1

Obnovitelné zdroje energie II.

Michal Kabrhel, Ing., Ph.D.

Obnovitelné zdroje energieObnovitelné zdroje energiečást II.část II.

Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

České vysoké učení technické v PrazeFakulta stavební

Katedra technických zařízení budov

3

Obsah část II.

• Geotermální energie• Biomasa + bioplyn• Palivové články• Kogenerace• Energie větru• Energie vody

4

Geotermální energie

Zdroj tepla: vznik planety,rozpad radioaktivních látek Využitelnost:zásobování teplemvýroba elektřiny (ohřev > 150°C), zásobníky tepla

5

Geotermální energie

Nízkoteplotní geotermální energie (pod 100°C) - využitelná téměř všude, nutné respektovat lokální podmínkyVýměník, tepelné čerpadloStředně 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

6

Tepelný tok

7

Geotermální energie

8

Biomasa

Biomasa je hmota organického původu.

Hlavní přínosy: • redukce skleníkových plynů• snížení závislosti na dovozu• regionální rozvoj

Způsoby získávání energieTermochemická 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.

9

Biomasa

Záměrně pěstovaná-obilí, olejniny-energetické rostliny a dřevinyOdpadní produkty-rostlinné zbytky-organické odpady

Spalování-hlavně rostlinná biomasa z rostlin a dřevinBrikety, pelety, dřevní štěpka, palivové dřevo, piliny,seno,

sláma, energetické byliny

10

BiomasaPeletySlisované piliny a hobliny v podobě malých válečků. Umožňují automatizovat dopravu paliva do kotle.Dřevo, dřevní brikety

FytopalivaVýběr vhodných plodin - energetická výtěžnost, biodiverzita, obslužnost běžnou zemědělskou technikou, účinnost spalování+škodliviny ve spalinách, legislativa.Rychlerostoucí dřevinyTopoly, vrby, olše. Využitelnost po 8 letech, životnost 15-20 let. Možnost spalování v běžných kotlích. Nejedná se o zemědělskou půdu.

11

BiomasaEnergetické rostlinyZejména energetické byliny.Vyšlechtěné byliny, např. šťovík.Sklizeň od 2. roku každý rok.Životnost 10 let.Cena energie cca 100 Kč/GJ.

12

Biomasa

Spalování biomasyLokální topidla – dřevo- krby, krbová-kachlová kamna.

Výkon 7 kW, spotřeba paliva 3,6 kg/h, doba hoření 3h.

Akumulační, teplovzdušná.

13

Biomasa

Kotle pro ústřední vytápění – dřevo, brikety, štěpka, pelety. Výkon do 100 kW.

Zplyňovací kotel na dřevo 99 kW, účinnost 85-90%

Automatický kotel na pelety, výkon do 20 kW

Kotel na dřevo 45 kW, účinnost 85%

14

Doprava pelet do kotle

Šnekový dopravník, pneumatická

15

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

16

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.

17

Bioplynová staniceVýtěžnost:10kW=1ha plantáže bylin1kW=cca 10 dobytčích jednotekMožno 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.

18

Bioplynová stanice

Likvidace kejdy z chovu skotu.

vyhnívací nádrž Kladruby (Rokycany)

19

Bioplynová stanice

BCM metodaZpracování bioplynu na zemní plyn v požadované kvalitě a CO2 .

Vyráběn může být methan, soda, CO2.

Nejvhodnější metoda závisí na množství zpracovávaného bioplynu.

20

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.

21

Kogenerace

Porovnání spotřeb energie

23

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

24

Kogenerace

Parní protitlaková turbínaPřeměna energie páry na mechanickou práci (roztočení lopatek

turbíny).Pokles tlaku a teploty páry-zvětšení objemu páryProtitlaká turbína-na posledním stupni turbíny je tlak vyšší než

atmosférický (100kPa).

Paroplynové cykly-jedná se o spojení parní turbíny a plynové turbíny.

25

Kogenerace

Parní odběrová turbínaMezi prvním a druhým stupněm turbíny se část páry využívá

pro teplárenské účely. Neodebraná pára kondenzuje.

Plynová turbína s rekuperací teplaV podstatě proudový motor s využíváním energie spalin.

Lopatkový kompresor stlačuje vzduch, dochází k ohřevu spalinami a k expanzi v prostoru turbíny.

26

KogeneraceSpalovací pístové motoryMotor 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.

27

KogeneraceSpalovací pístové motoryOdvod tepla běžně 2 stupňový-předehřev olej/voda a dohřev

výfukové plyny/vodaVyráběné 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.

28

Kogenerace

Další technologie KVET• Mikroturbína - vysokootáčková plynová turbína (10-100kW),

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

29

Kogenerace

• Parní stroj - využití k redukci párypára přiváděna do pístůprincip znám z historických strojů

•Organický Rankinův cyklusPro nižší teploty je výhodnější využití organických látek místo vody-jednodušší turbína, látky známé z chlazení (obrácený R.cyklus)-freony, alkany, aromatické uhlovodíky

30

Kogenerace

Výhled do budoucnosti:

Využití plynových motorů pro KVETRozšiřování palivových článků pro KVET zejména pro

administrativní budovy, centrální kotelny. Rozšiřování KVET v zemědělství a dřevozpracujícím průmyslu.

31

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.

32

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.

34

Palivový článek

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

35

Energie větruVětrné elektrárny s vodorovným rotoremMalé výkony - synchronní generátor-stejnosměrné

napětí 12V nebo 24VVelké výkony - asynchronní generátor 660V

Značně proměnlivý výkon-nutný transformátor pro vyrovnání napětí

Protivanov výkon 1,5MW

36

Energie větruVětrná elektrárna s výkonem 8kW230/400V, pracovní rozsah 2,5-25 m/s

Větrná elektrárna s výkonem 55kW400V, pracovní rozsah 3,5-25 m/s

37

Energie větru

hluk, krajinný ráz X výroba elektřiny, relativně příznivé ekonomické podmínky

cena 30-60 tis Kč/kW jmenovitého výkonu

38

Energie větru

X

39

Vodní energie

Výroba elektrické energie-MVE výkon do 10MWVodní dílo-vodní stroj-generátor elektrické energieStabilní výkon zdrojeMožnost havárieNutnost údržby toku

40

Vodní energie-rovnotlaké turbíny

Peltonova turbína

Bánkiho turbína

Turgo turbína

41

Vodní energie-přetlakové turbíny

Kaplanova turbína

Francisova turbína

Přetlaková turbína-osa turbíny horizontální i vertikální

42

Děkuji za pozornost…