
-         „Malá energetika“ je energetika denní spotřeby. Je zde spotřebovávána energie, kterou používáme k osvětlení a vytápění svých domovů, k pohonu domácích spotřebičů, k ohřevu užitkové vody, k jízdě osobního automobilu apod.
-         „Velká energetika“ hospodaří s energií, kterou spotřebovává průmysl, doprava, zemědělství, služby apod.
Světové zásoby uhlí, ropy a zemního plynu nejsou nevyčerpatelné. Dále je zde strach z využívání jaderných elektráren, který je zapříčiněn katastrofami v Černobylu a Fukušimě. Stále častěji se budou uplatňovat technologie, které jsou nyní v počátcích a které využívají přímo energie Slunce. Na Zemi dopadá sluneční energie především jako světlo. Je zde tedy problém, jak energii ze Slunce získat, neboť sluneční energie má dvě velké výhody je naprosto čistá a je zadarmo.
Další problém je, jak energii skladovat a na jakém principu konstruovat dopravní prostředky. Nabízí se zde vodík, má velkou výhřevnost, je velmi rozšířený a dá se skladovat i na vozidlech.
1. Málá energetika.
„Malá“ energetika tedy znamená energetiku v rámci obytného domu, garáže a třeba i osobního automobilu. Zde jako zdroj může být využita fotovoltaika, ohřev vody kolektory, tepelné čerpadlo a možná i palivové články (ty pravděpodobně budou zdroj energie v automobilech). Na druhé straně je zde velký prostor pro úspory v energeticky úsporných domech. Je zde tedy tendence budovat energeticky nezávislé (ostrovní) domy.
Energetika rodinného domu tedy patří do energetiky malé. Rodinný dům spotřebovává energii na vytápění, na ohřev užitkové vody, na vaření, na pohon různých domácích spotřebičů. V rodinném domku je rozvod elektrické energie 230V/400V střídavých, může zde být i rozvod zemního plynu. Jsou zde spotřebiče, které mění střídavý 230V elektrický systém na stejnosměrný o malém napětí (tj. převážně spotřebiče elektronického charakteru) a spotřebiče, které mají asynchronní elektrický motor a elektrický 230V střídavý systém potřebují, např. lednička, pračka . Středně velký rodinný dům má instalované spotřebiče o tomto výkonu:
-    výkon na vytápění   15-20kW
-         výkon na ohřev užitkové vody 2-5kW
-         výkon ostatních spotřebičů 2kW
-         plocha střechy 80-100 m 2
Jestliže by byly instalovány fotovoltaické panely na celou střechu je instalovaný výkon
80 x 10 = 16kW. Je to zajímavý výkon. Musíme však vzít v úvahu rozmary počasí, roční období, polohu slunce na obloze a sklon jednotlivých panelů na střeše vůči Slunci. Lze však říci, že instalovaný výkon by kromě vytápění pokryl všechny energetické potřeby. Je zde však problém současnosti výroby a spotřeby elektrické energie. V létě by systém vyráběl energetickou nadprodukci. Zde se nabízí výroba vodíku elektrolýzou, jeho skladování a výroba elektrické energie palivovým článkem. Přebytky vodíku by mohly být využity i pro vytápění. Transformace stejnosměrného elektrického systému na střídavý pro asynchronní motory nebo zářivky již dnes není problémem.
Pořizovací náklady klesnou, jestliže by byly fotovoltaické panely konstruovány tak, že jsou schopny nahradit i střešní krytinu. Střešní krytina se tímto uspoří. Další úspora nastane, jestliže se použijí kombinované panely i pro přímý ohřev vody.
Energetika osobního automobilu patří rovněž do malé energetiky. Prodělává v současné době prudký vývoj. Světové automobilky závodí o to, která první uvede do sériové výroby automobil poháněný elektromotory. Jako zdroj elektrické energie je používán vodíkový palivový článek. Vodík je skladován v nádrži automobilu a čerpán u čerpacích stanic. Sériová výroba takovéhoto automobilu je na spadnutí. Rozšíření tohoto systému zatím brání nedostatek čerpacích stanic a cenová náročnost. Tato koncepce plně nahrazuje současné systémy pohonu automobilu, jsou srovnatelné svoji rychlostí, zrychlením, akčním radiem, připraveností k rozjezdu atd. Výhody takovéhoto uspořádání jsou bezhlučnost a žádné znečisťování prostředí.
Fotovoltaika je metoda, která umožňuje přímou přeměnu energie slunečního záření na energii elektrickou pomocí fotovoltaického jevu. K účelu získávání elektrické energie se hodí pouze tzv.vnitřní fotoefekt, zejména fotoefekt na hradlové vrstvě, při kterém se využívá polovodičových elementů – nejčastěji křemíkových) a dochází v nich vlivem dopadajících kvant slunečního záření k vybuzeni elektronu a dochází tak ke vzniku vodivosti uvnitř materiálu, kterým je nejčastěji křemík. Abychom však mohli elektrickou energii z dopadajícího záření prakticky využít je nutno křemík upravit na tzv. polovodičovou diodu. Tato se docílí vytvořením a kontaktem – spojením – dvou typů polovodičů. Nevýhodou je nízká účinnost a vysoká cena vyplývající z velké energetické náročnosti na výrobu fotovoltaických článků. Teoretická účinnost fotovoltaické přeměny je15 – 22% a 1m 2 fotovoltaického panelu může dávat cca 200W. Další cesta rozvoje fotovoltaiky je zvyšování účinnosti přeměny energie a snižování ceny panelu. 

obr.18.jpg

Obrázek  Fotovoltaický panel
 
Hlavní výhodou fotovoltaiky je „tichý chod“ fotovoltaických článků, technická nenáročnost jejich vlastního provozu a to, že panely mohou od montáže, kdykoli při slunečním svitu, dodávat elektrickou energii.

p9288995.jpg

Obrázek: Jiná vtipná aplikace fotovoltaiky

Sluneční kolektory. Je to relativně starý zdroj tepla původně ze Slunce. Může sloužit k ohřevu teplé užitkové vody a k vytápění. Velmi zajímavá je kombinace klasického slunečního kolektoru užívaného pro ohřev vody a fotovoltaického panelu. Celková účinnost využití sluneční energie se tím zvýší a toto zařízení poskytuje teplou vodu i elektrickou energii.
 

obr.19.jpg

Obrázek  Klasický sluneční kolektor
 
Palivový článek. Velký význam pro přímou výrobu elektrické energie z chemické má palivový článek. Nejzajímavější je vodíko-kyslíkový. Pochod ve vodíko-kyslíkovém článku je v podstatě obrácený rozklad vody elektrickým proudem. Zplodinou vodíko-kyslíkových článků je voda, podobně jako při hoření vodíku. Od palivových článků se hoření liší tím, že uvolněná energie není elektrická. Rozdíl je vtom, že k ionizaci plynů nedojde teplem jako u hoření, ale pomocí katalyzátorů. Při takovéto ionizaci se na jedné elektrodě shromažďují elektrony. Průchod elektronů z vodíkové elektrody vnějším obvodem na kyslíkovou je elektrický proud, který může konat práci. Napětí mezi elektrodami je 1V a 1cm 2 plochy elektrody dává až 200mA stejnosměrného proudu. Účinnost palivových článků je 50 až70% a v budoucnu se dá počítat až 80%.
V závislosti na druhu elektrolytu, teplotách a na druhu reagujících plynů se dají se dá využít několik typů článků. Pro použití v automobilech je nejlepší systém PMEFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell). Jen několik desetin milimetru tenká membrána pokrytá vrstvou platiny funguje jako elektrolyt. Tyto palivové články jsou velmi výkonné a mají vysokou účinnost. Provozní teplota je nízká a dá se snadno regulovat. Mezi 60 8C až 90 8C se pohybuje provozní teplota AFC palivových článků (Alkaline Fuel Cell), které jako elektrolyt používají hydroxid draselný. Oba články s polymerovou membránou spalují čistý vodík a kyslík. Vysoká provozní teplota (1608C až 2208C) je charakteristická pro palivové články PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), kde jako elektrolyt slouží kyselina fosforečná a k anodě je třeba dodávat čistý vodík. MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) články patří mezi horké palivové články. Elektrolytem je směs uhličitanů. Pracují se zemním plynem a vyrábějí elektrickou energii při teplotách přes 6008C.
Palivové články se v současnosti rychle vyvíjejí směrem k tomu, aby byly lehké a kompaktní, reálné je 2,0kW na litr objemu, což je velmi důležité u automobilů. Dále se bude snižovat i cena za vyprodukovanou energii.
Malá energetika je relativně nový pojem. Dokáže zabezpečit energeticky nezávislé ostrůvky o rozloze např. samostatně stojících obytných domů, celých vesnic nebo menších ostrovů (myšleno v moři), jestliže nemají energetickou spotřebu průmyslového charakteru. Tato situace je nesporně možností znamenající pokrok.
2.Velká energetika.
„Velká energetika“ hospodaří s energií, kterou spotřebovává průmysl, doprava, zemědělství, služby apod.
I zde se objevují nové trendy: Využití energie Slunce a větru, Využití vodíku jako nositele – média pro energii.
Spotřeba energie průmyslem a zemědělstvím zůstává výše uvedenými technologiemi prakticky nezměněna. Nevýhodou zůstává závislost na fosilních palivech. Vodní i jaderná energetika je v principu vyhovující.
Využití energie Slunce. Přímo se zde nabízí využití pouští. Má to hned několik výhod: Slunce je celý den k zemi pod výhodnějším úhlem, tím pádem zde dopadá  hodně sluneční energie na jednotku plochy, Slunce není zakrýváno oblaky a pouštní půda se nevyužívá zemědělsky především z důvodů nedostatku vláhy. Spíše než fotovoltaiky je zde možno využívat systém zrcadel, které ve svém ohnisku ohřívají např. olej, z který ve výměníku vyrábí páru, jenž pohání turbínu.
 
 

obr.20..jpg

Obrázek  Využití solární energie ve velkém
 
Problémem však zůstává, jak zajistit energii, když je noc nebo nesvítí Slunce. Právě jedna ze špiček je s podvečer, kdy se v subtropech již stmívá. Je to však řešitelné pomocí krátkodobé akumulace tepla, eventuálně vybudováním náhradního zdroje (např. spalování plynu) při výpadcích sluneční energie.
V nedávno minulé době docházelo u nás k nevhodně vysokým dotacím rozsáhlých fotovoltaických farem, kde pak byly instalovány fotovoltaické panely na místech, které byly nevhodné z důvodů nejen relativně malého množství dopadající sluneční energie, ale i častého zakrývání Slunce oblaky. Dále se zde nebralo v úvahu, že stojí  na zemědělské půdě, velmi často na poli. Tím pádem se v celospolečenské kalkulaci musí odečítat i cena úrody, která na uvedené ploše mohla vyrůst. Z těchto důvodů se s odstupem času se musí uvedený systém začít  chápat jako slepá cesta energetiky.
Využití energie větru. Již byly vyvinuty různé větrné elektrárny, které ve větrových oblastech bývají uspořádány do farem. Zde je problematický zásah do krajiny a také musí být někde instalován náhradní zdroj energie jestliže vítr nefouká. Zásah do krajiny není tak důležitý, jestliže se jedná o umístění v okrajových částech moře. Zde je i záruka častější činnosti větru.
 

obr.21.jpg

Obrázek  Zužitkování energie větru
 
Přehrady a potenciální vodní energie. Klasický zdroj energie, který je již dlouho využívaný bez zásadních problémů, je využití potenciální energie vody v přehradních nádržích. Tento zdroj však potřebuje velké investice, zato však produkuje energii dlouhodobě bez dodatečných nákladů.
Jeho další předností je, že je možno ho uzpůsobit tak, že energii akumuluje bez větších ztrát. Je však nutno postavit dvě nádrže, které jsou v různé výšce. Přečerpáváním vody z dolní přehradní nádrže do horní se elektrická energie v energetickém sedle spotřebovává. V energetické špičce se potenciální energie vody v horní nádrži voda z horní nádrže přeměňuje na energii elektrickou.
 
 

obr.22.jpg

Obrázek: Hydroelektrárna
 
Jaderné elektrárny. Negativní vztah k jaderným elektrárnám je ve světové veřejnosti způsobený haváriemi v Černobylu a Fukušimě. Chyby, které se objevily jsou výsledkem špatného provedení analýzy rizik, a tím i k podcenění bezpečnosti celého zařízení.
Konkrétně ve Fukušimě nebylo analýzou rizik zřejmě zabezpečen souběh rizik zemětřesení a přílivové vlny tsunami. I když, jak se ukázalo, každé z těchto rizik, kdyby působilo samostatně, bylo konstrukcí (návrhem) elektrárny ošetřeno.
Jak to bylo v Černobylu je dostatečně známo, bylo zde několik lidských i systémově bezpečnostních chyb. K analýze těchto chyb i k poučení z nich již došlo včetně změny konstrukce ruských atomových elektráren.
Další rozšíření jaderné energetiky bude tak záležet zejména na výsledcích racionální analýzy rizik a v demokratické společnosti též na schopnosti představit a vysvětlit ji veřejnosti.
Odmyslíme-li výše zmiňované a analyzované hledisko bezpečnosti, je atomová energie výhodný energetický zdroj.
 

obr.23.jpg

Obrázek: Atomová elektrárna
 
Vodík, jeho výroba a distribuce. Vodík je plyn, který je bez barvy, bez chuti a bez zápachu. Za normálních podmínek má jeden litr vodíku hmotnost 0,0899 g. Další důležitou vlastností je výhřevnost, která u vodíku činí 33 kWh/kg. Ve vazbě s kyslíkem tvoří vodu, s uhlíkem uhlovodíky. Teplota varu vodíku je -253st.C. Teplota vznícení je 560st.C
Vodík se v dnešní době vyrábí reformingem za pomoci páry horké 200st.C ze zemního plynu, metanu nebo i jiných uhlovodíků. Další možností výroby vodíku je elektrolýza vody. Je třeba 4,8kWh elektrické energie na výrobu jednoho kubického metru vodíku. Nejméně známou metodou výroby vodíku je přímá fotochemická reakce vody, její přímý rozklad na vodík a kyslík za přítomnosti katalyzátoru. Vývoj této metody výroby vodíku však ještě není ukončen. 
Při skladování vodíku je nutno řešit dvě základní věci
a)      formu skladování vodíku
-         jako stlačený vodík při 70 MPa
-         jako zkapalněný vodík při -250st.C
-         vodík vázaný v pomocných nosných materiálech
b) tlakové nádoby, ve kterých by byl vodík skladován. Těžké ocelové nádoby by v budoucnu měly nahradit nádoby z uhlíkových kompozitů. Při skladování v ocelových lahvích představuje vodík pouze 1% celkové hmotnosti. Výhodou uhlíkových kompozitů je mnohonásobně vyšší pevnost při nízké hmotnosti.
Doprava je možná nejen v tlakových nádobách, ale i pomocí produktovodu. Je však nutno zaručit maximální těsnost, neboť teprve, když je vytvořena směs se vzduchem, je možnost exploze.
Výbušnost vodíku závisí na teplotě vznícení a na jeho koncentraci ve směsi se vzduchem. Teplota vznícení vodíku je 560st.C v porovnání k tomu benzín má teplotu vznícení 360st.C. Meze výbušnosti v objemových procentech je 4,1 až 74,0%, u benzínových par je to 1,9 až 9,1%. K výbuchu automobilů dochází, jestliže se benzín, nebo jeho páry v uvedené koncentraci, dostanou na část automobilu, která je teplejší, než jeho teplota vznícení. Ochrana proti výbuchu vodíku je tedy takováto:
-         zabránit únikům vodíku ve spojích, při přečerpávání a při nehodě nebo havárii.
-         unikající vodík rozptýlit tak, aby koncentrace vodíku byla menší než horní mez výbušnosti
-         zamezit tomu, aby v blízkosti místa úniku vodíku byl povrch teplejší, než je teplota jeho vznícení.
Tyto podmínky jsou poměrně jednoduše technicky řešitelné.
3. Výhled do budoucna
Mohutný impuls ke změnám v energetice dává hrozba vyčerpání zásob fosilních paliv a negativní vztah k jaderným elektrárnám. Další rozšíření jaderné energetiky bude záležet zejména na výsledcích racionální analýzy rizik a v demokratické společnosti též na schopnosti představit a vysvětlit ji veřejnosti. Před vyčerpáním zásob fosilních paliv dojde k většímu využívání těchto inovací pouze v případě, že by byly finančně srovnatelné.
Tendence ke zdražování energie a ke zlevňování technických výrobků zapříčiní to, že se budou stále častěji objevovat ostrovní řešení v malé energetice. To znamená obytné domy bez přívodu energie z venku. Anebo se potřeba energie z venku velmi sníží. Tato tendence je jasná. Ve vzdálenější budoucnosti se dá očekávat rozvoj využívání vodíku i v malé energetice – např. u automobilů.
Ve velké energetice přes všechen strach budou zdroje směřovat k rozšíření využití vodních elektráren a především v přímořských oblastech i větrných elektráren spojených do větrných farem. Tam, kde to umožní politická situace s subtropických státech, dojde k budování slunečních elektráren. Dojde i k většímu rozvoji ve využívání vodíku i ve velké energetice. Vodík bude sloužit převážně jako médium při skladování energie a dopravě energie.
4.Zhodnocení
Vznik a vývoj inovací v technice provází mnoho zákonitostí. Tato kapitola se zabývá možností ovlivnění současného energetického systému několika inovacemi, které se vzájemně ovlivňují, a které mohou mít v budoucnu velký vliv. Jsou zde aplikovány podmínky, které ovlivňují vznik a vývoj inovací v této oblasti:
-         předpoklad vzniku inovačního zisku
-         tlak ochrany životního prostředí
-         tlak na bezpečnost zařízení
-         rozvoj přírodních věd
 

Náhledy fotografií ze složky Nová energetika