Obnoviteln zdroje energie II Michal Kabrhel Ing Ph

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

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

Obsah část II. • Geotermální energie • Biomasa + bioplyn • Palivové články • Kogenerace • Energie větru • Energie vody 3

Geotermální energie Zdroj tepla: vznik planety, rozpad radioaktivních látek Využitelnost: zásobování teplem výroba elektřiny (ohřev > 150°C), zásobníky tepla 4

Geotermální energie Nízkoteplotní geotermální energie (pod 100°C) - využitelná téměř všude, nutné respektovat lokální podmínky Výměník, tepelné čerpadlo Středně teplotní (100 - 150°C) - využívají se na výrobu elektrické energie nepřímo - teplá voda nebo pára předá tepelnou energii jinému mediu, které pak pohání turbíny Vysokoteplotní geotermální energie (nad 150°C) - nutné podrobné technicko ekonomické posouzení, výroba elektřiny, kogenerace 5

Tepelný tok 6

Geotermální energie 7

Biomasa je hmota organického původu. Hlavní přínosy: • redukce skleníkových plynů • snížení závislosti na dovozu • regionální rozvoj Způsoby získávání energie Termochemická přeměna – spalování, zplynování. Výhřevnost závisí na obsahu vody (w=50% výhřevnost je poloviční ve srovnání s w=10% cca 16 MJ/kg) Biochemická př. – fermentace, anaerobní vyhnívání. 8

Biomasa Záměrně pěstovaná -obilí, olejniny -energetické rostliny a dřeviny Odpadní produkty -rostlinné zbytky -organické odpady Spalování-hlavně rostlinná biomasa z rostlin a dřevin Brikety, pelety, dřevní štěpka, palivové dřevo, piliny, seno, sláma, energetické byliny 9

Biomasa Pelety Slisované piliny a hobliny v podobě malých válečků. Umožňují automatizovat dopravu paliva do kotle. Dřevo, dřevní brikety Fytopaliva Výběr vhodných plodin - energetická výtěžnost, biodiverzita, obslužnost běžnou zemědělskou technikou, účinnost spalování+škodliviny ve spalinách, legislativa. Rychlerostoucí dřeviny Topoly, vrby, olše. Využitelnost po 8 letech, životnost 15 -20 let. Možnost spalování v běžných kotlích. Nejedná se o zemědělskou půdu. 10

Biomasa Energetické rostliny Zejména energetické byliny. Vyšlechtěné byliny, např. šťovík. Sklizeň od 2. roku každý rok. Životnost 10 let. Cena energie cca 100 Kč/GJ. 11

Biomasa Spalování biomasy Lokální topidla – dřevo- krby, krbová-kachlová kamna. Výkon 7 k. W, spotřeba paliva 3, 6 kg/h, doba hoření 3 h. Akumulační, teplovzdušná. 12

Biomasa Kotle pro ústřední vytápění – dřevo, brikety, štěpka, pelety. Výkon do 100 k. W. Automatický kotel Kotel na dřevo 45 k. W, na pelety, výkon do účinnost 85% 20 k. W Zplyňovací kotel na dřevo 99 k. W, účinnost 85 -90% 13

Doprava pelet do kotle Šnekový dopravník, pneumatická 14

Biomasa Automatické kotle – umožňují spalovat i méně kvalitní paliva jako jsou dřevní štěpka, sláma, kůra. Kotle vhodné zejména pro CZT. Náklady na výstavbu zdroje tepla jsou investičně závislé na dostupnosti vhodného zázemí. Provozní náklady pak na dostupnosti paliva a případně nutnosti jeho dopravy. 2, 7 MW Deštné 15

Bioplyn Nejrychleji se rozvíjející oblast v ČR, dříve spojeny především s ČOV. Kompostování zemědělského a komunálního odpadu. Oddělení frakcí-fermentor (ohřev na cca 40°C) bakterie rozkládají odpad-výroba bioplynu a hnojiva, odpad je nutné hygienizovat. 16

Bioplynová stanice Výtěžnost: 10 k. W=1 ha plantáže bylin 1 k. W=cca 10 dobytčích jednotek Možno zpracovat všechnu biologickou hmotu mimo dřeva. Kogenerační jednotky bioplynových stanic-nutné zajistit vhodné složení bioplynu. Při využití kogenerace nutno najít účelné využití tepla v letním období. 17

Bioplynová stanice Likvidace kejdy z chovu skotu. vyhnívací nádrž Kladruby (Rokycany) 18

Bioplynová stanice BCM metoda Zpracování bioplynu na zemní plyn v požadované kvalitě a CO 2. Vyráběn může být methan, soda, CO 2. Nejvhodnější metoda závisí na množství zpracovávaného bioplynu. 19

Kogenerace KVET-kombinovaná výroba elektrické energie a tepla (CHP) Jedná se zpravidla o přeměnu primární energie na energii elektrickou tak, aby bylo možné využít odpadní teplo. Podmínkou využití KVET je celoroční zajištění odběru tepla v blízkosti zdroje (např. příprava TV, technologie, vytápění). Do budoucna nutno počítat s využíváním různých paliv. Teplárny v blízkosti měst, elektrárny v blízkosti zdroje paliva. Trigenerace, výroba chladu. 20

Kogenerace Porovnání spotřeb energie 21

Kogenerace Technologie zdrojů KVET: • Parní protitlaková turbína • Parní odběrová turbína • Plynová turbína s rekuperací tepla • Paroplynové zařízení s dodávkou tepla • Spalovací pístový motor • Další technologie – mikroturbína, Stirlingův motor, palivový článek, parní stroj, organický Rankinův cyklus a kombinace uvedených technologií a zařízení 23

Kogenerace Parní protitlaková turbína Přeměna energie páry na mechanickou práci (roztočení lopatek turbíny). Pokles tlaku a teploty páry-zvětšení objemu páry Protitlaká turbína-na posledním stupni turbíny je tlak vyšší než atmosférický (100 k. Pa). Paroplynové cykly-jedná se o spojení parní turbíny a plynové turbíny. 24

Kogenerace Parní odběrová turbína Mezi prvním a druhým stupněm turbíny se část páry využívá pro teplárenské účely. Neodebraná pára kondenzuje. Plynová turbína s rekuperací tepla V podstatě proudový motor s využíváním energie spalin. Lopatkový kompresor stlačuje vzduch, dochází k ohřevu spalinami a k expanzi v prostoru turbíny. 25

Kogenerace Spalovací pístové motory Motor spalující levné palivo s přeměnou mechanické práce na elektrickou energii v generátoru a s využitím vznikajícího tepla. Nejběžněji využito v malých a středních kog. jednotkách- nemocnice, sportovní haly, bazény, obchodní a administrativní centra, ČOV, bioplynové stanice, okrskové kotelny. Provedení od malých 2 -válcových kompaktních motorů až po oddělené 18 -válcové umístěné z důvodu hluku v samostatných prostorách. 26

Kogenerace Spalovací pístové motory Odvod tepla běžně 2 stupňový-předehřev olej/voda a dohřev výfukové plyny/voda Vyráběné teplo má omezenou teplotu (100°C). Vhodné ve spojení s akumulátorem tepla-není nutné maření tepla při potřebě elektřiny. Snížení výkonu nemá výrazný vliv na snížení účinnosti. 27

Kogenerace Další technologie KVET • Mikroturbína - vysokootáčková plynová turbína (10 -100 k. W), rychlost, nízká hmotnost, účinnost 80% (elektřina 30%), vyšší cena, poměr výroby elektřina/teplo ½ • Stirlingův motor (teplovzdušný motor) - motor s uzavřeným vnitřním prostorem, možnost využití jakéhokoliv paliva, levný provoz, životnost, nízká hlučnost, nyní vyšší cena 28

Kogenerace • Parní stroj - využití k redukci páry pára přiváděna do pístů princip znám z historických strojů • Organický Rankinův cyklus Pro nižší teploty je výhodnější využití organických látek místo vody-jednodušší turbína, látky známé z chlazení (obrácený R. cyklus)-freony, alkany, aromatické uhlovodíky 29

Kogenerace Výhled do budoucnosti: Využití plynových motorů pro KVET Rozšiřování palivových článků pro KVET zejména pro administrativní budovy, centrální kotelny. Rozšiřování KVET v zemědělství a dřevozpracujícím průmyslu. 30

Palivový článek Výroba elektrické energie a vznik tepla změnou chemické energie paliva. Dochází k přívodu paliva k anodě a okysličovadla ke katodě. Palivo-vodík v kapalném nebo plynném stavu, paliva obsahující vodík. Tichý proces, nízká zátěž životního prostředí, účinnost 85%, elektřina/teplo=1/1, 2. Využití při vytápění, v kogeneračních jednotkách malých výkonů, při pohonu automobilů. 31

Palivové články Typy článků dle provozní teploty a elektrolytu: Alkalické články (AFC) - nejstarší typ, vysoké nároky na čistotu paliva a okysličovadla, drahý provoz. Články s polymerovou membránou (PEMFC) - vhodné pro automobily, pracovní teplota 60 -80°C, perspektivní i pro vytápění. Články s kyselinou fosforečnou (PAFC) - nejrozšířenější, připraveno pro komerční využití, 150 -220°C, kogenerace. Karbonátové články (MCFC) - ověřovací provoz, články 2. generace, teplota 650°C, pro průmyslové aplikace. Články s pevným elektrolytem (SOFC) - demonstrační provoz, teplota až 1000°C, velké zdroje energie, elektrárny. 32

Palivový článek dodává 4 k. W elektrické a 9 k. W tepelné energie. Vyrobená energie se používá pro vytápění, ohřev teplé vody a dodávku elektřiny. Palivem je zemní plyn. 34

Energie větru Větrné elektrárny s vodorovným rotorem Malé výkony - synchronní generátor-stejnosměrné napětí 12 V nebo 24 V Velké výkony - asynchronní generátor 660 V Značně proměnlivý výkon-nutný transformátor pro vyrovnání napětí Protivanov výkon 1, 5 MW 35

Energie větru Větrná elektrárna s výkonem 55 k. W 400 V, pracovní rozsah 3, 5 -25 m/s Větrná elektrárna s výkonem 8 k. W 230/400 V, pracovní rozsah 2, 5 -25 m/s 36

Energie větru hluk, krajinný ráz X výroba elektřiny, relativně příznivé ekonomické podmínky cena 30 -60 tis Kč/k. W jmenovitého výkonu 37

Energie větru X 38

Vodní energie Výroba elektrické energie-MVE výkon do 10 MW Vodní dílo-vodní stroj-generátor elektrické energie Stabilní výkon zdroje Možnost havárie Nutnost údržby toku 39