Obnovitelné Zdroje Energie

Expozice Obnovitelné zdroje energie přináší hravou formou povědomí o jednotlivých skupinách energetických zdrojů.

Zahraj si hru na exponátu a zásobuj město elektrickou energií s ohledem na množství vyprodukovaných škodlivých látek (oxidu uhličitého). Hra má celkem tři úrovně, pričemž s každou se obtížnost zvyšuje.

V průběhu dne je rozvodná síť nerovnoměrně zatížena. Největší výkon se odebírá v ranních a večerních hodinách, v tzv. energetické špičce, kdežto v noci je odběr menší. Proto se do výroby zapojují v různou denní dobu různé druhy elektráren.

Tepelné a jaderné elektrárny pracují stále. Jejich odstavení a znovu zpuštění je velmi nákladné. Pokud je v rozvodné síti přebytek energie, pak se uskladňuje v elektrárně přečerpávací. Rychlý náběh mají elektrárny vodní a větrné, které se využívají v období energetických špiček. V závislosti na ročním období pracují elektrárny sluneční. V jiných zemích pracují ještě elektrárny geotermální.

Jednotlivé zdroje elektrické energie můžeme rozlišit tzv. výkonovou hustotu (jednotka kWh/m2). Spotřeba elektrické energie se mění v průběhu jednoho dne i celého týdne, odběry energie se liší i v různých ročních obdobích. Největší je v zimním období, nejmenší v letních měsících. V roce 2012 bylo minimální zatížení 12. srpna, kdy spotřeba elektrické energie byla v rozmezí 4 až 6 tisíc MW. Naopak maximální zatížení bylo 7.

Čtěte také: Význam obnovitelné energie

Fotovoltaické články

Fotovoltaický článek je velkoplošná polovodičová dioda, která je schopná přeměňovat světlo na elektrickou energii. První fotovoltanické sluneční články byly vyrobeny v Bellových laboratořích v USA roku 1954 jejich účinnost byla tehdy jen 6 %.

Přímá přeměna slunečního záření na elektřinu využívá fotovoltaického jevu, který nastává v některých polovodičích (např. křemíku, germaniu aj.). Nejpoužívanější je krystalický křemík buď jako jeden krystal (monokrystal), nebo jako mnoho malých krystalů (polykrystal). Monokrystal je účinnější, ale jeho získávání je pracné a nákladné.

V zemské kůře je křemík zastoupen z 30 %, což zaručuje dostatek materiálu. K výrobě solárních článků se používá i galium arsenid. Jedná se o slitinový polovodičový materiál GaAs s vysokou účinností. Využívá se zejména v kosmických aplikacích, protože je mnohonásobně dražší, ale také i účinnější.

Tenké destičky nařezané z krystalu se pokryjí z jedné strany pětimocným prvkem (např. fosforem) a z druhé strany trojmocným prvkem (např. arzenem). Takto pokrytá destička se nazývá sluneční článek. Vnějším okruhem spojujícím obě strany destičky pak teče proud. Jeden cm2 dává proud asi 12 mW. Jeden m2 může na zemi v letní poledne dát až 150 wattů. V kosmickém prostoru je to až 250 wattů.

Sluneční články se zapojují za sebou, abychom dosáhli potřebné napětí (na jednom článku je 0,5 V) a vedle sebe, abychom dosáhli potřebný proud. Od roku 1954, kdy byl na trh uveden první křemíkový článek, vzniklo několik technologií výroby, využívající vlastnosti polovodičových materiálů. Klíčové kritérium, pro uvedení dané technologie do výroby je cena solárního článku na jeden watt.

Čtěte také: České startupy a energie

Maximální účinnosti dosahují solární články a solární panely pouze v případě, svítí-li slunce kolmo na ně. Aby tato podmínka mohla být dodržena, musí být solární panely vůči slunci natočeny pod určitým úhlem. Běžně se nejvíce využívá levný solární článek na bázi amorfního křemíku s účinností asi 5 %, který napájí např. Sluneční záření může poskytovat energii i pro automobily. Panely slunečních článků jsou umístěny na střeše automobilu. Nevýhodou je potřeba velké plochy střechy. Získaný proud je slabý a auto jede, jen když svítí slunce. Solární automobil od Toyoty.

Největší solární lodí je plavidlo Tûranor PlanetSolar. 27. září 2010 opustil Tûranor přístav v Monaku a zpět se do něj navrátil po 584 dnech, 4. května 2012. Plavidlo stálo cca 12,5 mil. eur a může plout rychlostí až 12 uzlů (cca 22 km/h). Na lodi je instalováno 825 solárních panelů, z nichž některé jsou umístěny na křídlech, která generují až 93,5 kW. V noci je plavidlo poháněno lithiovými bateriemi, se kterými vystačí i tři dny bez slunečního svitu. Tûranor PlanetSolar v Hamburku.

Dalším dopravním prostředkem, který by do budoucna mohl využívat solární energii je letadlo. Projekt Solar Impulse s prototypem letadla HB-SIA má délku 21,85 metru, rozpětí křídel 63,4 metru a výšku 6,4 metru. Je pokryt celkem 200 m² fotovoltaických článků a energii na noční nebo bezsluneční let si uchovává v sadě lithuim-polymerových akumulátorů. První přízemní let v délce zhruba 350 metrů se uskutečnil 3. prosince 2009 ve švýcarském Dübendorfu. Po dalších úspěšných letech následoval 13. května 2011 první mezinárodní let ze švýcarského Dübendorfu do Bruselu. Průměrná letová rychlost byla 50 km/h a letová hladina cca 1800 m. Dne 2. Prototyp solárního letounu HB-SIA.

Historie přenosu elektrické energie

Hospodařením s energií se zabývá energetika. Jejím hlavním úkolem je přenos elektrické energie s co nejmenšími ztrátami, popř. První elektrárna na světě byla vodní, postavená v roce 1881 firmou Pulman na řece Way v anglickém Godalmingu. Přetlaková turbína poháněla přímo dynamo, dodávající stejnosměrný proud. Část vyrobené elektrické energie využívalo i město k osvětlení ulic.

Brzy se objevila myšlenka přenášet elektrickou energii na velkou vzdálenost. Tuto myšlenku naznačil Werner Siemens v dopisu svému bratrovi v prosinci 1866. Stejnou myšlenku napsal do své diplomové práce Galileo Ferraris, kterou předložil v září 1869. Na realizaci si svět pár let počkal. V roce 1880 Marcel Deprez na přednášce pařížského Spolku civilních inženýrů francouzských dokázal svou myšlenku, že se elektrická energie může přenášet na libovolnou vzdálenost obyčejným vedením, jestliže je napětí dost velké. Jeho myšlenky byly zamítnuty.

Čtěte také: Více o sluneční energii

Mezitím v roce 1882 v Americe zřídil Thomas Alva Edison první městskou elektrárnu na výrobu stejnosměrného proudu pro osvětlení New Yorku. První elektrárny vyrábějící stejnosměrný proud v Čechách i ve světě sloužily k napájení osvětlení - obloukovek i žárovek. Skutečné vedení stejnosměrného proudu postavil v letech 1882 a 1883 Marcel Deprez. Na žádost Oskara Millera přenášel elektrický proud o napětí 2000 V z Miesbachu do Mnichova (57 km), kde osvětloval elektrotechnickou výstavu. Proud se vedl po telegrafních drátech. První pokusy byly provedeny v noci a zdařily se. Jejich radost byla předčasná, jejich úspěch byl odbornou veřejností přijat velmi chladně až skepticky. Ztráty jeho vedení přesahovaly 50 %.

Jeho pokusy ukázaly možnost převádění elektrické energie, která brzy vytěsnila stlačený vzduch, vodu a lanové převody v té době používané k přenosu energie. Při přenosu elektrické energie dochází ke ztrátám díky Jouleovu teplu, které závisí na druhé mocnině proudu. Výkon přenášený ve vedení se skládá ze součinu P = UI. Názorně si celou situaci představíme na příkladu, kdy potřebujeme přenést výkon 500 W. Při napětí 100 V, bude vedením procházet proud 5 A, vznikne Jouleovo teplo - ztráta 2500 J. Budeme-li přenášet 100 000 V, bude vedením procházet proud jen 0,005 A, a vznikne Jouleovo teplo 2,5 J. Při tisícinásobném napětí jsou ztráty tisíckrát menší. Je tedy daleko lepší vysoké napětí.

Výroba stejnosměrného proudu o vysokém napětí je technicky náročná. Naopak napětí střídavého proudu můžeme snadno měnit v transformátoru. Spor mezi střídavým a stejnosměrným proudem propukl mezi dvěma významnými továrníky a vynálezci - Thomasem Alva Edisonem (stejnosměrný proud), Georgem Westinghousem a Nikolou Teslou (střídavý proud). Ve sporu mezi Westinghousem a Edisonem šlo o velké peníze. Každý z nich se snažil dostat zákazníky na svou stranu. Edison zkoušel různé reklamní triky.

Mimo jiné vyzval Westinghouse na souboj, ve kterém by se ukázalo, který z proudů je nebezpečnější. Edison by nechal svým tělem procházet stejnosměrný proud a Westinghouse střídavý. Kdo nevydrží vyšší napětí a vykřikne „dost“, ten prohrál - jeho proud je nebezpečnější. Dalším reklamním trikem Edisona byl návrh zákona z roku 1887. Navrhl, aby se popravy zločinců ve státě New York prováděly střídavým proudem o vysokém napětí, na „elektrickém křesle“. Edison doufal, že lidé pak budou podvědomě spojovat střídavý proud se smrtí.

V Evropě byl zastáncem stejnosměrného proudu Werner Siemens a František Křižík, zastáncem střídavého proudu Emil Kolben, firma AEG a její šéfinženýr Michail Doliwo-Dobrowolski, který společně s Oskarem von Millerem navrhl první třífázovou přenosovou soustavu z Lauftenu do Frankfurtu nad Mohanem (175 km), která byla uvedená do provozu 25. srpna 1891. V roce 1893 v Chicagu úspěšně provozovali dvojfázovou soustavu Tesla s Westinghousem. Rozvod elektrické energie.

V současné době se elektrický výkon získává v elektrárnách tepelných, vodních, jaderných (např. Dukovany o výkonu 1 760 MW, Temelín o výkonu při plném provozu 2 x 981 MW), slunečních a větrných. V různých částech rozvodné sítě je různé napětí. Velmi vysoké napětí (tj. nad 38 kV) tvoří tzv. primární vedení spojující elektrárny. Na toto vedení navazuje sekundární vedení rozvádějící elektrickou energii v jednotlivých částech republiky s tzv. vysokým napětím (300 V do 38 kV). V domácnostech navazuje terciální síť s nízkým napětím (50 V do 300 V). Různá zařízení mohou pracovat i s malým napětím (do 50 V). Všechna tato napětí se měří mezi vodičem a zemí.

Solární elektrárny

Solární elektrárny produkují elektrickou energii ze slunečního záření. Solární žlaby jsou vyleštěná zrcadla ve tvaru paraboly, v jejichž ohnisku jsou vedeny trubice, v nichž proudí pracovní médium (voda, olej), které se fokusovaným slunečním zářením ohřívá na teplotu až 300 °C. Princip solární věže je podobný. Spočívá v koncentraci slunečního záření do jednoho bodu. K tomu slouží zrcadla, neboli heliostaty. Jejich počet může být od desítek až po tisíce a jsou soustředěna v blízkém okolí solární věže.

Sluneční záření je koncentrováno do výměníku tepla, tzv. receiveru (přijímače), kde se ohřívá pracovní médium na teplotu 500 °C až 1500 °C. Tím může být vzduch, olej, voda-pára nebo roztavená sůl. Kvůli pohybu Slunce během dne jsou heliostaty opatřeny počítačově řízeným otáčením. Ohřáté médium se pak odvádí do energetické jednotky, kde se ohřívá voda a vznikající pára pohání parogenerátor.

Využití solární věže k výrobě elektrické energie není tak rozsáhlé jako solární panely nebo solární žlaby. Nespornou výhodou solárních tepelných systémů je možnost skladování teplonosného média i na dobu, kdy Slunce nesvítí. Princip sluneční věže.

Ve španelské Seville byla v roce 2009 spuštěna největší solární elektrárna svého druhu na světě. Solární vež s výkonem 20 MW získává energii ze soustavy 1255 zrcadel. Ta směřují sluneční záření na vrcholek věže vysoké 165 metrů a zahřejí tak vodu, která následně pohání turbínu generující elektřinu. Solární elektrárna v Seville.

Na principu solární věže funguje i solární pec. Skládá se z velkého parabolického zrcadla o průměru několika metrů až desítek metrů. Parabolické zrcadlo pece je nehybné. Je otočeno vždy k severu (na severní polokouli). Za Sluncem se otáčí heliostaty, které paprsky odráží přesně na jih, tedy na parabolické zrcadlo. Od parabolického zrcadla se všechny paprsky odrážejí do ohniska pece. Nejznámější sluneční pec je vybudována ve španělském Odeillo v Pyrenejích, která se skládá z 63 heliostatů složených ze 180 čtvercových zrcadel o straně 0,5 m. Parabolické zrcadlo je 54 m široké a 40 m vysoké. Sluneční pec v Odello.

Geotermální energie

Geotermální energie vzniká rozpadem radioaktivních látek a působením slapových sil.

Geotermální energie se řadí do obnovitelných zdrojů energie - nemusí to tak být vždy, protože některá ložiska, z nichž se geotermální energie čerpá, mají zásobu jen na několik desítek let. K nalezení geotermálního zdroje energie se používá mnoho metod, avšak jediný zaručený způsob je vytvořit zkušební vrt. Tuto energii lze využít jako zdroj tepelné i elektrické energie, záleží na teplotě zdroje.

Geotermální energii můžeme rozdělit do tří skupin, z nichž každá má jiný způsob využití. Pokud z vrtu uniká přehřátá suchá pára o teplotě až 250 oC, pak po odfiltrování kapiček vody pohání turbínu. Po ochlazení a zkondenzování se vrací jiným vrtem zpět do země. Výroba elektrické energie tímto způsobem je poměrně levná. Jednou z nevýhod je, že pára obsahuje velké množství síry, sloučenin boru a čpavku. Voda z vrtu o teplotě 50 až 150 oC (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. Metoda Hot Dry Rock (neboli horká suchá skála) umožňuje využít energii horniny, která nepropouští vodu. Odstřelem nebo tlakem vody vznikají v hloubce trhliny (podzemní jeskyně). Princip elektrárny hot dry rock.

Geotermální energie se v dnešní době využívá například na Islandu, hlavně k vytápění domů, skleníků, bazénů apod. Nejžhavější geotermální oblasti se nacházejí v oblastech, kde se soustřeďuje zemětřesení a sopky. Světová geotermální činnost se nejvíce vykytuje v oblasti známé jako Ring of Fire v Tichém oceánu. Mezi další země, které ve větší míře využívají geotermální energii patří USA, Velká Británie, Francie, Švýcarsko, Německo a Nový Zéland.

V České republice připadá do úvahy využití pouze tzv. konceptu suché horniny (hot dry rock). V České republice se tento druh energie využívá především v Ústí nad Labem pro vytápění zoologické zahrady a k vytápění plaveckých bazénů. Obecně je vhodnou lokalitou v českých podmínkách místo s již narušenou podzemní horninou. Odborníci se shodují, že takovým místem mohou být Litoměřice, příp.

tags: #obnovitelne #zdroje #energie #techmania

Oblíbené příspěvky:

• Nejekologičtější auta
• Průkopník sociální ekologie
• Dobrodružství kriminalistiky: Hranice zvrhlosti
• Jak chránit přírodu a lesy bez odpadků?
• Vzdělávání v ekologickém zemědělství