Vratislav Santini: Energie - efektivita získávání a využívání

Svět je neustálý tok a přeměna energie. Ze zákona zachování energie plyne, že energii nemůžeme vytvářet, pouze přeměňovat z jedné formy na druhou, s různým procentem ztrát.

Dostupné zdroje jsou: štěpení radioaktivních prvků (jaderné elektrárny), slapové jevy způsobované gravitací Měsíce (přílivové elektrárny), geotermální energie (zanedbatelná) a Sluneční záření.

Sluneční záření je ukládáno fotosyntézou (uhlí, ropa, plyn, dřevo), a skrze teplo přeměňováno na potenciální a kinetickou energii (vodní a větrné elektrárny).

A dále může být fotoelektrickým jevem přeměňováno přímo na energii elektrickou (fotovoltaické panely).

Kromě elektráren jaderných a přílivových jsou všechny ostatní postaveny na přeměně Sluneční energie a žádná jiná není k dispozici.

Následující srovnání ukazuje různou efektivitu přeměn Slunečního záření do využitelné podoby. Srovnání provedeno v kWh. (W = kg m² / s³ = J / s)

Fundamental:

Zářivý výkon Slunce na povrchu Země = 1000 W/m²

Rostliny využijí při fotosyntéze 0,5 % = cca 5 W/m²

Roční přírůstek biomasy cca 1kg sušiny z m² obsahuje 5 kWh energie, z toho je při spalování využito cca 1 – 3 kWh

Z roční sluneční energie cca 1100 kWh/m² získáme cca 3 kWh/m²

Celková účinnost při spalování biomasy je tedy 0,1 – 0,3 %

Účinnost solárního panelu 17 % (ultratenkých 13 %)

Účinnosti strojů na paliva vzniklá fotosyntézou a celková účinnost přeměny Sluneční energie (zohlednění 0,5 % účinnosti fotosyntézy):

Kotle na spalování biomasy uvádí účinnost až 91 %. I kdyby byla 100%, tak vstupní palivo vzniklo procesem 0,5 %.

Celková účinnost spalování biomasy nemůže přesáhnout 0,5 % vstupního výkonu Slunce 1000 W/m² (5kWh/kg sušiny)

Příklady výnosu biomasy:

Z přehledu je vidět, že při přirozeném zemědělství výnos spalitelné biohmoty nepřesahuje 0,72 kilogramu na m². Při intenzívním zemědělství až 1,65 kg/m². Intenzívní zemědělství dotuje výnos ropou a, z její energie pocházejícími, hnojivy (výroba čpavku pro dusíkatá hnojiva spotřebovává 1% světové energie).

Pro energetické srovnání biomasy musíme použít výnosy nízkonákladové.

Pro jednoduchost výpočtů použijeme velmi nadsazený údaj 1 kg / m² za rok a specifické spalné teplo biomasy 5 kWh / kg.

Tedy max. 5 kWh z 1 m² za rok při 100% účinnosti spalovacího zařízení.

Skutečná energie získaná spálením 1 kg dřeva je cca 1 kWh.

Příklad 1:

Reálná spotřeby elektřiny v malém a velkém domě. Elektřina používaná na světlo, elektroniku, pračku... . Vytápění, ohřev vody a vaření zajišťuje plyn. Odpovídající plocha je počítána při 100% spalování (nereálné).

Příklad 2:

Biomasa jako palivo do spalovacích motorů (řepka olejka)

1kg semena řepky (při 40% olejnatosti) je vykupován za 9,3 Kč

1kg uchovává 5 kWh energie a je spálen ve formě bionafty ve spalovacím motoru s účinností 20 %. Množství získané energie je tedy 1 kWh. Výpočet předpokládá spálení celého množství, jinými slovy, že z 1 kg semene řepky získáme 1 kg paliva (nereálné), ve skutečnosti méně než polovinu.

Cena jedné kWh od ČEZu je 4,63 Kč.

Cena jedné kWh z řepky je cca 20 Kč

Příklad 3:

Spotřeba benzínu a motorové nafty v ČR

Benzín 2,3 miliardy litrů za rok

Motorová nafta 5,88 miliardy litrů za rok

celkem 8 miliard litrů za rok

spec. spalné teplo benzínu a nafty cca 9,375 kWh / litr

Celkem 75,2 miliard kWh za rok

Odpovídající plocha biomasy (při nereálném zisku 0,5 kWh z 1m²) 15 040 km²

Odpovídající plocha biomasy (při reálném zisku 0,3 kWh z 1m²) 25 000 km²

Veškerá orná půda ČR 29 574 km²

Pokud bychom tedy chtěli nahradit benzín a motorovou naftu biomasou, museli bychom na její produkci použít asi 80 % veškeré orné půdy.

Pokud bychom chtěli nahradit ještě plyn a elektrickou energii, museli bychom použít plochu jako je Francie.

A ještě bychom nevytvářeli jídlo.

Specifické spalné teplo některých paliv (1 MJ = 277,7 Wh)

Skutečné množství energie získané spálením paliv (Nuclear News 1997)

Účinnost elektrických strojů vzrůstá s velikostí motoru či generátoru. Velké elektromotory dosahují účinnosti téměř 100% (nový šestipolový synchronní motor firmy ABB o výkonu 44 MW dosahuje účinnosti 98,8 %)

Automobilka Tesla uvádí u nových synchronních motorů s permanentními magnety účinnost 97 %. Celková účinnost modelu Tesla S se uvádí 65 % (počítáno od externí nabíječky). Většina ztrát vzniká při nabíjení.

Ze srovnání je vidět, že při použití elektromotoru se reálná spotřeba pohybuje kolem 1 kWh na 100 kg hmoty a vzdálenost 100 km. U spalovacích motorů je to více jak dvojnásobek.

Dalším produktem slunečního záření je pohyb vody a větru.

Příklad:

Ponceletovo vodní kolo o průměru 1,2 m a šířce 1 m, instalované na jezu s výškou 0,3 m a nebo na volné řece s rychlostí vody 8,5 km / h.

Výkon na hřídeli cca 300 W.

S použitím asynchronního generátoru je výsledný výkon cca 240 W.

Tedy energie vyrobená za den 5,760 kWh. To je energie biomasy z více jak 1 m² za celý rok. Jinak – toto malé kolo vyrobí za den tolik elektrické energie, kterou spotřebuje malý dům za 3 dny.

Druhotný zdroj:

Komunální odpad

Jako příklad nám může sloužit Liberecká spalovna Termizo a.s.

Výňatek z výroční zprávy za rok 2018:

Zpracováno 82 683 tun KO

Spálením získáno cca 1 000 TJ tepla (spálení 1t = 3359 kWh, 1kg = 3,36 kWh)

z toho využito:

586 TJ jako teplo (ekvivalent roční spotřeby 12 000 domácností)

24 800 MWh jako elektřina (ekvivalent roční spotřeby 10 000 domácností)

Odpad po spálení 27 560 tun, z něj:

vyrobeno 25 946 tun stavebního materiálu (SPRUK)

získáno 1000 tun železného šrotu

zbytek 1654 tun finálního odpadu

Celkově využito 98 % původního množství komunálního odpadu a 2 % zůstávají jako finální odpad.

Závěr:

Elektrické pohony mají poloviční spotřebu energie oproti spalovacím. Elektromobily i elektrokola spotřebují cca 1 kWh na přesun 100 kg po dráze 100 km.

Vozidla se spalovacím motorem cca 2,2 kWh při stejných podmínkách.

Zemědělská výroba biomasy, coby paliva, vyprodukuje max. 1 kWh získané energie z 1 kg sušiny, potažmo 0,5 kWh / m² / rok.

Fotovoltaický panel dnes dosahuje účinnosti 17 – 22 %.

Reálný zisk v ČR je cca 160 kWh / m² / rok.

Energie získaná spálením 1 kg komunálního odpadu je cca 3,3 kWh, tedy vyšší než u spalování uhlí, a odpovídá energii biomasy ze 7 m² / rok.

Neboli, energie biomasy získané z 1 ha za 1 rok (max. 8 t/ha/rok) se získá spálením 1,5 tuny komunálního odpadu.

Zdroje:

Matematické, fyzikální a chemické tabulky
mendelu.cz (výnosy plodin)
mve.energetika.cz (vodní kola, turbíny, generátory)
Nuclear News (reálný zisk energie při spalování paliv)
oficiální stránky uváděných automobilů
tmz.mvv.cz (spalovna Termizo a.s.)

---

reklama

---