Obnoviteln zdroje energie I Michal Kabrhel Ing Ph

Obnovitelné zdroje energie I. Michal Kabrhel, Ing. , Ph. D.

České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov Obnovitelné zdroje energie část I. Ing. Michal Kabrhel, Ph. D. 2

Obsah část I. • Pojmy • Obnovitelné zdroje energie • Solární kolektory • Fotovoltaické články • Tepelné čerpadlo 3

Pojmy Trvale udržitelný rozvoj – hospodářský a společenský pokrok s plnohodnotným zachováním životního prostředí Kyótský protokol – závazek snižování emisí skleníkových plynů Alternativní zdroje energie – zdroje energie poskytující alternativu ke zdrojům tradičním, využívajícím fosilní paliva OZE – obnovitelné nefosilní zdroje energie (vítr, sluneční energie, geotermální energie, energie vln a přílivu, energie vody, biomasa, plyn ze skládek, z čistíren odpadních vod a bioplyny) Energetická politika EU – začleněno do dalších odvětví (obchod, průmysl EU), regulace vlivem politiky životního prostředí, vnitřního trhu a obchodní politiky. Zvlášť řešena energie jaderná. Povolenky produkce CO 2 do ovzduší Cíle: snižování závislosti na dovozu energie, efektivní využívání vlastních zdrojů, bezpečnost, konkurenceschopnost, udržitelnost 4

Pojmy Fosilní paliva (uhlí, ropa, zemní plyn) nejsou OZE, neboť při jejich spalování dochází k uvolňování CO 2 do ovzduší a jejich vznik je podmíněn dlouhodobými procesy. Žádný zdroj energie není zcela obnovitelný, na provoz technických zařízení je vždy třeba využít určitou neobnovitelnou surovinu. 5

Legislativa • Zákon 406/2000 Sb. (2006) o hospodaření energií • Vyhláška 214/2001 Sb. Vyhláška Ministerstva průmyslu a obchodu, kterou se stanoví vymezení zdrojů energie, které budou hodnoceny jako obnovitelné • Vyhláška 148/2007 Sb. O energetické náročnosti budov souvislost s OZE • Zákon 17/1992 Sb. o životním prostředí se změnami danými zákonem č. 123/1998 Sb. a zákonem č. 100/2001 Sb.

17/1992 Sb. o životním prostředí § 7 Přírodní zdroje Obnovitelné přírodní zdroje mají schopnost se při postupném spotřebovávání částečně nebo úplně obnovovat, a to samy nebo za přispění člověka. Neobnovitelné přírodní zdroje spotřebováváním zanikají. Primárním zdrojem energie je energie slunce. Obnovitelnost některých zdrojů může být sporná (v textu chybí výraz nefosilní). Fosilní paliva (uhlí, ropa, zemní plyn) nejsou OZE, neboť při jejich spalování dochází k uvolňování CO 2 do ovzduší a jejich vznik je podmíněn dlouhodobými procesy. Žádný zdroj energie není zcela obnovitelný, na provoz technických zařízení je vždy třeba využít určitou neobnovitelnou surovinu.

Vyhláška 214/2001 Sb. • • Obnovitelné zdroje energie pro výrobu elektřiny: a) vodní energie v zařízeních do 10 MWe, b) sluneční energie, c) větrná energie, d) biomasa v zařízeních do 5 MWe, e) bioplyn, f) palivové články, g) geotermální energie.

Vyhláška 214/2001 Sb. • • • Obnovitelným zdrojem pro výrobu tepelné energie: a) sluneční energie, b) geotermální energie, c) biomasa v zařízeních do 20 MWt, d) bioplyn, e) palivové články.

Obnovitelné zdroje energie (OZE) „Nejde jen o to energii vyrobit ale také ji využít“ Slunce → jaderné přeměny → sluneční záření → působení na Zemi Solární energie - využívání dopadajícího slunečního záření (kolektory, fotovoltaika). Vodní energie - potenciální energie vody (koloběh vody), energie vln, přílivu. Větrná energie - energie větru Geotermální energie - jaderné přeměny v jádru země 10

Solární energie • Celkové sluneční ozáření: –jasný slunečný den léto 800 – 1 000 W/m 2 –lehce zataženo 400 - 700 W/m 2 –silně zataženo 100 - 300 W/m 2

Solární energie Systémy pro využití solární energie Fototermální Pasivní Fotoelektrické Aktivní 12

Aktivní využití solární energie Ohřev vhodného teplonosného média - kolektory kapalinové, vzduchové Solární jímač (absorbér, kolektor, armatury) + akumulátor Druhy solárních systémů: High flow system (systém s vysokým průtokem) - průtok 30 -70 l/h. m 2 kolektoru, ohřev média o 8 -12°C, vhodné pro menší solární soustavy, pozvolné ohřívání zásobníku Low flow system (systém s nízkým průtokem) - průtok 8 -15 l/h. m 2 kolektoru, ohřev média až o 50°C, vhodné v kombinaci se stratifikovaným zásobníkem, nutné vychlazení zpátečky, úspory na čerpací práci a účinnosti až 20% Matchet flow system (kombinovaný systém) - průtok 10 -40 l/h. m 2 kolektoru, kombinace předchozích systémů Drain back - systém, kdy médium z kolektorů vyteče do zásobní nádrže, pokud nedochází k jeho ohřívání, lze použít čistou vodu 13

• • • • • 1 -solární kolektor, 2 -solární zásobník (trivalentní), 3 -kotel ústředního vytápění, 4 -elektronická regulace solárního systému, 5 -elektrické topné těleso, 6 -výměník tepla okruhu ústředního vytápění, 7 -výměník tepla solárního okruhu, 8 -teploměry, 9 -manometr, 10 -expanzní nádrž, 11 -oběhové čerpadlo, 12 -pojišťovací ventil, 13 -odvzdušňovací ventil, 14 -výstup teplé vody, 15 -uzavírací ventily, 16 -zpětná klapka, 17 -plnicí kohout, 18 -vstup studené vody z vodovodního řadu. • Pozice č. 8, 9, 10, 11, 12, 16 spolu s průtokoměrem jsou na solární instalační jednotce. 14

Aktivní využití solární energie Plochý kolektor - nejběžnější typ kolektoru - 1 m 2 kolektoru = 300 -500 k. Wh/a - v podmínkách ČR vhodné zejména pro ohřev TV (úspora až 80%), možné vytápění (až 30%). 15

Aktivní využití solární energie Trubkový kolektor - vysoká účinnost, vyšší teploty až 200°C - 1 m 2 kolektoru = 400 -700 k. Wh/a - vyšší energetický zisk v přechodném období - lehká konstrukce 16

Aktivní využití solární energie Plochý kolektor s plastovým absorbérem zejména pro dohřev vody v bazénu.

Vzduchový solární systém • Horkovzdušný kolektor • především pro vysoušení, možné i temperování • pohon ventilátorem

Příprava TV - 2 zásobníky 19

Příprava TV, ohřev bazénu 20

Pasivní využití solární energie - solární okno - skleník (zimní zahrada) - akumulační stěna TROMBE 21

Fotoelektrické systémy Fotovoltaické panely Nízká účinnost, velká spotřeba Si, proměnlivý výkon 22

Fotoelektrické systémy Zapojení do sítě Autonomní systém Organické PV články - výhodnější ekologie výroby, schopnost pracovat i s menším množstvím světla, předpokládána nižší cena, barevnost, průhlednost 23

Tepelné čerpadlo • Tepelný stroj umožňující využití nízkopotenciálního tepla okolí pro energetické systémy budov • Výparník-kompresor-kondenzátor-škrtící ventil • Kompresorové x absorpční 24

Tepelné čerpadlo Typy TČ • TČ s pístovými kompresory - levnější, hlučnější, nižší topný faktor. Životnost 15 let. • TČ se spirálovými kompresory scroll - jsou dražší, nejlepší topný faktor, nejpoužívanější typ. Životnost kompresoru scroll min. 20 let. • TČ s rotačními kompresory - u klimatizačních zařízení a levnějších TČ. • Absorpční tepelná čerpadla - pracují bez kompresoru, nehlučná, pro vytápění se používají výjimečně, použití u klimatizačních zařízení. 25

Tepelné čerpadlo Topný faktor • Vyjadřuje poměr dodaného tepla k množství spotřebované energie (2 -5). ε = Q/E Q = teplo dodané do vytápění [k. Wh] E = energie pro pohon TČ (pozor na oběhová čerpadla) [k. Wh] 26

Tepelné čerpadlo • vhodná kombinace s nízkoteplotním systémem vytápění • nejčastěji jako bivalentní zdroj tepla - doplnění např. elektrokotlem, TČ pokrývá 50 -70% max. tepelného výkonu, lze řešit i přípravu TV. • nutná kapacita elektrické přípojky • max. teplota 55°C • možnost částečného chlazení interiéru v letním období 27

Tepelné čerpadlo Zdroj energie • Okolní vzduch – Levnější varianta, výměník vně objektu, nutné velké množství vzduchu - vyšší hlučnost - nároky na umístění, funkce do cca -12°C, nebezpečí namrzání výměníku. • Odpadní vzduch – Výhodný zdroj tepla, pokud je v dostatečném množství. • Podzemní voda – Voda se odebírá ze sací studny a po ochlazení se vypouští do vsakovací studny nebo vodoteče (platba stočného). Zdroj podzemní vody musí být dostatečně vydatný (přibližně 15 -25 l/min pro TČ s výkonem 10 k. W). • Hlubinné vrty – teplo hornin v podloží. Vrty hluboké až 150 m, rozteč min 1015 m. Na 1 k. W výkonu tepelného čerpadla je potřeba 12 až 18 m hloubky vrtu, podle geologických podmínek. Stálá teplota zdroje tepla, nutný hydrogeologický průzkum. vzduch-voda-vzduch-vzduch 28

Tepelné čerpadlo Zdroj energie • Povrchová voda – Voda v toku nebo rybníku, výměník ve vodě, na břehu. Pozor na teploty v zimním období. • Půda – Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z plastového potrubí (např. PE) plněného nemrznoucí směsí, v nezámrzné hloubce, rozteč cca 0, 6 m. Na 1 k. W výkonu tepelného čerpadla je pak potřeba 5 až 8 metrů délky výkopu při sezónním využití. Ochlazování půdy. voda-voda 29

Zapojení zdroje tepla 30

Zapojení zdroje tepla Zapojení umožňuje práci zdroje v optimálních podmínkách a přerušovaný chod zdroje s přestávkami v řádu dnů. Průtočný ohřev TUV je ve srovnání se zásobníkovým příznivý z hlediska stagnace TUV (legionella). 31

Zapojení zdroje tepla. Bivalentní zdroj – tepelné čerpadlo s nízkoteplotními kolektory. Teplovodní vytápění, průtočný ohřev TUV. Použití teplotně stratifikovaného zásobníku umožňuje využití nízkopotenciálního tepla kolektorů k předehřevu teplé vody. 32

Zapojení zdroje tepla. Teplovzdušné vytápění/větrání Přímý ohřev vzduchu ve vzt jednotce (vzduch-vzduch) – parametry…? Nepřímý ohřev vzduchu pomocí vody TČ→voda v zásobníku→vzduch Zpětné získávání tepla z odpadního vzduchu 33

Děkuji za pozornost… 34