obnovitelne-energie-v-rozvojovem-svete, 333 kB

OBNOVITELNÉ ENERGIE V ROZVOJOVÉM
SVĚTĚ
Milan Smrž a Miroslav Gežo
Potřeba energie pro rozvojový svět
Energie je život. Každá přírodní i lidská aktivita je vždy spojena s výměnou energie. S příjmem nebo
výdajem. Energie přímo určuje civilizační stupeň. V současné době žije na naší planetě čtvrtina lidí
bez přístupu k energii. Bez energie jsou omezeny základní civilizační funkce, které jinak považujeme
za samozřejmé. Bez elektrického světla se bude rodit při baterce, bez elektřiny se děti budou učit ve
večerních hodinách při svíčce, bez elektřiny budou malé dívky pumpovat vodu z hloubky přes 50
metrů ručně, místo aby si hrály, obdobně jako jejich vrstevnice v severních průmyslových zemích.
Již od šedesátých let stále roste podíl exportních příjmů afrických zemí, který je věnován na dovoz
fosilních energetických surovin. Podle nejnovějších údajů vydávají dvě třetiny afrických zemí za dovoz
fosilních energií více než činí jejich exportní příjmy. Tato situace jenom podtrhuje jejich špatnou
ekonomickou situaci a nedává do budoucna žádné přijatelné řešení.
Podle studie OSN existuje na světě mnoho příkladů, jak se chudé rozvojové země adaptují na
udržitelné hospodářství. Uganda zvýšila export produktů biologického zemědělství mezi roky 2003 a
2008 více jak čtyřikrát. Laos podporuje „zelenou“ turistiku; mezi lety 2005 a 2009 se počet návštěvníků
zdvojnásobil na dva miliony. V Mali snížili spotřebu importovaných agrochemikálií ve prospěch
přírodních hnojiv. Profitují ze snížených nákladů a zvýšených výnosů. Achim Steiner, šéf programu
UNEP, říká, že proměna k zelené ekonomii je sice šancí pro rozvojové země, ale současně je tato
šance závislá na rozvojové spolupráci. OSN podporuje zajištění více prostředků pro udržitelné
1
hospodářství a transfer udržitelných technologií.
Dvě limity současného fosilně jaderného systému
Již několik desetiletí se stále se zvyšující se měrou projevují dvě základní limity současného
fosilnějaderného energetického systému. První limitu představuje dostupnost surovin. Na různých
vědeckých a politických setkáních bylo opakovaně prohlašováno, že nelze v brzké budoucnosti
uspokojovat stále rostoucí spotřebu po energetických zdrojích. Je možné, že se v budoucnu naleznou
nová ložiska, ale není to pravděpodobné. Nálezy ropy kulminovaly již v roce 1963 a od té doby přes
velké prospekční úsilí stále klesají.
Druhou limitou jsou ekologické následky dané plynnými emisemi, především emisemi oxidu uhličitého
a jeho vlivem na klimatické změny. Ekologické následky se ale netýkají jenom emisí spojených se
spalováním fosilních zdrojů, ale i s jejich těžbou, úpravou a transportem. Tyto aspekty jsou markantní
především v rozvojovém světě (například těžba ropy v deltě Nigeru), protože v těchto zemích často
chybí potřebná legislativa, korektní a neúplatný státní dozor i uvědomělá občanská společnost.
|1
Dosažení Rozvojových cílů tisíciletí
Prakticky žádné Rozvojové cíle tisíciletí (MDGs), k nimž se přihlásily v roce 2000 všechny členské
země OSN a mnoho organizací, nelze uskutečnit bez energie. Využití čisté energie se váže především
k cílům jako zlepšení zdravotní péče (přístup ke světlu, chlazení či ohřívání), zlepšení životních
podmínek zejména žen a dětí (při vaření), vzdělávání (zlepšení podmínek pro studium a zvýšení
atraktivity vesnických škol pro učitele), využití moderních informačních technologií pro výměnu
informací a partnerství, přístup k čisté vodě, ekologická a tudíž i zemědělská udržitelnost.
Současná spotřeba energie na hlavu v Africe činí pouhých čtyřicet procent světové průměrné
energetické spotřeby na hlavu a je poloviční než v Jižní Americe. Ve srovnání s vyspělými evropskými
a asijskými zeměmi OECD je šestinová a ve srovnání s USA desetinová.
Specifika rozvojových zemí
Z hlediska přístupu k energii je základním specifikem většiny rozvojových zemí charakter osídlení.
Řídké osídlení většiny zemí subsaharské Afriky dosahuje i dvacetiny průměrné hustoty osídlení světa
a tento fakt je významným činitelem energetické koncepce. V řídce osídlených zemích jsou značně
omezené možnosti budování energetické infrastruktury, tak jak ji známe z průmyslových zemí. Vysoké
náklady na stavbu a údržbu rozsáhlých elektrických sítí, spolu s vysokými přenosovými ztrátami
předurčují většinu řídce obydlených oblastí rozvojových zemí k decentrálnímu řešení formou lokálních
sítí či energeticky nezávislých budov pro obytné i další účely.
Fotovoltaika
Fotovoltaika je vyzrálou technologií pro aplikace prakticky kdekoliv na světě. Může být realizována od
malých domovních ostrovních systémů (off grid) se špičkovým výkonem panelů 50–100 W
s akumulací elektřiny do malých elektrochemických baterií, případně s konvertorem poskytujícím
síťové napětí; až po velké systémy o výkonech v jednotkách až desítkách MW, připojené k síti
(on grid).
V optimálních podmínkách subsaharské Afriky lze počítat s téměř dvojnásobnou produkcí využitelné
elektřiny ve srovnání s podmínkami v České republice. Produkované množství elektřiny za rok může
dosáhnout ve slunných regionech Afriky za optimálních podmínek i 1,7 MWh na instalovaný 1 kWp za
rok.
Ve středoevropských zemích (Německo, Rakousko) se v různých scénářích počítá s pokrytím až 30
procent celkové spotřeby elektřiny z fotovoltaiky, z toho plynou velké možnosti aplikace fotovoltaiky
v místech s výrazně vyšším a především pravidelnějším osvitem. Viz tabulka, kde je uveden průměrný
osvit po měsících v různých městech jako 22letý průměr.
|2
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Praha
0.95
1.72
2.59
3.83
4.72
4.79
4.84
4.45
2.91
1.75
0.91
0.71
Adis Abeba
6.18
6.59
6.52
6.48
6.42
5.86
5.15
5.18
5.84
6.40
6.31
6.11
Kampala
5.60
5.88
5.61
5.21
4.93
4.82
4.86
5.03
5.32
5.01
5.01
5.29
Lusaka
5.38
5.44
5.51
5.64
5.39
5.00
5.26
6.08
6.62
6.78
6.17
5.45
Windhoek
6.88
6.51
6.19
5.56
5.16
4.82
5.00
5.82
6.66
6.89
7.16
7.44
místo/měsíc
2
Tab.1 Průměrný osvit podle měsíců v kW/m .den na různých místech země, na horizontální plochu
Základní uspořádání fotovoltaických systémů
Z hlediska provozu a základního zapojení rozlišujeme dvě uspořádání. Systémy které jsou napojeny
na síť – on grid a systémy, které jsou samostatné, ostrovní – off grid. Oba systémy se liší především
uchováváním energie, kdy ostrovní systém musí být vybaven akumulací, aby mohl poskytovat
elektrický proud rovněž ve chvílích malé intenzity osvitu a v noci.
Systémy připojené k síti mají vždy invertor, který ze stejnosměrného napětí vytváří napětí střídavé
síťové a prakticky nikdy nemají žádnou akumulační kapacitu; pokles jejich výkonu je v síti
kompenzován jiným způsobem. Do budoucna lze ale počítat s tím, že akumulační kapacity budou
vznikat na nejrůznějších úrovních sítě.
Uspořádání ostrovních systémů
Při projektování ostrovního systému je třeba zvážit možnosti různého napětí. Systém může být
opatřen invertorem nebo může být provozován na napětí, které je pracovním napětím baterie a
fotovoltaického zařízení. Uspořádání bez invertoru je vhodné pouze tam, kde se jedná o malé
přenášené výkony – z jednoho nebo dvou panelů na krátké vzdálenosti. Ztráty ve vedení jsou závislé
na velikosti proudu a odporu vodiče, proto lze nízké napětí kompenzovat silnějšími vodiči, což
samozřejmě poněkud zvýší počáteční náklady rozvodů, ale současně je sníží neexistencí invertoru a
zvýší odolnost systému proti poruchám.
Pro systémy bez invertoru je nejlépe projektovat zařízení na 24 V nebo i 48 V. Pro napětí 12, 24 i 48 V
lze zakoupit obyčejné i úsporné žárovky, i některé další spotřebiče, například malé ledničky,
radiopřijímače či vysílačky, případně lze před spotřebič předřadit malý DC/DC konvertor.
Nízkonapěťové systémy mají i další výhodu, totiž že jsou dotykově bezpečné i ve vlhkém prostředí.
Někdy je vhodné k nízkonapěťovému systému pořídit malé invertory (prodávané běžně v rámci
autopříslušenství), které se zapojí většinou pro jednu zásuvku a jeden malý spotřebič.
Ostrovní systémy jsou vhodné právě pro decentrální elektrifikaci především v rozptýlených vesnických
oblastech zemědělsky orientovaných zemí. Ostrovní systémy mohou být jak malé domovní systémy
(SHS - small home system), tak i malé lokální sítě, například vesnické. V tomto případě je ale
nezbytné, aby provozní napětí bylo 230 V.
|3
Plánování malého fotovoltaického projektu
Pro úspěšný malý projekt je třeba správně navrhnout jednotlivé komponenty:
•
návrh racionální sestavy spotřebičů
•
určení spotřeby všech spotřebičů v Ah za den
•
určení velikosti panelů podle hodin plného slunečního svitu za den a potřebného proudu, za
použití koeficientu 1,3, kterým se násobí vypočtená hodnota celkové spotřeby v Ah za den
•
určení velikosti baterie s přihlédnutím k pokrytí pravděpodobných období bez slunečního svitu, to
se provede násobením denní spotřeby a počtu dní pro zajištění elektřiny
Jednotlivé komponenty fotovoltaického zařízení a jejich vlastnosti
Fotovoltaické panely
Fotovoltaické panely jsou základním prvkem fotovoltaické sestavy. Existují v mnoha typech a
provedeních od velkého množství výrobců. Lze je rozdělit podle typu materiálu na následující typy
s udaným plošným výkonem:
typ panelu
účinnost modulu
(%)
průměrná potřeba na
2
1 kW výkonu (m )
monokrystalický křemík
až 19
6-9
polykrystalický křemík
až 16
8-9
amorfní křemík
až 9
16-20
diselenid mědi a india
až 9
16 -20
CIGS
až 13
11
Tab.2 Účinnost fotovoltaických panelů
Uvedené účinnosti se stále zlepšují a lze očekávat, že během několika málo let se i průmyslová
produkce dostane o 4–5 procentních bodů výše.
Solární články ztrácejí výkon s časem; u krystalických článků se jedná o 10 až 13 % během 20 až 25
let, u amorfních je úbytek rychlejší. Dnes poskytují prakticky všichni výrobci garanci na snížení výnosu
a to většinou 10 % na 10 let a 20 % na 20–25 let.
Solární články rovněž reverzibilně ztrácejí část svého výkonu, jestliže jsou zahřáté na určitou teplotu.
Zahřáté například o 50 °C ztrácejí monokrystalické panely 12–15 %, polykrystalické okolo 14–23 %.
Regulátory
Regulátor nabíjení baterií je elektronické zařízení, které zajišťuje následující základní funkce:
•
nabíjí baterie rychle, bezpečně a úplně – i když je k dispozici jen minimální sluneční svit
•
zabraňuje hlubokému vybíjení a hlídá, aby nedošlo ke krátkému spojení a sulfataci elektrod
•
hlídá, aby nedošlo k přebíjení baterie, ani k tvorbě plynů a cirkulaci kyseliny
|4
•
zabraňuje obrácenému toku proudu od baterie do solárního modulu, pakliže je napětí na solárním
modulu nižší než napětí v baterii
Aby byly regulátory schopny zajistit tyto funkce, musí rozpoznat typ baterie a určit stáří a teplotu
baterie, k níž jsou připojeny.
Rozlišují se sériové, paralelní a MPPT regulátory a DC/DC převodníky:
•
Sériové regulátory pracují tak, že když je baterie dostatečně nabita, je solární modul od baterie
odpojen, a když se nabití sníží, je opět připojen. Obdobně odpojí regulátor zátěž, když napětí
dosáhne prahové vybíjecí hodnoty a po jejím zvýšení zátěž automaticky zase připojí. Obě napětí
lze volit. Integrovaná blokovací dioda současně zabraňuje vybíjení baterie, je-li napětí na baterii
vyšší než na solárním modulu. Nehrozí nebezpečí hot spot efektu při částečném zastínění panelu.
•
Paralelní regulátory pracují tak, že při překročení limitního nabíjecího napětí zkratují proud ze
solárního modulu přes odpor. Blokovací dioda zabraňuje zkratu solárního modulu, který by vedl ke
zkratu baterie. Zkrat může způsobit hot spot efekt.
•
MPPT regulátory se používají díky vyšším nákladům především pro větší systémy (více jak
1 kWp). Tyto regulátory vyhledávají bod maximálního výkonu. Zamezují ztrátám, které jinak
vznikají, když panel poskytuje vyšší napětí než má baterie. MPPT regulátory napětí uzpůsobí na
napětí baterie a proud vzroste, takže ztráty z velké části kompenzují (například ze 24 % na 4 %).
•
DC/DC převodník je zapotřebí tam, kde je třeba původním stejnosměrným napětím napájet
aplikaci, která vyžaduje jiné napětí. Je možné napětí zvyšovat (boost converter) či snižovat (buck
converter).
Invertory
Invertor je zařízení, které mění stejnosměrné napětí na střídavé. Jsou k dispozici jak samostatné
přístroje – většinou malé, s výkonem od 100 W do 1 kW, tak přístroje od 1 kW až do stovek kW, které
jsou pro ostrovní systémy kombinovány s regulátorem. Vedle invertorů pro ostrovní systémy jsou na
trhu invertory pro síťově připojené fotovoltaické systémy. Tyto jsou řízeny vnější sítí, a při jejím
výpadku rovněž odstaví. Bývají vybaveny MPPT technologií a systémem, který zamezuje
rezonančnímu jevu, při němž by invertor považoval za síť své vlastní výstupní napětí (islanding).
Baterie
Baterie jsou v současné době nejslabším článkem celého ostrovního energetického systému. Jsou
relativně drahé, neskladné, těžké a jejich životnost je omezena počtem pracovních cyklů. Vyvíjejí se
stále nové typy baterií na základě rozvoje mobilní komunikace i přicházející elektromobility.
U baterií se rozlišují základní parametry, především:
•
Kapacita je dána násobkem proudu a času (Ah nebo mAh) a představuje celkové množství
elektrického náboje, který je uložen v baterii.
•
Množství energie je dáno napětím baterie krát kapacita (Ah * V = Wh)
•
Konečné vybíjecí napětí je určité napětí při vybíjení baterie. Nesmí být nižší, protože tímto
způsobem se velmi rychle ztrácí životnost baterie. Některé baterie jsou vybaveny ochranou před
hlubokým vybíjením, které vypne zátěž, pakliže napětí baterie dosáhne určité hranice.
Olověné baterie a lithium ion baterie jsou velmi citlivé na hluboké vybíjení, zatímco např. niklkadmiové jsou relativně imunní.
|5
•
Hloubka vybití (Depth of Discharge, DoD) je aktuální kapacita baterie udávaná v procentech
počáteční kapacity.
•
Limitní nabíjecí napětí je maximální přípustné napětí, kterým lze baterii nabíjet. Toto napětí klesá
s rostoucí teplotou a se stářím baterie.
•
Životnost baterií udává počet celých cyklů, kdy může baterie být kompletně vybita a nabita až do
dosažení 80 % původní kapacity. Běžné baterie mají 500 až 1500 cyklů vybití a nabití.
•
Stav nabití baterie lze stanovit pomocí voltmetru, poté, když baterie byla několik hodin odpojena
od zátěže. Pomocí tohoto napětí lze určit stav nabití baterie. K tomuto stanovení lze použít i
hustoměru, kterým se nasaje kyselina sírová z olověných baterií. Při 25 °C je napětí (V) jednoho
článku rovno hustotě kyseliny zvýšené o 0,84. Při hustotě 1,10 kg/l (odpovídá napětí 12,10 V) je
baterie zcela vybitá.
stav nabití
gelová
baterie
AGM
baterie s kap. el.
100 %
12.95
>12,8
12,6
75 %
12,74
12,55
12,36
50%
12,54
12,30
12,10
25%
12,34
12,20
11,90
0%
12,10
<12,00
11,80
Tab.3 Stav nabití pro různé typy olověných baterií ve voltech
•
Energetická hustota udává kolik Wh je možno uskladnit v baterii. Charakteristické hodnoty se
pohybují okolo 80 Wh/kg. Čím je hustota vyšší, tím je baterie dražší.
•
Samovybíjení baterií je samovolný proces, který se podílí na snižování obsahu energie, i když je
baterie nepřipojena. Samovybíjení je závislé především na teplotě, ale rovněž závisí na typu
baterie a jejím stáří. Solární baterie by neměly mít vyšší rychlost vybíjení nežli 2–5 % za měsíc.
napětí
hustota energie
výkon
účinnost
samovolné vybíjení
(V)
(Wh/kg)
(W/kg)
(%)
(%/měsíc)
olověné
2,1
30-40
180
70-92
3-4
Fe-Ni
1,2
50
100
65
20-40
NiMH
1,2
30-80
250-1000
66
30
500-1000
Li ion
3,6
150-250
1800
80-90
5-10
1200
Li pol
3,7
130-200
3000+
99,8
5
500-1000
Li FePO4
3,25
80-120
1400
baterie
cyklů
500-800
2000+
Tab.4 Vlastnosti různých typů baterií použitelných v solárních systémech
|6
Určení velikosti baterie se řídí spotřebou proudu v Ah za den krát bezpečnostní koeficient, který
vyjadřuje počet dní energetické autonomie pro určité zeměpisné šířky. BP Solar na základě
zkušeností uvádí následující hodnoty:
zeměpisná šířka
počet dní energetické autonomie
0-30°
5-9
30- 50°
10-12
50- 60°
15
Tab.5 Počet dní energetické autonomie
Racionální využití obnovitelné energie
Pozornost jakou věnujeme návrhu a konstrukci obnovitelného zdroje elektřiny je třeba věnovat rovněž
spotřebě vyrobeného proudu. Toto pravidlo je třeba mít na zřeteli vždy, protože racionální spotřeba je
nezbytností, nicméně zvláštní pozornost vyžaduje v případě ostrovních systémů. Ty mají své
nepřekročitelné limity a každou nespotřebovanou kWh se prodlužuje životnost drahého záložního
bateriového systému. Z těchto důvodů je třeba již při koncepci celého projektu dbát na racionální
spotřebu.
Významnou položkou celkové spotřeby jsou světla. Zejména v tropických zemích s dlouhými večery je
osvětlení důležitým přínosem ostrovní elektrifikace. Již v projektu je třeba myslet na osvětlení pomocí
nízkoenergetických žárovek. V následující tabulce jsou uvedeny účinnosti různých světelných zdrojů.
Vedle snížené spotřeby mají úsporné žárovky také mnohem delší životnost, která je bez pochybností
činní také mnohem ekonomičtějšími, než žárovky tradiční.
zdroj světla
účinnost svítivosti
životnost (hod)
vláknové (Edisonovy) žárovky
9–17 lm/W
1 000
halogenové žárovky
16–25 lm/W
2 000–4 000
kompaktní fluorescentní lampy
40–80 lm/W
5 000–15 000
LED žárovky
40–100 lm/W
20 000
Tab.6 Vlastnosti různých zdrojů světla
Součástí každého projektu musí být kampaň (seminář a informační tabulky u vypínačů a spotřebičů) o
tom, že je třeba veškerá zbytečná světla a další spotřebiče vypínat. Mnohdy může být výhodné
nespoléhat na dobrovolnost vypínání světel a okruhy opatřit automatickými prvky, např. pohybovými
čidly. Dalšími běžnými spotřebiči mohou být čerpadla, ledničky a komunikační přístroje.
Údržba fotovoltaických panelů – pokud jsou panely vystaveny zaprášení, jak je tomu v suchých
obdobích v aridních a semiaridních oblastech, je třeba je pravidelně čistit. Co se stane, když se povrch
panelů nečistí, prokázala dlouhodobá studie v Senegalu. Moduly, které nebyly během suchého období
vůbec čištěny, snížily relativní výkon o 26 % během 30 dnů a 82 % během 167 dnů.
|7
Stejně důležité je zabránit vegetaci i dalším předmětům, aby stínily povrch, byť i jen části panelů. Při
určitém zapojení invertoru může malé zastínění vést k přerušení obvodu, zvýšení proudu v ostatních
částech, velkému snížení výstupního proudu a v nejhorším případě i ke zničení fotovoltaického panelu
(hot spot effect).
Údržba solárních systémů
Několik poznámek k údržbě malých, rodinami nebo komunitou vlastněných systémů (velké solární
systémy mají svého průmyslového vlastníka, který provádí ve vlastním ekonomickém zájmu
pravidelnou údržbu).
•
Solární panely: je důležité, jak již bylo uvedeno, se starat zejména v aridních oblastech během
suché sezóny o čistotu povrchu. Péči je dále třeba věnovat i proměření napětí jednotlivých
odpojených panelů, kontrole kontaktů a spojení.
•
Baterie: plněné (wet batteries) doplňovat destilovanou vodu, VRLA, gel – je třeba čistit povrch, aby
nedocházelo ke zkratu nečistotou na povrchu baterie.
•
Equalizace baterií: tento proces je třeba uskutečňovat pouze v případě otevřených baterií
s kapalnou kyselinou; u uzavřených baterií jej nelze v žádném případě aplikovat, opak by mohl
vést k explozi baterie za uvolnění gelu s kyselinou sírovou do širokého okolí. Equalizace se
provádí pomocí zvýšeného napětí 2,7 V na jeden článek, tedy 16,2 na 12 V baterii. Proud by měl
být omezen 5 % kapacity baterie a doba equalizace mezi 4 až 8 hodinami. Zvýšené napětí vede
k vývoji bublinek plynu, což promíchává elektrolyt a vede k opadávání síranu olovnatého na
elektrodách a částečně k jeho rozpouštění. Proces čištění vede k oživení povrchu elektrod a
obnovení kapacity baterie.
Před equalizací je třeba, aby baterie byla plně nabita a aby se odpojily všechny přímé DC zátěže,
protože hrozí jejich poškození. Při equalizaci dochází ke zvýšení teploty a tudíž objemu elektrolytu
a možnému úniku kyseliny, roztažností i bublinkami.
•
Žárovky: je třeba pravidelně čistit, zašpiněný povrch může snižovat světelný výkon třeba i o 20 %.
Kvůli odrazu světla je žádoucí udržovat stěny osvětlovaných místností bílé a čisté.
Čerpání vody
Mezi fyzicky i časově náročné každodenní činnosti patří v suchých regionech afrických zemí
především ruční čerpání vody z hlubokých studní.
V těchto případech je velmi vhodné zajistit čerpání vody pomocí fotovoltaicky vyrobené elektřiny. Na
trhu jsou vhodné pumpy, které umožňují čerpat vodu i z hloubek přes 100 metrů. Tyto systémy mohou
být sestaveny jenom z:
•
patřičně dimenzovaného pole fotovoltaických panelů, například o výkonu 500–600 W, podle
hloubky a požadovaného výkonu (musí odpovídat rovněž vydatnosti vrtu)
•
akumulační nádrže, která bude sloužit k zajištění vody za nepříznivých osvitových podmínek.
V tomto uspořádání není potřeba žádný regulátor nabíjení, baterie či invertor, protože imerzní pumpa
je napájena přímo z fotovoltaického zdroje. Podle typu čerpadla je možno použít jak sériové tak i
paralelní zapojení panelů, většinou pro výsledné rozmezí napětí 30–300 V.
Čerpání vody zajišťuje mnohem pohodlnější přístup k vodě, a proto i zde je třeba zajistit úsporné
zacházení s vodou. Dostupnost vody může vést k mnohonásobné spotřebě a utržení vodního sloupce
|8
ve studni. Standardem by měly být samouzavíratelné ventily a řádný management vodní spotřeby
vysvětlený na semináři.
Voda může být mimo běžné využívání sloužit i k zavlažování, zde je ale nutno využít řízený závlahový
systém, aby spotřeba vody extrémně nestoupla.
Solární termie
Tato technologie využívá slunečních parabolických žlabových zrcadel, v jejichž ohnisku se ohřívá
voda na teplotu více jak 400 °C a z páry se v Rankinově cyklu vyrábí elektřina.
U velkých aglomerací v subsaharské Africe by bylo výhodné stavět solárně termické elektrárny.
S pomocí akumulace termické energie do solných tavenin jsou schopny poskytovat elektrický proud
určitou dobu i během doby kdy slunce nesvítí. První taková elektrárna stojí ve španělské Andalusii a
chystají se další projekty. Velký evropský projekt Desertec je plánován v severní Africe a měl by
poskytovat 15 procent celkové elektrické energie pro Evropu za 400 miliard euro. Vedou se diskuze o
vhodnosti tohoto projektu. Kritické hlasy vnímají projekt jako ústup z decentrálního charakteru
obnovitelných zdrojů energie. Zajímavou možnost ale představuje pronájem ploch na výstavbu těchto
elektráren za část vyrobené elektřiny pro lokální spotřebu. Chlazení může probíhat ve vzdušných
chladičích, takže nedochází k výparu nebo ohřívání nedostatkové vody.
Solární termie ale může být také využita pro vaření, a to jak v malých slunečních vařičích krabicového
2
typu, tak v sofistikovaných vařičích pro přípravu tisíce jídel denně v indickém Auroville , kde se na
výrobu páry využívá velká sluneční parabola.
Realizovaný příklad solárně termické elektrárny
Andasol je první solárně termickou elektrárnou s parabolickými zrcadly v Evropě a k síti byla připojena
v březnu 2009. Elektrárna je situována ve Španělsku na místě s vysokým ročním přímým svitem
2 200 kWh/m² a má celkem (Andasol 1, 2 a 3) 150 megawattů elektrického výkonu. Každá elektrárna
vyrobí za rok 180 GWh a má plochu 51 hektarů. Andasol 1 má systém tepelné akumulace v eutektické
směsi solí, v nichž je možné akumulovat 1010 MWh tepelné energie. Turbína z tohoto tepla může
pracovat na plný výkon celkem 7,5 hodiny během té části dne, kdy je tma nebo zataženo. Andasol 1
může poskytovat ekologicky únosnou elektřinu ze slunce pro 200 000 osob.
Pro většinu afrických měst, do nichž se stále přestěhovává větší počet lidí, by solárnětermické
elektrárny byly elegantním řešením energetického zásobování.
Z afrických zemí prozatím ohlásil Súdán ambiciózní solární plány, v rámci nichž chce během této
3
dekády vybudovat 2 GW slunečních zdrojů.
Velké solárně termické elektrárny mají o třetinu vyšší pořizovací náklady než fotovoltaické elektrárny
stejného výkonu, což je způsobeno pravděpodobně malým počtem instalovaných solárně termických
elektráren, tedy malým obratem specializovaných výrobních podniků.
|9
instalovaný výkon v MW
etapa výstavby
1302
stávající stav na světě
1307
ve výstavbě na světě
7110
ohlášená kapacita v USA
1080
ohlášená kapacita ve Španělsku
6813
ohlášená kapacita v dalších zemích
Tab.7 Výkon solárně termických elektráren
Geotermie
Pro využití geotermie existují dvě základní technologie. První je poměrně široce rozšířená na místech
s tektonickou aktivitou (Japonsko, Island), kde je k dispozici sama vyvěrající horká voda. V Africe by
se mohlo například jednat o oblast East African Rift Valley. Pakliže teplá voda vyvěrá bez užitku, je
možné pomocí ORC (Organic Rankin Cycle) technologie získat z dostupné energie elektřinu.
Vyzrálejší technologií je Hot Dry Rock, která využívá zemského tepla tím, že do vrtů vtláčí ochlazenou
vodu z procesu výroby elektřiny a využívá horkou vodu vyvěrající ze země z produkčního vrtu.
Při aplikaci této technologie je třeba mít na zřeteli specifika metody. Těmi jsou především velký podíl
opadající tepelné energie a poměrně nízká účinnost přeměny nízko potenciálního tepla na elektřinu.
Tam, kde je však k dispozici horká voda (více jak 90 °C) s malými investičními náklady, není otázka
účinnosti nijak významná. Takový systém může být zdrojem prakticky stálého elektrického výkonu,
narozdíl od větrné a fotovoltaicky generované elektřiny.
Větrná energie
S výjimkou nemnohých míst na africkém pobřeží, jako například v Mauretánii, JAR či Somálsku, kde
jsou vynikající větrné podmínky, nepatří Afrika ke zvláště větrným regionům. V některých lokalitách lze
však nalézt i ve vnitrozemí místa s perspektivním větrem, například v Keni u města Marsabit nebo na
jižním cípu jezera Turkana, kde jsou průměrné roční rychlosti větru od 8 až do 10 m/sec.
V případě, kdy je větrná energie kombinována se sluneční energií je nutné spíše než celoroční průměr
posuzovat sezónní i denní výkyvy rychlosti větru. Pravidlem bývá, že výkony větru a slunce se
částečně kompenzují, když nesvítí (v období deště, při východu či západu slunce nebo v noci) často
naopak fouká. Tato kompenzace má význam především ve spojení s off grid systémy s akumulací.
Návrh takového systému předpokládá předem zajištění podkladů pro projekt. Nutné je znát například
reliéf terénu pro stanovení výšky stožárů, roční průměrnou rychlost větru nebo vysledované podmínky
rychlosti větru vznikající vlivem ochlazování v nočních hodinách.
| 10
Při hledání vhodného místa na instalaci větrné elektrárny bude nejlépe vycházet z místních zkušeností
a srovnávat je například s kontrolním měřením.
Malé větrné elektrárny mohou dle podmínek umístění v daných lokalitách pracovat v hybridním
spojení s dalšími zdroji, jako jsou motorgenerátory, palivové články, vodní elektrárny a nejčastěji
využívané solární články.
Výška stožáru
Výška stožáru může ovlivnit celkový objem výroby energie. Větrná elektrárna musí stát na takovém
místě, aby nebyla ovlivněna turbulencemi od okolních překážek (stromů,budov..).
Ve většině případů platí, že proudění vzduchu roste s výškou.
VÝŠKA STOŽÁRU
9m
18 m
27 m
36 m
NÁRŮST ENERGIE
0
41 %
75 %
100 %
Tab.8 Nárůst energie v závislosti na výšce stožáru
Velikost rotoru
Velikost rotoru větrné elektrárny je závislý na jmenovitém výkonu generátoru při jmenovité rychlosti
větru. Jmenovitý výkon a jmenovitá rychlost větru jsou hlavními parametry pro výběr větrné elektrárny.
Většina větrných elektráren, které jsou vyráběny v západní Evropě a USA, pracuje s menšími rotory.
Jsou stavěny pro vyšší jmenovité rychlosti větru a proto bývají zcela nepoužitelné pro vnitrozemní
státy. Malá větrná elektrárna s výkonem při jmenovité rychlosti 12, 14 a více metrů za sekundu
dosáhne svého maximálního výkonu jednou do roka nebo vůbec.
Základní uspořádání systému
Malé větrné elektrárny samostatně nebo v hybridním spojení s jinými zdroji mohou pracovat ve
vlastních sítích jako ostrovní zdroj energie (off grid). Pro menší systémy do výkonu malé větrné
elektrárny 5 kW se energie ve většině případů ukládá (akumuluje) do akumulátorů. Jedná se o
speciální akumulátory tzv. trakční, které mají odlišnou nabíjecí a vybíjecí charakteristiku. Mohou být
nabíjeny vysokými proudy a naopak vybíjecí proudy mohou být nízké, aniž by se omezovala jejich
životnost. Životnost těchto akumulátorů bývá dle typu výrobce 8,10,12 roků. Pro tento účel se
doporučuje pro serioparalelní spojení článků zapojení článků „Cross-Tying“ (křížem vázané) –
redukuje se nevyváženost článků a zlepšuje se tak celková kapacita a životnost akumulátorů
v cyklickém nabíjení. Články se lépe napěťově rovnají.
Druhá možnost ukládání energie z větrných elektráren v ostrovním režimu je akumulace do vody,
například pro vytápění a ohřev užitkové vody.
| 11
Obr.1 Schéma zapojení off grid
Systém připojení malé větrné elektrárny do sítě (on grid) se využívá převážně k prodeji přebytku
energie. Vlastní systém musí být rozšířen o střídač k připojení, který u malých větrných elektráren
představuje cenu vlastní větrné elektrárny.
...
Grid ON
X
Y
Z
kWh
AC
DC
VLASTNÍ
SPOTŘEBA
kWh
Obr.2 Schéma zapojení on grid
Uspořádání ostrovního systému
V podmínkách rozvojových zemí afrického kontinentu bude malá větrná elektrárna převážně pracovat
v hybridním spojení se solárními články.
Výhodou malých větrných elektráren je kompatibilita s ostatními zdroji. Generátor malé větrné
elektrárny lze provést v jakémkoli výstupním napětí. Výstupní napětí synchronních generátorů
používaných na větrných elektrárnách je nejčastěji trojfázové a střídavé.Toto napětí se připojuje k
regulátorům určeným pro provoz větrné elektrárny. Regulátory jsou vybaveny přepínači pro nastavení
druhu a napětí akumulátorů (Pb, NiCd, 12, 24, 48 V).
U elektráren, které pracují s výstupním napětí 230 V a které mají kombinovaný odběr, jako je
například vytápění plus dobíjení akumulátorů, se používají nabíječe – spínané zdroje. Nabíječe
| 12
mohou být s výstupním napětí 24 nebo 48 V a 25, 50 nebo 100 A. Tyto nabíječe je možno připojit
k akumulátorovně tzv. vícedrátově, každá paralelní sekce akumulátorů je nabíjena samostatně, což
má kladný vliv na vyrovnanost akumulátorů podobně jako u článků křížem vázaných.
Podle výkonu větrné elektrárny nebo hybridního zdroje se výsledné napětí akumulátorů volí co
nejvyšší, například 48 V, a to z důvodu přenosu energie od větrné elektrárny k akumulátorům, kde
dochází k úbytkům proudu ve vedení. Z toho důvodu je také regulátor co nejblíže u akumulátorů. Od
větrné elektrárny vede kabel s AC výstupním napětím, kde jsou ztráty ve vedení menší než v napětí
stejnosměrném (DC).
Nejčastěji se používají paralelní regulátory s integrovaným druhým vstupem pro připojení solárních
článků. I když existují regulátory na vysokém stupni spolehlivosti, doporučuje se především v
odlehlých lokalitách používat samostatné oddělené regulátory, případně se samostatným
usměrněním, kde lze větrnou turbínu používat v havarijní situaci pouze s usměrněním. Ostatní funkce
se musí po dobu výměny nebo opravy regulátoru provádět ručně na základě stavu akumulátorů.
Regulátory pro větrné elektrárny musí být vybaveny umělou zátěží, kde se maří energie v případě plně
nabitých akumulátorů. Ve stavu ,kdy jsou akumulátory plně nabity, nelze větrnou elektrárnu odpojit.
Odpojením větrné elektrárny od zátěže v silném větru mohou volnoběžné otáčky rotoru překročit
maximální otáčky stroje a může dojít až k destrukci.
Pokud chceme mít v ostrovní síti jiné napětí, než které je na akumulátorech (24 V, 48 V atp.), musíme
použít měniče napětí, které dnes pracují s vysokou účinností. Tyto měniče se připojují přímo ke
svorkám akumulátorů, vodiči předepsaného průřezu a délky dle výkonu měniče. (Nikdy nesmíme
zapomínat na jištění okruhu pojistkou nebo DC jističem).
Měniče lze připojovat paralelně a tak vytvářet jednotlivé samostatné okruhy pro jednotlivé spotřebiče.
Tak lze snadno oddělit například obvody osvětlení a zásuvek, nebo spotřebiče, které vyžadují trvalé
připojení (signální zařízení, vysílače apod.).
VÝKON MĚNIČE
PRŮŘEZ Cu VODIČE
200 VA
6 mm
500 VA
10 mm
2
2m
1000 VA
25 mm
2
2m
2000 VA
50 mm
2
2m
4000 VA
100 mm
2
MAX. DÉLKA VODIČE
2m
2
2m
Tab.9 Doporučené průřezy kabelů pro připojení měniče v závislosti na jeho výkonu
Pro větší společenství připojené na ostrovní síť se využívá další stupeň regulace, kde mohou
spolupracovat i další zdroje energie jako vodní elektrárny nebo záložní motorgenerátory. V tomto
případě se použije pro regulaci průmyslové PLC, kde je možno naprogramovat veškeré stavy dobíjení
ze zdrojů, ale i odběr. Jedná se o tzv. chytrou síť, která si reguluje odběry dle stavu a kapacity
akubanky a v případě absence jednoho zdroje připojuje náhradu. Zároveň může zcela automaticky
provádět další pravidelné činnosti, jako připínání a odpínání čerpadel, osvětlení apod.
| 13
Volba typu větrné elektrárny
Větrné elektrárny lze dělit podle různých kritérií a principů. Jako nejdůležitější lze považovat
aerodynamický princip, který má pro větrné elektrárny největší význam. Podle něj můžeme rozdělit
větrné elektrárny na vztlakové a odporové. Jejich konstrukce se navzájem liší, ale základním
principem je plocha nastavená do směru větru, která klade aerodynamický odpor, a síla která je
vyvozována se mechanicky mění zpravidla na rotační pohyb. Tento pohyb může být na vodorovné
nebo svislé ose.
Pokud bude naším kritériem cena/výkon a účinnost jednoznačně zvítězí trojlistá větrná elektrárna s
vodorovnou osou otáčení.
Obr.3 Schéma sítě a paralelní připojení měničů
| 14
Kapacita akumulátorů závisí na podmínkách v místě instalace velikosti požadovaných příkonů
spotřebičů.
Všechny zdroje lze provozovat v hybridním spojení.
Ostrovní sítě mohou být jednofázové nebo ve třech fázích. Inteligentní síť může automaticky
připojovat a odpojovat vybrané spotřebiče, řídit elektroventily, čerpadla apod.
Obr.4 Ostrovní kombinovaný provoz
Větrné elektrárny se svislou osou Darrieus
V poslední době se hodně hovoří o větrných elektrárnách se svislou osou otáčení typu Darrieus Hrotor nebo Φ-rotor, ale jejich využití je spíše speciální. Zatím jejich nevýhody převažují nad výhodami.
Jejich hlavní výhodou je nezávislost na směru větru.
| 15
Nevýhody jsou:
•
vyšší hmotnost (asi o 50 %)
•
nižší aerodynamická účinnost
•
nerovnoměrnost krouticího momentu během otáčky
•
obtížná aerodynamická regulace
•
obtížný samorozběh (kombinuje se nejčastěji s rotorem Savonius)
•
masivnější stožár
Pohledová plocha rotoru je v porovnání s větrnou elektrárnou o stejném výkonu s vodorovnou osou o
50 % větší, což má vliv i na zatížení stožáru od větru, které stoupá s druhou mocninou rychlosti větru
podle vztahu:
F= 0,5 * S * ρ * v [N]
2
S= plocha
ρ=hustota vyduchu(1,225)
Obr.5 Rotory Darrieus
Přenos technologií do rozvojových zemí
Jednou z možností rozšíření těchto zařízení v lokalitách rozvojových zemí je i přenos technologie
vlastní výroby. Touto možností je i výroba malých větrných elektráren. Samotná výroba větrných
elektráren přímo v regionu představuje nejen pracovní příležitosti, ale i levnější výrobu zařízení, čímž
se stává dostupnější pro širší veřejnost.
Přenos samotné technologie je možný na základě znalostí daných podmínek a může proběhnout v
několika úrovních na základě výrobních možností v daných podmínkách lokality.
Úrovní je myšleno použití různých dílčích technologií na základě možností výrobce a přizpůsobení
samotné technologie, jako je například nahrazení kompozitních částí tradičními levnějšími materiály,
například dřevem. Nevýhodou může být nižší životnost samotné části nebo dílu, ale díky
| 16
reprodukovatelnosti je možno tyto díly nahradit tak, aby celý komplet mohl být i nadále funkční .
Výhodou je naopak využití vlastních zdrojů a především recyklovatelný odpad.
Větrnou energii lze využít i pro přímé čerpání vody pomocí větrného čerpadla. Větrné čerpadlo lze
například dimenzovat dle větrných podmínek lokality na standardně vyráběné pístové pumpy. Pro tyto
účely je nejlépe využít pomaluběžných vícelopatkových rotorů s vyšším počátečním kroutícím
momentem. Jedná se o klasické náporové rotory s tvarovanými plechovými listy. Tyto pumpy lze
doplnit malým generátorem pro dobíjení akumulátorů na osvětlení studny nebo dobíjení mobilních
stanic a telefonů.
Hydropotenciál v subsaharské Africe
Potenciál vodní energie leží převážně v centrální a východní subsaharské Africe, přičemž celkové
množství generované energie se odhaduje na 1888 TWh/ročně s tím, že podstatná část 774 TWh/rok
leží v DR Kongo, díky veletoku Kongo. Díky vysokým horám je v Etiopii potenciál 260 TWh/rok,
v Kamerunu 115 TWh/rok. I Madagaskar má veliký potenciál, představuje 180 TWh.
V dalších zemích, jako v Zambii, Angole, Pobřeží Slonoviny a Guinei, Gabunu a Mozambiku se hydro
potenciál uvádí v rozmezí od 10 do 100 TWh/rok.
V rámci prakticky neexistující africké infrastruktury ale platí to, co bylo řečeno shora, totiž že velké
energetické zdroje jako přehrady na afrických veletocích jsou schopny přinést energii do některých
větších měst či průmyslových oblastí, nikoli však pokrývat rozptýlenou decentrální spotřebu elektřiny
ve vesnických oblastech, protože potřebné sítě chybí a jejich instalace a údržba by byla velmi drahá.
Pro využití vodní síly není vždy nutné stavět problémové velké přehrady, které se, jak bylo v praxi
mnohokrát prokázáno (Asuán, Tři soutěsky), často zanášejí transportovaným přírodním i
antropogenním materiálem, snižují průtoky pod přehradní zdí a vedou k podmáčení širokého okolí.
Často je na větších řekách výhodnější instalovat plovoucí vodní elektrárny, které uvedené nevýhody
nepřinášejí.
Biomasa
V africkém kontextu má biomasa důležitost především jako palivo používané pro účely vaření. Jejími
základními formami jsou dnes dřevěné uhlí a dřevo.
Dřevěné uhlí
Dřevěné uhlí je vedle palivového dřeva základním prostředkem pro vaření. Dřevěné uhlí se vyrábí
často neefektivním způsobem ve venkovských oblastech a jeho velká část se vozí do měst, kde je
cennou komoditou. Základním problémem je, že celý proces se neděje udržitelnou formou. Mnohé
oblasti, zejména v blízkosti velkých aglomerací, jsou úplně deforestovány a tento neblahý trend
pokračuje. V některých oblastech dosáhla deforestace nevratných rozměrů.
Z hlediska udržitelnosti je zcela nezbytné nahradit co nejrychleji dřevěné uhlí a dřevo získávané
neudržitelným způsobem jinými, udržitelnými technologiemi, především bioplynem či rostlinnými oleji.
| 17
Důležitým aspektem využívání dřeva při vaření jsou nevhodné hygienické podmínky a dlouhodobý
pobyt v kouři. Zde je rozhodující účinnost spalování, protože při nedokonalém hoření za nízké teploty
vzniká mnoho plynných zplodin, obsahujících širokou paletu organických látek, které při dlouhodobém
pobytu nepřispívají zdraví. Naopak při dokonalém spalování při vyšší teplotě je ve spalinách mnohem
větší obsah konečných zplodin hoření – oxidu uhličitého a vodní páry.
Bioplyn
Bioplyn vzniká anaerobním rozkladem biologického, rostlinného či živočišného materiálu. Zdrojem
mohou být různé cíleně pěstované rostliny, rostlinné zbytky, tráva, fekálie, tříděný městský bioodpad,
zbytky potravinářského průmyslu či zbytky z restaurací. Bioplyn pozůstává především z metanu (CH4),
oxidu uhličitého (CO2), dusíku (N2), sulfanu (H2S), vodíku (H2), různých siloxanů a stop vyšších
uhlovodíků. Podle teploty je bioplyn nasycen rovnovážnou koncentrací vodní páry. Výhřevnost
bioplynu se v průměru pohybuje okolo 5,0–5,5 kWh/m³.
Cílená tvorba bioplynu může probíhat ve dvou uspořádáních: v bioplynovém digesteru či na skládce
biologických odpadů. Digesce probíhá na základě mikrobiálního procesu, který používá především
dva různé typy bakterií. Mezofilní proces probíhá při teplotě 25–40 °C a termofilní při vyšší teplotě,
charakteristicky mezi 45 až 70 °C. Vedle těchto je ještě znám proces psychrofilní, na němž se účastní
bakterie pracující za nízkých teplot. Tento proces je však díky nižší teplotě pomalejší.
Složení bioplynu
Typické složení bioplynu je uvedeno v následující tabulce:
Typické složení bioplynu v % (vol)
metan
CH4
50-75
oxid uhličitý
CO2
25-50
dusík
N2
0-10
vodík
H2
0-1
sulfan
H2S
0-3
Tab.10 Typické složení bioplynu
Hlavní kroky výroby bioplynu v bioplynové stanici
Základní kroky výroby bioplynu jsou následující:
1. příprava substrátu – rozmíchání, mechanické rozdružení, nasekání…
2. vlastní kvasná procedura v digesteru s vytápění a mícháním podle potřeb
3. čištění plynu podle kvalitativních požadavků při využití bioplynu
4. uskladnění bioplynu v množství podle charakteru spotřeby
5. využití bioplynu pro energetické účely
| 18
Substráty na výrobu bioplynu
Zkvasitelné jsou prakticky všechny organické látky s výjimkou celulózy a dalších pevných biologických
součástí rostlinných a živočišných těl. V následující tabulce jsou uvedeny jednotlivé organické
substráty vhodné pro výrobu bioplynu a jejich výnosy na jednu tunu substrátu:
substrát
bioplyn
3
m /tunu
hovězí trus
25
prasečí kejda
36
syrovátka
55
řepné řízky
75
mláto z piva
75
šlempa
80
zelený odpad
110
bioodpad
120
kukuřičná siláž
200
flotovaný tuk
400
starý tuk
800
Tab.11 Organické substráty vhodné pro výrobu bioplynu
Čištění od nežádoucích složek
Především pro některé aplikace (např. kogenerace v pístových motorech) je třeba odstranit některé
komponenty – sulfan a siloxany. Běžně mohou koncentrace sulfanu překračovat i 1000 ppm. Bez
odstranění sulfanu rostou náklady na opravy a nová zařízení. Sulfan může způsobovat korozi a
korozní praskání a siloxany po spálení vytvářejí těžko odstranitelné nánosy a mohou působit silnou
abrazi pístů. Při spálení se sulfan mění na oxid siřičitý, který je kyselý a rovněž korozivní plyn, jež se
může rozpouštět v motorovém oleji. Ten pak reaguje kysele a ztrácí své mazací schopnosti.
Existuje mnoho komerčně dostupných možností jak se zbavit sulfanu, jedním z nich, pro větší
zařízení, je například biologický filtr BioScrub, který převádí sulfan na elementární síru. Další
možností, která je vhodná i pro menší zařízení, je regenerativní filtr SULFA-BIND o němž výrobce
píše, že odstraňuje sulfan z bioplynu z 99,98 %, může pracovat až do koncentrace 30 000 ppm a
zbytková koncentrace je 0,2 ppm. Filtr lze regenerovat a může pojmout až 500 mg na gram
absorbentu.
Levnou možnost představuje odstranění sulfanu pomocí řízeného přídavku kyslíku, který zoxiduje
sulfan na sírany, dočištění je možné provést ve vlhkých železných šponách, které budou se sulfanem
reagovat za vzniku sirníku železnatého. Tento proces vyžaduje odpovědnou obsluhu.
| 19
Využití bioplynu
•
pro kogeneraci elektřiny a tepla v pístových nebo turbínových motorech – pro tento účel existuje
množství různých komerčních kogeneračních jednotek v širokém rozmezí výkonů a cen; je možné
vyrobit rovněž motor generátor adaptací z automobilového motoru a alternátoru
•
pro vaření – pro tuto aplikaci jsou na trhu dostupné hořáky a běžné vařiče
•
pro pohon aut, obdobně jako stlačený zemní plyn (CNG) – systém vyžaduje kompresor a
uzpůsobená auta
Bioplyn v rozvojové spolupráci
Velikost bioplynových stanic může variovat ve velkém rozmezí od miniaturních stanic až po mohutné
průmyslové celky. Od objemů produkce denně od stovek litrů bioplynu pro domácí využití až pro tisíce
kubických metrů, od kilowatthodin za den až po stovky megawatthodin integrovaného výkonu
bioplynového komplexu. Pro rozvojovou spolupráci a elektrifikaci lze využít malé velikosti, vhodné pro
rurální oblasti, stejně jako větší bioplynové stanice, využívající odpadní biologický materiál.
Malá bioplynová stanice pro domácnost přeměňuje hnůj a lidské fekálie na bioplyn. Tato technologie
se může uplatnit u domů nebo malých farem s produkcí 50 kg hnoje denně, což je ekvivalent 6 prasat
nebo 3 krav. Fekální zbytky je třeba shromáždit a rozmíchat s vodou. Rovněž lze připojit toaletu.
Optimální teplota digesce mezofilními bakteriemi je 36 °C, což vyhovuje právě podmínkám
v tropických a subtropických oblastech – to je výhodné právě pro rozvojové země.
Klasická konstrukce bioplynové jednotky z cihel může být postavena u venkovské farmy a bude v Asii
vyžadovat investici asi 300 až 500 USD a až 1400 USD v Africe. Bioplyn lze generovat nejméně 15–
20 let bez větších problémů a bez dalších investic. Bioplyn poskytuje energii na vaření a šetří čas žen
a dětí běžně věnovaný sběru dřeva na vaření. Zbytek po digesci, vykvašená kejda, je čisté organické
hnojivo, které může být použito na zlepšení půdy a může zvyšovat zemědělskou produkci. Do půdy se
vykvašenou kejdou vrátí velké množství dusíku a fosforu a dalších minerálních a organických látek.
Jednotlivé malé bioplynové stanice lze rozdělit podle typů digesterů následovně:
plynový zvon
pevný digestor
sférický digester
typ
jednotky
vystavěný digester s kovovým
zvonem
digester vystavěn v
zemi
digester a zásobník v
jednom
náplň
hnůj s či bez rostlinných zbytků
hnůj a rostlinné zbytky
pouze hnůj
životnost
8-12 let
12-20 let
2-5 let
objem
6-100 m
výhody
jednoduchá konstrukce, stejný tlak
vyzrálá technologie
nízké vstupní náklady
dlouhá životnost dobrá
tepelná izolace
prefabrikovaný
systém
nevýhody
koroze ocelového zvonu
měnící se tlak
krátká životnost
pomalá tvorba plynu
3
6-20 m
3
4-100 m
3
Tab.12 Rozdělení malých bioplynových stanic podle typů digesterů
| 20
Velké bioplynové stanice se mohou stát zdroji elektrické energie pro větší celky, jako třeba města, a
většinou se bude jednat o komerčně dostupnou technologii. S výhodou se v nich může zpracovávat
tříděný bioodpad z městské aglomerace. Na sběru bioodpadu se mohou podílet obyvatelé a takový
odpad lze v bioplynové stanici vykupovat.
Další možnost představují různé rostliny, které se rychle množí, například vodní hyacint Eichornia
crassipes. Tento například do Bangladéše či do Keňi zavlečený druh je velice agresivní a v
optimálních podmínkách se velmi rychle množí. Jedna rostlina může za padesát dní vyprodukovat
3000 dalších rostlin a za rok může osídlit 600 metrů čtverečných. Ve Viktoriině jezeře byl zjištěn
hektarový výnos kolem 30 tun sušiny z hektaru.
Pro velké stanice je důležité s ohledem na ekonomiku provozu najít využití odpadního tepla pro
kogenerace. Ve většině rozvojových zemí, kde je teplé podnebí, neexistuje obecná potřeba teplé
vody, ale vznikající teplo lze optimálně využít pro průmyslové procesy, pro sušení zemědělských
produktů a podobně.
Před každým bioplynovým projektem je nezbytné zodpovědět pozitivně všechny následující otázky:
•
je dostupný stálý zdroj biodegradabilního materiálu za nízkou cenu?
•
lze bioplynový projekt realisticky financovat?
•
pro nevytápěný systém digesce: umožňují klimatické podmínky provoz bioplynové jednotky po
celý rok?
•
je v podmínkách suchých oblastí k dispozici zajištěný zdroj vody?
•
představují lidské fekálie kulturně akceptovatelný substrát a hnojivo?
•
je bioplyn generovaný rovněž z lidských fekálií akceptovatelný pro vaření?
•
jsou ve vládě, institucích a na lokálních úřadech lidé, kteří si jsou vědomi důležitosti ekologických
otázek?
•
je v regionu dostatek šikovných řemeslníků, z nichž lze vyškolit „bioplynové techniky“?
•
umožňuje počet potenciálních bioplynových jednotek realizaci bioplynového projektu nebo
soukromého bioplynového podnikání?
Rostlinné oleje
Rostlinné oleje představují vynikající možnost uschovávání energie na poměrně dlouhou dobu a jejich
energetický obsah je prakticky identický s ropnými deriváty – benzínem nebo naftou (10 kWh/l).
Existuje celá řada olejnatých rostlin z nichž jsou některé perspektivní i pro pěstování v tropických
oblastech. Zájem se soustřeďuje na výnosnější druhy: palmovník (Elaeis guineensis) s hektarovým
výnosem 7 tun; dávivec (Jatropha Curcas) 2,2 tuny; avokádo (Persea Americana) 2,5 tuny; jojoba
(Simmondsia chinensis) 1,8 tuny, nebo skočec (Ricinus communis) 1,9 tuny. Rostlinné oleje lze využít
jako topiva na vaření či na pohon adaptovaných dieselových motorů, v autech i stacionárních
motorech, případně na některé výroby - mýdlo, nátěrové hmot či je možné přebytky exportovat.
Problematika biodieselu
Jakkoliv se v severních zemích věnuje velká pozornost výrobě biodieselu, především z řepkového
oleje, není tato zkušenost přenositelná ve větším měřítku do africké rozvojové praxe, a to ze dvou
důvodů:
| 21
•
pro lokální rozvoj je třeba lokální a nikoliv centralizované technologie, místo biodoeselu lze přímo
využívat čisté rostlinné oleje
•
pro výrobu biodieselu je potřeba značné množství vody, která má v Africe (s výjimkou nemnohých
míst u velkých toků) mnohem větší důležitost než v mnoha jiných zemích. Pro celou výrobu
3
5
biodieselu z jatrophového oleje je třeba 1,4 m vody na 1 litr biodieselu.
Místo biodieselu lze po malé úpravě motoru jako pohonnou hmotu použít čistý filtrovaný rostlinný olej.
Velmi vhodnou variantu udržitelné dopravy také představuje elektromobilita, která je v afrických
podmínkách lépe realizovatelná, právě díky dostatečnému osvitu. Samozřejmě, že v současné chvíli
mají elektromobily vysokou pořizovací cenu, ale pakliže provedeme kalkulaci cashflow v delším
časovém úseku a připočteme stále rostoucí ceny fosilních pohonných hmot, dostaneme se na
pozitivní hodnoty.
Zplynování biomasy/biochar/terra preta
Entusiastickou metodou, která by při větším rozšíření mohla napomoci zmírnění klimatických
následků, je zplynování různých zbytků biomasy pro lokální vaření (využití těkavé hořlaviny) a
následné využití zuhelnatělých zbytků spolu s dalšími organickými podíly pro výrazné zlepšení kvality
půdy, záchyt rozpustných minerálních komponent, vlhkosti a mikrobiálního života.
Rozšíření této metody by mohl napomoci nový finanční mechanismus v rámci Kyotského protokolu jak
6
finančně uhrazovat zachycení uhlíku do půdy metodou terrapreta . Tato technologie by se
samozřejmě musela realizovat na základě standardů udržitelnosti, ale poskytovala by mnohý profit –
zvýšení úrodnosti půdy, zachycení uhlíku, příjem prostředků a v případě hromadného rozšíření
mitigaci klimatických změn.
| 22
Integrace obnovitelné energie do lokálních cyklů
Největším přínosem lokálně produkované obnovitelné energie je její začlenění do místních
hospodářských cyklů. S energií budou nejenom možné běžné funkce, které známe ze severních zemí,
ale i splnění základních rozvojových cílů.
Elektrifikace lokálních škol, venkovských zdravotních středisek či vodních pump umožní vyšší kvalitu
poskytovaných služeb a povede k ekologičtějšímu provozu, odstranění těžké dětské práce a mnohdy
k úsporám a omezí používání dočasných a náhradních drahých řešení (osvětlení pomocí elektrických
svítilen či svíček).
Větší aplikace umožní zřízení dílny pro malé opravy či drobnou výrobu ve vesnické komunitě. Tak
mohou vzniknout nové pracovní příležitosti a možnosti oprav zlepší kvalitu života. Využití odpadní
biomasy z tříděného komunálního odpadu či fekálních zbytků z živočišné výroby vedle zdroje energie
současně zlepší lokální hygienické podmínky. Vykvašený substrát – tuhý i kapalný – je vynikajícím
materiálem pro zemědělství a pro výrobu zemědělského substrátu terra preta. Lokální energetické
okruhy tak oživí lokální ekonomiku.
Aktéři energetické proměny
Zajištění odpovídající energie pro subsaharskou Afriku jako obrovského regionu vyžaduje adekvátní
aktivity. Reálnost ambiciózního cíle, jakým je zajištění elektřiny, obnovitelného paliva pro vaření a
obnovitelných pohonných hmot stovkám milionů lidí do necelých dvaceti let, můžeme posoudit na
základě evropských zkušeností a vývoje technologií. Během posledních deseti let došlo
k nečekanému kvantitativnímu i kvalitativnímu rozvoji technologií obnovitelných zdrojů. Již prakticky
7
v současnosti jsou i dražší technologie ekonomicky konkurence schopné , a během málo let budou
stále levnější, zatímco současné "klasické" fosilně jaderné zdroje a energetické suroviny budou
naopak stále dražší.
Nicméně i přes tyto pozitivní skutečnosti je třeba mobilizovat mimořádné finanční, organizační a
technické prostředky. Budoucí aktéři by se měli soustředit především na následující kroky:
•
vytvoření koordinační platformy pro elektrifikaci na různých úrovních: mezinárodní (EU, OSN,
IRENA, African Energy Policy Research Network - AFREPREN/FWD), vládní, akademické,
nevládní a lokální úrovni
•
nalezení dostatečně silného finančního rozpočtu
•
zajištění výrobních kapacit pro zařízení obnovitelné energetiky pro Afriku – ve spojení
s průmyslovými zeměmi vybudovat výrobní kapacity pro obnovitelné zdroje v kvalitě odpovídající
současným světovým standardům, stanovit priority výrobních oblastí a lokalit
•
ve spolupráci s africkými a evropskými univerzitami zajistit výchovu a vzdělání potřebných
odborníků pro vývoj, projekty, instalaci i údržbu obnovitelných systémů
•
zřízení stálých referenčních center v různých zemích, které by sledovaly a optimalizovaly projekty
zapojení obnovitelných zdrojů energie
| 23
Plány americké administrativy pro obnovitelné zdroje energie
Investice do energetiky
Obamova administrativa již investovala více než 90 miliard USD do podpory čisté energie – největší
investice do energetiky v historii USA. Tyto investice vytvořily nebo zachovaly již existující stovky tisíc
pracovních míst po celé zemi a mají zajistit, aby Spojené státy zdvojnásobily do roku 2012 obnovitelné
zdroje energie z úrovně roku 2008. V průběhu dalších 10 let by mělo jít do alternativních energií
celkem 150 miliard dolarů. Do roku 2015 chce investicí 150 miliard USD zajistit 5 milionů nových míst
pro čistou energii. Během 10 let chce ušetřit více ropy, než se dnes dováží z Perského zálivu a
Venezuely. Do roku 2015 chce mít na silnicích 1 milion hybridních aut. Do roku 2012 mít 10 %
8
elektřiny z OZE a do roku 2025 25 %. Do roku 2050 chtějí Američané snížit emise o 80 %.
Nástroje pro efektivní dopravu
Prezident Obama podpořil investice do nových technologií vozidel a paliv, veřejné dopravy a
vysokorychlostní železnice. Administrativa rovněž zavedla nové standardy spotřeby paliva pro osobní
a nákladní automobily, které zvýší průměrný dojezd na 35,5 míle na galon, (6,6 l/100km), pro vozy z
let 2012–2016, by se mělo jednat o úspory 1,8 miliardy barelů ropy a snížení nákladů na pohonné
hmoty v průměru o 3000 USD. Administrativa vyvíjí národní standardy spotřeby paliva a emisí
skleníkových plynů pro obchodní kamiony, nákladní automobily a autobusy, stejně jako novou
generaci standardů pro budoucí modely v letech 2017–2025. Prezident stanovil cíl uvedení 1 milionu
vozidel s nízkou spotřebou na pozemní komunikace do roku 2015. Spojené státy chtějí dosáhnout
zlepšení efektivity v dopravním sektoru a chtějí rozšířit alternativní paliva, včetně biopaliv a zemního
plynu.
I ministerstva investují do vývoje obnovitelné energetiky. Americké ministerstvo dopravy podpořilo
vývoj pojezdných fotovoltaických silnic. Energie ze silnic by mohla pokrýt současnou spotřebu USA
trojnásobně. Firma plánuje vývoj segmentů o velikosti 3x3 metry, které by neměly stát více než
10 000 USD. Proud se bude dodávat do měst a obcí podél silnice a mimo to bude uskladňován v
superkondenzátotech, pro napájení vodorovného značení vozovky z LED.
Obnovitelné zdroje a sítě
Ministerstvo vnitra v loňském roce schválilo stavbu prvních devíti komerčních solárních elektráren. Po
dokončení budou tyto elektrárny produkovat dostatek energie pro napájení 1,2 milionu domácností.
Ministerstvo vnitra vydá do konce roku 2012 povolení pro 10 gigawattů energie z obnovitelných zdrojů
na veřejných pozemcích a v pobřežních vodách.
Rozšíření a modernizace elektrické sítě může poskytovat lepší přístup ke vzdáleným zdrojům solární a
větrné energie, snížit výpadky proudu a ušetřit peníze spotřebitelů. Na základě Recovery Act bude
použito 4,5 miliardy dolarů pro investice do inteligentních sítí – Smart Grids, ukázky projektů a
budování kapacit. Kromě toho prezident na rok 2012 navrhuje navýšení rozpočtu pro energetické
inovace zaměřené na další rozvoj inteligentních sítí, materiálů a systémů. Administrativa učinila
historickou investici do čisté energie v řadě programů, které v konečném důsledku podpoří tisíce
projektů po celé zemi.
Prezident Obama se domnívá, že federální vláda, jako největší spotřebitel energie v ekonomice
Spojených států, má povinnost jít příkladem, pokud jde o její ekologickou, energetickou a
| 24
ekonomickou výkonnost. Prezident Obama podepsal nařízení o federální udržitelnosti, které ukládá
snížení emisí skleníkových plynů, znečišťování a splnění energetické spotřeby, snížení spotřeby vody
a tvorby odpadů, zvýšení účinnosti vozů a využití federální kupní síly pro podporu ekologicky
nezávadných produktů a technologií.
Vzdělávání
Zajímavé jsou také přímé ministerské investice. Federální ministerstvo energetiky rozšiřuje program
energetického vzdělávání. Poskytlo 29 miliónů dolarů pro vzdělávání v centrech programu
Weatherization, což je program na sanaci domů, který funguje již od poloviny sedmdesátých let.
Ministerstvo vybralo osm stávajících školicích center a podpořilo vznik 26 nových center ve 27 státech
Unie. Tato centra budou podporovat vznik pracovních míst pro školení místních pracovníků
v modernizaci a energetické účinnosti budov. Vzdělávací programy budou podporovat celou řadu
veřejných a soukromých iniciativ.
Energetická certifikace datových center
Americká Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) oznámila, že označení Energy Star bude
klasifikovat datová centra nejrůznějších podniků, protože tato centra se nacházejí v téměř všech
odvětvích hospodářství, poskytují životně důležité služby informačních technologií a spotřebovávají
velké množství energie: 1,5 % celkové spotřeby elektřiny v USA za cenu 4,5 miliardy dolarů ročně, což
je částka, která by měla téměř zdvojnásobit během příštích pěti let.
Značka Energy Star je určena pro datová centra, která budou z hlediska energetické účinnosti v první
čtvrtině podobných center, měřeno podle metodiky EPA. Na základě posledních dostupných dat by
zlepšení energetické účinnosti datových center v USA jen o 10 % mohlo ušetřit více než 6 miliard
kilowatthodin ročně, což je dost pro více než 350 000 domů, a ušetřit více než 450 milionů amerických
dolarů ročně.
Měnící se postoj USA k obnovitelným zdrojům
Historicky založily Spojené státy svůj obrovský hospodářský rozmach na velké energetice a na
rozsáhlých zásobách domácích energetických surovin. Nehledě na externality neobnovitelného
energetického systému je tato doba z důsledku vyčerpání velkého podílu zásob prakticky pryč.
V americké zahraniční politice se proto již desetiletí výrazně prosazuje zájem zajistit světová ložiska
energetických surovin, především ropy a plynu. Komplikace, které tato politika přináší a stálý pokles
ekonomické síly USA ukazují, že tento směr není cestou k udržitelné budoucnosti. Obama ve svém
inauguračním proslovu řekl doslova: “Zapřáhneme energii slunce, větru a půdy pro pohon našich
vozů a továren.“ Tato slova a finanční podpora obnovitelným zdrojům se mohou stát bodem obratu,
neboť když technologická velmoc podpoří výrobu, výzkum a vývoj obnovitelných zdrojů, bude to mít
velký vliv na celosvětové vnímání jejich důležitosti.
Obnovitelné zdroje jsou cestou domácí prosperity, zajistí větší nezávislost, sníží vojenské výdaje i
emise skleníkových plynů.
| 25
Zdroje
1. http://www.unctad.org/en/docs/unep_unctad_un-ohrlls_en.pdf
2. http://www.auroville.org/society/solarkitchen.htm
3. http://www.evwind.es/noticias.php?id_not=4915
4. http://journeytoforever.org/biodiesel_yield.html
5. http://www.alphagalileo.org/ViewItem.aspx?ItemId=58317&CultureCode=en
6. http://en.wikipedia.org/wiki/Terra_preta
7. http://www.solarwirtschaft.de/fileadmin/content_files/wegweiser_sw_pvrm.pdf
8. http://energypriorities.com/entries/2009/01/obama_energy_plan.php
| 26