OZE - přednášky + cvika

) W = J/s J = W.s
1 kWh = 3,6 . 106 J
J = W.s = 2,778 . 10-7 kWh „opakování“,
Jaké znáte formy energie? Dělení energie podle druhu Mechanická kinetická ( pohybová ) pohybem hmoty po určité dráze (vítr)
potenciální (polohová) pohybem hmoty po určité dráze (voda v přehradě)
Tepelná pohybem molekul dané látky
Chemická přeměnou molekul hmoty
Elektrická pohybem elektronů látky
Energie pole změnami elektrického, elektromagnetického, magnetického, (gravitačního) pole
Jaderná uvolňuje se štěpením nebo slučováním atomových částic. Projevuje se kinetickou energií částic. Projevuje se Využití OZE při provozu budov v podmínkách ČR Energetické systémy v budovách Systémy pro vytápění budov
Systémy pro větrání budov
Systémy pro ochlazování budov
Systémy pro přípravu teplé vody
Systémy pro osvětlení
(a provoz spotřebičů)
Systémy technologické
(např. ohřev bazénové vody) Energetická náročnost budovy v souladu s vyhl. 148/2007 Sb. Nízkoenergetické rodinné domy Nízkoenergetický dům je charakterizován nízkou potřebou tepla na vytápění a tohoto je dosaženo především optimalizovaným stavebním řešením obálky budovy. Měrná potřeba tepla na vytápění EA ≤ 50 kWh/(m2.a) a průměrný součinitel prostupu tepla nepřekračuje normově doporučenou hodnotu (≤ 0,75. Uem,N). Z hlediska neprůvzdušnosti obálky objektu je doporučena těsnost n50 = 1,5.h-1. V letním období musí být v pobytových místnostech stavbou zajištěna teplota nižší nebo maximálně rovna 27oC a to bez strojního chlazení. Je-li v objektu větrací systém se zemním výměníkem pro přívod větracího vzduchu, jeho účinek se v letním období do výše uvedeného požadavku na teploty v pobytových místnostech nezahrnuje. Potřeba primární energie se nehodnotí. Takto jsou v ČSN 730540-2 a TNI 73 0329 definovány hlavní parametry domu nízkoenergetického. Pasivní rodinné domy Pasivní dům je charakterizován minimalizovanou potřebou energie za zajištění požadovaného stavu prostředí a minimalizovanou potřebou energie primární získanou z neobnovitelných zdrojů. Tohoto je dosaženo jak optimalizovaným stavebním řešením, tak dalšími opatřeními. Ve vztahu ke stavebnímu řešení musí být průměrný součinitel prostupu tepla Uem≤ 0,25 [W/(m2K)], doporučenou je hodnota Uem≤ 0,20 [W/(m2K)]. Mimo to je požadována měrná potřeba tepla na vytápění EA ≤ 20 [kWh/(m2.a)], ale doporučeno je EA ≤ 15 [kWh/(m2.a)]. Z hlediska neprůvzdušnosti obálky objektu je povinně hodnocenou vlastnosti těsnost a to s max. hodnotou n50 = 0,6.h-1 . Do hodnocení měrné potřeby primární energie pasivních budov se zahrnují energetické potřeby pro vytápění (zde je zahrnuto i větrání), přípravu teplé vody a pomocnou elektrickou energii na provoz energetických systémů. Pokud by bylo použito strojní chlazení (i individuálními jednotkami), musí zde být zahrnuto též. Jedním ze základních předpokladů pasivního domu ale je, že stavební řešení a stínící prostředky jsou takové, že chlazení v letním období není potřebné. Po zohlednění faktoru energetické přeměny pro přepočet na hodnoty primární energie z neobnovitelných zdrojů musí být její hodnota menší nebo max. rovna 60 [kWh/(m2.a)]. Výše uvedenými požadavky definuje pasivní dům  ČSN 730540-2 (2011). Mimo jiné je nutné využití takových zdrojů, aby spotřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů byla co nejnižší Zdroj Faktor energetické přeměny (kWh/kWh) Zemní plyn a další fosilní paliva 1,1 Elektrická energie (ze sítě) 3 Dřevo a ostatní biomasa 0,05 Dřevěné pelety 0,15 Soustava CZT dle druhu zdroje
fosilní paliva
kombinovaná výroba elektriky (35%) a tepla
kombinovaná výroba elektriky (70%) a tepla
biomasa
1,5
1,1
0,8
0,3 Fotovoltaické solární systémy pro vlastní potřebu 0,05 Termické solární systémy 0,05 Referenční hodnoty faktoru energetické přeměny pro přepočet na hodnoty primární energie z neobnovitelných zdrojů (výběr z ČSN 73 0540-2, 2011). Dům blízký energeticky nulovému a dům energeticky nulový K hodnocení energeticky nulových a následujících typů budov jsou zde uvedeny pouze předběžné informace vycházející z ČSN 73 0540-2 (2011), které se mohou v příštích letech zpřesnit či mírně změnit. I energeticky nulový dům či dům k němu blízký jsou napojeny na energeticky obvyklé sítě. Z hlediska stavebního jsou požadavky odpovídající standartu řešení pasivní budovy. Odlišná jsou kritéria vyjadřující bilanci spotřeby a produkci energie v hodnotách primární energie z neobnovitelných zdrojů. Rodinný dům blízký nulovému a nulový musí mít průměrný součinitel prostupu tepla Uem≤ 0,25 [W/(m2K)] a měrnou potřebu tepla na vytápění EA ≤ 20 [kWh/(m2.a)]. Roční bilance energetických spotřeb a energetické produkce v budově a jejím okolí vyjádřená měrnou hodnotou primární energie z neobnovitelných zdrojů má dvě základní úrovně hodnocení - A a B. V úrovni A se do hodnocení zahrnuje energie pro vytápění, přípravu teplé vody, pomocná na provoz energetických systémů, pro umělé osvětlení a elektrické spotřebiče. Strojní chlazení by v tomto typu rodinných domů opět nemělo být díky stavebním opatřením potřebné. Toto je jeden ze základních požadavků i u pasivních domů. Pokud je nutné chlazení s potřebou energie vyjímečně realizovat, musí být zahrnuto do bilance. V úrovni B se nehodnotí uživatelská elektrická energie, do bilance je tedy kromě elektrických spotřebičů zahrnuto vše výše uvedeno. Rodinný dům Úroveň hodnocení A Úroveň hodnocení B Blízký nulovému ≤ 80 ≤ 30 Nulový ≤ 0 ≤ 0 Měrná roční bilance spotřeby a produkce energie vyjádřená v hodnotách primární energie z neobnovitelných zdrojů [kWh/(m2.a)] pro rodinný dům Na dosažení této úrovně je oproti pasivnímu domu nutné větší využití zařízení a systémů pro výrobu energie a to jak tepelné, tak elektrické z obnovitelných zdrojů. Vzhledem k tomu, že hodnocení zahrnuje primární energii i pro osvětlení (úroveň B), osvětlení a provoz domácích spotřebičů (úroveň A), musí být energie potřebná pro toto využití co nejnižší, což souvisí s jejich typy (úsporné žárovky, LED svítidla), spotřebiče A+,A++, A+++. Na snížení primární energie z neobnovitelných zdrojů se výrazně podílí ostrovní systémy výroby elektrické energie. Dům blízký energeticky nulovému a dům energeticky nulový Energeticky pozitivní dům Úsporné domy v nulovém či energeticky pozitivním souboru je předběžně definován jako objekt splňující ve vztahu ke stavebnímu řešení požadavky jako pro pasivní budovu. V úrovni hodnocení B (tj. bez uživatelské energie pro provoz elektrických spotřebičů)je měrná roční bilance spotřeby a produkce energie vyjádřená v hodnotách primární energie z neobnovitelných zdrojů menší nebo max. rovná 0 a současně energetická produkce převyšuje energetickou spotřebu alespoň o 10%. Pokud by byl objekt v souboru obdobně řešených budov se  společnou výrobou energie z obnovitelných zdrojů, lze provést společnou bilanci pro celý soubor. Jednotlivé domy by měly z hlediska stavebního řešení opět splnit požadavky jako pasivní dům, přičemž bilance spotřeb a produkce primární energie z neobnovitelných zdrojů by byla pro celý soubor ≤ 0. Dům se zvýšenou energetickou nezávislostí Jedná se o objekt, který by měl mít zajištěnou za výpočtových provozních podmínek alespoň krátkodobou nezávislost na vnějších dodávkách energie. Z hlediska stavebních požadavků by měl splnit požadavky pasivní stavby a případně být po této stránce i lepší. Nutná je výroba energie pro provoz. Při výrobě energie z nestabilních obnovitelných zdrojů (sluneční záření, vítr) je požadavek na adekvátní časovou akumulaci. Dům energeticky nezávislý (soběstačný) Požadavky na stavební řešení obdobné jako u domu se zvýšenou energetickou nezávislostí. Objekt by měl být schopen za výpočtových provozních podmínek dlouhodobé nebo úplné nezávislosti na vnějších dodávkách energie. Toto provedení je svázáno s potřebou řešení akumulace vyrobené energie a to v delším časovém horizontu.
Základní způsoby energetických přeměn
Biomasa, fytomasa a výroba fytopaliv
Teorie spalování pevných paliv CZ.1.07/2.2.00/15.0426 Posílení kvality bakalářského studijního programu Stavební Inženýrství Obsah Základní způsoby energetických přeměn
Způsoby uvolňování a přeměn energie

Přeměny tepelné energie na mechanickou (tepelné oběhy)
Přeměna chemické energie v teplo (spalování paliv)
Přeměna chemické energie na elektrickou
Přeměna jaderná energie
Přímé přeměny slunečního záření na tepelnou nebo elektrickou energii
Přeměna potencionální a kinetické energie SPALOVÁNÍ Paliva a jejich vlastnosti
pro základní chemickou formu přeměny spalování (okysličování). pevná
kapalná
plynná Dle skupenství Dle původu fosilní (uhlí, ropa, zemní plyn)
umělá (koks, brikety)
obnovitelná (biomasa, bioplyn)
alternativní (komunální odpad, tříděný odpad...) Obecné složení paliva: HOŘLAVINA Popis: h + A + W = 1 PŘÍTĚŽ + Hmotnostní podíl hořlaviny (kg/kg),
event. (kg/m3) Hmotnostní podíl popelovin (kg/kg) Hmotnostní podíl vody (kg/kg) TUHÁ A KAPALNÁ PALIVA Složení paliv Hořlavina
Je ta část, jejímž okysličováním se uvolňuje chemicky vázané teplo.
Hořlavina látky aktivní (spalováním vzniká teplo), uhlík C, vodík H, síra S
látky pasivní (vázané na C,H, resp. uhlovodíky, teplo nedodávají) kyslík O, dusík N
Prvkové složení hořlaviny: C, H, S, N, O C (uhlík) hlavním nositel tepelné energie, výhřevnost 33,91 MJ/kg
H (vodík) vysoká výhřevnost 119,56 MJ/kg, v palivech v menším množství a to jako volný a vázaný
vázaný je vázán s kyslíkem na vodu, nepřispěje k výhřevnosti, naopak spotřebuje určité množství tepla na odpaření vzniklé vody Hvolný = Hcelkový – O/8 (kg/kg) obsah kyslíku v palivu Přítěž (balast)
Se zvyšujícícm se podílem klesá výhřevnost (tepelný obsah) paliva.
KP+TP ........... popeloviny a voda
(PP...................vodní pára a nehořlavé plyny) S (síra) výhřevnost 10,52 MJ/kg. Produktem hoření – oxidace síry je SO2 (itý).
Při spalování s přebytkem vzduchu oxidace na SO3 (ičitý). Při kondenzaci spalin SO3 + H2O = H2SO4.
Nežádoucí z hlediska znečištění atmosféry, u materiálu ocel, litina z hlediska nízkoteplotní koroze při kondenzaci spalin.
O (kyslík) váže vodík částečně uhlík a snižuje výhřevnost paliva.
N (dusík) neúčastní se hoření, přechází do spalin. Snižuje podíl ostatních prvků v palivu a tím výhřevnost. W (voda) snižuje výhřevnost paliva a způsobuje ztrátu tepla při přeměně na páru a její ohřev na teplotu spalin. Výraznější u TP, u KP je jen v zanedbatelném množství.
M (popeloviny)
Jsou minerální složky (jílové minerály, karbonáty, sulfidy, sulfáty, ....). Snižují výhřevnost paliva.
Při teplotě 815 (+/-) 25 oC se částečně rozkládají na těkavé látky CO2, H2O (zplodiny) a netěkavý zbytek popel A.
Popel má různou teplotu tavení (do 1200, 1200 až 1400, nad 1400 oC). Je-li teplota tavení nižší než teplota hoření, tvoří se struska. Teplotu tavení snižují zásadité složky. Definované stavy při popisu tuhých paliv Stav bez vody a popela (jen hořlavina) daf (dry-ashfree)
Suchý stav bez vody (jen hořlavina a popelovina) d (dry)
Původní stav (hořlaviny, popelovina, voda) r (real)
Musí platit:
hr + Ar + Wr = Cr + Hr + Sr + Nr + Or + Ar + Wr = 1 Výhřevnost a spalné teplo Spalné teplo Qs (kJ/kg, MJ/kg), (kJ/m3 u PP)
Je teplo uvolněné dokonalým (úplným) spálením jednotkového množství paliva (1 kg), za konstantního tlaku a teploty t, přičemž všechny plynné produkty spalování ochlazené na výchozí teplotu t jsou v plynném stavu, vodní pára utvořená v průběhu reakce při teplotě t zkondenzuje. Vztažná spalovací teplota t je pro TP 20 oC. Spalné teplo je tedy celkové chemicky vázané teplo v palivu včetně kondenzačního tepla vodní páry. Je vyšší než výhřevnost.
Měří se laboratorně. Výhřevnost Qi (kJ/kg, MJ/kg) Je teplo uvolněné dokonalým (úplným) spálením jednotkového množství paliva (1 kg), za konstantního tlaku a teploty t, přičemž všechny plynné produkty spalování ochlazené na výchozí teplotu t jsou v plynném stavu. Oproti spalnému teplu je nižší o výparné teplo vody při příslušné teplotě.
Výhřevnost pro TP se počítá:
Qir = Qsr – 2453 . (Wr + 8,94 Hr)
Známe – li složení paliva, lze přibližně vypočítat spalné teplo a výhřevnost dle empirických vztahů, odlišných dle stáří a typu paliva. Statistický vztah používaný pro tuhá paliva (i dřevo)
Qir = 34,75.Cr + 95,3. Hr – 10,9 . (Or – Sr) – 2,5 Wr PLYNNÁ PALIVA Hořlavé plyny Nehořlavé plyny a páry H2 vodík (10,76 MJ/m3)
CO oxid uhelnatý (12,64 MJ/m3)
CH4 methan (35 MJ/m3)
H2 S sulfid (23,7 MJ/m3)
Nenasycené uhlovodíky:
CnHm
C3H8 propan
C4H10 butan
C2H4 ethylen
C2H6 ethan
Přítěž pro topný plyn N2 dusík
CO2 oxid uhličitý
O2
H2O
SO2 Vztah mezi výhřevností a spalným teplem pro plynná paliva Qi = Qs – 19,6 . (VH2 + 2 V CH4 + n . V CnHm + VH2S + VH2O ) (kJ/m3) Objemové podíly plynných složek ve vlhkém plynu Stechiometrické vztahy pro tuhá a kapalná paliva (dokonalé spalování, přebytek vzduchu roven 1) Suchý spalovací vzduch na jednotku paliva (Nm3/kg) Objem suchých spalin pro tuhá a kapalná paliva (dokonalé spalování, přebytek vzduchu roven 1) (Nm3/kg) Stechiometrické vztahy
Více viz. cvičení „Přívod spalovacího vzduchu“
Doplnění
Neznáme-li složení (prvkový rozbor) paliva, lze minimální objem vzduchu pro spalování přibližně stanovit empirickými vztahy:
Vvmin = 0,5 + 1,012 (Qri/4187)
Vvmin = 1,7 + 0,88 (Qri/4187)
Vvmin = 1,07 (Qri/4187)
TP Topný olej Zemní plyn není OZE Množství spalin u TP a KP Dokonalé spalování ( bez přebytku vzduchu ) Teoretické množství vlhkých spalin při dokonalém spalování se skládá z objemů
Vsv min = VCO2 + VSO2 + VN2 + VAr + VH2O (m3/kg) objem vodních par objem suchých spalin VSS min Nedokonalé spalování ( s přebytkem vzduchu) 1 atom C + 1 molekula O2 1 molekula CO2 Bez přebytku okysličovadla S přebytkem okysičovadla 1 atom C + 1 molekula 0,5 O2 1 molekula CO chemický nedopal Spalování uhlíku na oxid uhličitý i uhelnatý Objem spalin při nedokonalém spalování Vsv min = VCO2 + VCO+ VSO2 + VN2 + VAr + VO2 + VH2O objem suchých spalin VSS min objem vodních par Více viz. cvičení. EOZ – biomasa Skutečným zdrojem je sluneční záření. Cca 0,1 % záření dopadajícího na zem je přeměněno v chemickou energii rostlin.
Biomasa je hmota biologického (organického) původu. Biomasa zahrnuje biomasu rostlinnou i živočišnou.
Fytomasa – hmota pouze rostlinného původu. Biomasa odpadní Odpady zemědělské produkce a jiné rostlinné odpady Odpady z lesní těžby Odpady z průmyslové výroby Odpady z živočišné výroby Odpady organické komunální Mezi odpadní biomasu patří zbytky ze zemědělské prvovýroby (sláma, seno,…) nebo zbytky z údržby krajiny a zeleně, část nevyužité lesní stromové hmoty a zbytky po těžbě (dendromasa), organické odpady z průmyslové výroby a to jak dřevozpracujícího průmyslu (odřezky, piliny, kůra,…), tak potravinářského průmyslu, odpady z živočišné výroby (hnůj, kejda,…), kaly a tuhé komunální odpady. Fytomasou záměrně pěstovanou jsou účelově pěstované energetické rostliny. Energetické plodiny Lignocelulózové Olejnaté Škrobno cukernaté Dřeviny (topoly, vrby, olše, akáty,…)
Celé rostliny obilovin
Travní porosty (sloní tráva, chrastice …)
Ostatní rostliny (Křídlatka sachalinská, šťovík krmný, konopí seté,…) ( Řepka olejná, slunečnice, len, …) ( Brambory, cukrová řepa, kukuřice,obilí zrno…) Energetickým využíváním biomasy se rozumí její spalování za účelem výroby tepla, elektřiny nebo elektřiny a tepla (kogenerace). Biomasu lze využívat v podobě přímé (dřevo, dřevní odpad, sláma,…) nebo fyzikálně přetvořené v podobě kvalitnějších fytopaliv (pelety, brikety,…) Biomasu lze spalovat přímo nebo jsou spalovány produkty jejího zpracování v kapalné či plynné formě. Základními technologiemi zpracování a přípravy ke spalování jsou termo-chemické, bio-chemické a mechanicko-chemické formy přeměn. Forma přeměny Termo - chemická Bio –chemická Mechanicko - chemická Pyrolýza
Zplyňování Fermentace, alkoholové kvašení (etanol)
Anaerobní vyhnívání, metanové kvašení (bioplyn) Lisování olejů
Esterifikace přírodních bio-olejů (bionafta)
Drcení, mletí, lisování, peletace (pelety, brikety) Nařízení vlády ze 7.12.2011 o kritériích udržitelnosti biopaliv (stanovení emisí) Dávka paliva Palivo Jmenovitýtepelný výkonkW Mezní hodnoty emisí CO OGC prach mg/m3 N při 10 % O2 třída 3 třída 4 třída 5 třída 3 třída 4 třída 5 třída 3 třída 4 třída 5 ruční biogenní 0–50 5 000 1 200 700 150 50 30 150 75 60 50–150 2 500 100 150 150–500 1 200 100 150 fosilní 0–50 5 000 150 125 50–150 2 500 100 125 150–500 1 200 100 125 samočinná biogenní 0–50 3 000 1 000 500 100 30 20 150 60 40 50–150 2 500 80 150 150–500 1 200 80 150 fosilní 0–50 3 000 100 125 50–150 2 500 80 125 150–500 1 200 80 125 Palivo Výkon kotle (kW) Max. povolené množství COref (mg/m-3) Referenční obsah kyslíku (%) Pevná paliva obecně nad 15 5000 6 Dřevo nad 15 5000 11 Kapalná paliva nad 11 1000 3 Plynná paliva nad 11 500 3 Limitní hodnoty účinnosti spalování malých zdrojů instalovaných od 1.1.1990
Připravované limity pro teplovodní kotle KRPCE K, HORÁK J., HOPAN F., Měření emisí znečišťujících látek z kotlů malých výkonů, Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava, Výzkumné energetické centrum Inovace pro efektivitu a životní prostředí Zdroje 11 až 50 kW včetně nad 50 kW spalující kapalná a plynná paliva 89% 90% Zdroje 15 až 50 kW včetně nad 50 kW spalující pevná paliva 72% 74% Limitní hodnoty účinnosti spalování malých zdrojů instalovaných od 1.1.1990 nařízení č. 146/2007 Sb. o emisních limitech a dalších podmínkách provozování spalovacích stacionárních zdrojů znečišťování ovzduší se změnami č. 476/2009 Sb Termické procesy Procesy oxidativní Procesy reduktivní V reakčním prostoru je obsah kyslíku stechiometrický nebo vyšší
(nízkoteplotní a vysokoteplotní spalování), V reakčním prostoru je obsah kyslíku nulový nebo substechiometrický (pyrolýza a zplyňování). Stechiometrický objem suchého spalovacího vzduchu pro dokonalé spalování VVSmin = (22,39/0,2095) . (Cr/12,01 + Hr/4,032 + Sr/32,066 - Or/32,00) Spalování
Termická přeměna za dostatečného přístupu kyslíku.
Fáze – odpařování vody, uvolňování hořlavých plynů, spalování vzniklých plynů Spalování na roštu
Např. prohořívací kotle na dřevo, kotle na slámu Ovlivnění procesu hoření - řízení přívodu vzduchu (primární, sekundární, někdy i terciální) Spalování v hořácích Např. Kotle na pelety – retortové hořáky, šnekový dopravník,
i kotle na obilí (úprava retortového hořáku) Ovlivnění procesu hoření - řízení přívodu vzduchu (primární, sekundární) a přísunu paliva 1.Přísun paliva 11.Trysky primárního vzduchu 13.Ústí sekundárního vzduchu 9.Ventilátor Rošty pevné
s přemisťováním paliva Ve fluidní vrstvě Spalování v hořácích speciálních (na obilí), některé typy lze vestavět ke stávajícím kotlům na TP (uhlí) Spalování probíhá „ve vznosu“, hmota částic se chová jako kapalina. Dle tlaku jsou fluidní kotle
atmosférické
přetlakové
Dle vrstvy
se stacionární fluidní vrstvou
s cirkulující fluidní vrstvou (u kotle je cyklon) Drcené palivo, výkony v MW - teplárenství Zplyňování
Proces výroby spalitelného plynu bez, za omezeného přístupu vzduchu. U biomasy je teplota zplyňování 800-900oC. V oblasti teplot do 200°C dochází k sušení a tvorbě vodní páry fyzikálním odštěpením vody. V rozmezí teplot 200 až 500°C následuje oblast tzv. suché destilace. Zde nastává ve značné míře odštěpení bočních řetězců z vysokomolekulárních organických látek a přeměna makromolekulárních struktur na plynné a kapalné organické produkty a pevný uhlík. Ve fázi tvorby plynu v oblasti teplot 500 až 1200°C jsou produkty vzniklé suchou destilací dále štěpeny a transformovány. Přitom jak z pevného uhlíku, tak i z kapalných organických látek vznikají stabilní plyny, jako je H2, CO, CO2 a CH4. Plyn s nízkou výhřevností do 8 MJ/m3
Plyn se střední výhřevnost