Vroba tepla z konvennch a obnovitelnch zdroj Ing

Výroba tepla z konvenčních a obnovitelných zdrojů Ing. Milan Říha, Ph. D.

Příklad otázky k závěrečným učňovským zkouškám Téma č. 29 – Výroba tepla z konvenčních a obnovitelných zdrojů Zadání Výroba tepla z konvenčních a obnovitelných zdrojů • Vysvětlete rozdíl mezi konvenčním a obnovitelným zdrojem tepla Uveďte, jaké konvenční zdroje energie pro výrobu tepla se u nás používají • Popište, jak se vyrábí teplo v konvenčních zdrojích tepla • Uveďte podmínky, za jakých lze teplo v konvenčních zařízeních vyrábět Uveďte, jaké obnovitelné zdroje energie pro výrobu tepla se u nás používají • Popište, jak se vyrábí teplo ze sluneční energie • Vysvětlete, co je geotermická energie a jak z ní lze získat teplo • Vysvětlete, co je biomasa § Popište, jak se rozděluje biomasa § Vysvětlete, jak z ní lze získat teplo Uveďte, jak se získává bioplyn a jak z něj lze získat teplo 2

Rozdíl konvenční a obnovitelné zdroje tepla Obnovitelná energie je energie vyrobená z obnovitelných zdrojů, které se v lidském časovém měřítku přirozeně obnovují, na rozdíl od neobnovitelných (konvenčních) zdrojů energie, jako jsou například fosilní paliva, která se neobnovují v lidském časovém měřítku a jsou tedy vyčerpatelné. 3

Kogenerace – jedná se o současnou výrobu více druhů energie – obecně bývá uváděno, že jde o kombinovanou výrobu elektřiny a tepla. Systém zajišťující výrobu a dopravu elektrické a tepelné energie v požadovaných parametrech spotřeby se nazývá kogenerační systém. Jako nový trend ve využití kogeneračních jednotek (KJ) se v současné době objevuje pojem TRIGENERACE – kombinovaná výroba elektřiny, tepla a chladu (chlad je využíván pro účely klimatizace, převážně komerčních budov). 4

Vytápěcí systémy: 1) lokální vytápění – používají se topidla umístěná v jednotlivých místnostech. Mohou to být kachlová kamna na dřevo, plynová topidla nebo elektrické konvektory. Tento způsob vytápění je výhodný spíše v malých bytech nebo domech (o jedné až dvou místnostech). 2) ústřední vytápění – je výhodné tam, kde je větší počet místností, protože radiátory zaberou méně místa než lokální topidla (u podlahového nebo stěnového vytápění nezaberou vlastně žádné místo) a také zpravidla celý systém vyjde levněji než je součet cen jednotlivých lokálních topidel. Ústřední vytápění může být realizováno jako: a) klasické ústřední topení; b) nízkoteplotní vytápění; c) teplovzdušné vytápění. 5

Porovnání nákladů na vytápění RD při spotřebě 65 GJ ročně 6

Kamna jsou tepelné zařízení, které se používá k vytápění nebo vaření. Jsou vyráběna z litiny, kamene nebo jiných nehořlavých materiálů. Teplo v kamnech vzniká spalováním paliva, tedy chemickým procesem jeho oxidace, kdy je uvolňována chemická energie vázaná v palivu. Kouř (spaliny) a další produkty hoření jsou odváděny do komína a odtud pak ven do ovzduší, nespalitelné zbytky paliva (popel) propadají do popelníku ve spodní části. Popelníková dvířka bývají opatřena nastavitelnou clonou k regulaci tahu. Jako palivo slouží: 1) dřevo; 2) uhlí; 3) koks. 7

Naftová kamna Klasická naftová kamna jsou s ohledem na cenu nafty spíše minulostí. Zatápělo se v nich tak, že na hladinu nafty v kotli se musel nastříkat líh, který se zapálil, ten zahřál hladinu nafty, která se po chvílí vznítila. Výhodou byla snadná regulace a komfort při obsluze. 20 litrů paliva vystačilo na víkendové vytápění rekreační chaty o čtyřech místnosti na celý víkend. Při dřívější ceně nafty 0, 50 Kč za litr to bylo jedno z možných řešení vytápění a to zejména v jarních a podzimních měsících. V současné době se naftové topidla využívají např. při vysoušení místností po povodních, kdy není k dispozici elektrický proud. 8

Teplomet (přímotopné těleso) Teplomet je technické zařízení určené k přímému vytápění místností a dalších prostor určených pro delší pobyt lidí. Ze zařízení je vyzařováno infračervené záření, které se mění na teplo. Teplomet může být konstruován jakožto plynový nebo elektrický, který je napájen z běžné elektrorozvodné sítě. Plynové teplomety mohou být zkonstruovány jako přenosné, neboť mohou být založeny na propan-butanu z malé tlakové láhve, takové teplomety pak lze použít např. při pobytu v přírodě (např. chatařství, táboření, sportovní rybolov apod. ). 9

Klasické ústřední topení – daleko nejběžnější jsou systémy, kde přenos tepla mezi kotlem a radiátory zajišťuje cirkulující voda. Výhodou vody jako média je její vysoké měrné teplo a tudíž i malé průřezy trubek termostatická hlavice litinový radiátor plechový radiátor termostat 10

Topný kotel je zařízení, v němž se spalováním tuhých, kapalných, nebo plynných paliv vyvíjí teplo, kterým se ohřívá teplonosná látka. Podle druhu paliva se kotle dělí na: 1) kotle na tuhá paliva (dřevo, uhlí, koks); 2) kotle na plynná paliva (hlavně zemní plyn); 3) kotle na kapalná paliva; 4) elektrokotle. 11

Koks je pevný uhlíkatý zbytek odvozený z nízkopopelového, nízkosirného černého uhlí, ze kterého jsou odstraněny prchavé složky v peci s oemzeným přístupem kyslíku při teplotách nad 1000 °C. Provoz na výrobu koksu se nazývá koksárna nebo taky koksovna, proces jeho výroby se nazývá karbonizace. Koks z uhlí je šedý, tvrdý a pórovitý a má výhřevnost 29, 6 MJ/kg. Jako palivo pro vytápění a výrobu teplé užitkové vody je koks povolen jako jediné tuhé palivo i v centrech měst, protože jeho spálením vzniká prakticky pouze CO 2 a proti jiným tuhým palivům má relativně nízkou prašnost. I přes to je ale nahrazován plynovým vytápěním, které má podle jeho prodejců tyto parametry výrazně lepší. 12

Pelety Peleta je obvykle malý, slisovaný kousek libovolné hmoty nejčastěji válcovitého tvaru. Pelety se používají jako náhrada fosilních paliv. Dřevěné pelety se vyrábějí lisováním dřevěných pilin a hoblin jako vedlejší produkt při zpracování dřeva. Vyznačují se extrémní hustotou a nízkým obsahem vody. Používají se jako kvalitní ekologické palivo. Obsah vody je důležitým parametrem pro výhřevnost paliva i dlouhodobé opotřebení kotlů, proto by vstupní materiál měl být před vlastní peletizací vhodně dosušován v sušárnách. 13

Kotlíkové dotace 2015 - 2020 Na nové kotlíkové dotace půjde do krajů 9 miliard. V první výzvě, která byla v mnoha krajích vyhlášena byly rozděleny 3 miliardy korun. Na výměnu starého kotle za peletový stát přispěje žadatelům částkou až 127 500 Kč. Ministerstvo životního prostředí zveřejnilo rámec podmínek kotlíkových dotaci, které budou nově hradit evropské fondy. Výše podpory: Kotel výhradně na uhlí Kombinovaný kotel (uhlí + biomasa), plynový kotel Kotle výhradně na biomasu a tepelná čerpadla 70 % 75 % 80 % + dalších 5 % pro oblasti se zhoršenou kvalitou ovzduší (dle seznamu měst a obcí se znečištěným ovzduším). 14

Kontroly kotlů Podle přijatého zákona o ochraně ovzduší (z. č. 201/2012 Sb. ) musela být kontrola kotlů na tuhá paliva, které mají příkon 10 až 300 k. W, provedena nejpozději do 31. 12. 2016. Na požádání pak byla povinnost vlastníka nemovitosti předložit protokol o kontrole příslušnému obecnímu úřadu. Kotel musí splňovat podmínky alespoň třetí emisní třídy. Tomu, kdo si kontrolu nenechal provést hrozí pokuta až do výše 20. 000 Kč. Další kontroly už pak budou povinné vždy jednou za dva roky. 15

Nízkoteplotní vytápění – může mít formu podlahového nebo stěnového topení, díky velké ploše, která je vyhřívána, stačí nízká teplota topné vody, což je velmi výhodné při použití tepelného čerpadla, kondenzačního kotle nebo kotle na dřevo s akumulační nádrží či solárního systému. 16

Podlahové topení Podlahové teplovodní topení umožňuje přesně nastavitelný průběh profilu teplot ve vytápěných prostorech pro každý den. Podlahové topení pro RD navíc odstraní negativní vlivy klasických topných systémů na vnitřní prostředí v místnosti včetně víření vzduchu, průvanu nebo hromadění tepla u stropu. Přenos tepla z podlahy do okolního prostředí a ostatních povrchových ploch je zajištěn prostřednictvím tepelného sálání. Díky tomu je místnost rovnoměrně vytápěna. Podlaha se sálavým podlahovým topením se na dotek nejeví jako teplá (její teplota je 25 -26 °C), nicméně nevyvolává pocit chladu, který je typický prostřední vytápěné tradičními systémy. 17

Elektřina Nejsnáze se na teplo mění elektřina. Topidla mohou být u tohoto zdroje malá, výkon se snadno reguluje, neprodukuje spaliny a hlavně – elektřina je dostupná prakticky všude. Elektřina je ale současně nejnáročnější na výrobu a není tedy překvapivé, že je to nejdražší zdroj energie. Pokud se elektřina používá k vytápění (nebo k ohřevu vody), lze sjednat s dodavatelem dvoutarifní sazbu, kdy tento po určitou část dne odebírá elektřinu za nižší cenu (nízký tarif). Získání dvoutarifní sazby však není automatické a aby ji majitel nemovitosti získal, musí splnit určité podmínky (např. mít doma instalované konkrétní elektrospotřebiče). 18

Teplovzdušné vytápění bylo až do nedávna u nás téměř neznámé (třeba v USA se používá běžně), v poslední době se začíná rozšiřovat v domech, které mají rekuperační větrání. Tam, kde je malá potřeba tepla, tolik nevadí malé měrné teplo vzduchu. Systém je založený na dvouzónových rekuperačních jednotkách. Vnitřní cirkulaci vzduchu se zajišťuje vytápění, chlazení nebo rozvod tepla od krbu či jiných zdrojů tepla po obytných místnostech. Při tomto typu vytápění odpadá nutnost větrání otevřenými okny. Pro obytné místnosti není zapotřebí další doplňková otopná soustava, pouze do koupelen nebo na WC se instalují pro zvýšení teploty nezávislé plochy zdroje tepla, obvykle otopné žebříky. Rekuperace = zpětné získávání jakékoliv formy energie. 19

Teplárna je průmyslový závod, který se zabývá kombinovanou výrobou elektřiny a tepla pro technologické účely, otop či ohřev topné a užitkové vody. Výrobou a dodávkou samotného tepla se zabývá „výtopna“, u menších výkonů „kotelna“. Obvykle je vodní pára, vyrobená v parních kotlích (např. o tlaku 96 bar) přivedena do parní turbíny, která pohání el. Generátor. Z vyšších parních odběrů turbíny může být vyvedena technologická pára (např. o tlaku 16 bar) a z nižších topná pára pro parní dodávky tepla nebo pro ohřev topné vody pro vytápění (např. 1, 5 – 6 bar). 20

Topič Zkoušky topičů jsou upraveny vyhláškou č. 91/1993 Sb. 1) 2) 3) 4) 5) 6) § 14 – Zkoušky topičů Ke zkoušce topičů mohou být připuštěni uchazeči a) starší 18 let, b) tělesně a duševně způsobilí vykonávat práci topiče, c) kteří absolvovali alespoň týdenní praktický zácvik. Zkoušku skládá uchazeč před zkušební komisí. Zkušební komise se skládá z předsedy a z nejméně dvou členů, z nichž jeden musí být revizní technik kotlů. Pokud uchazeč skládá zároveň zkoušku k obsluze plynového zařízení k otopu kotle, musí být členem zkušební komise též revizní technik plynových zařízení pro spotřebu plynu spalováním se jmenovitým tepelným výkonem alespoň 50 k. W. O zkoušce musí být sepsán zápis. V případě kladného výsledku zkoušky je uchazeči vydáno osvědčení o způsobilosti, jehož vzor je uveden v příloze, která je součástí této vyhlášky. Platnost osvědčení o způsobilosti topiče je 5 let ode dne jeho vydání. K obsluze kotlů se jmenovitým tepelným výkonem nižším než 50 k. W není třeba osvědčení o způsobilosti topiče. 21

Tepelný výměník je zařízení, které slouží k výměně energie mezi soustavami a objekty o různých parametrech. Výměníková stanice je součástí areálů továren a sídlišť. Zajišťuje distribuci tepla pro vytápění objektů a ohřev teplé vody. Je možné ji použít i pro oddělení různých typů soustav, např. dálkové vysokotlaké parní vedení se výměníkem naváže na nízkotlaké vedení. Příkladem malého tepelného výměníku je např. radiátor ústředního či etážového topení, který předává teplo z teplovodního nízkotlakého okruhu do prostředí bytu obsahující jiné médium, vzduch. 22

Topná sezóna Otopné období začíná 1. září a končí 31. května následujícího roku. Neznamená to však, že od prvního školního dne se automaticky rozpálí stoupačky a radiátory. Dodávka tepelné energie začne, až když 2 dny po sobě klesne průměrná denní teplota pod 13 °C a pokud se nedá následující den očekávat zlepšení počasí. Vše podrobně popisuje vyhláška Ministerstva průmyslu a obchodu č. 194/2007 Sb. 23

Poměrové měřiče tepla Směrnice Evropské unie, která stojí za novelizací zákona č. 406/2000 Sb. , doporučuje vybavit byty kalorimetry a tam, kde to není technicky možné, povoluje indikátory spotřeby tepla. A právě v České republice je instalace kalorimetrů prakticky nemožná, protože většina domů má rozvod tepla řešen právě stoupačkami, tedy vertikálně. Takže od 1. ledna 2015 musí být v bytech na radiátorech namontovány poměrové měřiče, kterým se také říká indikátory či rozdělovače topných nákladů. 24

25

Energeticky pasivní dům je stavba, která splňuje dobrovolná, ale přísná kritéria energetických úspor při provozu domu. Koncepce pasivního domu není architektonický styl nebo stavební systém, ale dílčí kapitola při navrhování a projektování novostaveb nebo rekonstrukcí. Méně přísná kritéria úspor energií na provoz, která předcházela standardu pasivního domu, platí pro nízkoenergetický dům. Technologiemi zdokonalenou variantou pasivního domu je energeticky nulový dům, který své energetické potřeby plně saturuje z místních zdrojů. 26

Energeticky pasivní dům Aby bylo možno navrhnout nebo certifikovat dům jako pasivní je třeba splnit v České republice (mírný klimatický pás) následující podmínky: 1) roční potřeba tepla na vytápění: potřeba tepla na vytápění < 15 k. Wh na m 2 obytné plochy stavby za rok (EA < k. Wh/m 2·a) 2) roční potřeba primární energie: primární energetická potřeba všech energií (efektivita zdrojů při přeměně na teplo, elektřinu) bez rozdílu účelu < 120 k. Wh na m 2 obytné plochy stavby za rok (PEA < 120 k. Wh/(m 2·a) 3) neprůvzdušnost budovy: při snížení tlaku vzduchu v budově o 50 Pa než okolní atmosféry může dojít k infiltraci maximálně 60 % objemu vzduchu celé budovy za 1 hodinu (n 50 < 0, 6/hod). U mnohopodlažních budov (panelové domy) se doporučuje až n 50 < 0, 2/hod. 4) topný příkon: při nejnižší teplotě v exteriéru (v ČR přibližně -12 °C): Pvytápění, max = 10 W/m 2. 27

Průkaz energetické náročnosti budovy v České republice Od 1. ledna 2009 musí stavební úřady požadovat (podle novely zákona č. 406/2000 Sb. , o hospodaření energií) průkaz energetické náročnosti budovy (PENB) při výstavbě nových budov nebo při větších změnách dokončených budov s celkovou podlahovou plochou nad 1 000 m 2 (dle zákona se za větší úpravu považuje změna na více než 25 % celkové plochy obálky budovy). Od 1. ledna 2013 vznikla dle další novely zákona č. 406/2000 Sb. , povinnost přikládat průkaz energetické náročnosti budovy (PENB) při prodeji budovy nebo ucelené části budovy a při pronájmu budovy. 28

Měrná roční spotřeba energie na vytápění rodinného domu 29

Solární kolektor je zařízení, které přeměňuje sluneční záření, dopadající na zemský povrch, na jiný druh energie, pro lidstvo lépe využitelný. Sluneční záření dopadá na absorbér kolektoru, který je spojen s trubkovým rozvodem kolektoru. Přenos energie je zajištěn prostřednictvím teplonosné kapaliny, která proudí mezi kolektorem a výměníkem tepla umístěném ve spotřebiči tepla, což je nejčastěji akumulační nádoba, zásobník teplé vody či bazén. Tyto kolektory jsou většinou umístěny na střeše rodinných domů, bytových domů, ale také administrativních a průmyslových objektech. 30

Plochý / deskový kolektor Základem kolektoru je absorpční plocha. Moderní, výkonný kolektor má tuto plochu opatřenou selektivní vrstvou. Druhořadý kolektor má absorpční plochu natřenou černou barvou. Rozdíl mezi oběma provedeními je v tom, že černá barva velice dobře přijímá tepelné záření – absorpce, ale stejně ochotně tepelné záření vydává – emisivita. U selektivní vrstvy je příjem tepelného záření podobný jako u černého tělesa – zde není výrazného rozdílu. Přijatou energii ale selektivní vrstva v sobě uzavře, a nepustí ji ven. Zde je oproti černému tělesu podstatný rozdíl. Proto stagnační teplota u kvalitního plochého kolektoru překračuje hodnotu 200 °C, a u vakuového kolektoru je to ještě vyšší hodnota. Selektivní vrstva se na absorpční plochu nanáší elektrochemicky ve vakuu. Dle typu kolektoru je absorpční plocha tepelně izolována od svého okolí pro zamezení tepelných ztrát. 31

Vakuový / trubicový kolektor U tohoto typu kolektoru je tepelná izolace zajištěna vrstvou vakua. Tvar vakuového kolektoru – trubice je dán konstrukčně technologickými možnostmi výroby. Kruhový (a poměrně malý) předmět – trubice, vzdoruje totiž okolnímu tlaku podstatně lépe, než rovná, celistvá plocha deskového kolektoru. Jen pro představu, plochý deskový kolektor 1 x 2 m, který by byl zhotoven ve vakuovém provedení, by musel odolávat síle, způsobené atmosférickým tlakem 200 000 N, to je cca 20 tun. 32

Biomasa je souhrn látek tvořících těla všech organismů, jak rostlin, bakterií, sinic a hub, tak i živočichů. Tímto pojmem často označujeme rostlinnou biomasu využitelnou pro energetické účely. Energie biomasy má svůj prapůvod ve slunečním záření a fotosyntéze, a proto se jedná o obnovitelný zdroj energie. Biopalivo vzniká cílenou výrobou či přípravou z biomasy. V současnosti je chemická energie z biopaliv uvolňována hlavně jejich spalováním. Biopaliva pokrývají 15 % celkové světové spotřeby energie, především ve Třetím světě, kde slouží převážně k vaření a vytápění domácností, ale relativně vysoký podíl mají biopaliva i ve Švédsku a Finsku (17 % a 19 %). 33

Biomasa Produkty vyrobené z biomasy určené jako zdroje energie: Jako suroviny se k jejich výrobě využívají nejrůznější druhy biomasy pěstované cíleně: 1) obilí; 2) olejniny; 3) cukrová řepa; 4) třtina; 5) brambory; 6) olejniny; 7) kukuřice; 8) trávy a odpadní biomasa jako jsou zbytky z rostlinné výroby, hlavně sláma, odpady z živočišné výroby, hlavně exkrementy, odpady komunální, odpady potravinářského a dřevozpracujícího průmyslu a lesní odpad. 34

Biopalivo Rozdělení biopaliv dle skupenství: 1) tuhá biopaliva (palivové dřevo, štěpka, piliny, sláma, pelety, brikety); 2) kapalná biopaliva (alkoholová, biooleje, bionafta, zkapalněná plynná biopaliva); 3) plynná biopaliva (bioplyn (CH 4 + CO 2), dřevoplyn (CO + H 2), vodík). Rozdělení biopaliv dle generací: 1. generace: z polysacharidů a olejnin – mohou konkurovat výrobě potravin; 2. generace: z lignocelulozových zbytků (dendromasa a zbytková biomasa); 3. generace: z řas a mikroorganismů – průběžná sklizeň. 35

Výhody využívání biopaliv V Evropské unii by využití biomasy mohlo být přínosem při stanovení jasných podmínek pro šetrnou produkci a při vhodném výběru plodin. Podle studie Evropské agentur pro životní prostředí (EEA) z roku 2006 tzv. evropský potenciál biomasy, který respektuje přísné podmínky ochrany biologické rozmanitosti, umožňuje, aby v roce 2030 mohlo být pokryto energií z biomasy 15 % energetické spotřeby EU. Podle EEA by v EU do roku 2030 mohlo asi 18 % tepla, 12, 5 % elektřiny a 5, 4 % paliva pro dopravu pocházet z biomasy z evropských zdrojů. Už do roku 2020 by se tak mohly snížit evropské emise o 394 milionů tun oxidu uhličitého. 36

Nevýhody využívání biopaliv Mezi nevýhody využívání biopaliv patří zejména: 1) bionafta zplodinami více poškozuje zdraví než obyčejná nafta a při spalování produkuje více oxidu uhličitého či oxidu uhelnatého; 2) na výrobu jednoho litru biopaliva připadá 2 500 litrů vody; 3) množství zrna, použitého k naplnění nádrže většího sportovního automobilu ethanolem, odpovídá množství jídla, které jeden člověk spotřebuje za rok (hovoří se o „dotovaném spalování potravin“); 4) kvůli produkci biomasy je vypalována stále větší plocha amazonských pralesů. Pralesy jihovýchodní Asie jsou likvidovány ze stejných důvodů a s nimi klesá biodiverzita a vymírají tisíce rostlinných a živočišných druhů. Následkem je znekvalitnění půdy a pokles zemědělské produkce; 5) energie získaná ze spalování biomasy rostoucí v určité oblasti je až 50 x menší než energie získaná ze solárních panelů, které by v této oblasti (o stejné rozloze) byly instalovány. 37

Bioplyn je plyn produkovaný během anaerobní digesce organických materiálů a skládající se zejména z metanu (CH 4) a oxidu uhličitého (CO 2). Bioplyn je produkovaný zejména v: 1) přirozených prostředcích, jako jsou mokřady, sedimenty, trávicí ústrojí (zejména u přežvýkavců); 2) zemědělských prostředích, jako jsou rýžová pole, uskladnění hnoje a kejdy; 3) odpadovém hospodářství na skládkách odpadů (zde je označovaný jako skládkový plyn), na anaerobních čistírnách odpadních vod (ČOV), v bioplynových stanicích. 38

Použití bioplynu Bioplyn z bioplynových stanic, ČOV a některých skládek je používán: 1) k výrobě tepla; 2) k výrobě tepla a elektřiny (kogenerace) – toto je nejčastější případ; 3) k výrobě tepla, elektřiny a chladu (trigenerace) – je využívána jen výjimečně; 4) k pohonu dopravních prostředků (automobily, autobusy, zemědělská technika, vlaky). Pro pohon motorových vozidel se používá bioplyn očištěný, někdy nazývaný také biometan. Je zbaven nevhodných složek; složení metanu tím v celkovém objemu naopak narůstá. Biometan je svým složením identický se zemním plynem distribuovaným jako CNG. Rozdíl je pouze ve způsobu vzniku. Vozidla vybavená k provozu na CNG díky tomu mohou automaticky tankovat i bioplyn. 39

Funkce bioplynové stanice 40

Kogenerační využití bioplynu Stejně jako u jiných zdrojů lze při zpracování bioplynu využít kogenerace. U některých bioplynových stanic je využívána i mechanická energie, čímž se dosahuje až 95% účinnosti přeměny energie. Asi 1/3 vyprodukované energie bývá ale spotřebována na vlastní provoz bioplynové stanice. U většiny bioplynových stanic se používají pro kogeneraci naftové motory. Bioplyn se nečistí, a proto se k němu musí přidávat asi 8 % nafty (5 -10 %) kvůli mazání a chlazení. Právě díky kogeneraci je možné dosáhnout u bioplynové sanice ekonomické rentability, jelikož výnos za odběr odpadů a prodej kompostů je doplněn výnosem z prodeje energie. Největší kogenerační stanice v Evropě využívající bioplyn je v provozu ve Velkém Karlově poblíž Znojma. 41

Geotermální energie je přirozený projev tepelné energie zemského jádra, která vzniká rozpadem radioaktivních látek a působením slapových sil. Jejími projevy jsou erupce sopek a gejzírů, horké prameny či parní výrony. Využívá se ve formě tepelné energie (pro vytápění), či pro výrobu elektrické energie v geotermálních elektrárnách. Obvykle se řadí mezi obnovitelné zdroje energie, nemusí to platit vždy – některé zdroje geotermální energie jsou vyčerpatelné v horizontu desítek let. 42

Plošná klasifikace území ČR vhodnosti využití vyššího potenciálu zemského tepla 43

Geotermický stupeň – jedná se o počet metrů, o který musíme sestoupit pod povrch, aby teplota stoupla o jeden stupeň Celsia. Při výpočtu se počítá s tzv. neutrálním pásem blízko povrch, kde se teplota nemění a je ovlivněna vnějšími vlivy. Tento geotermický stupeň je v novější literatuře udáván hodnotou 33 m. 44

Využití geotermální energie Tuto energii lze v příznivých podmínkách využívat k vytápění nebo výrobě elektřiny v geotermálních elektrárnách. Takové využití je ale většinou technologicky náročné, protože horká voda z vrtů je obvykle silně mineralizovaná a zanáší technologická zařízení, což má za následek nutnost časté výměny potrubí a čištění systému. Navíc je dostatečný tepelný spád obvykle zároveň spojen s geologickou nestabilitou oblasti, v níž se nachází, což klade vysoké nároky na kvalitní stavbu schopnou odolávat zemětřesením. V rozsáhlejším měřítku se tato energie využívá např. na Islandu, kde se využívá pro vyhřívání obytných domů, skleníků, veřejných budov, bazénů, pro vyhřívání chodníků, aby se v zimě nemusely příliš upravovat a dokonce i pro pěstování banánů či jiného jižního ovoce. 45

Využití geotermální energie v České republice V ČR využívá geotermální energii např. město Ústí nad Labem, kde slouží k vytápění plaveckých bazénů a od května 2006 také k vytápění zoologické zahrady v Ústí nad Labem. Ojedinělý projekt využití geotermální energie pro výrobu tepla je v Děčíně. Od roku 2002 je zde v provozu výtopna na Benešovské ulici, která jako jediná v České republice využívá geotermální energii pro zásobování poloviny města teplem. V Litoměřicích se od listopadu 2006 hloubí zkušební vrt pro geotermální elektrárnu, který by měl skončit v hloubce 2500 metrů. Pokud budou výsledky měření příznivé, začnou se hloubit další dva vrty – tentokrát již produkční. Tyto vrty mají dosáhnout hloubky až 5000 metrů. Elektrárna bude založena na metodě HDR, která spočívá v tom, že se do jednoho vrtu vhání voda, a ze druhého se čerpá, přičemž se voda v hloubce ohřívá. Jedná se o uzavřený oběh média – vody. 46

Tepelná čerpadla k vytápění Charakteristikou tepelných čerpadel je jejich relativně omezený výkon, pokud mají zároveň zůstat ekonomická. Obecně platí, že čím nižší energetické nároky na vytápění stavba má a čím jsou vytápěné prostory menší, tím je návratnost investice do finančně nákladnějších otopných soustav delší. Dnes je tepelným čerpadlem vybavena takřka každá desátá novostavba. 47

Tepelné čerpadlo k vytápění bazénu V našich klimatických podmínkách je pravé léto pouze dva měsíce v roce. Váš venkovní bazén však chcete používat od jara až do podzimu a je tedy nutné vodu v bazénu ohřát. Tepelné čerpadlo vzduch – voda ohřeje vodu ve vašem bazénu za minimální provozní náklady bez ohledu na počasí. Tepelné čerpadlo je zařízení, které dokáže odebírat energii o nízké teplotě z okolního vzduchu a pomocí kompresoru přečerpat energii na vyšší teplotní hladinu a předat ji pro potřeby vytápění. Na stejném principu pracuje nám známá lednička, která pomocí chladiva odebírá potravinám teplo a předává je mřížkou vně chladničky do okolního prostoru. 48

49

Příklad otázky k závěrečným učňovským zkouškám Téma č. 10 – Stejnosměrný zdroj Zadání Stejnosměrný zdroj • zdroj s můstkovým usměrňovačem a s filtrem • princip a použití • průběhy napětí na jednotlivých částech zdroje a vliv různé zátěže 50

Zdroje stejnosměrného proudu Nejrozšířenější zdroje stejnosměrného proudu: 1) galvanický článek – jedná se buď o primární články (např. tužková baterie) určené k napájení spotřebičů s malým příkonem (hodiny, dálkové ovládání) nebo články sekundární – akumulátory – určené pro energeticky náročnější přenosné spotřebiče (např. mobilní telefon); 2) fotovoltaický článek – používaný k napájení malých kapesních kalkulátorů, ale i pro stavbu mohutných fotovoltaických elektráren; 3) termočlánek – napájí meziplanetární sondy jako součást radioizotopového termoelektrického generátoru; 4) dynamo – dříve nejrozšířenější stejnosměrný zdroj, nyní zcela vytlačen alternátorem s usměrňovačem; 5) usměrňovač – umožňuje získat stejnosměrný proud ze střídavého, většinou síťového proudu. 51

Historie galvanických článků Galvanické články dostaly svůj název podle italského lékaře, přírodovědce a fyzika Luigiho Galvaniho, který při pitvání žabích stehýnek zpozoroval jejich záškuby po dotyku kovového předmětu, podobné záškubům vyvolaným elektrickým nábojem. Tento jev správně vysvětlil italský fyzik Alessandro Volta, a to vznikem elektrického napětí mezi dvěma kovy (nástrojem a kovovým podkladem) vodivě propojených elektrolytem (obsaženým v buňkách). Na základě těchto úvah sestavil v roce 1800 článek, skládající se z měděné a zinkové elektrody ponořené do roztoku kyseliny sírové. Voltův článek dával napětí přibližně 1 V a stal se prvním zdrojem stálého elektrického proudu, do té doby se elektřina vytvářela třením nebo indukční elektrikou. 52

Složení galvanických článků Při sestavování galvanického článku se pro elektrody a elektrolyty používají takové kombinace chemických látek, aby potenciál vznikající na elektrodách měl dostatečnou velikost a zároveň aby měl článek další požadované vlastnosti jako jsou např. trvanlivost nebo dostatečná kapacita. Vhodnými a nejčastěji používanými látkami pro zápornou elektrodu jsou zinek, lithium, kadmium a hydridy různých kovů. Pro kladnou elektrodu oxid manganičitý, oxid-hydroxid niklitý a oxid stříbrný. Jako elektrolyt se používají vodné roztoky alkalických hydroxidů (nejčastěji hydroxid draselný), silných kyselin nebo jejich solí. Kromě toho se používají také bezvodné elektrolyty, které obsahují vhodnou sůl rozpuštěnou v organickém rozpouštědle. 53

Parametry galvanických článků: 1) druh článku – primární – po vybití se nedá nabít nebo sekundární – akumulátor, dá se nabít; 2) elektromotorické napětí – velikost napětí mezi elektrodami nezatíženého článku; 3) kapacita – elektrická energie uložené v čerstvém / čerstvě nabitém článku 4) měrná energie – podíl kapacity a hmotnosti článku; 5) hustota energie – podíl kapacity a objemu článku; 6) míra samovybíjení – u primárních článků určuje dobu skladovatelnosti; 7) elektrický výkon – množství energie, které je článek schopen dodat za jednotku času; 8) vnitřní odpor – velikost odporu článku při průchodu elektrického proudu; 9) nabíjecí proud a nabíjecí doba – pro sekundární články (akumulátory); 10) účinnost – podíl vydané a dodané energie u akumulátorů; 11) počet cyklů nabití/vybití akumulátoru do konce životnosti; 12) cena – ovlivněna cenou materiálu (burel a zinek levnější, stříbro a lithium dražší). 54

Označení a rozměry baterií Nejpoužívanější typy baterií: 55

Spojování galvanických článků Pro dosažení vyššího napětí se články spojují sériově do baterií, celkové napětí je pak dáno součtem dílčích napětí jednotlivých článků v baterii. Například plochá baterie obsahuje 3 suché články, 9 V baterie obsahuje 6 suchých nebo alkalických článků, automobilový akumulátor obsahuje 6 akumulátorových článků. Pokud sériově zapojené články nemají stejnou kapacitu, může při hlubokém vybíjení být článek s nejnižší kapacitou vybit pod přípustnou mez, v extrémním případě dojde k reverzaci napětí na článku a jeho zničení. sériové řazení zdrojů 56

Spojování galvanických článků Při paralelním spojení článků zůstává elektrické napětí stejné, baterie jako celek však snese vyšší zatížení. Paralelním zapojením zdrojů se snižuje vnitřní odpor celkového zdroje a ten pak může dodávat větší elektrický proud. Paralelně spojovat je možné jen stejné články (typ i stupeň vybití), jinak vyrovnávací proudy mezi jednotlivými větvemi mohou způsobit i explozi vybitého článku. paralelní řazení zdrojů 57

Výpočty sériového a paralelního zapojení zdrojů Pro dosažení potřebných výstupních hodnot stejnosměrných energetických zdrojů se provádí jejich vzájemné sériové nebo paralelní zapojení, viz zapojení stejnosměrných zdrojů – baterií. 58

Ideální zdroj napětí Po potřeby výpočtů obvodů se zavádí ideální zdroj napětí. Je to takový zdroj, jehož vnitřní odpor je nulový (Ri = 0). Na svorkách tohoto zdroje je neustále stejná hodnota napětí označovaná U 0. Tato hodnota se nezmění po připojení jakékoliv zátěže. Zatěžovací charakteristika ideálního zdroje napětí: 59

Příklad č. 1 Vypočtěte, jaký maximální proud můžeme odebírat ze zdroje složeného ze 40 Ni. MH paralelně spojených monočlánků, kde U 0 = 1, 2 V a Ri = 0, 4 Ω, aby pokles napětí na článku nebyl menší než 5 % z hodnoty. Zjistěte i hodnotu zatěžovacího rezistoru. Řešení: 60

Příklad č. 2 Vypočtěte jaký maximální výkon do zátěže může dodat zdroj proudu z předchozího příkladu. Řešení: 61

Vnitřní odpor zdroje U reálných zdrojů se projevuje jejich vnitřní odpor a napětí na svorkách zatíženého zdroje je menší než elektromotorické napětí. Postup zjištění vnitřního odporu zdroje: 1) nejdříve změříme svorkové napětí zdroje bez zátěže = napětí naprázdno U 0. 2) potom připojíme zátěž RZ, změříme proud, který zátěž odebírá ze zdroje IZ a snížené svorkové napětí při zátěži UZ. 62

Vnitřní odpor zdroje 63

Maximální výkon zdroje Maximálního výkonu se dosáhne, pokud odpor R spotřebiče připojeného ke zdroji napětí je roven vnitřnímu odporu zdroje Ri. 64

Usměrňovací můstek je soustava čtyř a více diod v můstkovém obvodu, které vytváří výstup stejné polarity pro jakoukoliv polaritu vstupu. V nejběžnější aplikaci se můstkové usměrňovače používají k převádění střídavého proudu na stejnosměrný proud. Základní vlastností můstkového usměrňovače je, že polarita výstupu je stejná nezávisle na polaritě vstupu. Můstkový usměrňovač je také znám jako Graetzův obvod podle svého vynálezce, fyzika Leo Graetze. 65

Filtrační kondenzátor Pro vyhlazení zvlnění na výstupu můstkového usměrňovače se používá zpravidla elektrolytický kondenzátor s velkou kapacitou zapojený paralelně k výstupu, který v sobě hromadí elektrický náboj. Tento náboj je poté dodáván do obvodu při poklesu výstupního napětí můstku. Tímto dojde k vyhlazení průběhu pro další využití v obvodu, přičemž čím větší je kapacita zapojeného kondenzátoru, tím menší je zvlnění výstupního napětí. 66

Filtrační kondenzátor 67

KONEC 68