Energie a Energetické zdroje

E = mc2 nebo jak to vlastně je?
Snad každý zná nějaké sci-fi, kde autoři směle používají umělá Slunce, robotí továrny a hrdinové cestují raketami od jedné planety ke druhé. Aby tyto „stroje“ mohly pracovat, je třeba získat pro ně energii. A odkud se bere, to autory samozřejmě nijak nezajímá.
Toto se ale nelíbí fyzikům a energetikům, protože kdo jiný by měl lépe znát překážky k získání nevyčerpatelných zdrojů čisté a levné energie tolik potřebné pro naši modrou planetu.
V roce 1905 Albert Einstein odhalil spojitost mezi hmotou a energií. Proslulí fyzikové zpočátku odmítali věřit, že by 1 kilogram hmoty v sobě ukrýval 25 miliard kilowatthodin energie.
Zatím marně hledáme klíč k získání této pohádkové energie. Spalováním uhlí v kamnech nebo v elektrárnách, benzínu nebo nafty v tepelných motorech, využíváme nanejvýš stomiliontinu procenta. Ale ani v jaderných elektrárnách nedokážeme uvolnit z uranu více než zlomek procenta skryté energie. A tak se zatím musíme využívat drobky energie z uhlí, ropy a zemního plynu.

Kolik energie jsme už spotřebovali…
Energie podle fyzikálních definic je „schopnost konat práci“. Vše co člověk dokáže udělat, vyrobit nebo vybudovat, lze vyjádřit mírou spotřebované energie. K jejímu měření lze použít různé jednotky ( dále v textu ), nejčastěji však joule nebo nám bližší kilowatthodiny.
Pojďme se podívat, co pro nás udělá 1 kWh. Na elektrickém sporáku uvaří jídlo pro tři osoby, v pračce vypere 1,5 kg prádla, v el. peci vytaví 3 kg oceli, v pekárně upeče 100 kg chleba atd. Ale na druhé straně manuální práce člověka za jeden rok nevydá víc než 250 kWh.
Ze všech forem energie si nejvíce ceníme elektřiny. Dá se přenášet na dálku, je všestranně použitelná ( pohon vlaků, sváření kovů, přenos TV obrazu…). Na celkové spotřebě se však podílí jen čtvrtinou až desetinou.
Mnohem více než elektřinu využíváme teplo, jehož zdrojem jsou nejčastěji fosilní paliva. Teplem tavíme kovy, vypalujeme cihly i vytápíme domy z nich postavené. Spalovací motory pohánějí automobily, vlaky, lodě, letadla… V turbostrojích elektráren se část tepla mění na elektřinu.
A nyní zase trochu čísel. K uhájení holého života musíme v podobě potravy přijmout 2 kWh energie denně. Od chvíle, kdy začal jeskynní člověk využívat oheň se jeho vybavenost energií zlepšila. Na konci středověku disponoval sedlák díky tažnému dobytku a větrnému nebo vodnímu mlýnu 10 kWh denně. Dnešní člověk spotřebuje kolem 100 kWh denně ( doprava, stroje, svícení… ). V našich domácnostech spotřebujeme v průměru 22 kWh ( tzn. přes 30 otroků v porovnání se svalovou výkonností člověka )
Zdroje energie jsou nerovnoměrně rozděleny. Třetina obyvatel žije v průmyslových zemích a spotřebovává 80 % světového úhrnu energie. Na Afričany a Indy připadá jen padesátina světové energie. Odhadem lidstvo spotřebovalo od objevu ohně kolem 5 000 000 000 000 000 kWh energie.

… a kolik jí budeme ještě potřebovat a co to bude stát
S rostoucím počtem obyvatel stoupá poptávka po energii. V obavách se vědci snaží rozlousknout oříšek problémů; jak zajistit dostatek potravy, dostatek výrobků, surovin a energie. Zatím to stojí ničení pralesů, otravování potoků, řek, jezer a oceánů a vůbec zhoršování životního prostředí. Třetina lesů je zničena SOx a NOx a ozónová díra se zvětšuje. Každému nově narozenému člověku je třeba dodat minimálně 0,5 tuny potravin ročně ( 0,2 ha půdy, 50 kg hnojiva ročně ), tunu pitné vody ročně a kapacitu elektráren 0,1 kWh zvýšit.
Ročně přibude 100 miliónů lidí a pro ně se musí vybudovat stovky nových elektráren. Proti uhelným a jaderným se vzedmul odpor veřejnosti.
A další čísla: Za jeden rok se vytěží tolik ropy, uhlí a zemního plynu, kolik se toho vytvořilo během dvou miliónů let. Každou sekundu se spálí 120 000 litrů ropy ( a každou sekundu musí vrty postoupit o 5 metrů hlouběji, což stojí jako dvě osobní auta ). Dostupná ložiska by měly být vyčerpány během 60 let. A co potom? Lidstvo se bude muset vrátit k odstrkovanému uhlí ( zásoby na 500 let, ale podle nedávné zprávy v teletextu ČT by mělo být vytěženo do roku 2030 (?)) nebo jaderné energii nebo dokonce k „věčným“ zdrojům energie.

Obecně o energii
Podstata energie
Energii potřebujeme ke konání práce. Práce je působení síly po nějaké dráze ( kopnutí do míče, při zvedání činky, stlačení nebo natažení pružiny…). Energii potřebují živé organismy ( pohyb a růst ). Energie je třeba ke zvýšení teploty.
Dělení forem energie:
· Potenciální – skrytá, polohová
· Kinetická – energie pohybujícího se tělesa

Jednotky pro energii a výkon
Podle Mezinárodní soustavy jednotek SI je joule ( J ) hlavní jednotkou pro měření energie ( i pro měření tepla a práce ). Tato jednotka vyhovuje fyzikům. Energetici počítají raději s kilowatthodinami ( kWh ). Další jednotkou, kterou fyzici používají, je elektronvolt ( eV ) sloužící ke zkoumání energie atomových částic. Pracovníci s palivem počítají s jednotkou tuna měrného paliva ( tmp ), která vyjadřuje množství energie, která se uvolní dokonalým spálením jedné tuny uhlí téměř neexistující kvality ( tj. s výhřevností 29 MJ/kg ). Na Západě se používá tuna ropného ekvivalentu ( toe ), což je 1,433 násobkem tmp. V tepelných tabulkách se po dlouhou dobu objevovala již zapovězená kilokalorie ( kcal ).

Převodová tabulka
Převod na Joule Kilowatthodiny
J 1 2,78 x 10-7
kWh 3,6 x 106 1
kcal 4,19 x 103 1,16 x 10-3
eV 1,6 x 10-19 4,45 x 10-26
tmp 2,93 x 1010 8,16 x 103
toe 4,2 x 1010 11,7 x 103

Jak je velká energie 1 joulu? Stačí sotva na přivření dvířek šatníku a kapku vody ohřeje o 1°C. Hořící zápalka vyzáří 1 kJ energie, spálením brikety se uvolní asi 20 MJ a raketa potřebuje ke svému výstupu 1 TJ energie. Ročně spotřebuje svět přes 300 EJ.
Poznámka: Tera = bilión ( př. TJ – terajoule ), Exa = trilión (1018) (př. EJ – exajoule )

Výkon je množství práce vykonané za jednotku času. Udává velikost skutečně vykonané práce. Hlavní jednotkou je watt ( W ). Dříve hlavně motoristé používali jednotku kůň ( HP , PS , CV ). Celkový výkon všech zdrojů energie světa se odhaduje na 10 TW.

Perpetum mobile. Ano či ne?
Zákon o zachování energie se připisuje lodnímu lékaři J. R. Mayerovi, který prohlásil : „ Ex nihilo nihil fiti,“ neboli „ z ničeho se nic neudělá.“ V „učesané“ podobě zazněl 23. 7. 1847 v berlínské fyzikální společnosti. Hermann Helmholz řekl : „Součet kinetické a potenciální energie v izolovaném systému zůstává stálý !“ Takže konec perpetum mobile ( věčně pracující stroj bez přísunu energie, pohánějící i další stroje ).
Energie se nedá vyrobit a nikam se neztrácí. Má pouze různé podoby a z jedné na druhou se přeměňuje. A při každé přeměně se příjem musí rovnat výdeji.

Energie naší planety
Naše planeta disponuje těmito druhy energie:
· kinetická energie rotace – napomáhá vyvolání přílivů a odlivů a tím se brzdí její rotace
· kinetická energie translační – energie planety kolem Slunce a pohybu v galaxii
· geotermální energie – pochází z pozvolného rozpadu radioaktivních látek v Zemi, někde se projevuje vulkanickou činností a výronem termálních vod a par, možnost použití k výrobě elektřiny nebo k vytápění domů a skleníků
· jaderná energie – uložena v podobě štěpných látek ( uran, thorium ) nebo naopak v lehkých látkách ( vodík, deuterium ). Zatím se štěpí jenom uran.

Na Zemi dopadají také sluneční paprsky. Z celkového výkonu vyzařovaného Sluncem ( obdivuhodně regulovaný termojaderný zdroj ) dopadá na naši Zemi pouhá dvoumiliardtina. Jde však o energii 174 000 TW.
Rozložení této energie ( 174 000 TW = 100 % )
· 31 % - odraz od povrchu zemské atmosféry, žádný užitek
· 17,4 % - pohltí atmosféra, teplo jde do kosmu
· 4,2 % - odrazí se od povrchu Země
· 14,4 % - dopadá na povrch kontinentu
· 33 % - dopadá na povrch oceánu a všeho vodstva

Polovina z toho, co dopadá na povrch Země, ohřívá kontinenty a vodní plochy. Tím vyvolává koloběh vody. Odpařováním vody vznikají větry ( P = 330 TW). Větry odnášejí teplo do chladnějších regionů, a tak vzniká planetární cirkulace atmosféry. Koloběh vody představuje výkon 40 000 TW, pouze zlomek čerpají vodní elektrárny.
0,1 % ( asi 170 TW ) jde na proces fotosyntézy. Již před 0,5 miliardou let se začaly produkty fotosyntézy měnit na ropu, o 100 miliónů let později vznikalo uhlí a před milionem let rašelina. Tak začaly vznikat fosilní paliva – náš nejhlavnější zdroj energie.
Dále bych neměl zapomenout na energii mořského přílivu a odlivu. Ze 3 TW čerpáme zase jen zlomek ( zatím se vybudovaly snad 3 přílivové elektrárny (?)).
Energii lze získávat z větru, slunečních paprsků, vln, ale ty nenahradí „ špinavé“ elektrárny s fosilními palivy.
Co Země od Slunce přijme, to musí zase vrátit. Pokud se tak nestane, začne ohřívat atmosféra a následně se bude projevovat tzv. skleníkový efekt. Stačí průměrné ohřátí povrchu o jediný °C, aby se změnila rychlost životních procesů v biosféře ( to by mohlo mít katastrofální následky pro život samotný ). „Sice“ by k tomu mělo dojít až v polovině příštího tisíciletí, ale tzv. skleníkové plyny tomu silně napomáhají.

Jak se mění zdroje energie v čase
Nejprve měl člověk k dispozici své svalstvo a tažná zvířata. Pak začal topit dřevem. Začátkem novověku se přestěhoval k vodním tokům kvůli pohonu. Od 18. století až do 1. světové války využíval parní stroje a energii z uhlí. Začátkem dvacátých let přichází na scénu ropa. Od roku 1975 jí začínají konkurovat zemní plyn a jaderná energie.

V roce 1990 se spotřeba primární energie přiblížila k hranici 12 mld. tun měrného paliva ( 350 EJ ).

Energetické ztráty
Protože se primární energie většinou nehodí k přímé spotřebě ani k rozvodu, přeměňuje se na zušlechtěnou (el. proud, topné plyny…).
Většinou jsou ale uvedené přeměny na zušlechtěnou energii spojeny s velkými ztrátami ( hlavně odpadní teplo ). Podle WEC (World Energency Conference) dosahují ztráty při přeměně až 60 %. Zbytek se využije jako teplo ( 25 % ), k osvětlení a pohonu strojů… Podíl elektřiny je ve spotřebě nízký – do 20 % .

Obrázek: pět hlavních forem a její přeměny na spotřební formu

Něco o elektřině
Elektrický boj
Tomáš Alva Edison. To on začal vyrábět elektřinu na konci 19. století. Chtěl ji rozvádět od domu k domu, do úřadů, do továren… Proti vystoupili zástupci plynárenských společností. V Edinosově žárovce viděli vážného konkurenta. Proto vyšroubovali ceny pozemků, kde chtěl Edison stavět, hodně vysoko. Edison musel prodat některé své vynálezy pod cenou, jen aby mohl spustit továrnu na žárovky, dynama a parní stroje. Dále začal vyrábět kabely, vypínače, pojistky a elektroměry.
Nejprve poháněl čtyři dynama o výkonu 100 kWh. Novinářům předváděl model ulic v okolí Wall Streetu. Za rozkopané chodníky, kam pokládal elektrické vedení, musel platit vysoké pokuty. Dne 4. 9. 1882 po krátké zkoušce ožila proudem jeho pětadvacetikilometrová síť.
Z bezpečnostních důvodů zůstal jen na 200 V. Spotřebitelům montoval i ochranný vypínač ( nic víc než pojistka ). Jeho elektroměr měřil, kolik zinku se přeneslo z jedné elektrody na druhou. Poplatek se stanovoval podle rozdílu hmotnosti destiček.
Elektrizace neprobíhala tak rychle, jak si představoval. Lidem vadil kouř z jeho elektrárny, a tak prosadili její zboření.
Střídavý nebo stejnosměrný ?
Edison, bohužel, podporoval stejnosměrný proud. Stejnosměrný proud sice uspokojil žárovky, obloukovky a první elektrické tramvaje, ale při přenosu na dálku docházelo ke značným ztrátám. Zároveň nešlo transformovat napětí.
Důkaz ve prospěch střídavého proudu podal 1891 podle Teslových návrhů Dolivo-Dobrovolskij na jubilejní výstavě ve Frankfurtu. Ze 175 km vzdálené elektrárny dostal proud na výstaviště s nepatrnou ztrátou. Celý systém je dnes k vidění v Technickém muzeu v Mnichově.
O rok později Westinghousův střídavý vícefázový systém převálcoval Edisonův stejnosměrný při stavbě elektrárny na Niagarských vodopádech.
I u nás došlo roku 1898 k souboji mezi Křižíkem, který hájil stejnosměrný proud, a dr. Emilem Kolbenem, který obhajoval střídavý proud. V roce 1900 se v holešovické elektrárně roztočilo pět alternátorů po 800 kW, malá část se usměrňovala pro tramvaje. Základem se stala trojfázová soustava.

Elektrická síť u nás dnes
Ve společné síti dnes pracují elektrárny uhelné, vodní i jaderné. Alternátory jsou přesně nafázované a pracují s kmitočtem 50 Hz. Ten se musí pohybovat v rozmezí 49,5 – 50,5 Hz. Jakmile by odběr proudu přesáhl výkon všech alternátorů, alternátory by začaly ztrácet otáčky a kmitočet by klesal.
Velké elektrárny jsou spojeny soustavou s napětím 400 kV nebo 220 kV. Odtud se elektrický výkon dostává do napájecích uzlů v okresech, po transformaci na napětí 110 kV tzv. distribuční sítí k velkoodběratelům a do transformačních stanic. Tady se snižuje vysoké napětí v trojfázové soustavě 3 x 380/220 V a odtud k nám domů. Ale od roku 2003 bude v celé Evropě jednotné napětí 230 V.
Napětí 400 kV je přenášeno ocelo-hliníkovými lany. Na řetězci jednoho izolátoru je zavěšeno hned několik lan ( kvůli probíjení projevujícím se slyšitelným sršením ).
Typy stožárů

Portálu se vyčítá, že zabírá široký koridor. Dokáže přenášet 1 x 400 kV. Portál byl nahrazen stožárem typu Delta a Kočka ( oba 1 x 400 kV ). Pro dvojité vedení se používá stožár typu Donau ( 2 x 400 kV ).

Dost dlouho jsem přemýšlel, jak nazvat tuto část seminární práce, kde se chci zabývat některými postupy výroby energie. Nakonec jsem se rozhodl zvolit název:
„ Čisté “ zdroje energie

Sluneční energie
Jak už bylo řečeno dříve, na zemský povrch dopadá výkon ze Slunce o velikosti 174 000 TW. Na jeden metr čtvereční připadá asi 0,2 kW. Sluneční záření se po dopadu na Zemi mění na teplo a chemickou energii. ( o tom, co se s ní děje dále, je napsáno v článku Energie naší Země )

Výhody a nevýhody
Výhodou je její „nevyčerpatelnost“, ekologická čistota a možnost využití na celé naší planetě. Problém nastává ve střídání dnů a nocí, ročních dob, a také zeměpisná šířka hraje svou roli ( na Saharu dopadne 2500 kWh na m2 za rok, zatímco na Floridě je to jen 1800 kWh na m2 za rok a v okolí Berlína pouze 1000 kWh na m2 za rok ). Jen několik míst má více než 300 slunečních dnů v roce. Také nízká účinnost přeměny sluneční energie na elektrickou hraje svou roli.

Teplo ze Slunce
Nejčastěji využíváme přeměněné energie slunečního záření, kterou přeměníme ve slunečním kolektoru, k ohřevu vody nebo jiné látky a pro vytápění.
Kolektor
U nás se nejčastěji používá černá deska pohlcující záření, která je zakryta vrstvou průhledného izolujícího materiálu. Jako látka pro přenos tepla se používá voda, vzduch, nemrznoucí kapalina. Ztráty mohou být způsobeny odrazem nebo absorbcí ( skleněný kryt ). Tepelné ztráty přibývají lineárně s rostoucím rozdílem teploty mezi absorbérem a okolím. Je-li intenzita slunečního záření omezená, klesá účinnost kolektoru s rostoucí teplotou absorbéru.

Sluneční elektřina
Existují dva způsoby, jak získat ze sluneční energie energii elektrickou.
· přímá přeměna ve fotovoltaických článcích ( kalkulačky, hodinky… )
· ohřátí vody na páru, která bude pohánět turbínu

obrázek: princip tepelné sluneční elektrárny

1 – dopadající sluneční paprsky; 2 – přijímač ( kotel); 3 – zásobník tepla; 4 – turbína; 5- generátor; 6 – heliostaty ( zrcadla ); 7 – čerpadlo napájející vody; 8 – kondenzátor; 9- transformátor; 10 – rozvodná síť

Druhý způsob se využívá ve slunečních věžových elektrárnách ( voda v kotli se pomocí automatických zrcadel ( odrážejí sluneční záření ) uvede do varu, změní se v páru a ta roztočí turbínu ).
Dalším typem slun. elektrárny jsou tzv. sluneční farmy ( parabolické kolektory soustřeďují sluneční paprsky do ohniska, kde je umístěna trubice s olejem; použití pouze pro přímé sluneční záření nikoliv difúzní ) nebo komínové slun. elektrárny ( pod střechou kolektoru ohřátý vzduch se nasává do komínu, kde roztáčí turbínu; účinnost asi 1 % )

Budoucnost ?
Předpokládá se vypuštění družice se dvěma generátory ( křemíkové články ). Elektrická energie se bude měnit na záření o délce 10 cm. To se bude posílat na Zemi, kde se bude opět měnit na el. energii.

Větrná energie
Zemská atmosféra je neklidná. Otáčivý pohyb Země způsobuje pravidelné proudění vzduchu nad pevninou i mořem. Energie proudění může být převedena pomocí větrných rotorů přímo do generátorů. Význam energie větru vrcholil v 16. století ( větrné mlýny ). Dnes je v provozu asi 20 000 větrných elektráren s výkonem přes 1600 MW ( Kalifornie, Dánsko, Holandsko, Německo, Velká Británie… )
Problémem je, že vítr si fouká, jak chce. Proto větrné elektrárny nemohou nahradit hlavní zdroje k výrobě elektrické energie. Přesto se můžou stát významným doplňujícím zdrojem.
Při rychlosti větru pod 3 m/s je výkon tak malý, že se nedá využít. Výkon větru prudce stoupá s jeho rychlostí. Za optimální rychlost větru se považuje asi 12 m/s. Při překročení rychlosti 25 m/s musí být elektrárna odstavena, aby nedošlo k jejímu zničení.

Pro co nejlepší využití větrné energie je hlava, tzv. gondola větrné elektrárny umístěna na stožáru otáčivě. K nařízení osy rotoru směrem k větru slouží elektromotor. Pro zvýšení nebo snížení výkonu větru se natáčejí listy vrtule.
Nejčastěji se používají rotory s osou vodorovnou, ale existují i rotory se svislou osou ( nemusí se natáčet po směru větru, vítr se zachycuje ze všech stran; nevýhodou je položení nízko nad zemí, a z toho plynoucí menší zisk ).

Obrázek: příklady typů větrných elektráren
1- malá větrná elektrárna do výkonu 90 kW; 2 – větrná elektrárna TVIND o výkonu 2 MW ( Dánsko ); 3 – větrná elektrárna v severní Karolíně ( USA); 4 – větrná elektrárna GROWIAN o výkonu 2 až 3 MW ( Německo ); 5 – jednokřídlová větrné elektrárna budoucnosti, výkon až 10 MW
Geotermální energie
V nitru Země je horká, kapalná tavenina. Je to zdroj tepla, ale jen malé množství se dostane na povrch ( to by nahradilo 35 mld. tun černého uhlí ). Každých 100 metrů od zemského povrchu směrem do nitra stoupne teplota průměrně o 3 °C. Geotermální elektrárny poskytovaly v roce 1987 výkon asi 4800 MW ( hlavně v USA, dále na Filipínách, v Mexiku a Itálii ). Ne všude jsou pro jejich stavbu výhodné podmínky
Elektrárny využívají
· systém suché páry
· systém mokré páry ( horkovodní systém )
Systém suché páry – z vrtů uniká přehřátá pára a ta po odfiltrování kapiček vody pohání turbínu. Po ochlazení a zkondenzování se vrací jiným vrtem zpět
do země. Systém mokré páry – voda s vysokou teplotou ( nezměnila se díky vysokému tlaku na páru ) se odvádí do odtlakovací nádrže, kde se část mění na páru a ta pohání turbínu.

.
Horkovodní ( binární ) systém se využívá tam, kde má voda malý tlak a „nízkou“ teplotu. Voda slouží pouze k ohřátí jiné kapaliny s nižším bodem varu ( např. propan, isobutan, freony )
Metoda Hot – Dry – Rock ( neboli horká suchá skála ) umožňuje využít energii horniny , která nepropouští vodu. K uvolnění tepla potřebujeme vrt. Odstřelem nebo tlakem vody vznikají v hloubce trhliny ( podzemní jeskyně ). Do vrtu se zavádí voda, která přijímá teplo od skály, a jiným vrtem vystupuje na povrch.

Obrázek: pokusy s odváděním tepla metodou „ Hot – Dry – Rock “

Vytápění horkou vodou se využívá v termálních lázních, ve sklenících, v místnostech ( například na Islandu ).

Biomasa

Energie se skrývá také v rostlinách a jiných organických látkách.
Dva způsoby, jak můžeme získat org. látky k dalšímu energetickému zpracování
· zužitkování domácího, zemědělského a průmyslového odpadu
· pěstování rychle rostoucích rostlin v „energetických farmách“
Z rozdrceného a vysušeného dřeva stromů ( např. olše, topoly, vrby), které rychle rostou, je možné vyrábět dřevěné brikety s výhřevností až 21 GJ na tunu. Pokusné lesy již rostou ve Švédsku, Finsku (plocha asi 400 ha )
Vedle briket se také vyrábí dřevěné uhlí ( za nízké teploty bez přístupu vzduchu ). Dále můžeme odpady spalovat. Z jedné tuny odpadu se vyrobí asi 360 kWh elektřiny ( nahradí 120 kg černého uhlí ).

Bioplyn vzniká zkvašením organických zbytků bez přístupu vzduchu. Různé materiály vydají různé množství tohoto plynu (např. tuna drůbežího trusu vydá až 100 m3 bioplynu, což nahradí 30 až 60 litrů topného oleje. Předpoklady k efektivnímu využití bioplynu má usedlost chovající nejméně 60 krav, koní nebo vepřů. Výroba bioplynu je rozšířená hlavně v Indii a Číně.
Po vypuknutí ropné krize se Brazílie pokusila vyrábět z cukrové třtiny vyrobit surovinu, která částečně nahradila ropu. Zkvašením se získal etanol. Smíšením s benzínem vzniklo palivo gasohol. Výrobní náklady však převyšovaly cenu normálního benzínu, a tak musel být gasohol dotován ( miliardy USD ročně ).
Pěstování rostlin čistě k energetickým účelům vydá teoreticky 96 000 TWh ( + 17 000 TWh z odpadu ) ročně. Lidé se k tomuto projektu staví kriticky. „ Jak je možné připustit, aby se na půdě nepěstovaly potraviny, když tolik lidí hladoví ? “

Energie z moře
Ze zeměpisu víme, že oceán zabírá 79 % zemského povrchu. Z rozdílu teplot mezi hladinami a hlubinami moří by se dalo získat velké množství energie. Jen vlny vydají 95 000 000 kWh energie ročně. Zatím se využívá jen zlomek.
Působením přitažlivosti Měsíce a Slunce vzniká příliv a odliv, jež se střídá po 6 hodinách a 12 minutách. Abychom mohli využívat tuto energii, musí být rozdíl hladin mezi přílivem a odlivem aspoň 6 metrů. Možností, jak získat tuto energii, je hned několik ( např. norsko-švédský princip využívá kolísavý vodní sloupec. Ten střídavě nasává a vytlačuje vzduch nad ním přes speciální turbínu)

K získání mořské energie lze použít teplotní rozdíl hladiny a mořské hlubiny. Teplá voda ohřívá čpavek, jeho páry pohánějí turbínu a jsou ochlazovány vodou z hlubin ( asi ze 600 metrů ). Tento projekt má rizika jako únik čpavku nebo ochlazení vodní hladiny => klimatické změny.

Obrázek: hladin v betonové šachtě vlnové elektrárny jako píst stlačuje vzduch a prohání jej lopatkami Wallsovy vzdušné turbíny

Energie z vodíku
Vodík také představuje zdroj čisté energie. Pokud ho budeme vyrábět ve velkém a levně, snad nahradí současná „špinavá“ paliva. Lákavá je myšlenka vyrobit ho elektrolýzou vody ( s pomocí fotovoltaických článků ) a zkapalněný přepravovat potrubím nebo tankerem. Na druhé straně riziko havárie je větší než při přepravě ropy.

Jinou možností je přeměna vodíku na tepelnou energii ( kotel s plynovým hořákem ) nebo pomocí zkapalňovací linky jej převést do kapalného stavu a využívat k pohonu vozidel.
Zatím jsou všechny technologické postupy dost drahé.

Obrázek nahoře: Solární plantáž zásobující elektrolyzéry na výrobu vodíku rozkladem vody
Obrázek vlevo dole: Vodíko-kyslíkový palivový článek s výkonem 100 kW ve funkci přenosné „balené“ elektrárny

Obrázek vpravo: Uzavřený cyklus vodíku a kyslíku
1 – sluneční elektřina; 2 – elektrolýza; 3- kyslík; 4 – vodík; 5 – skladování; 6 – doprava potrubím; ; 7 – spalování; 8 – voda; 9 – el. proud; 10 – teplo; 11 – pohonné hmoty; 12 - chemie

Jaderná energie

Obrázek: Při štěpné reakci probíhající v tzv. aktivní zóně reaktoru se jádro rozpadne zpravidla na dva odštěpky. Tím se uvolní energie, která vzájemně vázala částice jádra, protony a neutrony. Odštěpky se zase od sebe rozletí velkou rychlostí a na nepředstavitelně krátké dráze se zarazí narážením na ostatní atomy. Pohybová energie odštěpků se tak mění v energii tepelnou, a jaderné palivo se silně ohřívá.

Historie
Koncem 30. let se podařilo vědcům v laboratořích vyrábět umělé izotopy bombardováním neutrony. Jen uran se rozpadal proti všem pravidlům jakoby na dvě výrazná lehčí jádra. Revoluční objev pak popsal Otta Hahn v časopise Natturwissenschaft ( 6. ledna 1939 ). Kopii poslal do Dánska své spolupracovnici Lise Meitnerové. A přes jejího synovce dr. Frische se dostala až k dánskému profesoru Nielu Bohrovi. Frisch tuto reakci pojmenoval jako „štěpení jádra“ a jako první vypočítal energetický zisk ( podle Einsteinovy formulky ) – z 1 m3 se uvolní energie, která přečerpá miliardu tun vody do výše 27 km.
V lednu 1939 se o objevu dozvěděli účastníci fyzikální konference na Kolumbijské univerzitě v USA. Ve svých laboratořích chtěli zjistit, zda by neutrony dokázaly štěpit další jádra a tím vyvolat řetězovou reakci.
Za 2 měsíce prof. Fréderic Juliot-Curie zjistil, že z každého rozštěpení vzniknou 2 až 3 rychlé neutrony. Jako zpomalovače ( moderátoru ) používal těžkou vodu. I Němce napadlo využívat těžkou vodu. Avšak Joliot skoupil všechny zásoby této suroviny, kterou v té době vyráběl jen jeden závod v Norsku, a před obsazením laboratoře nacisty ji poslal do Anglie.
Když se Američané dozvěděli, že Německo se chystá vyrobit jadernou bombu, varovali Roosevelta. Jejich varování bylo vyslyšeno teprve po náletu Japonců na Pearl Harbour. Založili atomový projekt URAN. 125 000 armádních lidí dostalo za úkol v projektu „ Manhattan District“ zajistit dostatek uranu 235U .
Začátkem roku se skupina vedená Enrico Fermim přestěhovala do sklepa stadionu Stagg Field v Chicagu. Zde začali stavět reaktor s kapacitou 50 tun uranu. Jako moderátor používali čistý grafit. Stavba byla překryta pogumovaným balonovým hedvábím ( historicky první ochrana reaktoru, vyráběli ho gumaři od Goodyearu ). Na tomto „ balóně“ si zřídili hlavní stan. Říkalo se jim „parta sebevrahů“, protože kdyby se jim reakce vymkla z rukou, měli polévat reaktor roztokem kadmiové soli.
2. prosince 1942 nadešla hodina H. Sešli se tu zástupci armády, Fermi jim vysvětlil postatu pokusu. Na reaktor byly zapojeny měřící přístroje a zapisovače. George Weil postupně vytahoval 4 kadmiové tyče. K úplnému vytažení poslední tyče chybělo jen 30 cm, když přístroje ukázaly velmi vysoké hodnoty. Weil postupně vytahoval a zastrkoval kadmiové tyče. Štěpná reakce byla na světě. Projekt Manhattan District se rozeběhl na plné obrátky.
Po válce pokračovali Američané ve stavbě výkonnějších uranografitových reaktorů. Sověti spustili svůj první reaktor pod vedením Igora Kurčatova v bývalé továrně na rentgeny o vánocích 1946 ( uranografitový reaktor s vodorovně uloženými kanály se 40 tunami uranu, chlazený vzduchem ). Kanadský pokusný reaktor ZEEP v Chalk river použil jako moderátor těžkou vodu dne 5. 9. 1945. Uranové tablety byly vlisovány do hliníkových trubek. Němci stavěli reaktor s těžkou vodou už za války k výrobě atomové pumy. Naštěstí byl obsazen dříve, než byl uveden do provozu ( podle vědců jim chyběl jen necelý rok k sestrojení bomby ). Ve Francii byl spuštěn reaktor využívající rychlé neutrony roku 1947 ( palivo muselo obsahovat 30 až 90 % 235U nebo 239Pu ).
V dalších letech se stavěli především reaktory pokusné. K výrobě elektřiny použila reaktor laboratoř ARCO ve státě Idaho. Technici vedli do chladičů horkou vodu, ta se měnila na páru a poháněla parogenerátor ( 20. 12. 1951 ). Sověti spustili svou pokusnou elektrárnu v Obnisku u Moskvy ( 27. 6. 1954 ). Použili tu reaktor typu RBMK, na které vsadil SSSR. A ten byl zabudován i v černobylské elektrárně.

Základní typy jaderných reaktorů
· PWR tlakovodní reaktor - tepelný, chlazený a moderovaný obyčejnou vodou, nejrozšířenější typ, sovětský typ je v JE Dukovany a JE Temelín
· BWR varný reaktor – tepelný obyčejnou vodou chlazený a moderovaný
· BGCR ( magnox ) – plynem chlazený, grafitem moderovaný
· RBMK ( LWGR ) vodografitový reaktor – tepelný, lehkou vodou chlazený, grafitem moderovaný reaktor, Jde o černobylský typ reaktoru používaný pouze v bývalém SSSR. Po černobylské havárii zastaven provoz těchto reaktorů
· FBR rychlý množivý reaktor – nemoderovaný, tekutým kovem chlazený, lepší využití jaderného paliva ( vyprodukuje více plutonia, než sám spálí ), nejdále ve vývoji pokročila Francie ( reaktor Super Phenix o výkonu 1200 MW )
· PHWR Candu těžkovodní reaktor – tepelný, těžkou vodou moderovaný, kanadská konstrukce pro štěpení přírodního uranu, v Kanadě asi 20 reaktorů, další v Indii, Pákistánu…
· HTGR vysokoteplotní reaktor – tepelný, plynem chlazený, grafitem moderovaný, vysokoteplotní, výborná bezpečnostní charakteristika, vydají teplo o vysoké hodnotě, experimentální HTGR v Německu, USA, VB
· GCHWR těžkovodní reaktor A-1 – tepelný, plynem chlazený, těžkou vodou moderovaný.

Obrázek vlevo: Varný reaktor ( BWR - boiling water reactor )
1-sušiče páry; 2 – separátory vlhkosti z mokré páry; 3 – řídící tyče; 4 – palivový článek; 5 – plášť aktivní zóny; 6 – výstup páry; 7 – tlaková nádoba reaktoru; 8 – mříž aktivní zóny; 9 – vodící trubka řídící tyče; 10 – výstup chladiva
Obrázek vpravo: Tlakovodní reaktor ( PWR – pressurized water reactor)
1 – tlaková nádoba reaktoru; 2- vstup chladící vody; 3 – tepelné stínění; 4 – nosná deska aktivní zóny; 5 - vodící trubka řídící tyče; 6 – svazek řídících tyčí; 7 – výstup chladící vody; 8 – palivový článek

Termojaderná reakce
Spojují se při ní jádra lehkých atomů, probíhá neustále na Slunci. Na Zemi se vědci snaží využít reakci mezi deuteriem a tritiem. Spojením deuteria a tritia vznikne helium a neutron a hlavně velké množství energie.
Lidé mají pořád strach s atomové energie. Přispěl k tomu i již zmiňovaný Černobyl. Přitom malý váleček UO2 o hmotnosti jen 7,5 g nahradí 750 kg černého uhlí. A bez emisí NOx, SOx, CO2 ( viz grafy ).

Bezpečnost jaderných elektráren
Díky mezinárodním kontrolám ( pod vlajkou Mezinárodní agentury pro atomovou energii MAAE ) se podařilo snížit stupeň nebezpečí na minimum. Aby jaderná elektrárna získala povolení k provozu, musí bezpečně zvládnout nejméně pravděpodobné havárie. Reaktor je chráněn stíněním ocelového, vodního a betonového pláště a 3 bariérami ( hermetický povlak – v případě prasknutí dojde k zastavení reaktoru; hermetizovaný primární okruh – nádoba reaktoru a několik oběhových smyček; ochranná obálka – uvnitř reaktor ). Výkon reaktoru je řízen regulačními tyčemi. V případě havárie jsou připraveny tyče tzv. havarijní ochrany, které mohou být do aktivní zóny „vstřeleny“. Všechny systémy v jaderné elektrárně bývají dvojnásobně až trojnásobně jištěny.
I jaderné elektrárny produkují malé množství plynných a kapalných látek jako odpad. Vypouštějí je však pod přísnou kontrolou, takže přispívají k radioaktivitě prostředí mnohem méně než jiné průmyslové činnosti. Dozimetrická služba pečuje o bezpečnost elektrárny i pracovníků.

Nová generace jaderných reaktorů

Obrázek : 3 bezpečnostní bariéry

Obrázek reaktoru Pius
1 – aktivní zóna; 2 – voda s obsahem bóru; 3 – nádoba reaktoru z předepsaného betonu

Důraz je kladen na vnitřní bezpečnost. Zde je uveden příklad reaktoru PIUS firmy ABB
· aktivní zóna je ponořena v bazénu s borovou vodou
· bezpečnost je zajištěna fyz. zákony
· netřeba žádných aktivních prvků
· netřeba zásahů operátora
· systém je netečný vůči lidským chybám
· odolný vůči vnějším vlivům

Mezinárodní stupnice hodnocení jaderných událostí
0 – událost bez významu pro bezpečnost
1 – odchylka od normálního provozu
2 – porucha
3 – vážná porucha
4 – havárie s účinky na jaderném zařízení
5 – havárie s účinky na okolí
6 – závažná havárie
7 – velká havárie

· Poruchy stupně 1 – 3: běžně zvládnutelné poruchy ( např. požár transformátoru, prasknutí trubek, zanedbaný únik radioaktivity ).
· Poruchy stupně 4: poškození aktivní zóny, kdy je ohrožen personál a okolí ( u nás např. blok A-1 v Bohunicích v roce 1977 )
· Poruchy stupně 5: např. únik radiojódu do okolí v Windscale ( VB ) následkem požáru v roce 1957
· Porucha 7. stupně: Černobyl 1986, nekontrolovatelný rozběh štěpné reakce

Radioaktivní odpad
Ve srovnání s odpady např. elektráren využívající fosilní paliva je jich málo, ale jsou radioaktivní. Výjimečností radioaktivity je, že časem ubývá ( viz. poločas rozpadu – doba, za kterou se samovolně přemění polovina původního množství látky ). Radioaktivní odpady jsou oddělovány od životního prostředí přesně stanoveným systémem opatření. Nesmí do něj nic proniknout.
Jejich zdrojem není jen jaderná energetika ( od vytěžení uranu až po likvidaci elektrárny ), ale i oblast průmyslu, zemědělství…
Uranová ruda se rozpouští a upravuje ( koncentrace uranu až na 65 % ). Při této operaci vzniká nízkoaktivní odpad. Teprve při provozu jad. elektráren vznikají radionuklidy umělé. Vyhořelé palivo má vlastnosti vysokoradioaktivního odpadu. Buď se přepracuje na nové palivo nebo se uloží podle přísných podmínek. Odpad musí být odloučen od biosféry. Převádí se do stabilních nerozpustných forem. Potom putuje na vhodná uložiště.

Dělení odpadů podle poločasu rozpadu převládajících radionuklidů
· krátkodobé ( do 30 let )
· dlouhodobé

Při likvidování radioaktivních odpadů ( např. z čistících stanic ) se dodržují 3 zásady. Nejprve zmenšit objem ( lisování, odpařování nebo spalování ), potom se z nich odstraní radioaktivní složky ( separací nebo se čeká, až se sami rozpadnou ), a nakonec se uzavřou do kontejneru pro lepší manipulaci.

Úprava odpadu
Kapalné odpady se liší objemem podle toho, z jakého typu reaktoru pocházejí ( pokud bude chlazen vodou bude více odpadu, než kdyby byl chlazen plynem ). Kapalné odpady se zpracovávají v areálu elektrárny. Chemicky se zahušťují a odpařuje se přebytečná voda. Koncentrát se převádí do tuhého stavu. Koncentrace radionuklidů ve vodě, kterou jaderná elektrárna vypouští je 100x až 150x menší, než koncentrace přírodních v povrchové vodě.

Plynné radioaktivní odpady mají podobu plynných částeček ve vzduchu. Veškeré tyto odpady procházejí před vypuštěním do atmosféry systémem ventilací s vysoce účinnými filtry. Prvky s krátkým poločasem rozpadu se pár minut zadrží v nádržích, kde se rozpadnou na neaktivní prvky. Potom se vypustí do ovzduší (vycházejí jen zlomky povolených limitů ).
Suché odpady se většinou spalují ( pokud to jde ). Uvolněné plyny se samozřejmě čistí. Nespalitelné odpady se lisují při nízkých tlacích.
Upravené odpady (nízko- a středněaktivní se skladují po dobu několika let pod stálým dozorem a pak se uloží do uložiště ).

Obrázek: příklad konečného uložení zneškodněných vysokoaktivních odpadů
1 – stanoviště příjmu a kontroly; 2 – ventilační a přístupová šachta; 3- systém podzemních chodeb; 4 – ukládáni kontejnerů s vitrifikovaným odpadem do šachet; 5 – šachty v předepsaných vzdálenostech – odpad uvolňuje teplo; 6 – utěsňování šachty s uloženým odpadem

1% všech radioaktivních odpadů tvoří vysoce radioaktivní odpad. Vyhořelé články se vyjmou z reaktoru pod hladinou vody. Mokrý způsob skladování je dnes nejrozšířenější.
Obrázek: úložiště středně a nízkoaktivních odpadů v JE Dukovany

Články se ukládají do bazénu vyhořelého paliva ( voda je chladí a radioaktivita klesne na 50 % ) asi na 4 roky. Pak se odvezou do meziskladu ( zde 50 až 60 let ). Při suchém způsobu skladování je palivo umístěno v ocelových kontejnerech a chlazeno vzduchem nebo jiným plynem.
Vyhořelé palivo můžeme později uložit do skal ( Švédsko, USA, Španělsko ) nebo přepracovat na nové ( VB, Francie ).
Při přepracování se odstraní ochranný obal, palivo se naštípe na kratší části, rozpustí v HNO3, uran a plutonium se použije při výrobě nového paliva a zbytek se uskladní jako středněaktivní odpad.
Vysokoaktivní odpady se upravují na stabilní sklo ( postup se označuje jako vitrifikace ).

Obrázek: kontejner s vysokoradioaktivním odpadem zneškodněný vitrifikací

Zbytek se přepravuje ve zvláštních kontejnerech na konečné místo hluboko pod zem. Ve skále se zakonzervují podle nutnosti. Také příroda pomáhá. Odpad je uskladněn v oblasti bez zemětřesení, v nepropustné vrstvě… Hornina slouží jako stínění a odvádí odpadové teplo.

Obrázek: zneškodnění vysokoaktivního odpadu převedením na sklo - vitrifikací

Použitá literatura:
· T92 č. 11 ( zima `92 ) – Energie pro zítřek
· T92 č. 4 - Energie pro zítřek 2. díl
· T92 č. 10 – Energie pro zítřek 3. díl ( Věčně se obnovující energie )
· T93 č. 5 – Energie pro zítřek 4. díl ( K jádru hmoty )
· T94 č.12 – Energie pro zítřek 8. díl (Návraty do hlubin )

OBSAH:
strana
Úvod
E = mc2 nebo jak to vlastně je?………………………………………….……..2
Obecně o energii
Podstata energie………………………………………………………….….…4
Jednotky pro energii a výkon…………………………………………….….…4
Perpetum mobile ano či ne?……………………………………………………5
Energie naší planety……………………………………………………………5
Jak se mění zdroj energie v čase……………………………………………….6
Něco o elektřině
Elektrický boj…………………………………………………………….….…7
Střídavý nebo stejnosměrný?…………………………………………….…….8
Elektrická síť u nás dnes……………………………………………………….8
„Čisté“ zdroje energie
Sluneční energie………………………………………………………………..9
Větrná energie………………………………………………………………...11
Geotermální energie…………………………………………………………..12
Biomasa……………………………………………………………………….15
Energie z moře………………………………………………………………...16
Energie z vodíku………………………………………………………………19
Jaderná energie
Historie………………………………………………………………………..21
Základní typy jaderných reaktorů……………………………………………..23
Bezpečnost jaderných elektráren……………………………………………...25
Mezinárodní stupnice pro hodnocení jaderných událostí……………………..27
Radioaktivní odpad……………………………………………………………27
Použitá literatura………………………………………………………………..33