Využití alternativních zdrojů energie

Obnovitelné energie v roce 2003
Téměř každý z nás se již setkal s termíny alternativní, obnovitelný zdroj energie a klasický zdroj energie. Mezi obnovitelné zdroje řadíme ty , které jsou v podstatě nevyčerpatelné např. energie slunce, země, vody, větru, biomasa, atd. Za klasické zdroje (primární) považujeme ty, které jsou vyčerpatelné, jejich zásoby jsou omezené např. fosilní paliva černé a hnědé uhlí, ropa, zemní plyn. Mezi klasické ( primární ) zdroje patří i uran - jaderná paliva.
Wolfgang Palz, Evropská komise
,,Od počátku 90. let se využití větrné, solární energie a fotovoltaiky rozvíjí mnohem větším tempem než využití fosilních nebo atomových zdrojů. Dnes se v EU vyrábí 1% energie z větru. Za posledních 5 let stoupl instalovaný výkon z 1000 na 6500 MW, celkový mix obnovitelných zdrojů činí v EU a v USA 6 -8%. V osmdesátých letech přinesly tyto technologie zklamání, ale dnes již zaznamenávají veliký úspěch. Po černobylské havárii a nastupujících klimatických problémech roste u veřejnosti podpora obnovitelných zdrojů. V Evropě není ale situace homogenní - Rakousko, Dánsko a Německo jsou země, které mají na těchto trzích vedoucí postavení. Vystavění větrných elektráren ve Skotsku nebo solárně tepelných elektráren v Itálii by vedlo ke snížení nákladů na obnovitelnou energii zhruba na polovinu.
Pokud se týká domácností je celá řada možností jak získávat energii ať již elektrickou energii či teplo pomocí netradičních či alternativních zdrojů. V České republice jsou poměrně dobré přírodní podmínky pro jejich využití v domácnostech. Vždy je však nutné si uvědomit, zda v dané lokalitě jsou vhodné přírodní podmínky pro využití netradičního zdroje, zda objekt vyhovuje instalaci zdroje.
V další části práce se budeme věnovat podrobněji způsobům využití známých alternativních zdrojů.

1.Využití VĚTRU
Jednou z téměř před očima se rozvíjejících technologií sluneční energie je energie větru.
Pricip:Větrné elektrárny jsou konstruovány do velikosti cca 2 MW. Nové moderní generátory se od původních větrných mlýnů podstatně liší. Na vrcholu vysokého ocelového nebo betonového sloupu jsou upevněny rotory s dvěma až třemi listy. Ty uvádějí do pohybu hřídel, která pohání elektrický generátor. Výkon zařízení závisí na výšce sloupu a velikosti listů, protože s výškou nabývá vítr na intenzitě a větší plocha listu zachytí více větrné energie. Dalším důležitým faktorem je rychlost větru, protože získaný výkon je úměrný třetí mocnině rychlosti větru.
Většina větrných generátorů pracuje v rozmezí 21 – 97 km/h, tj. mezi silou 3 a silou 9 Beaufortovy stupnice. Při rychlosti větší než 10 se zařízení automaticky vypne.
Generátory se musí směrovat podle směru větru. Tomu se však dá předejít, když listy rotoru jsou umístěny vertikálně, neboť na směru větru pak přestane záležet.
Tyto vertikální větrné generátory se nazývají Darreiovy a mají spoustu dalších výhod. Zařízení přeměňující vítr ( generátor ) na elektřinu je umístěno u země, nikoli na vrcholu, čímž je zatížení sloupu mnohem menší.
Výskyt:Větrné elektrárny jsou situovány v místech se stabilním prouděním – na místech některých horských průsmyků, zejména však na mořském pobřeží. Velmi výhodnou variantou jejich umístění je lokalizace v šelfech mělkých moří, kde pracují spolehlivě a neomezují žádné další využívání prostoru.
U nás je potenciál větru omezen na několik oblastí, nicméně i tak představuje celkový potencionál 10 – 20% celkové současné energetické spotřeby.
V Kalifornii pokryje celková výroba elektrické energie potřeby obyvatel města většího než je San Francisco. V Dánsku je díky větru využito 3% z celkové elektrické energie.
Náklady na malou větrnou elektrárnu o výkonu 0,75 kW.
Větrná elektrárna AC 750 20 000,- Kč ddf
Stožár ( 10 m ) 15 000,- Kč
El. regulátor 5 000,- Kč
celkem 40 000,- Kč
Výhody využití větrných elektráren
 větrná energie je obnovitelným nevyčerpatelným zdrojem energie.
 při vlastní spotřebě elektrické energie se vyhneme přenosovým ztrátám.
 při výrobě nejsou produkovány žádné škodlivé emise (SO2, CO2, NOx, popel).
Nevýhody využití větrných elektráren
 poměrně vysoká hlučnost (nutné snížit hlučnost na úroveň, která je požadována hygienickými předpisy , pod 45 dB).
 nestabilní zdroj.
 při stavbě větrné elektrárny o vyšších výkonech je nutné vynaložit poměrně vysoké investiční náklady.
 návratnost vložených finančních prostředků je závislá na využití vyrobené elektrické energie.

2.Využití SLUNCE

Na území České republiky lze velmi dobře využít energii slunečního záření. Celková doba slunečního svitu (bez oblačnosti) je od 1 400 do 1 700 hodin za rok. Na plochu jednoho čtverečního metru dopadne ročně průměrně 1 100 kWh energie. Z těchto čísel je vidět, že při dobré účinnosti solárního systému lze získat z poměrně malé plochy (podstatně menší než je střecha rodinného domku) poměrně velký výkon.
Je několik možností, jak přeměnit energii slunečního záření na jinou, pro nás použitelnou formu. Nejlepších výsledků se obvykle dosáhne kombinací jednotlivých systémů.

Solární elektrárny
Toto zařízení je v principu vysokovýkonovým solárním kolektorem, který vyrábí v trubkách ležících v ohniscích velkých parabolických zrcadlech a nebo speciálních čoček páru, ta pohání turbínu, která otáčí generátorem a vyrábí elektrickou energii. Elektrárny tohoto typu lze stavět v místech s vysokou intenzitou a dlouhou dobou slunečního svitu. V elektrárnách s větším výkonem ( 80 MW ) produkují proud levněji než v atomové elektrárně.
výskyt:Největší elektrárenská věž je v Mohavské poušti u města Barstow v Kalifornii, v oblasti se 300 slunnými dny ročně. Plochu této elektrárny zaplňuje 1818 zrcadel.
V Evropě je největší solární elektrárna ve Francii u města Themis v západních Pyrenejích, která byla dostavěna v roce 1981.
V České republice není příhodná intenzita pro větší zařízení tohoto typu, lze je ale stavět v jižních oblastech Evropské unie nebo v severní Africe.

Solární teplo
Pomocí jednoduchého zařízení – solárního kolektoru – je možno získávat bez další dodávky paliv z fosilně atomových zdrojů teplou vodu. Na světovém trhu existují tisíce výrobků nejrůznějších typů a materiálového provedení, od plastových a skládacích až po celoměděné nebo kolektory ve formě montážních kompletů sloužících místo střešní krytiny.
V solárním zásobníku ohříváme teplou vodu solární energií, případně elektřinou nebo tepelnou energií z ústředního vytápění. Pak musí být solární zásobník vybaven dvěma výměníky tepla - jeden je napojen na okruh ústředního vytápění, druhý na solární okruh.
Podzemní zásobník musí být dostatečně velký, aby i v parném létě stačil akumulovat zachycenou energii.
Při běžné instalaci na střeše bez větší dlouhodobé akumulace umožňují solární kolektory získat ze slunečního svitu až 75% celoroční spotřeby teplé užitkové vody a až 45% roční spotřeby teplé vody pro vytápění. Zvětšením plochy kolektorů a akumulací tepla lze tento podíl zvýšit až na 100% celoroční spotřeby užitkové i otopné vody.

Solární architektura
Výstavba slunečních domů a celých slunečních aglomerací je nejdůležitějším úkolem současné rekonstrukce společnosti do solární podoby. Současný podíl energie potřebný pro domácnosti činí ve střední Evropě 40% z celkové spotřeby a je již prokázáno, že i méně příznivých klimatických podmínkách lze s úspěchem stavět a provozovat domy, které vyrobí více energie než spotřebovávají.
Jedním z nich je například dům Solar Plus architekta Rolfa Dische ve Freiburgu.
Takové domy již existují v oblastech, které nejsou na první pohled nijak klimaticky optimální – Dánsko, severní Skotsko. Do podoby energoautarkní stavby byla v poslední době rekonstruována budova dnešního Bundestagu v Berlíně.
Města mohou v budoucnu sloužit jako elektrárny.

Fotovoltaické články ( solární nebo fotoelektrické )
Dnes jsou fotovoltaické články nejrozšířenější způsob, jak získat elektřinu přímo ze Slunce. Původně byly vyvinuty pro kosmické družice. Dnes napájí i levné kapesní kalkulačky. Experimentálně se užívají i pro zásobování rodinných domků elektřinou, zejména v Rakousku a Švýcarsku. Také již pracuje několik "fotovoltaických" elektráren, zásobujících veřejnou síť.
Fotovoltaické články se uplatní především tam, kde není k dispozici elektřina ze sítě (horské chaty, samoty, lodě atd.).
Solární články pracují na principu, který objevil německý fyzik Heinrich Hertz ( 1857 – 1894 ). V roce 1887 si povšiml, že některé sloučeniny po vystavení světlu produkují elektřinu- jev byl pojmenován jako fotoelektrický. Fotoelektrické články jsou pokryty tenkou vrstvou křemene a vrstvou křemene a boru.
V roce 1981 se solárnímu letadélku podařilo přeletět kanál La Manche. Jmenovalo se Solar Challenger a jeho výkon byl 2,5 kilowattu, poháněnému 16 128 články.
V kosmu byla solární energie vyzkoušena na družici Vanguard v roce 1958. Od té doby solární zdroje napájejí každou kosmickou loď.
Ale pozor – již nyní se uvažuje o vybudování kosmické elektrárny, která by kroužila kolem Země ve výšce 35 km. Pomocí fotoelektrických článků by získávala energii, která by byla přenášena na Zem mikrovlnami a v měničích převáděna na elektřinu vhodnou pro rozvodní síť.

Solární vodík
Vodík vzniká elektrolýzou vody proudem získaným ze sluneční energie, je ideální možností jak skladovat energii. Je testován jako alternativní palivo do automobilů a letadel, kde má možnost nahradit stávající fosilní paliva.
Při nízkoteplotní oxidaci nezatěžuje vodík životní prostředí žádnými škodlivými zplodinami a je plynem, který má na kilogram nejvyšší spalné teplo. Lze jej skladovat a transportovat – a proto je předurčen jako způsob konzervace sluneční energie.

Výhody využití solárních zařízení
 slunce je nevyčerpatelným zdrojem energie.
 výhodou využití sluneční energie jsou nízké provozní náklady (sluneční energie je zdarma).
 vysoká životnost zařízení 15 - 20 let a jeho nenáročná obsluha.
 vyrobená energie ze slunečního záření může nahradit 20 - 50% potřeby tepla k vytápění a 50 - 70% potřeby tepla k ohřevu vody v domácnosti.
 významným přínosem je i úspora fosilních paliv, jejichž spalováním znečišťujeme přírodu emisemi SO2 , CO2 , NOx, prachových částic.
Nevýhody využití solárních zařízení
 sluneční energii nelze využít jako samostatný zdroj tepla. Pro celoroční využití je nutný doplňkový zdroj energie - zemní plyn, elektrická energie, kapalná paliva, atd. (kotel nebo akumulační zdroj energie v zásobníku tepla), který pokrývá zvýšenou potřebu v době, kdy je slunečního záření nedostatek.
Využití slunečního záření k přímé výrobě elektrické energie v místech, kde není k dispozici ze sítě. Elektrická energie je vyráběna pomocí fotovoltaických článků.

3.Využití VODY

Vodní elektrárny neboli hydroelektrárny jsou elektrárny, které k výrobě elektrické energie využívají pohybové energie průtokové nebo spádové vody.
princip: Proudící voda otáčí oběžné kolo turbíny a tím i rotor alternátoru na výrobu střídavého proudu. Alternátor poháněný vodní turbínou se nazývá hydrogenerátor.
V elektrárnách se používá zejména tří druhů turbín.
Kaplanova turbína, kterou zkonstruoval český vědec Viktor Kaplan, má oběžné kolo tvaru vrtule, jejíž lopatky se dají natáčet, a používá se pro malé, střední i větší spády vody.
Francisova turbína se používá pro střední a větší spády.
Peltonova turbína se používá zejména pro velké spády a její oběžné kolo tvoří soustava lžícových lopatek.
Vodní elektrárny dělíme na elektrárny průtočné, akumulační a přečerpávací:
a ) průtočné elektrárny - budují se v rovinných oblastech, kde lze vodní tok přehradit jen nízkými jezy a z hlediska množství vyráběné energie mají jen místní význam.
b ) akumulační elektrárny - pro nás nejdůležitější. K pohonu turbín využívají vody nahromaděné v rybnících, jezerech a především v umělých vodních nádržích vytvořených údolními přehradami. Nejmohutnější vodní nádrže s velkými elektrárnami jsou v ČR budovány zejména v povodí Vltavy ( přehrady, Slapy, Orlík, Lipno a jiné ) a na Slovensku v povodí Váhu ( přehrada Orava, Liptovská Mara a jiné ).
údaje:Pro představu několik údajů – první elektrárnou v povodí Vltavy byla Vranská přehrada, dobudovaná v roce 1936 jižně od Prahy; přehrada Orlík má hráz vysokou 92 metrů a její čtyři desetilopatkové turbíny mají celkový výkon 400 MW; elektrárna Lipno i s Francisovými turbínami je umístěna v žulové skále 160 metrů pod povrchem.
Nejmohutnější elektrárny jsou budovány v SSSR, z nichž uveďme např. známou elektrárnu Kujbyšev, která má 20 hydrogenerátorů s Kaplanovými turbínami s celkovým výkonem 2100 MW a elektrárnu Krasnojarsk o výkonu 6000 MW.
c) přečerpávací elektrárny - Jejich činnost lze stručněji popsat takto: elektrická energie roztáčí rotor alternátoru, alternátor pohání čerpadlo, čerpadlo přečerpává vodu do výše položené nádrže, v době zvýšené spotřeby elektrické energie se z naplněné nádrže vypouští zpět na turbínu, turbína pohání alternátor a alternátor vyrábí znovu elektrickou energii.
Zdá se to bít na první pohled nesmyslné, ale spotřeba elektrické energie kolísá. V pracovní době je spotřeba vyšší, v noční době naopak nižší. Elektrickou energii nelze hromadit, ani nemůžeme vytvářet její zásoby. A právě této přebytečné elektrické energie využíváme v přečerpávání vody do nádrží. V době zvýšené spotřeby naopak využíváme nahromaděné potenciální energie vody k výrobě elektrické energie.
výskyt: Jako příklad lze uvést přečerpávací elektrárnu ve Štěchovicích u Prahy, kde přečerpávací nádrž tvoří uměle vybudovaná nádrž v kopci nad elektrárnou, přečerpávací elektrárnu v Hojsově Stráži, kde se přečerpává voda do známého Černého jezera na Šumavě a přečerpávací elektrárnu v Dalešicích u Brna jež je známa svou mohutností.

Mořské vlny
Neustálé vlny na všech mořích světa jsou jedním z největších potenciálů sluneční obnovitelné energie. Jejich využívání je zatím ve fázi výzkumu a pilotních projektů, lze ale počítat s tím, že využitelnost poroste. Existuje několik typů zařízení – jedno je stabilně spojeno s dnem nebo pobřežím a využívá příboj, další jsou ukotvena na hlubší vodě a volně se pohybují na vlnách.
Příliv
Energie přílivu je vlastně energií Měsíce a nikoliv Slunce, ač se také jedná o obnovitelnou energii. Většinou se využívají na místech s vysokým přílivem – nad 10 metrů, tak, že se přehradí vhodně položený záliv. Využívání energie přílivu nemusí být za všech okolností bez problémů, známé jsou obtíže se zanášením zařízení a se zasolování půdy a proto nelze tento způsob získávání energie považovat za bezproblémový obnovitelný zdroj.
Energie mořských proudů
Ani tato možnost nezůstává bez povšimnutí. Všimněme si nejmohutnějšího mořského proudu, jímž je Golfský proud. Část tohoto proudu, který protéká mezi Floridou a Bahamskými ostrovy, má šířku 60 km, hloubku 800 a rychlost 0,9 m za sekundu.
OTEC
Ocean Thermal Energy Conversion je metoda využívající rozdílnou teplotu povrchové a hlubinné vrstvy mořské vody a pomocí uzavřeného oběhu nízkovroucího média nebo otevřeného okruhu vody, či jejich kombinace může vyrábět jak elektrický proud, tak čistou vodu. U Havajských ostrovů je instalováno experimentální zařízení, které pracuje mezi teplotami 30 C na povrchu a 7 C v hloubce 58 metrů a má výkon 35 kW.
Z globálního hlediska představuje systém OTEC značný potenciál, i když nelze vyloučit s větším nasazením určité lokální problémy při teplotním promíchávání dvou v podstatně nemísitelných vrstev mořské vody.
Výhody využití vodních elektráren
 vodní energie je obnovitelným nevyčerpatelným zdrojem energie.
 při výrobě nejsou produkovány žádné škodlivé emise (SO2, CO2, NOx, popel).
 přebytky vyrobené elektrické energie může výrobce prodávat do veřejné rozvodné sítě
Nevýhody využití vodních elektráren
 poměrně časově a finančně náročná předrealizační fáze.
 při stavbě nového vodního díla je nutné vynaložit poměrně vysoké investiční náklady.
 poměrně složitá obsluha a údržba zařízení.

4.Využití TERMÁLNÍCH PRAMENŮ

S klesající vzdáleností od zemského jádra se teplota snižuje. Jaderné reakce, vyvolané rozpadem radioaktivních prvků nepřetržitě zahřívají jádro Země na 4000° C. To způsobuje, že na dně hlubinných dolů, je větší teplo, než v jejich horních patrech.
Na některých místech pod zemským povrchem jsou horniny sálající teplo a díky nim se tvoří horké prameny a gejzíry, nebo páry unikající ze země, které se využívají pro výrobu elektřiny.
První geotermální elektrárna byla vybudována v roce 1904 u města Larderello v severní Itálii, kde ze země utíkala při teplotách 140° - 260° C pára. Ta se odvedla a použila pro pohon elektrických generátorů.
Na Novém Zélandu, Filipínách, v Kalifornii a v Mexiku byly geotermální elektrárny postaveny na místech s přírodním únikem zemského tepla, ale ve většině případů se místo musí zpřístupnit vrtáním.. V některých případech nemusí jít ani o kapalný stav a postačí horké horniny. Jejich teplo se odebírá v podobě vodní páry, která se tvoří nucenou cirkulací okolo nich.
Nedávný test jednoho zdroje energie- granitové horniny- ukázal, že v Cornwallu 1980 m pod zemí dosahují teplot okolo 70°C.
Využití zdroje geotermální energie začíná tím, že se vyhloubí dva vrty, do kterých se čerpá voda. Ta prvním vrtem proudí do skály, protéká jejími štěrbinami a druhým vrtem se vrací zpět na zemský povrch. Uvnitř skály se voda zahřívá až na 200°C. Přechodem do atmosférického tlaku se voda přemění na páru a pohání turbíny.
Tyto granitové horniny v Cornwallu mohou postihnout tolik energie jako veškeré zásoby uhlí ve Velké Británii.
V geotermální energii nachází zalíbení stále více zemí. V Novém Mexiku byla elektrárna otevřena nedávno a francouzsko-německý projekt se realizuje poblíž Štrasburku.

5.Tepelná čerpadla
Tepelné čerpadlo pracuje jako lednička – pomocí dodané elektrické energie odebírá teplo chladnějšímu zásobníku ( tekoucí podzemní vodě, či vzuchu ) a předává je teplejšímu ( otopnému médiu ). Pro sluneční energetiku má smysl pouze tehdy, je-li napájeno obnovitelným zdrojem elektrické energie. Umožní hospodárněji využít nízkopotenciální teplo pro vytápění při vyšší teplotě – což znamená úsporu nákladů, materiálů a zařízení. Nejběžněji lze získat asi 3 krát více tepla, než ze systému dodá ve formě elektrické energie.
Pakliže je tepelné čerpadlo provozováno elektrickým proudem z fosilně atomového systému, je sice výhodnější než elektrický přímotop, ale z hlediska dlouhodobé stability civilizace žádnou výhodu nepřináší.
Rozdělení tepelných čerpadel
Nejčastěji se tepelná čerpadla rozdělují podle druhu ochlazovaného/ohřívaného média.
 vzduch / voda
 vzduch / vzduch
 voda / voda
 solanka / voda
 voda / vzduch

Výhody využití tepelných čerpadel
 Při optimálním využití tepelného čerpadla pro přípravu TUV a vytápění domácnosti se tepelné čerpadlo v průběhu roku podílí 60 - 70% na celkové výrobě tepla.
 Přínosem využití tepelného čerpadla je značná úspora energie vyrobené z pevných a plynných paliv.
 S úsporou energie vyrobené s použitím fosilních paliv souvisí i snížení množství emisí škodlivých látek do ovzduší (SO2, CO2, NOx, prachových částic).
Nevýhody využití tepelných čerpadel
 Návratnost vložených finančních prostředků je závislá na cenové úrovni použitého paliva před instalací tepelného čerpadla a na druhu a kapacitě nízkopotencionálního zdroje tepla (vzduch, voda, půda, odpadní teplo).

6.Obnovitelná biomasa
Biomasa je organická hmota rostlinného nebo živočišného původu. Je získávána jako komunální odpad ze zemědělské a průmyslové činnosti,. Je nejstarším lidmi využívaným zdrojem energie a má obnovitelný charakter. Efektivní a ekologické využití biomasy má minimální negativní vliv na životní prostředí.
Biomasu je možné využívat přímým spalováním i k výrobě ušlechtilých paliv, které podstatně méně zatěžují životní prostředí než klasická paliva ( černé, hnědé uhlí, lignit, ropa, …) Jsou dobře skladovatelná a následně využitelná v klimaticky nevýhodných obdobích.
Výroba biomasy je pro životní prostředí spíše přínosem ( likvidace odpadů, zalesňování nevyužité a často nevyužitelné půdy ), než dobývání fosilních paliv.
V České republice jsou vzhledem k velké rozloze půdy, která je využívána k zemědělským a lesnickým účelům ( asi 87% z celkové rozlohy), dobré podmínky pro energetické využití biomasy.
Oproti některým evropským státům ( např. Rakousku, Nizozemí, Dánsku a Německu) jsou u nás velké rezervy ve využití biomasy v komunální energetice, domácnostech, průmyslu, zemědělství.
Výhody využití biomasy
 Biomasa má jako zdroj energie obnovitelný charakter.
 Pěstováním energetických plodin je možné využívat přebytečnou zemědělskou půdu. Půdy, které se nehodí nebo nejsou potřebné k potravinářské výrobě.
 Likvidace odpadů, zbytek po zpracování lze využít jako hnojiva.
 Spalování pevných komunálních odpadů (na jednu osobu připadá cca 500 – 800 kg pevných odpadů za rok).
 Energetické využití biomasy má menší negativní dopady na životní prostředí.
Nevýhody využití biomasy
Závisí na typu biomasy.
 Větší obsah vody a tudíž nižší výhřevnost (dřevní hmota).
 Větší objem paliva, vyšší nároky na skladovací prostory.
 Nutnost úpravy paliva (sušení, tvarování, atd.) vyžadují investice do nových zařízení.
 Poměrně složitá manipulace s palivem ve srovnání s plynem, elektřinou, LTO.
 Nutnost likvidace popela.
 Lokální využití paliva.

Obnovitelné zdroje pochopitelně omezují přírodní a ekonomické podmínky. Například my nikdy nebudeme mít tolik větrných elektráren jako Dánsko, malých vodních jako Rakousko nebo solárních jako Kalifornie. Rovněž v dohledné době nepokryjí naši spotřebu. U nás se jeví perspektivním především spalování biomasy, které zároveň může vytvořit důležitý zdroj příjmů pro zemědělce.
Uspokojit lidstvo elektrickou energií není jednoduché. Skutečně není a výroba elektrické energie bude jedním z nejvážnějších úkolů lidstva v budoucnu.