WEC 2010 – Světová energetika v referátech kongresu

1
WEC 2010 – Světová energetika v referátech kongresu
Imrich LENCZ
Abstrakt
V úvodním článku jsme se snaţili o stručnou všeobecnou charakteristiku kongresu a v dalším jsme
shrnuli několik důleţitějších poznatků z obsahu vybraných prezentací. V tomto navazujícím
se pokusíme bohatství myšlenek této ojedinělé události ilustrovat pomocí stručného obsahu několika
referátů vybraných bezmála z 300, které byly pořadatelům z jednotlivých národních komitétů zaslány.
Měly by zobrazit aktuální problémy světové energetiky a vyjádřit způsob, kterým světové společenství
energetiků usiluje o jejich řešení a naplnění vytčených cílů. Originály referátů kongresu jsou stále
k dispozici na webové stránce WEC. Autor článku je v obtíţné situaci, neboť rozhodnout, co
z mimořádného bohatství názorů vybrat, prezentovat, není jednoduché. Jeho cílem je upozornit na
několik desítek snad nejzajímavějších sdělení s předpokladem, ţe zájemce si originál referátu najde a
prostuduje na internetu.
In the initial article /42/ we tried for a brief, general characterization of the Congress and in the
subsequent article, /43/ we summarized several of the more important findings from the contents of
the selected presentations. In this follow-up we attempt to illustrate the wealth of ideas of this unique
event with the aid of the concise contents of several papers selected from nearly 300 that were sent
to the organizers of the national committees.These should show the current problems of world energy
and express the manner in which the world community of power suppliers seeks their solutions and
the fulfillment of goals that have been set. Original papers of the Congress are still available on the
WEC website. The author of the article is in a difficult position, since to decide what to select for
presentation from the extraordinary wealth of ideas is not simple. His aim is to draw attention to
several tens of, hopefully, the most interesting communications with the assumption that those who
are interested will find the original paper on the Internet.
1. Zdroje
Zabezpečení energie pro každého předpokládá mít dostatek prvotních zdrojů energie pro krytí
očekávaných energetických potřeb. Prozatím ještě naše Země poskytuje možnosti určitého, i když
stále omezenějšího výběru, avšak ne každý z nich, nebo dokonce žádný z nich neplní zcela
očekávání lidské společnosti. Tato kapitola by měla poskytnout alespoň hrubou orientaci
v možnostech a důsledcích výběru.
1.1 Analýza energetických zdrojů současného a budoucího světa
Ekonomický rozvoj není myslitelný bez energie. Fosilní paliva poskytují zhruba 60 % veškeré elektřiny
a všechnu energii pro účely dopravy. Utvářejí svět, který je zdrojem plnohodnotného ţivota, poskytují
čistou vodu a vzduch, bezpečnou a hojnou potravu, ošacení, zdraví a čisté bydlení, vytváří podmínky
kultury a vzdělávání…Jejich uţití je, ţel, spojeno s neţádoucími emisemi /1/.
1.1.1 Význam fosilních paliv
Vzniká otázka, jak vyloučit z energetické bilance 40 % fosilních paliv, abychom dokázali dnešní emise
sníţit o 50 %. Odpověď je o to sloţitější, ţe většina obyvatel chudých oblastí nemá přístup
k přínosům, vyjmenovaným v předchozím.
Strana 1
1
Posoudíme-li předpokládaný světový vývoj do konce tohoto století a zváţíme dnešní úlohu fosilních
paliv, zjišťujeme, ţe k roku 2100 vznikne v energetické bilanci závaţná mezera, jejíţ zaplnění nebude
snadné (obr. 1), ale o to sloţitější, ţe část fosilních zdrojů bude nadále nutno vyhradit na výrobu
plastů a chemikálií. Analýza odpovídá předpokladu obvyklého rozvoje (business as usual).
Obr.1. Prvotní zdroje do roku 2100
1.1.2 Zdroje, které mohou nahradit fosilní paliva
Neţ se pokusíme zodpovědět poloţenou otázku, je nutno objasnit koncepci koncentrace energie, to
je pouţitelný energetický obsah určitého objemu nebo váhy paliva. Je nutno chápat i koncepci
dimenzí, to je kolik určitého druhu energie je vůbec k dispozici a do jaké míry je schopna poskytovat
uţitečnou práci.
1.1.2.1 Koncepce koncentrace
Nejcennější jsou zdroje energie nejvyšší hustoty, které jsou nejvíce koncentrované, jsou přenositelné,
spolehlivé a pruţné. To způsobilo, ţe světové spotřebě vévodí uhlí, ropa a zemní plyn.
Nejvyšší energetickou hustotou se vyznačuje uhlí, problémy s jeho přepravou a spalováním jsou
vyváţeny nízkými náklady. Energetická hustota ropy a ropných derivátů je v porovnání s uhlím
poloviční, přesto jejich praktický význam je vyšší neţ u uhlí s ohledem na snadný transport,
3
skladování a uţití. Zemní plyn má velmi nízký obsah energie na m a je nejvýhodnější pro účely
vytápění a vaření.
Biomasa zemědělského původu a tekutá paliva tohoto původu mají velmi rozdílný obsah energie,
např. etanol poskytuje asi 60 % energie na jednotku objemu jako benzin, rostlinné oleje mají
energetický obsah porovnatelný s motorovou naftou.
Obnovitelná energie větru a slunce, pokud jde o hustotu energie, není zdaleka porovnatelná s výše
uvedenými zdroji, není proto zdaleka tak hodnotná. Například 100 MW v uhlí představuje „stopu“
2
2
2
2
0,001 aţ 0,04 km , sluneční energie 0,08-0,12 km , větrná 0,79 km a biomasa dokonce 5,2 km .
Geotermální energie můţe poskytovat energii poměrně vysoké hustoty, k této poloţce je nutno
přiřadit „geotermální“ energii z pozemních zdrojů pro tepelná čerpadla, která má malou koncentraci a
hodí se pouze pro vytápění, příp. chlazení našich obydlí.
Vodní energie je zdroj zcela specifický a podle lokality se vyznačuje velmi rozdílnou hustotou energie;
vodní elektrárny mají podle typu velmi rozdílné nároky na území (porovnej VE s akumulací a VE na
velkých řekách, poskytující základní energii).
Nejvyšší energetickou hustotou se vyznačuje uran jako palivo pro jaderné reaktory na principu
štěpení atomového jádra. Jediný kg má energetický obsah porovnatelný s 2,3 mil. litrů benzinu. Pro
Strana 2
1
porovnání: tepelná elektrárna výkonu 100 MW spotřebuje za rok 3,8 mil. tun uhlí a jen 160 t uranu
v tradičním reaktoru a dokonce 1,6 t uranu v rychlém reaktoru.
1.1.2.2 Koncepce dimenzí
V roce 2005 svět spotřeboval 487 EJ (exajoule) energie, z toho 412 EJ, to je 86 %, tvořily fosilní
zdroje, 179 EJ ropa, 129 EJ uhlí a 113 EJ zemní plyn.
Sluneční energie
Slunce poskytuje naší planetě za hodinu tolik energie, jako spotřebuje lidstvo za celý rok. Je však
velmi obtíţné soustředit větší mnoţství sluneční energie pro konverzi do některé uţitečné formy.
Navíc, na určité území dopadá jen omezené, velmi proměnlivé mnoţství energie. Přesto je energie
Slunce zdrojem veškerých obnovitelných energií.
Průměrná účinnost transformace sluneční energie dopadající na kolektor se pohybuje kolem 15 %. Je
však nutno vzít v úvahu, ţe energie dopadající na kolektory je omezena plochou vlastních kolektorů,
jejich rozmístění však vyţaduje podstatně větší prostor, minimálně asi dvojnásobek uţitečné plochy.
Pohyblivé panely sledující sluneční svit dokonce 8-11násobek, takţe výsledné vyuţití sluneční
energie klesá cca na 2 %. Efektivnost transformace sluneční energie je nejvyšší u nejúčinnějších
panelů. Vysoké účinnosti se dosahuje u solárních článků s trojitým polovodičovým přechodem.
Sluneční energii vyuţívají „solární systémy výroby elektřiny“ (Solar energy generating system SGES), např. na několika realizacích v Kalifornii. První z nich je v provozu od r. 1985 na poušti
Mojave. Parabolická zrcadla odráţejí sluneční světlo na potrubí, v němţ cirkuluje olej, který se
o
zahřívá aţ na 400 C a generuje páru pro parní turbínu. V čase nedostatku sluneční energie se pára
přihřívá spalováním zemního plynu. Účinnost systému je podobná jako u slunečních panelů.
Poznámka: V rozmezí 1985-1990 bylo v oblasti postaveno 9 slunečních elektráren SGES, a to v oblasti Dagett, Kramer Jct a
Harpe lake, s celkovým výkonem 354 MW a roční výrobou 650 MWh. Elektrárny využívají cca 1 milion zrcadel, která se
rozkládají na ploše 6,5 km2. V důsledku jejich narušení vlivem větru je nutno ročně vyměnit až 3000 zrcadel.
Zrcadlové plochy jsou zanášeny pouštním prachem a vyţadují pravidelné čistění (26krát za rok)
pomocí samočinných mycích zařízení.
Největším problémem slunečních elektráren je nedostatek lokalit vhodných pro jejich rozmístění.
Nejvhodnějším vyuţitím sluneční energie je ohřev uţitkové vody, která můţe být snadno
akumulována pro dobu pouţití. Další výhodnou aplikací jsou solární články pro telekomunikační účely
a drobné osvětlování.
Větrná energie
Vítr je důsledkem nerovnoměrného ohřevu zemského povrchu, a proto je podstatně proměnlivější neţ
energie sluneční. Je nepříjemnou vlastností větrné energie, ţe po podstatnou část času je nulová,
nepředvídatelně nastupuje a přerušuje se. Výkon větrných zdrojů se výrazně mění v čase s rychlostí
větru, jejich výkon je dán třetí mocninou rychlosti větru. Desetiprocentní změna rychlosti větru
způsobí 33% změnu elektrického výkonu. Dalším problémem větrných elektráren je znečištění rotoru
hmyzem, coţ můţe způsobit sníţení výkonu aţ na polovinu.
Současné turbíny VE zuţitkují 75-85 % energie větru. Ačkoliv se rotor větrných elektráren pohybuje
zdánlivě pomalu, špička křídel má rychlost aţ 300 km/hod. Větrné elektrárny s ohledem na neurčitost
výstupu musejí být zálohovány jiným pohotovým zdrojem (standby), v daném případě je zálohují
pruţné vodní elektrárny. Výroba větrné energie je poznamenána dlouhými obdobími nedostatku
větru. Např. v únoru 2003 větrné elektrárny Dánska byly zcela bez výroby a spotřeba musela být
kryta jinými zdroji.
Elektrizační soustavy usilují o umístění elektráren poblíţe center spotřeby, ţel, významné větrné
zdroje se lokalizují ve vzdálených oblastech a vyţadují dálkový přenos elektřiny.
Strana 3
1
Biomasa
Biomasa se mezi OZ vyznačuje nejniţší hustotou energie. I kdyţ sluneční energii absorbuje přímo,
účinnost její transformace, fotosyntézy, je mimořádně nízká a tvoří jen 0,5-1 % energie, dopadající na
olistění. Tato skutečnost znesnadňuje vyuţití biomasy. Pěstování, kultivace, sklizeň a zpracování jsou
energeticky náročné. Například příprava surovin pro výrobu etanolu vyţaduje prakticky stejné
mnoţství energie, kterou obsahuje výsledný produkt. Jistý přínos znamená vyuţití zemědělského a
lesního odpadu, je však rovněţ náročné na vklad energie.
Geotermy
Vulkanické geotermální zdroje jsou poměrně vzácné a omezené na výskyt horkých bodů zemské
kůry. Jejich význam je relativně malý.
Jako geotermální zdroje se někdy označují zdroje energie pro tepelná čerpadla. Je to chybné
pojmenování, ve skutečnosti jde o vyuţití nízkoteplotní energie prostředí, jde o uţitečný nízkoteplotní
zdroj, vhodný pro vytápění a chlazení.
Energie vln a přílivu/odlivu
Zaznamenáváme pro úplnost, problematická je neshoda s dobou potřeby energie.
Jaderné palivo
Referát poměrně podrobně popisuje dva moţné zdroje jaderné reakce, štěpení jaderného paliva a
jadernou syntézu, dále typy soudobých a budoucích jaderných reaktorů.
Významnou otázkou jaderné energie je odhad mnoţství disponibilního paliva. Podle autorů je to
otázka ceny jaderné suroviny. Podle odhadů US Geological Surfy zvýšení ceny uranu z 80 USD/kg
na 160 USD/kg má za následek zvýšení pouţitelných zásob na desetinásobek. Při zmíněné výchozí
ceně je palivová sloţka elektřiny z JE na úrovni 0,0017 USD/kWh. Nasazením rychlých reaktorů
s předpokladem, ţe cena uranu dosáhne ceny zlata, se tato palivová sloţka bude pohybovat kolem
0,006 USD/kWh.
1.1.2.3 Porovnání nákladů jednotlivých forem energie
Cenové porovnání jednotlivých forem energie vychází ze zprávy, kterou vypracovala společnost PB
Inc. (Parsons Brinkerhof) pro Královskou technickou akademii (Royal Academy of Engineering),
London. Byla vytvořena na základě záznamů úspěšných technických projektů období 110 let.
Porovnává různé systémy výroby elektřiny včetně nákladů na „pohotové zdroje“ pro zálohování
větrné energie. Je nutno dodat, ţe cena ropy, plynu a uhlí v budoucnosti bude systematicky růst,
zatímco cena uranu je poměrně stabilní.
Obr. 2. Měrné náklady elektřiny podle zdrojů
Strana 4
1
Z výsledného grafu autor odvozuje, ţe budoucnost patří energii z jaderného štěpení.
1.2 Prvotní zdroje v dalších referátech kongresu
Větrná energie: překonání neadvekvátních nejistot větrné energie a modelování /2/
Mezi společnostmi zaměřenými na zuţitkování větru ve velkých výškách je nejstarší a nejvyspělejší
Magenn Power Systems Inc. of Canada a je nedaleko uvedení komerčních produktů do provozu.
Přichází s revolučním řešením, pouţitím heliem plněného balonu, zakotveného 200-300 m nad
terénem. Balon se působením větru otáčí a vyrábí elektřinu, která se přenáší na zem pomocí „lan“ a
po nezbytné transformaci napájí síť. Energie větru (výkon větrné turbíny) je úměrná třetí mocnině
rychlosti větru a zdvojení rychlosti proudění vede ke zvýšení výkonu 8krát. V porovnání s obvyklými
výškami se počítá i se zvýšením vyuţití instalovaného výkonu aţ kolem 50 %, na rozdíl od hodnot
obvyklých pro dnešní zdroje 12-17 %. Generátory ss proudu usnadňují akumulaci energie i start
jednotek.
Energie bez emisí /3/
Referát popisuje princip bezemisní transformace řady produktů jako biomasa, zemědělský odpad,
komunální odpad a odpad ze skládek, plasty, guma, opotřebované pneumatiky apod. na syntetické
uhlovodíky. Výsledkem procesu je elektrická energie vyrobená z tepla – procesu zplyňování v parním
kotli a turbíně, umoţňuje vyuţití cca 30-35 % tepelné energie, asi 30-35 % vstupující tepelné energie
se konvertuje na uhlovodíky jako dieselové palivo a kerosin, zbytek energie (cca 20-35 %) slouţí pro
dálkové vytápění a chlazení, odsolování mořské vody apod. Podle webových stránek společnosti jsou
k dispozici standardizované jednotky (Standardized BNL Clean Energy Plants) CEP 20 MW, CEP 50
MW, CEP 100, CEP 150, CEP 200, CEP 250, dále CEP 300 MW. Provoz vyvinutých jednotek
probíhá v řadě vyspělých energetik.
Technologie čistých paliv pro energetickou bezpečnost světa /4/
Technologie čistých paliv jsou integrální součástí „zelené techniky“ zaměřené na omezování
globálního oteplování, energetickou bezpečnost a udrţitelný rozvoj. Pro výrobu elektřiny a chemickou
výrobu jsou určeny technologie podzemího i nadzemního zplyňování uhlí, případně jejich
transformace na tekutá paliva.
2. Výroba elektřiny
Ve sděleních kongresu převládá názor, že úloha elektřiny v energetické bilanci budoucích let neustále
poroste. Prvním krokem energetické transformace na cestě energie od zdroje ke spotřebiteli je
výroba elektřiny, tato kapitola je proto věnována úloze jednotlivých výrobních technologií ve vztahu
k použitému zdroji i varietě možných principů výroby elektřiny. Jejich výběr by mělo usnadnit
porovnávání indikátorů udržitelnosti. Přes určité přítomné zpochybnění přínosu jaderné energie,
vyvolané událostmi v Japonsku, si tato forma energie zaslouží nadále pozornost, minimálně proto, že
současné technologie a technologie nejbližší budoucnosti nejsou totožné s těmi, které se ve světě
prosadily v minulých desetiletích.
2.1 Elektřina budoucnosti z uhlí
Politické klima současnosti kulminuje konfliktem mezi ekonomickým rozvojem a ekologickou regulací
– změnami klimatu. Rozvinuté země jsou odkázány na levnou a hojnou elektřinu z uhlí jako hnací
sílu. Rozvojové země se dnes snaţí pokračovat na této historické cestě. Zmíněný politickoekonomický konflikt můţe být zmírněn pomocí inovativních technologií dodávky energie s omezením
Strana 5
1
nepříznivých ekologických vlivů, odpovědnou bilanci mezi společenskými, ekonomickými a
ekologickými zájmy /5/.
Od roku 1980 do 2007 můţeme zaznamenat trvalý růst světové spotřeby elektřiny a to z 8000 TWh
na 18 800 TWh, coţ odpovídá ročnímu růstu 3,2 %. Na jednoho obyvatele spotřebováváme více
elektřiny neţ kdykoli předtím, coţ se v krátké době nezmění, očekáváme, ţe k roku 2030 dosáhne
světová spotřeba 38 700 TWh a vyvolá tak další tlak na naše zdroje.
Uvedený růst byl umoţněn především díky uhlí, jeho vysokou disponibilitou a nízkou cenou.
Výsledkem je, ţe 41,5 % elektřiny se vyrábí právě z tohoto paliva.
Uhlí bude hrát ve světové energetice nadále důleţitou roli, jeho budoucí uţití však musí probíhat na
jiné bázi, neţ dnes. V současnosti uţ jsou k dispozici nové technologie, projekty a přístupy, které
nabízejí podstatně niţší vliv výroby z uhlí na ţivotní prostředí. Patří k nim zvýšená účinnost
elektráren, zachycování a ukládání uhlíku (CCS) a integrace s dalšími technologiemi a procesy.
Ekonomický rozvoj rozvinutých zemí (OECD) za uplynulé století byl rovněţ moţný díky vysoké
spotřebě uhlí. Obdobný rozvoj můţeme očekávat v rozvojových zemích, coţ povede k růstu jeho
spotřeby podle obr. 3.
Obr. 3. Očekávaný vývoj spotřeby uhlí
Nutno dodat, ţe tento trend předpokládá „obvyklý rozvoj“ („business-as-usual‟). Další vývoj komplikuje
skutečnost, ţe 81 % světových zásob tohoto paliva se nalézá v 6 zemích, jsou to: USA, Rusko, Čína,
Indie, Austrálie, Jiţní Afrika. Relativní láce uhlí je z pohledu dalšího vývoje málo motivující a nenutí
k vyhledávání a uţití nových technologií.
2.1.1 Cesty inovací
Pro výzkum a vývoj vyuţití uhlí při minimalizaci vlivů na ţivotní prostředí byly vytipovány tři hlavní
cesty (obr. 4): 1) zdokonalení technologií, 2) CCS, 3) integrace technologií.
Strana 6
1
Obr. 4. Perspektivní technologie výroby
2.1.2 Zdokonalení technologií
Konvenční elektrárny spalující práškové uhlí a vyuţívající fluidní loţe se pouţívají po mnoho
desetiletí. Provozní podmínky dnešních „subkritických“ cyklů se vyznačují teplotou páry 540 °C při
tlaku 16,5 MPa, jejich účinnost se pohybuje kolem 30 %, některá moderní díla dosahují účinnosti 3537 %. Další zvyšování teploty páry a tlaku nad kritický bod páry, tzv. superkritická a ultra-superkritická
nomenklatura se vyznačuje dalším zlepšování účinnosti. Tabulka 1 popisuje klasifikaci elektráren
tohoto typu. Jejich výhodou jsou niţší náklady na palivo a podstatné sníţení emisí CO 2, investiční
náklady porovnatelné s tradičními díly a moţnost integrace s technologií CCS.
Zdroj
Clean Coal
Technology Kanada
World Coal Institue
Klasifikace
Subkritický
Superkritický
Ultra - superkritický
Pokročilý USK
Subkritický
Superkritický
Ultra - superkritický
Teplota
o
C
538
538
600
700
538
540-566
580-620
Tlak
Mpa
17
27
31
31
17
25
27-28
Tab. 1.
V provozu se nachází více neţ 500 superkritických elektráren a jejich účinnost je v průměru o 10 %
vyšší neţ u tradičních řešení, elektřinu produkují s nároky na palivo niţšími o 1/3 a úměrně sníţenými
emisemi.
Je nutno dodat, ţe konstrukce zařízení musí zvládat příslušné teploty a tlaky, pro tyto účely se
konstruují speciální materiály.
2.1.2.1 Zplyňování
Zplyňování fosilních paliv (uhlí, petrolejový koks, biomasa), které patří k perspektivním technologiím,
spočívá na jejich částečné oxidaci, přičemţ kromě dalších sloţek vzniká oxid uhelnatý (CO) a vodík.
Výsledkem procesu je tzv. syntetický plyn.
Syntetický plyn má širší pouţití a můţe být konvertován na naftu, letecké palivo, metanol aj. Zde
předpokládáme jeho spalování ve spalovací turbíně v kombinovaném cyklu (IGCC), který dosahuje
účinnosti aţ 40-42 %; coţ představuje v porovnání s tradičním cyklem zlepšení účinnosti o 40 %.
Pomocí procesu Water-Gas Shift (WGS) můţe být syntetický plyn rozdělen na sloţky, to je CO a H 2,
coţ usnadní přiřazení procesu CCS.
Strana 7
1
2.1.3 Zachytávání a ukládání CO2
Pro budoucnost uhelných elektráren jsou důleţité technologie CCS. V úvahu přicházejí tři
technologie: zachytávání CO2 před spalováním, po spalování a spalování v kyslíkové atmosféře, tzv.
oxyfuel. Nejjednodušší je zachytávání CO2 po spalování, jelikoţ proces probíhá při plném výkonu.
Náhrada vzduchu kyslíkem (oxyfuel) způsobuje, ţe výfukové plyny se vyznačují vysokou koncentrací
CO2. Zachytávání před spalovacím procesem je vhodné pro kombinované cykly IGCC v kombinaci
s metodou „water-gas shift“. Plyn, vstupující do spalovací turbíny, je čistý vodík a ve spalovacím
procesu produkuje vodní páru.
Některé vlády reagují na tlak veřejnosti investicemi do CCS, ty představují celkem kolem 9,9 mld.
dolarů. Přesto CCS není jediným řešením budoucnosti, ta bude spočívat na dalších technologiích
jako zplyňování, oxyfuel, superkritické spalování, tlakové fluidní loţe, „hybridizace“ uhlí a sluneční
energie.
2.1.3.1 Oxyfuel
Spalování při náhradě vzduchu O2 produkuje výfukové plyny sestávající hlavně z CO2 a vody;
předpokládá se vyloučení dusíku ze vstupujícího média. Vodní páry se kondenzují a CO 2 je
připravené pro proces zachytávání a ukládání. Proces je atraktivní s ohledem na jednoduchou
integraci s CCS. Spalování za pomoci čistého kyslíku (>95 mol%) vede k velmi vysokým teplotám,
nevhodným pro konstrukci kotle, proto se oxidant ředí výfukovými plyny. Metoda produkuje o 75-80 %
méně vypouštěných plynů neţ obvyklé spalování. Spalování pod kyslíkem je ve stadiu vývoje, ve
světě se pracuje na několika pilotních a demonstračních projektech.
Základní nevýhodou procesu jsou vyšší investiční a provozní náklady, separace sloţek vzduchu a
chlazení CO2 vyţadují další energii, takţe celková účinnost je niţší. Komerční uplatnění vyţaduje
další zdokonalování technologií.
2.1.4 Integrace technologií – konvenční technologie a OZ – uhlí a sluneční
energie
Technologie OZ zatím nemohou plně uspokojit nároky na energii s ohledem na jejich obvykle nízkou
hustotu. Slibnou cestou je kombinace tradičních a nových energetických technologií, umoţňující
spolehlivost i dostatečný výkon. Jde zejména o kombinaci solárních elektráren na principu
soustředění sluneční energie pomocí parabolických zrcadel s konvenčními. Sestava poskytuje páru o
teplotě aţ 370 °C i více, která se vede do obvodů konvenční elektrárny, kde se s vyuţitím tradičních
paliv pára přehřívá na obvyklou teplotu. Spotřeba doplňkového paliva se sniţuje a sniţují se i
investiční náklady na solární elektrárnu.
Integrace konvenčních a solárních elektráren připadá v úvahu v oblastech s výbornými klimatickými
podmínkami jako Austrálie, Nevada apod., kde se dá předpokládat 20-30 % slunečního svitu
v průběhu roku.
2.2
Parametry udržitelnosti technologie výroby elektřiny
K vyjádření vlivů výroby elektřiny alternativních výrobních technologií jsme vymezili 8 indikátorů
udrţitelnosti, které v souhrnu vyjadřují jejich finanční, ekologickou, inţenýrskou (technickou) a
sociální udrţitelnost /7/.
Náklady jsou na prvním místě úvah, zajištění finančních přínosů je klíčové pro udrţitelnost rozvoje. V
úvahu se bere účinnost energetických transformací, ta má přímý vliv na náklady a vyznačuje zralost
procesu. Emise skleníkových plynů, včetně CO2 a metanu, určují potenciál globálního oteplování a
nyní se stávají klíčovým parametrem udrţitelnosti. O emisích dalších polutantů (SO2, NOx, CO, Pb,
Strana 8
1
PM10 a O3) neuvaţujeme s ohledem na moţnost jejich řízení opatřeními energetické politiky. Důleţité
jsou nároky na vodu jako ukazatel, významný zvláště v některých oblastech světa, např. v Austrálii.
Pohotovost a navazující omezení vyjadřují moţnost zdroje poskytovat základní zatíţení. S ohledem
na to, ţe energetické technologie soutěţí o území s bydlením, zemědělstvím a chráněnými oblastmi,
nároky na území znamenají další důleţitou stopu. Pod pojmem sociální vlivy máme na mysli přímé i
nepřímé vlivy na zdraví a kvalitu ţivota, které nejsou dostatečně vyjádřeny dalšími kategoriemi.
Pro ocenění ukazatelů byl proveden extenzivní průzkum literatury. Oceňování zahrnuje celou dobu
ţivota kaţdé jednotky tam, kde to přichází v úvahu na bázi jedné kWh.
2.2.1 Oceňování udržitelnosti
A. Cena
Rozpětí průměrných cen jednotlivých technologií je vyjádřeno v dolarech USA/kWh za dobu ţivota na
obr. 5. Technologie biomasy jsou reprezentovány uţitkovou biomasou a odpadem – biomasou RES.
Obr. 5. Ceny elektřiny podle jednotlivých technologií
Graf ponechávám bez komentáře, poukazuje rovněţ na míru rozpětí cen. Upozorňujeme na
logaritmické měřítko, které poněkud zkresluje přímý grafický názor.
B. Účinnost
Významným parametrem je účinnost konverze energie primárního paliva na elektřinu, která
významně ovlivňuje cenu i udrţitelnost výsledného produktu. Hodnoty uvedené v tabulce 2 jsou
převzaty ze širokého okruhu literárních pramenů.
Technologie
Rozsah účinnosti
Fotovoltaika
Vítr
Vodní energie
Geotermy
Bimoasa
Plyn
Uhlí
Jaderná energie
4 - 22 %
23 - 45 %
90%
10 - 20 %
16 - 43 %
45 - 53 %
32 - 45 %
30 - 36 %
Tab. 2. Účinnost výroby elektřiny jednotlivých technologií
Strana 9
1
Vodní energie se vyznačuje nejvyšší účinností, je pětinásobkem hodnot dosaţitelných u dalších
technologií. Zemní plyn je v celkové efektivnosti na druhém místě; rozdíly mezi ním a výrobou z uhlí a
jaderné energie nejsou výrazné. Největší rozptyl účinností se týká solárních článků a souvisí s
pouţitým typem od amorfních silikonových článků (nejniţší účinnost) aţ po krystalické (nejvyšší
účinnost). Účinnost geotermálních jednotek závisí od teploty disponibilní geotermální energie.
C. Emise skleníkových plynů
Světová výroba elektřiny vyúsťuje v uvolnění přes 10 mld. tun ekvivalentu CO2 do atmosféry a podílí
se ze 40 % na celkových emisích k roku 2004. Od roku 1990 jde o nárůst 53 %. OZ se obecně
pokládají za zdroj prostý emisí CO, avšak kaţdý OZ není v tomto směru neutrální. Ačkoliv, například,
větrné turbíny a solární články v provozu neemitují CO2, jejich výroba, výstavba, recyklování apod.
jsou spojeny s určitými emisemi. Podobně se chovají zejména přehrady vodních elektráren, jsou však
do jisté míry zdrojem metanu vznikajícího při rozkladu organických látek. Výsledky hodnocení emisí
jednotlivých technologií v ekvivalentu CO2 zahrnuje obr. 6, který byl sestrojen na základě hodnocení
desítek literárních pramenů.
Obr. 6. Emise skleníkových plynů podle výrobních technologií
Nejniţší emise se týkají jaderné energie, procesu přípravy a zpracování nukleárního paliva.
Poznamenejme, ţe i zde lze zaznamenat značné rozdíly související se zvoleným procesem, nejniţší
emise poskytuje proces difuze, nejvyšší obohacováním paliva odstřeďováním.
Velmi nízké emise poskytuje větrná energie, spalování reziduí biomas a vodní energie; u biomasy
emise souvisejí se sběrem a transportem biologických materiálů. Fotovoltaika a geotermální zdroje
mají poměrně nízké emise. Nejvyšší hodnoty přísluší spalování zemního plynu a uhlí. (Referát
vzájemné vztahy podrobněji analyzuje.)
D. Nároky na vodu
Dané hledisko je zvláště důleţité v zemích se suchým klimatem, kde voda představuje vzácný a
společensky drahocenný zdroj. Některé výrobní technologie vyţadují pro chlazení značná kvanta
vody. Odhady podle jednotlivých literárních pramenů jsou uvedeny v tab. 3. Rozlišuje se spotřeba
vody a její celkové uţití. Spotřebou se označuje mnoţství, které se např. vypaří a nemůţe být
vráceno k dalšímu uţití, uţitím (withdrawal) je celkové mnoţství uplatněné v průběhu výrobního
procesu a zahrnuje vodu s moţností recyklování.
Strana 10
1
Larson aj.
Technologie
Fotovoltaika
Vítr
Vodní energie
Geotermy
Biomasa - odpad
Biomasa- plodiny
Plyn
Uhlí
Jaderná energie
Trewin
Younos aj.
Inhaber
Spotřeba vody /kg/kWh/
zanedbatené
11
0,3 aţ 1,6
3,2
34
0,3 aţ 0,5
0,3 aţ 0,5
3,74
0,6
1,5
0,26
1,7
14 aţ 28
31 aţ 75
Uţití
0,01
0,001
12 aţ 300
13,6
1,6
1,6
1,8
78
78
107
Tab. 3. Spotřeba a uţití vody jednotlivých technologií podle autorů
Hodnoty spotřeby pod 1g/kWh se pokládají za zanedbatelné. Referát podrobně komentuje výše
uvedenou tabulku, včetně rozdílů v ukazatelích podle jednotlivých pramenů.
E. Pohotovost
Fosilní paliva a jaderná energie mají konečné zásoby a jejich disponibilita omezuje moţnou dobu
vyuţívání příslušných technologií. Některé současné odhady předpokládají dobu disponibility uhlí na
107, zemního plynu na 35 a uranu na 70 let.*
*Poznámka zpracovatele: odhad zřejmě nepočítá s pokrokem v technologii vyuţívání jaderného paliva.
Vysokoteplotní geotermální zdroje jsou k dispozici cca v 80 zemích a potenciálem cca 11±1,3
PWh/rok, avšak současně ekonomicky vyuţitelný potenciál je niţší, pouze cca 8,1 PWh/rok, z čehoţ
se v přítomnosti vyuţívá 2,6 PWh/rok.
S ohledem na nekonzistentní povahu rychlosti větru větrná energie kaţdé lokality je do jisté míry
omezena. Výroba větrné energie není moţná pod rychlostí větru 3-5 m/s a z bezpečnostních důvodů
je nutno turbíny odstavit, jestliţe přesáhne 20-25 m/s. Přesto IEA odhaduje potenciál větrných zdrojů
cca na (?) PWh/rok.
Sluneční energie virtuálně nezná ţádná omezení, Země zachytává roční toky solární energie ve výši
cca 170 PW, zatímco roční spotřeba elektřiny celého světa r. 2007 činila 5,5 TW. Intenzita sluneční
energie se však mění podle ročního období, zeměpisné šířky, počasí a denní doby. V příznivých
2
podmínkách, např. v Austrálii činí denní radiace v průměru 5–6 kWh/m /den a od léta do zimy se
2
mění v poměru 2:1. V klimaticky chudších oblastech, např. severní Evropě je to cca 2–3 kWh/m /den
a vyznačuje se větší sezonní proměnlivostí. Ideální oblastí solární energie jsou pouště s očekáváním
cca 300 slunečních dnů/rok.
Odhaduje se, ţe globální potenciál elektřiny z biomas činí cca 200-270 EJ/rok, jiné odhady tuto
hodnotu omezují cca na 100 EJ/rok; i poslední hodnota však reprezentuje cca 30 % roční spotřeby
roku 2004. Samotná rezidua cukrové třtiny by mohla poskytnout aţ 7,8 TW/rok. Biomasa se jeví jako
zdroj nejvyšší disponibility a za slibné se povaţují všechny vyzkoušené technologie.
Potenciál vodní energie lze proměřovat ve stejných jednotkách jako její současnou výrobu, 3,2
PWh vyrobených r. 2009 činí cca 40 % jejího potenciálu.
G. Nároky na území
Nároky na území určují, jakou oblast vyţadují jednotlivé technologie při svém provozu, nevyjadřují
však, jak se toto území vyuţívá nebo v důsledku energetické výroby znehodnocuje. Souhrnné nároky
indikuje tab. 4.
Strana 11
1
Technologie
Gagnon /m2/kWh/
Fthenakis /m2/kWh/
Fotovoltaika
Vítr
Vodní energie
Geotermy
Biomasa - plodiny
Biomasa- odpad
Plyn
Uhlí
Jaderná energie
0,045
0,072
0,152
0,05
0,533
0,001
0,0003
0,0015
0,004
0,05
0,0125
0,004
0,0005
0,0003
0,0004
0,00005
Tab. 4. Nároky na území
Nejniţší nároky na území vyţaduje jaderná energie, ve vztahu k tomuto ukazateli se na druhém místě
pohybuje elektřina z uhlí a zemního plynu. Ignoruje se však u posledních znehodnocení území.
Nároky na území fotovoltaiky se jeví jako únosné, týkají se celkové nutné plochy, její potřeby lze
redukovat vyuţíváním budov a střech.
Větrná energie vyţaduje poměrně značné území, vlastní dílo však zaujímá asi jen 1-10 % plochy,
zbytek lze vyuţít pro zemědělské účely, zatravnění apod. Nároky vodní energie jsou druhé nejvyšší
zejména s ohledem na konstrukci přehrad. Nároky biomasy jsou extrémní a činí cca 4násobek potřeb
vodní energie.
H. Sociální vlivy
Výroba solárních článků se opírá o uţití řady toxických, karciogenních, hořlavých a explozivních látek.
S pokrokem technologií, výrobou stále tenčích článků se tato nebezpečí sniţují, nadále však vyţadují
minimální kontakt s člověkem a ţivotním prostředím. Toxické substance se vyuţívají rovněţ v
průběhu provozu, jsou to např. rozmrazovače, inhibitory koroze a těţké kovy, které se mohou
vyluhovat mimo systém. Odraz světla můţe způsobit oční choroby. Solární farmy by se měly velmi
pečlivě dislokovat v zájmu sníţení konkurence se zemědělstvím, omezení eroze a zhutňování půdy,
redukce odpařování a porušení proudění povrchové a podzemní vody.
Hlavními vlivy větrné energie jsou hluk, vizuální rušení a působení na okolní ptactvo. Zdá se, ţe
veřejnosti nejvíce vadí narušení vzhledu krajiny, méně závaţným faktorem je hluk vyvolaný lopatkami
turbín a vlastním agregátem. Mnohé větrné farmy zaznamenaly vliv na ţivot ptactva a nebezpečí
kontaktu s ním. Ve studiích by se měly respektovat trasy tahu ptactva; u dobře navrţených konstrukcí
nehrozí přímý kontakt.
Přehrady vodních elektráren zabezpečují regulaci vodních toků, slouţí k zavlaţování, k tvorbě
rekreačních oblastí i ochraně okolních území, tvoří turistické atrakce. Jejich nejméně ţádoucím
vlivem je vymístění komunit z okolního území; původní obyvatelé změnu ţivotních podmínek obtíţně
snášejí. Výstavba přehrad má často za následek i ztrátu archeologicky kulturálně cenných lokalit i
narušení schémata migrace vodních ţivočichů. Při nedostatečném dozoru nad kvalitou vody v
přehradách můţe jít o ohroţení zdraví, zejména v tropických oblastech.
Geotermální výroba elektřiny je rovněţ spjata s ekologickými vlivy, narušení okolního území, fyzikální
vlivy, pokles půdy vlivem intenzivního odběru kapalných a plynných látek, hluk, tepelné emise a
uvolnění ofenzivních chemických látek.
Klíčovým sociálním problémem biomasy je konkurence s potravinami, její vyloučení znamená
neprodukovat biomasu na půdách vhodných pro výrobu potravin. Kromě zemědělské půdy jsou pro
produkci biomas důleţité lesy. Těţba lesní hmoty je do jisté míry kompenzována vracením popele z
Strana 12
1
dřevní hmoty, bohatého na minerální látky, avšak významná je související ztráta minerálních látek a
dusíku. Veřejnost v této souvislosti znepokojuje ztráta biodiverzity, na straně druhé je podporováno
vyuţití přirozeného lesního odpadu. Je nutno dodat, ţe těţba lesní biomasy vykazuje trojnásobné
nároky na podíl práce v porovnání s těţbou uhlí. Vyšší jsou téţ nároky na výstavbu, provoz a údrţbu.
Sociální vlivy těţby uhlí, plynu a jaderných technologií jsou všeobecně známy. Těţba minerálních
zdrojů se mnohdy odehrává v citlivém prostředí nedaleko komunit. Uţití území dolováním je zpravidla
invazivní, likviduje velké oblasti přirozené vegetace a lidská obydlí a vyţaduje po vytěţení nákladnou
rehabilitaci. Můţe znamenat i nevratnou ztrátu archeologicky cenných lokalit. Emise tepelných
elektráren jsou výrazně kontaminovány polutanty jako síra, NO x, CO, pevné částečky, těţké kovy ap.
a rozptylují se po širokém okolí. Uhlí zpravidla obsahuje značné mnoţství rtuti.
Jaderná energie ovlivňuje lidské komunity v průběhu těţby, mletí, dopravy, obohacování a výroby
palivových článků, provozu elektráren a jejich odstavení, nekontrolovaných úniků, důlním odpadem i v
důsledku slabého radiačního zatíţení pracovníků, karciogenního efektu radioaktivní expozice apod.
Někteří badatelé mluví o odhalení výskytu dětské leukémie, vyššího neţ přirozené pozadí v okolí
jaderných elektráren.
Závěrečná poznámka zpracovatele: Referát obsahuje analýzu sociální přijatelnosti jednotlivých energetických technologií v
Austrálii na základě odpovědí 282 respondentů. S ohledem na zcela rozdílné lokální podmínky výsledky nepokládáme za
typické pro středoevropské poměry, kromě toho malým počtem dotázaných výsledky průzkumu ani pro danou oblast
nepokládáme za reprezentativní. Indikátory udrţitelnosti jednotlivých energetických technologií nicméně povaţujeme za
zajímavé a prokazují, ţe stěţí lze najít dokonalou energetickou technologii, která by byla ze všech projednávaných hledisek
zcela přijatelná.
2.3 Renesance nebo zánik jaderné energie?
Ve světě se velmi široce diskutuje, zda jaderná energie prochází renesancí, nebo zánikem, a to
s ohledem na fakt, ţe jaderné technologie jsou rizikové, a současně příznivé pro ţivotní prostředí.
Podle názoru autora nemáme lepší alternativu, neţ je právě jaderná energie. Za prvé v porovnání
s jinými alternativami je ekologicky udrţitelná. Za druhé se nachází na úsvitu nové éry, nových
projektů a technologií /13/.
2.3.1 Úvod
Diskuse o úloze jaderné energie ve světové energetice vyţaduje odpověď na několik otázek,
zejména: jaký pokrok byl dosaţen od doby, kdy byla uvedena do provozu první jaderná elektrárna a
jak se v průběhu 40 let změnily moţnosti jaderného palivového cyklu.
2.3.2 Oteplování a renesance jaderné energie
Svět po podpisu Kjótského protokolu a po klimatické konferenci v Kodani podnikl řadu kroků
k omezování uhlíkových emisí, dosud však ţádný neplní očekávání. Za současnou situaci je
odpovědné spalování fosilních paliv, jejichţ uţití ve světě převaţuje a činí cca 66,6 % (z toho uhlí
40,8 %).
Vlastnosti jaderné energie, s podílem cca 14,7 % na světové výrobě, přispívají k řešení současné
situace, čímţ se mj. vysvětluje renesance tohoto zdroje.
2.3.3 Kapacity jaderných elektráren
Uveďme některé poznatky o světové jaderné energii. První jaderné elektrárny byly uvedeny do
provozu v 50. letech, K dnešnímu dni se ve světě provozuje 436 jaderných elektráren ve 30 zemích
Strana 13
1
s výkonem 372 000 MWe, další desítky jsou ve výstavbě nebo se připravují (30+90). Zkušenosti
jaderné energetiky jsou značné a obnášejí 13 000 reaktorových roků.
Rozloţení výroby jaderných elektráren podle zemí na základě údajů roku 2007 je na obrázku 7.
Obr. 7. Přehled světové výroby elektřiny JE
Celkový světový přehled jaderné energetiky a předpokládaného rozvoje je uveden v tabulce 5;
originál referátu uvádí podrobný přehled podle jednotlivých zemí.
Výroba elektřiny 2008
mld kWh
%E
2601
15
Provozované reaktory
Počet
Mwe
436
372693
Reaktory ve výstavbě
Počet
Mwe
53
51114
Objednáno / plánováno
Počet
Mwe
142
156422
Navrhováno
Počet
Mwe
327
343000
Nároky na uran
tun
68646
Tab. 5. Přehled ukazatelů světové jaderné energetiky
2.3.4 Minulost a současnost jaderných reaktorů
Ačkoli se v současnosti staví méně reaktorů neţ v sedmdesátých a osmdesátých letech minulého
století, dnešní produkují více elektřiny. Růst výroby JE v letech 2000-2006 činil 210 TWh, přestoţe se
jejich počet nezvýšil a jejich výkon vzrostl pouze o 15 GWe. Uvedený výsledek byl dosaţen lepšími
technickými parametry. V r. 2007 došlo k poklesu výroby v důsledku uzavření některých děl v SRN.
Vyuţití výkonu dnešních JE je velmi vysoké a je na hranici teoreticky dosaţitelných hodnot.
V počátcích jaderné energetiky (1950-60) se stavěly tzv. reaktory první generace, které většinou
vyuţívaly přírodní uran a jako moderátor slouţil grafit. Ve většině případů doslouţily. Druhá generace
JE uţ pouţívá jako palivo obohacený uran a jsou moderované a chlazené vodou; vyskytují se díla se
zvýšenou bezpečností. JE třetí generace se dosud provozují pouze v Japonsku, další jsou ve
výstavbě nebo ve stadiu přípravy. Čtvrtá generace jaderných reaktorů je ve stadiu projektové přípravy
a jejich provoz se očekává aţ k roku 2020. Budou zaměřeny na uzavřený palivový cyklus a budou
spalovat aktinidy z vyhořelého paliva, v mnoha případech to budou tzv. rychlé reaktory.
Více neţ 12 projektů jaderných reaktorů 3. generace je v rozdílném stadiu vývoje. Patří k nim projekty
PWR, BWR a CANDU i některé náročnější typy. Zahrnují např. pokročilé varné reaktory (Advanced
Boiling Water Reactor). Nejradikálnějším představitelem má být vysokoteplotní modulární reaktor
(Pebble Bed Modular Reactor) chlazený heliem, které má přímo pohánět turbíny díla.
Většina reaktorů byla projektována na ţivotnost 30-40 let, dalšími opatřeními (struktury, komponenty)
lze však jejich ţivotnost prodlouţit. Celkový přehled provozovaných reaktorů podle zvolené
technologie je v tab. 6.
Strana 14
1
Typ reaktoru
Země
Tlakovodní reaktor (PWR)
US, Francie, Japonsko,
Rusko, Čína
US, Japonsko, Švédsko
Varný reaktor (BWR)
Tlakový těžkovodní reaktor CANDU
(PHWR)
Plynem chlazený reaktor (AGR,
MAGNOX)
Lehkovodní grafitový reaktor
(RBMK)
Rychlý reaktor (FBR)
Jiné
Celkem
Počet
GWe
Palivo
Chladivo
Moderátor
265
251,6
obohacený UO2
voda
voda
94
86,4
obohacený UO2
voda
voda
Kanada
44
24,3
přírodní UO2
těţká voda
těţká voda
UK
18
10,8
přírodní UO2,
obohacený UO2
CO2
grafit
Rusko
12
12,3
obohacený UO2
voda
grafit
Japonsko, Francie, Rusko
Rusko
4
4
441
1
0,05
386,45
PuO2 a UO2
obohacený UO2
tekutý sodík
voda
ţádný
grafit
Tab. 6. Přehled reaktorů jaderných elektráren podle typu
Tabulka uvádí nejčastější typy reaktorů, jejich hlavní charakteristiky a rozsah jejich uplatnění.
Obraťme nyní pozornost k technologiím budoucnosti, na jejich zdokonalování se pracuje jiţ více neţ
50 let.
Kolem 85 % reaktorů je odvozeno z typů určených pro námořnictvo. Třetí generace reaktorů má
standardizované provedení a tím niţší náklady, jednodušší a robustnější provedení, zaručující jistější
provoz a niţší zranitelnost, niţší moţnost poruch, vedoucích k roztavení jádra reaktoru, vyšší
odolnost proti důsledkům leteckého napadení, niţší nároky na palivo a méně jaderného odpadu.
Značné úsilí bylo vynaloţeno na bázi společných projektů konsorcií, sdílením nákladů a
prohloubením výsledků efektivním způsobem. Referát vyjmenovává 14 takových konsorcií z různých
zemí světa a jejich zaměření, mezi nimi jsou Japonsko, USA, Kanada, Francie, Německo, Rusko,
Jiţní Korea, Jiţní Afrika. Přehled pochází od Světové nukleární asociace (Word Nuclear Association).
Čtvrtá generace jaderných reaktorů se nachází ve fázi projektování, mohly by být k dispozici mezi
roky 2020-2030. Mezinárodní tematická skupina (task force) vytipovala šest strategií jaderných
reaktorů, které budou vesměs provozovány při teplotách vyšších neţ dnešní konvenční reaktory.
Většina se bude opírat o uzavřený palivový cyklus vyznačený vysokým vyuţitím jaderného paliva a
minimalizací odpadu, určeného k uloţení. Tři z vyvíjených typů budou rychlé reaktory, jeden se
označuje jako epitermálmí (rezonanční) a dva budou provozovány s vyuţitím pomalých neutronů.
Jednotkový výkon se předpokládá 150-1500 MWe (případně ekvivalentní tepelný výkon), připravuje
se tzv. baterie, reaktor dlouhé ţivotnosti 50-150 MWe, pracující bez výměny palivových kazet 15-20
let. Jsou určeny pro distribuovanou výrobu, příp. pro odsolování mořské vody. Jejich celkový přehled
a předpokládané vlastnosti naleznete v originálu referátu.
2.3.5 Jaderný palivový cyklus
Středobodem zájmu vývoje je kompletní palivový cyklus umoţňující plné vyuţití energie přírodních
jaderných surovin, včetně tzv. vyhořelého paliva konvenčních jaderných elektráren a to při
minimalizaci zátěţe ţivotního prostředí. Pro úplnost pohledu uvádíme aspoň několik základních
informací. I v tomto směru lze hovořit o představě současného palivového cyklu a palivového cyklu
budoucnosti. Rámcová představa palivového cyklu je zobrazena na schématu. Referát se podrobněji
zabývá moţnostmi palivového cyklu na bázi implementace reaktorů CANDU v Kanadě.
Strana 15
1
Obr. 8. Struktura palivového cyklu
Reaktory CANDU se vyznačují mimořádnou flexibilitou ve vztahu k pouţití v různých palivových
cyklech. Jejich vlastností je vysoká neutronová ekonomika, výhodné uspořádání palivových kanálů,
moţnost výměny paliva za provozu a jednoduchý návrh palivových svazků. Díky tomu umoţňují
optimalizované vyuţití různých druhů jaderného paliva. Společnost Atomic Energy of Canada Limited
v současné době zkoumá moţnosti synergie palivového cyklu reaktorů CANDU, moderovaných
těţkou vodou, s tradičními reaktory LWR a rychlými reaktory. Předpokládaný přechod k rychlým
reaktorům by měl vyuţít této moţné synergie. Významná úloha v této souvislosti předpokládá vyuţití
těţké vody. Rozpracovává se několik představ o budoucích jaderných palivových cyklech
s mnoţivými reaktory rozdílné míry reprodukce (breeding ratio) jaderného paliva.
2.4 Technologie výroby v dalších referátech kongresu
Strategie tří pilířů skladby výrobní základny ES – analýza /6/
Úspěšná skladba výroby vyţaduje zdroje s nízkými emisemi CO 2, schopné reagovat na změny
zatíţení, a s nejniţšími náklady. Práce předkládá analýzu optimální skladby technologií, které plní
výše vyjmenované poţadavky a vychází z energetického portfolia několika klíčových zemí.
Zachycování a ukládání uhlíku jak ústřední modul strategie udržitelného zásobování energií /8/
Udrţitelné zásobování energií musí respektovat rovnocenné cíle ekonomické, ekologické a sociální
slučitelnosti, je nezbytná rovnováha mezi stupněm plnění uvedených cílů. V oblasti ochrany ţivotního
prostředí je nutno volit přístupy nejméně nákladné, vývoj politiky ochrany klimatu je moţný při pouţití
všech opcí, efektivních z pohledu nákladů. Technologii CCS pokládáme za přemostění
k energetickému sektoru, zaloţenému zcela na elektřině z OZ. Na této cestě se OZ a energie
z fosilních paliv s CCS navzájem doplňují.
Technologické opce čistých uhelných technologií se zachycováním CO 2 /9/
Současná úroveň (state-of-the-art) znalostí uhelných elektráren nabízí řešení o 20 % účinnější, neţ je
průměr, a je schopna sníţit emise SO2, NOx a rtuti na ultranízkou úroveň. Hitachi vyvíjí celé portfolio
čistých uhelných technologií, zaměřených na další zvýšení účinnosti, sníţení emisí CO 2 o 90 % a
emise blízké nule, včetně ultrakritických kotlů a turbín na 700 ºC, absorpci CO2 po spalování,
spalování oxy-paliv a IGCC doplněné o CCS.
Vývoj výrobních zařízení tepelných elektráren nejvyšší (ultra high) účinnosti /10/
Strana 16
1
S cílem bránit globálnímu oteplování je pozornost soustředěna na elektřinu z jaderných elektráren a
OZ, větrné a solární elektrárny. Japonští dodavatelé elektřiny usilují o zvýšení podílu jaderné elektřiny
a elektřiny z OZ na hodnotu vyšší 50 % výroby r. 2020. To ovšem znamená, ţe zbývající téměř
polovina výroby bude nadále produkována v tepelných elektrárnách na fosilní paliva a bude hrát
důleţitou úlohu. Za těchto podmínek bude hrát v zemi významnou roli další agresivní zdokonalování
účinnosti výroby tepelných elektráren.
Jaderná energie pro Polsko: cíle, rámcový program a základní výzvy /11/
V lednu 2009 vláda Polska přijala rezoluci o rozvoji jaderné energetiku v Polsku a uvedení do provozu
první polské jaderné elektrárny v roce 2020. Rozhodnutí je v souladu s národní energetickou politikou
zaměřenou na změnu dosud převládající dominance uhelných elektráren a ohledem na rostoucí
ekologické poţadavky, zvláště na emise CO2. Článek charakterizuje rámcový program rozvoje
jaderné energetiky se všemi výzvami, jimţ bude Polsko čelit s ohledem na historickou skladbu výroby
a problémy jaderné energetiky v osmdesátých letech.
Jaderná energie: Je její renesance reálná, nebo je to optický klam? /12/
V průběhu roku 2009, v polovině globální finanční a ekonomické krize, která započala r. 2008, a poté,
co jaderná energetika zaznamenala v historii první dvouletý pokles instalovaného výkonu, IAEA
revidovala své projekce budoucího rozvoje jaderné energetiky. Práce sumarizuje současný stav
jaderné energetiky ve světě a stav všech etap nukleárního palivového cyklu. Shrnuje výhledy jaderné
energetiky a významné trendy klíčových činitelů. Objasňuje důvody pro optimismus a rostoucí
očekávání k budoucnosti sektoru, nicméně přiznává, ţe zde působí řada nejistot.
Jaderná energie na zelené louce pro Finsko /14/
Ve Finsku probíhá proces licencování nové jaderné energie. Projekt Fennovoim‟s je jedinečný
v několika směrech: (i) společnost vznikla teprve r. 2007, (ii) jeho vlastnická struktura zahrnuje mix
energetických společností, energeticky náročný průmysl a mezinárodní zájem zprostředkovaný E.ON,
(iii) má dvě alternativní lokality na zelené louce.
Technologie HTS – budoucí výroba elektřiny ostrovních větrných elektráren /15/
Projekt supravodivého generátoru se stává reálnou konkurenceschopnou alternativou budoucnosti.
Toto pojetí bude nejvíce konkurenceschopné v systémech přímého pohonu a asi nejlépe bude plnit
potřeby budoucích trhů – zvláště v případě ostrovních (offshore) elektráren, kde se poţadují výkony
nad 10 MW. Nízká váha, vysoká spolehlivosti a velmi dobré chování v síti jsou hlavní výhody
supravodivého generátoru a jsou spojeny s nízkými náklady.
Nové příležitosti pro optimalizaci solárních energetických systémů s koncentrací /16/
Článek popisuje očekávané trendy trhu pro solární elektrárny s koncentrací sluneční energie. Zvláštní
pozornost se věnuje potenciální účinnosti několika rozdílných technologií, které by měly umoţnit, aby
tato díla mohla konkurovat elektrárnám na fosilní palivo.
Větrná energie: trendy a možné technologie /17/
Práce se zabývá důleţitostí ostrovních děl, projekty větrných farem a technologií větrných turbín,
jakoţ i úlohou senzorů pro inteligentní sítě a budoucími trendy oboru.
Další generace technologie vodní energie: pohotová, ekonomická, rychle použitelná a s
minimálními vlivy /18/
Technologie turbíny s regenerací kinetické energie (Kinetic Energy Recovery Turbine – TREK) je
inovativní technologií, která umoţňuje konverzi kinetické energie vodních toků. Umoţňuje vyuţívání
lokalit, které nemohou být z důvodů ekonomických, technických nebo ekologických vyuţity pomocí
konvenčních technologií (např. přehrad).
Strana 17
1
3. Soustavy a sítě
Elektrizační soustavy, přenosové a distribuční sítě mají v moderní společnosti nenahraditelnou úlohu.
Jejich úloha by se v blízké budoucnosti měla výrazně měnit, z prostředků přenosu a rozvodu elektřiny
by se měly transformovat na živý organizmus vybavený centralizovanou i distribuovanou inteligencí,
zaměřený na dokonalé využití energie disponibilní v každém okamžiku a dokonalé ekonomické
sladění všech elementů soustav – od výroby, přes přenos, rozvod, akumulaci až po spotřebu.
3.1 Nová epocha elektřiny
Druhá polovina 19. století bylo érou pionýrů elektřiny, objevu dynamo-elektrického principu, ţárovky,
střídavého proudu, přenosu elektřiny na dálku. Rokem 1890 započala éra elektrizace.
Dnes, o 120 let později, jsme na prahu druhé pionýrské epochy elektrotechniky. V budoucnosti bude
elektřina představovat vše zahrnující energetický zdroj daleko více neţ kdy v minulosti. Elektřina je
dokonalým energetickým nosičem, umoţňuje, aby se vyráběla způsobem mimořádně příznivým pro
ţivotní prostředí a byla přenášena při vysoké účinnosti na velké vzdálenosti, a konečná spotřeba
vykazuje podstatně vyšší účinnost, neţ dovolují fosilní paliva. Z toho vyplývá myšlenka postupného
přechodu k udrţitelným energetickým soustavám, 2009 je rokem, v němţ se tato transformace stává
jasnější /24/.
3.1.1 Nová epocha energetiky
Udrţitelný energetický systém je charakterizován pečlivou bilancí mezi ekologickou přijatelností,
ekonomikou a bezpečností zásobování. Technologie pro udrţitelný systém existují, jde jen o jejich
aplikaci, například o dosaţení účinnosti všech bodů řetězce energetických transformací, od
elektráren, přes přenos a rozvod aţ po spotřebu v budovách, průmyslu a dopravě.
Obr. 9 porovnává základní charakteristiky elektrizačních soustav minulosti, posledních dnů a
nastávajícího období.
Obr. 9. Vývoj energetických soustav a jejich hlavních charakteristik
Očekávají se významné změny skladby výrobní základny ES, mj. rostoucí míra uplatnění
obnovitelných zdrojů (OZ). Podle projekcí společností Siemens k roku 2030 můţeme předpokládat
13krát více elektřiny z větrných elektráren a dokonce 140krát více z elektráren solárních, neţ jsme
Strana 18
1
měli kolem r. 2008. Tento trend v posledních letech roste. Současně poroste výroba elektřiny s
minimálními emisemi CO2.
Evropská asociace větrné energie (European Wind Energy Association - EWEA1) odhaduje nárůst
kapacit v EU 27 na 300-350 GW k r. 2030. Větrné turbíny se budou stavět i ve vnitrozemí, hlavně
však mimo pobřeţí na moři. V obou případech bude nutno transportovat značné objemy elektřiny na
velké vzdálenosti, coţ předpokládá stejnosměrné přenosy HVDC. V Číně buduje Siemens elektrickou
dálnici nejvyšší kapacity, která na vzdálenost 1400 km bude přenášet výkon 5000 MW z vodních
elektráren z vnitrozemí do ostrovních oblastí s minimálními ztrátami. Realizace bude poprvé pouţívat
dosud maximální napětí +/- 800 kV. Očekává se moţnost výstavby ss vedení aţ při napětí +/- 1000
kV s minimálními ztrátami, cca 3-4 %/1000 km.
Obr. 10. Ukazatelé očekávaného vývoje energetiky
Masivní expanze větrných a solárních elektráren je ovšem spojena s fluktuací výkonu, coţ v
přítomnosti ztěţuje jejich uplatnění v současné struktuře infrastruktury. V mnoha oblastech je potom
obtíţné dosáhnout uspokojivé bilance mezi výrobou a zatíţením a generátory se musí odpojovat, aby
se nenarušila stabilita sítě. Dalším důsledkem je volatilita cen na spotových trzích, dosahují velmi
nízkých i záporných hodnot při výskytu silných větrů a nízkého zatíţení. Dnešní sítě tak jsou na
hranicích moţného uplatnění elektráren s fluktuací výkonu; nejednou byly zaznamenány i záporné
ceny elektřiny, např. European Energy Exchange EEX v Lipsku zaznamenal v průběhu 2009 aţ 18
negativních spotových cen v důsledku přebytku výroby OZ a nedostatečné pruţnosti konvenčních
elektráren. V říjnu 2009 nákupní cena elektřiny dosáhla dokonce – 500 EUR/MWh.
IEA odhaduje potřebu investic do sítí k r. 2030 ve výši aţ 6,5 trilionu US$. Tyto investice budou
určeny především pro dálkové přenosy elektřiny mezi centry výroby a spotřeby. Slibnou myšlenkou je
projekt DESERTEC, který se týká OZ v severní Africe a na Středním východu. Pro realizaci myšlenky
bylo r. 2009 vytvořeno průmyslové konsorcium DESERTEC Industrial Initiative – DII.
Poznámka: DESERTEC je velkorysý plán na výstavbu celé sítě solárních a větrných elektráren, které by vyuţívaly sluneční
energii pouští na severu Afriky. Předpokládané náklady projektu se odhadují na 400 miliard eur a zájem o účast v něm projevila
řada firem např. z Německa (E.ON, RWE, Siemens nebo Deutsche Bank), Španělska, Itálie, Francie, Maroka nebo Tuniska.[1]
Cílem projektu je osadit asi 17 tisíc km² Sahary v severní Africe a pouště na Arabském poloostrově solárními elektrárnami. Do
roku 2050 by mohly pokrýt asi 15 % evropské spotřeby elektřiny. Saharské elektrárny se mají stát významnou součástí
budoucí evropské energetické distribuční „supersítě" pro obnovitelnou energii.
Bude nezbytné s ohledem na nové výzvy adaptovat i strukturu distribučních sítí. Jednosměrný
charakter toků sítě bude nutno změnit na obousměrný. To si vyţádá zvýšenou inteligenci sítí
speciálně na distribuční úrovni, jinak řečeno tzv. Smart Grid. Nebude nadále platit někdejší „výroba
sleduje zatíţení“. Fluktuace výroby si vyţádají opačnou relaci „zatíţení sleduje výrobu“.
Strana 19
1
Konvenční výroba elektřiny na bázi uhlí a jaderné energie bude pokračovat a bude hrát důleţitou roli
v energetické bilanci a spolehlivém zásobování v budoucnosti. Bude však nezbytné, aby elektrárny
na fosilní palivo emitovaly méně CO2. Očekává se vyšší provozní účinnost, efektivní zachycování a
ukládání CO2 (CCS). Příklad: Siemens buduje pro E.ON AG v Irschingu (Germany) dílo s
kombinovanou výrobu 570 MW s účinností přes 60 %, bude to první dílo tohoto druhu, které ušetří
ročně 40 000 tun emisí CO2.
S ohledem na rostoucí podíl OZ s fluktuací výkonu se změní nároky na konvenční elektrárny, jeţ by
měly být schopny pruţněji reagovat a operativně sniţovat a zvyšovat svůj výkon. Více flexibility si
vyţádá i strana spotřeby a plnění zásady „zatíţení sleduje výrobu“.
Pro udrţitelné elektrizační soustavy tak nabývají kritické důleţitosti inteligentní sítě a související
komplexní mechanismy. Struktura inteligentního systému zahrnuje OZ, domácí a průmyslové
aplikace a elektrická vozidla. Elektrická infrastruktura v propojení s infrastrukturou IT vytváří
výslednou inteligentní síť. První vzorové oblasti a pilotní projekty, sledující tento koncept, se vyskytují
po celém světě. Příkladem můţe být výzkumný projekt EcoGrid ostrova Bornholm v Dánsku, který má
simulovat autonomní soustavu zaměřenou na udrţitelnost.
S ohledem na poţadavek vysoké výkonnosti IT v energetických soustavách je nutno nabídnout
zákazníkovi nová řešení a jednoduchý management. Ty by měly poskytnout inteligentní elektroměry Smart Meters nebo různé komunikační kanály, případně obojí. Tato sluţba, sítě automatizace
domácností (Home Automation Networks” - HAN) nebo domácí manaţer (“Home Manager”), můţe
poskytnout další sluţby v oblasti TV, telefonu, reklamy, náboru, obchodování, monitorování,
sociálních sítí apod. Pouţití komunikačních kanálů umoţní spotřebiteli dálkový přístup pomocí
telefonu k jeho účtu za energii, včetně jeho aktivního ovlivnění. To neznamená pouze zajištění
zásobování energií, ale také optimální vyuţití případné vlastní výroby, její nabídky nebo výměny.
Spotřebitel (consumer) se stává kombinací dodavatele a spotřebitele (“prosumer” – slovní hříčka).
Elektrickou mobilitu je nutno také vidět v tomto kontextu. Především bude nutno elektromobily
zásobovat elektřinou napříč celým územím na stejné úrovni disponibility, kvality a cen. Klíčovou
otázkou je podpora interoperability infrastruktury nabíjení, její pohotovosti on-line a koordinace s
distribuční sítí s cílem vyloučit její případné přetíţení. První výsledky pilotního projektu mezi Vattenfall
a BMW nebo RWE a Siemens ukazují na významný zájem veřejnosti, zejména v městských
aglomeracích. V Číně započala elektrizace dopravy u dvoustopých vozidel prodejem asi uţ 60 mil.
elektrických kol (E-bikes) a tento trend narůstá. Jejich velkou výhodou je, ţe jsou rychlá a poměrně
imunní proti dopravním zácpám např. ve městech jako Peking a Šanghaj. Jejich baterie, dosud
olověné, lze rychle nabít např. v kanceláři a připravit na cestu domů.
V souhrnu budoucnost elektrizačních soustav lze charakterizovat rostoucí komplexitou a rostoucími
nároky na elektřinu a decentralizovanou výrobu. Naznačené principy inteligence od výroby přes síť po
spotřebu a související smart grid technologie dovolí vytvořit udrţitelné integrované soustavy a dospět
k nové epoše elektřiny.
3.2 Obnova infrastruktury přenosu a rozvodu k dosažení cílů EU 2020
Článek /25/ je výsledkem spolupráce mezi T&D Europe (The European Association of the Electricity
Transmission and Distribution Equipment and Services Industry) a Electrical Engineering Department
university v Ţenevě. Poskytuje vědeckou analýzu otázky, do jaké míry mohou moderní výrobky a
systémy elektrotechnického průmyslu přispět k úsilí EU o omezení změn klimatu. Ke kvantifikaci
ekologického přínosu byla navrţena metodologie, která vyjadřuje růst účinnosti a omezení emisí CO 2
a vede k širšímu vyuţití OZ a zvýšení kvality elektřiny pomocí obnovy infrastruktury přenos/rozvod.
Strana 20
1
3.2.1 Úvod
V prosinci 2008 bylo odsouhlaseno společné úsilí Evropy v energetice a ekologii, zaměřené na
ochranu proti změnám klimatu, známé jako „třikrát 20“, usilující o zesílení doporučení Kjótského
protokolu. Jde o 20% sníţení emisí skleníkových plynů, sníţení spotřeby energie o 20 %
energetickými úsporami a dosaţení cíle EU - 20% podílu OZ do roku 2020.
Infrastruktura přenosu a rozvodu je přímo či nepřímo zapojena do efektivního uţití energie.
Související cíle by měly být zaměřeny na


náhradu/zdokonalení komponent elektroenergetiky,
rozšíření systémů měření, monitorování a řízení oblastí (WAMS/WACS), zdokonalení
komunikačních systémů ochrany a řízení,
 zvýšení úrovně napětí,
 instalaci zařízení na ochranu kvality distribučních sítí,
 podporu přenosových vedení VHDC,
 pouţití pruţných přenosových prvků FACTS.
Referát navrhuje metodologii hodnocení vlivu zmíněných akcí na sítě ve vztahu k přínosům „tří 20“
energetické politiky. Je zaměřena na pouţití indexů chování a na definici ověřovací sítě (“test
networks”), která můţe být pouţita jako základ k posouzení očekávaných přínosů. Předkládá se
procedura pro určení a porovnání kvantitativních efektů jednotlivých opatření.
3.2.2 Indexy chování k posouzení stavu technologií
Jak bylo uvedeno, cíle EU zahrnují efektivnost, environmentální kompatibilitu a zdokonalené
uplatnění OZ. Tyto cíle lze integrovat do jediného doplňkového ukazatele - kvality sluţby.
Indexy chování lze definovat mnoha způsoby. Tím prvním je „krátkodobé vyjádření“ na základě zisku
elektrického výkonu zavedením moderní technologie. Druhý „integrovaný“ způsob vyjadřuje zisk
energie, který lze konvertovat na ekonomické vyjádření, např. dobu splatnosti; s tím souvisí i odhad
investičních nákladů na zavedení nové technologie. Třetí přístup má pravděpodobnostní charakter a
opírá se o dynamické indexy chování. Ucelené hodnocení vyuţívá všechny tři způsoby.
3.2.2.1
Indexy efektivnosti/účinnosti
Energetická efektivnost se můţe týkat celého energetického řetězce od prvotního zdroje přes
konverzi aţ po finální spotřebu. V širokém slova smyslu je závislá na lokalizaci a disponibility
prvotního zdroje a jeho nákladů. Zahrnuje proces konverze, to je výroby elektřiny, její uţití i přepravy
energie, to je zachycení vznikajících ztrát. Index energetické efektivnosti/účinnosti lze formulovat jako
„normalizovaná hodnota ztrát v sítích, odpovídající nárokům na spotřebu“.
Analytické hodnocení ztrát vyţaduje model ustáleného stavu.
3.2.2.2
Index omezení emisí
Problematika environmentální kompatibility se většinou vztahuje k emisím generovaným při výrobě
elektřiny. K hodnocení je vhodný model, který byl uveden v předchozím s tím, ţe byly současně
vyjádřeny emise související s určitou výrobou elektřiny. Index omezení emisí pak můţe být vyjádřen
jako „celkové normalizované emise soustavy vztaţené k celkové spotřebě“.
3.2.2.3
Index penetrace OZ
K definici indexu penetrace OZ je opět vhodný model ustáleného stavu, schopný reprezentovat
distribuovanou výrobu. Přítomnost OZ v soustavě představuje nové nároky na infrastrukturu i řízení
Strana 21
1
soustavy. Cílem je mj. vyjádřit vliv distribuované výroby na ztráty. Jako index penetrace OZ lze
doporučit „celkovou výrobu OZ vztaţenou k normalizované souhrnné spotřebě“.
3.2.2.4
Index kvality ustáleného stavu
Elektrizační soustava dokonale plní své úkoly, nacházejí-li se provozní parametry komponent (uzlová
napětí, zatíţení větví) v mezích stanovených výrobcem zařízení. Odchylky od těchto hodnot
znamenají sníţenou kvalitu chování. Indexy kvality ustáleného stavu se většinou opírají o hodnoty
napětí, zpravidla se připouští odchylka 5 %. Hodnocení podmínek vyţaduje výpočty toků výkonů.
Většina výpočetních programů pouze zaznamenává ve výstupních sestavách případné odchylky, je
ţádoucí, aby v případě větších odchylek byly provedeny zásahy do provozu s cílem jejich odstranění.
Index kvality ustáleného stavu s ohledem na předchozí můţe být definován jako „úhrn nepřípustných
odchylek od stanovených uzlových napětí a proudových profilů větví“. Vyţaduje se zdokonalený
systém optimalizace toků výkonů, přičemţ účelovou funkcí je součet odchylek uzlových napětí a/nebo
proudů ve větvích od hodnot ideálního pracovního scénáře.
3.2.2.5
Index kvality harmonického průběhu
Průběh střídavého napětí musí respektovat poţadavky na kvalitu tvaru a má být blízký tzv.
harmonickému tvaru vlny, nepřiměřené tvarové zkreslení (obsah vyšších harmonických) můţe narušit
funkci citlivých zařízení konečné spotřeby. Různé konvertory a nelineární komponenty sítě zvláště na
distribuční úrovni ovlivňují tvar vlny; odchylku od ideálního průběhu vyjadřuje tzv. činitel
harmonického zkreslení (Harmonic Distortion Factors - HDF), který se přiřazuje k uzlovým napětím a
průběhu proudu ve větvích. Základní myšlenkou je definice limitu harmonického zkreslení uzlových
napětí a proudu ve větvích.
Současný stav technologií (state-of-the-art) vyţaduje formulaci modelu a výpočty harmonického
zkreslení v modifikovaných distribučních soustavách.
Stávajícím doporučením odpovídajícího indexu je „celkový činitel průměrného harmonického
zkreslení sítě, nebo jeho odchylky“.
Poznámka: Zpravodaj je skeptický k moţnosti výpočtů činitele harmonického zkreslení v elektrizačních soustavách, jelikoţ jsou
podmíněny podrobnou znalostí charakteristik elektrických obvodů, které soustavu zatěţují. Dodejme, ţe hlavní příčinou vzniku
harmonického zkreslení jsou především nelinearity zátěţe, které jsou nejčastěji způsobovány feromagnetickými obvody
elektrických strojů. U feromagnetických materiálů je to především nelineární závislost magnetické indukce B na intenzitě
magnetického pole H. Dalším zdrojem harmonického zkreslení síťového napětí a proudu jsou např. nízkotlaké a vysokotlaké
výboje, které se vyuţívají ve světelných zdrojích, a obvody výkonové elektroniky (tyristory, triaky apod.).
3.2.2.6
Index dynamické kvality přenosu
K moţnosti vyjádření dynamické kvality přenosu jsou nezbytné dynamické modely soustavy
umoţňující vyšetřit chování soustavy při definici souboru myslitelných poruch a pravděpodobnost
jejího návratu do ustáleného provozního stavu.
Odpovídající index můţe být definován jako „kumulativní blízkost provozních parametrů sítě
k počáteční prahové úrovni distančních ochran (napětí, proudu a fázového úhlu) a relé pro
odlehčování soustavy“.
3.2.2.7
Index dynamické kvality rozvodu
Navrhuje se následující znění indexu:
„Kumulativní blízkost k ideálnímu tvaru napětí a proudu (v případě strmých odchylek)“ resp. pro
případ přerušení dodávky: „kumulativní hodnota nedodané energie“.
Strana 22
1
3.2.3 Ověřovací sítě
V ověřovací síti je nutno zobrazit všechny základní komponenty jako velké elektrárny, distribuovaná
výroba, OZ, distribuční transformátory, velká koncentrovaná průmyslová zatíţení, distribuované
zatíţení sídlišť apod. Vzory lze najít v literatuře.
Referát uvádí řadu doporučení pro výběr modelů k řešení poměrů v ověřovací síti, včetně moţnosti
zobrazení soudobých komponent.
3.2.4 Porovnávací procedura
Na sérii výpočtů vedoucích k vyčíslení indexů kvality předpokládané sítě navazuje porovnávací
(komparativní procedura), která má umoţnit porovnávání variant rozvoje, resp. zdokonalování sítě
z pohledu souhrnu vlastností.
Porovnávání se odvíjí z referenčního scénáře a ze souhrnného hodnocení indexů chování jako
váţeného průměru jednotlivých indexů, na které navazuje analogické hodnocení moţných a
předpokládaných opatření a jejich souhrnného indexu chování.
Referát v tabulkové formě hodnotí přímé a nepřímé účinky jednotlivých moţných opatření, to je
náhrady resp. zdokonalení elementů sítí, zdokonalení prostředků ochran a řízení, zvýšení hladiny
napětí sítí, instalaci zařízení na zvýšení kvality distribučních sítí, pouţití vedení HVDC a jednotek
FACTS.
Výsledky hodnocení vlivu jednotlivých opatření pro konkrétní soustavu lze účelně vyjádřit pomocí tzv.
pavoučích diagramů, umoţňujících kvalitativní ocenění jednotlivých zásahů.
Jako ilustraci uvádíme v obr. 11 pavoučí diagram náhrady některých významných prvků soustavy a
jejího vlivu na jednotlivé ukazatele kvality. Výsledkem je především zvýšení účinnosti vyuţití zdrojů a
zvýšení kvality provozu v ustáleném stavu. Rozlišují se přímé a nepřímé účinky opatření.
Obr. 11. Důsledky náhrady/rekonstrukce některých prvků soustavy
Pro porovnání uvádíme na obr. 12 další ilustraci, důsledky vyzbrojení sítě o přenos HVDC, který
umoţňuje efektivní ovlivňování rozdělení toků výkonů. Přínosem opatření je především zvýšení
dynamické kvality přenosu a rozvodu.
Strana 23
1
Obr. 12. Důsledky posílení sítě o přenos HVDC
Poznámka: Pavoučí (spider) sémantický diagram je typ grafického organizátoru k posouzení několika aspektů určitého tématu,
dovolující lepší orientaci ve zkoumané problematice. Dovoluje posoudit, které proměnné (vlivy) jsou dominantní z hlediska
daného pozorování, které případy jsou navzájem blízké, které jsou nevýznamné.
3.3 Elektrické sítě a soustavy v dalších referátech
HVDC – klíčové řešení budoucích přenosových soustav /19/
Klíčovou technologií transformace elektrických sítí, spočívajících na udrţitelné výrobě jsou přenosy
HVDC s novými aplikacemi. Zahrnují propojení vzdálených větrných farem a posílení současných
střídavých sítí. Kromě toho umoţňují tradiční aplikace jako tvorbu páteřních sítí a mezinárodních
propojení. Technologie je uţ k dispozici i pro regionální sítě s omezeným počtem uzlů a komerční
projekty. Pro extenzivní sítě jejich rozvoj a verifikace probíhá současně s tvorbou průmyslových
norem v orgánech jako ENTSO-E a CIGRE.
Projekt FENIX – nová éra elektrizace s optimální integrací decentralizovaných zdrojů elektřiny
/20/
Očekává se, ţe decentralizované zdroje (Decentralized Energy Resources - DERs) budou hrát
významnou roli v budoucích scénářích elektroenergetiky. Dnešní princip připojování „připoj a
zapomeň“ (plug and forget) OZ má za cíl maximalizovat transfer činného výkonu, aniţ by se vyuţívaly
jejich skutečné moţnosti. Příspěvek popisuje výsledky demonstračního projektu instalace DER ve
velké distribuční oblasti s pouţitím pro denní trh, podporu kmitočtu a napětí přenosové soustavy,
podporu napětí specifických částí distribuce a napáječů a pro zlepšení stability ve stavech ohroţení.
Rozvoj přeshraničních přenosových vedení v Polsku a jejich význam pro energetický trh
středně-východní Evropy /21/
Publikace popisuje stávající přeshraniční přenosová vedení spojující Polsko se sousedními zeměmi a
jejich vyuţití v současně pouţívaných podmínkách zpřístupňování přenosových kapacit. Prezentují se
výhledy a moţné opce přeshraničních propojení a to s ohledem na jejich úlohu v integraci evropského
trhu s elektřinou se sousedními zeměmi, včetně nečlenů EU. Diskutuje se o úloze plánovaných
propojení v řešení energetických problémů střední Evropy a evropské strategie sniţování emisí CO 2,
související s výrobou elektřiny.
Vysoce efektivní řešení chytrého páteřního přenosu „zelené energie“ /22/
Ekologická omezení, minimalizace ztrát a sniţování emisí CO2 hrají v budoucnosti rostoucí úlohu.
Bezpečnost a udrţitelnost zásobování elektřinou jakoţ i ekonomická efektivnost vyţadují aplikaci
pokročilých technologií. Očekávání mohou plnit prostředky jako vedení HVDC (High Voltage Direct
Current) a FACTS (Flexible AC Transmission Systems). Poskytují soustavě vlastnosti nezbytné pro
odstranění technických problémů, účinně zvyšují přenosovou kapacitu a stabilitu a pomáhají
Strana 24
1
v prevenci kaskádních poruch. Jsou nezbytné i pro přístup OZ jako elektrárny vodní, větrné a
sluneční k sítím.
Použití FACTS pro zlepšenou pružnost a účinnost přenosových a distribučních sítí /23/
Práce demonstruje, jak pouţití jednotek FACTS zvyšuje flexibilitu přenosu a distribuce elektřiny
zvýšením kapacity přenosových tras a integrací OZ. Příklady zahrnují jednotky SVC 69 kV pro
stabilizaci sítí ve spojitosti s vysokou penetrací větrné energie, sériovou kompenzaci pro vyvedení
energie největší větrných instalací US, pouţití SVC ke zvýšení spolehlivosti a sníţení úzkých profilů
výrazně zatíţeného koridoru a tyristorově řízenou sériovou kompenzaci ke zlepšení dynamické
stability a přenosové schopnosti mezisystémového propojení. Uvádějí se některé aplikace dynamické
akumulace energie.
Inteligentní systémy budoucnosti /26/
V budoucích energetických soustavách bez fosilních paliv by měly sehrát vůdčí úlohu vysoce účinné
technologie konečné spotřeby, významně propojené na inteligentní energetické systémy zásobování.
Měly by řešit problémy klimatických změn i ekonomického rozvoje. To volá po pruţných a
inteligentních energetických infrastrukturách, které mohou efektivně akumulovat značné objemy
kolísavé obnovitelné energie a dovolit interakci konečného spotřebitele pomocí vyspělých systémů
ICT. Druhou významnou charakteristikou inteligentní integrace je veškerý sektor dopravy. Třetí
klíčovou oblast tvoří pokročilé prostředky akumulace energie a zavádění supersítí.
3.4 Akumulace energie
Alternativy k elektřině pro přenos a roční vyrovnání – akumulace pro různorodé a vázané
(stranded) obnovitelné zdroje: vodík a čpavek /27/
Většina nejbohatších obnovitelných energetických zdrojů světa na velkém území a ve vysoké
intenzitě má vázaný charakter: jsou daleko od konečného spotřebitele s neadekvátními nebo
neexistujícími prostředky pro vyvedení a přenos. Nové přenosové soustavy, určené pro OZ, trpí
nízkým vyuţitím. Akumulace elektřiny nemůţe vyrovnat velké OZ v ročním měřítku, ale můţe přispět
v kratším časovém období. Plynný vodík a bezvodý čpavek mohou představovat atraktivní alternativy
média pro akumulaci energie.
Decentralizovaná a přímá solární výroba vodíku: vstříc k vodíkové ekonomice v regionu MENA
/28/
Vodík má bezesporu určité výhody navzdory vysokým nákladům a nízké účinnosti v porovnání
s jinými energetickými směry. Sluneční energie je hojná, představuje čistý a obnovitelný zdroj,
konkurenceschopný v ohřevu vody s fosilními palivy bez jakékoliv podpory. Demonstrují se fotoelektrochemické, termo-chemické a foto-biologické procesy produkce vodíku, vhodné pro akumulaci
energie v době přebytku výkonu OZ.
3.5 Spotřeba elektřiny
Projektování pokročilých solárních příbytků, zaměřených na nulovou roční netto spotřebu
energie v Kanadě /29/
Referát poskytuje přehled projektů tří udrţitelných příbytků a s nízkou nebo nulovou čistou spotřebou
elektřiny. Jejich hlavní vlastnosti zahrnují: 1. pasivní solární instalaci s přímým ziskem, s důrazem na
vyuţití distribuované tepelné energie v obkladu jiţně orientované fasády přízemí; 2. fotovoltaický
systém integrovaný do budovy; 3. dvojstupňové tepelné čerpadlo k vytápění/ chlazení s odběrem
tepla z půdy nebo vzduchu a s akumulací tepla; 4. podlahové vytápění integrované do hmoty podlah
v zóně přímého zisku; 5. vícestupňový programovatelný termostat.
Tepelná čerpadla: synergie vysoké účinnosti a nízkouhlíkové elektřiny /30/
Strana 25
1
Tepelná čerpadla vyvolávají s ohledem na svou vysokou účinnost širokou pozornost a vyuţívání
nevyčerpatelného a obnovitelného tepla z okolí. S ohledem na své rychlé zdokonalování mají
obrovský potenciál sniţování emisí CO2 při náhradě dnes běţných topných systémů na fosilní palivo
v domácnostech, v komerčním i průmyslovém sektoru.
Akumulace tepelné energie pro účinnější domácí spotřebiče /31/
Rostoucí energetická účinnost domácích spotřebičů by mohla významně přispět ke sníţení spotřeby
energie v bytové a komunální sféře. V referátu se diskutuje o moţnosti vyuţití odpadního tepla
myček nádobí a chladniček v materiálech změny skupenství (PCM) a popisuje se jejich vývoj pro tyto
účely.
Hodnocení vlivu energeticky efektivních domácích spotřebičů na spotřebu elektřiny v bytovém
a komunálním sektoru Brazílie /32/
V mnoha zemích představuje bytový a komunální sektor kolem 20 % spotřeby elektřiny, coţ vyvolává
zájem o energetické úspory. Hlavním cílem této práce je hodnocení vlivu energeticky efektivních
domácích spotřebičů na spotřebu elektřiny v bytovém a komunálním sektoru Brazílie.
Inteligentní distribuční boxy, kompletní energetický management /33/
Současné aplikace DMS (demand side management) mění konvenční domácí spotřebiče na
„inteligentní“ (smart) za podpory funkcí samočinné reakce na zatíţení (auto demand response
function). V této práci se popisuje nová koncepce a příklad vyuţití tzv. inteligentního distribučního
boxu (Smart Distribution Box), určeného pro ucelený energetický a výkonový management.
Korejské plány 1 watt, "Standby Korea 2010" /34/
Korea oznámila, ţe pohotovostní odběr veškeré elektroniky se má rokem 2010 sníţit na 1 W.
Ministerstvo ekonomiky a Korejská energetická korporace managementu ustanovily "Standby Korea
2010", coţ je cestovní plán omezení pohotovostního odběru.
Rozvoj efektivních urbanistických energetických soustav použitím mikrosítí /35/
Elektrická vozidla a baterie budou komplikovat provoz utilit a provozovaných sítí. Jedním z moţných
řešení jsou mikrosítě v autonomním prostředí elektroenergetiky, které operují v rámci větších sítí
elektrických utilit a jejich řídicích systémů. Mikrosítě přizpůsobují lokální výrobu lokální spotřebě,
koordinují s centrální utilitou krytí přírůstků spotřeby a předávají přebytečnou výrobu na okolní
mikrosítě.
3.6 Řízení provozu elektrizační soustavy
Komplexní management energetického dispečinku s využitím techniky optimalizace /36/
Moderní energetické systémy jsou často mimořádně komplexní s ohledem na skladbu výrobní
základny, akumulaci, přenos a přístup k trhům. Naznačená komplexita způsobuje náročnost
provozování systémů a to s ohledem na vzájemnou závislost systémových komponent. V důsledku se
nyní pouţívají rozsáhlé simulační a optimalizační metody jako např. systémy podpory rozhodování
(Decision Support Systems).
Užití elektrických vozidel jako možného bilančního nástroje /37/
Střednědobě i dlouhodobě můţeme předpokládat masivní zavádění elektrických vozidel. Připojování
těchto vozidel do sítí umoţňuje, aby poskytovala doplňkové sluţby pro elektrizační soustavu.
Analyzují se odpovídající moţnosti v Belgii, předpokládá se moţnost připojení 1 mil. vozidel
k belgickým sítím. Na základě výsledků simulace můţeme předpokládat příspěvek elektrických
vozidel k nárokům na celou primární a sekundární zálohu a část zálohy terciární.
Strana 26
1
3.7 Modely a metody k řešení rozvoje energetiky
Tvorba indexů bezpečnosti a matice rozhodování, kvantitativní kritéria /38/
Energetická bezpečnost se stává významnou sloţkou energetické politiky i ve vztahu k rostoucímu
počtu případů jurisdikce a to s ohledem na volatilitu energetických trhů a výrobní problémy, jimţ čelí
někteří výrobci. Práce popisuje metodu, pouţívající matici rozhodování, vedoucí k vytvoření indexu
energetické bezpečnosti vyuţitím kvantitativních kritérií a metriky. Metoda dovoluje formulaci řady
indexů a další hlubší pohled na otázky energetické bezpečnosti.
Optimalizace větrných farem /39/
Vyvinuli jsme četné výpočetní prostředky zaměřené na zdokonalení oceňování, projektování a
optimalizaci větrných farem s respektováním celkové návratnosti investic. Optimalizační
mechanismus (engine) můţe vyhledat návrh systému automaticky a tvoří tak výkonný nástroj pro
rychlé studium alternativ při přesném respektování omezení; tento poţadavek bylo moţné detailně
plnit pouze se značnými náklady.
Výběr optimálního portfolia z různých druhů OZ /40/
Práce usiluje o optimální zásobování elektřinou průmyslového celku a kromě technických činitelů
pomocí modelování studuje environmentální, ekonomické a sociální parametry. Alternativy zahrnují
OZ, mikrokogeneračmní systémy a systémy konvenční, které jsou porovnávány pomocí
integrovaného modelu LP a tří multikriteriálních přístupů (AHP, TOPSIS a ELECTRE III).
Scénáře rozvoje ekonomiky elektroenergetiky v kontinentální Evropě /41/
Charakterizuje se víceúčelový model scénářů ATLANTIS k výzkumu účinků elektrizačních soustav na
kontinentální Evropu. Model zahrnuje část fyzikální, simulaci výroby elektřiny a toků výkonů a část
ekonomickou pro průzkum trhů s elektřinou jakoţ i rozvoj podnikání výrobních a zásobovacích
podniků.
4. Závěrečné poznámky
V základní části článku jsme se omezili
odstavcích stručně poukazujeme na další
soustav a sítí účelně rozšířit. Na některé
elektřiny, řízení soustavy a související
charakteristikou příslušných referátů.
na tři součásti energetického řetězce. V navazujících
referáty, které mohou pohled na okruh zdrojů, výroby,
další okruhy problematiky, akumulaci energie, spotřebu
metody řešení, resp. modely připojujeme stručnou
Literatura
Prvotní zdroje
1. H. Douglas Lightfoot: An independent analysis of the sources of current and future world
energy
2. Vivek Kane: Wind energy: Overcoming inadequate wind and modeling uncertainties
3. Mikael Rüdlinger: Emissionfree energy systems for biomass, coal, waste and other organic
feedstock
4. SUNJAY SUNJAY: Clean fuel technology for world energy security
5. Mark Berkley, Elizabet Cruz, Maytinee Vatanakul, Rory Hynes, Alexander Stickler: Innovation
avenues for coal derived power essential for the future
Výroba elektřiny
Strana 27
1
6. Rolf Kehlhofer: The three pillar strategy for power generation mix - An analysis
7. Annette Evans, Vladimir Strezov: Comparing the sustainability parameters of renewable,
nuclear and fossil fuel electricity generation technologies
8. Hans-Wilhelm Schiffer: Carbon capture and storage as central modules of a strategy toward a
sustainable energy supply
9. Song Wu, Christian Bergins, Hirofumi Kikkawa, Hironobu Kobayashi, Terufumi Kawasaki:
Technology options for clean coal power generation with CO 2 capture
10. Toshihiro Sano: Development of the ultra high efficiency thermal power generation facility
11. Miroslaw Duda, Hanna Trojanowska: Nuclear power program for Poland: Objectives,
framework program and basic challenges
12. H-Holger Rogner, Alan Macdonald: Nuclear power: Is the renaissance real or a mirage?
13. Umair Dossani: Nuclear power renaissance or demise?
14. Tapio Saarenpää: Greenfield nuclear power for Finland
15. Jens Mueller: HTS technology - Generating the future of offshore wind power
16. Siegfried Joerg, Claudia Joerg, Joerg Schestak: New opportunities for optimized
concentrating solar power systems - The goal: customized systems for every market
17. Vijay Devabhaktuni, Mansoor Alam, Premchand Boyapati, Ashok Kumar, Douglas Nims,
Lingfeng Wang, Lewis Lack, Pankaj Chandna: Wind energy: Trends and enabling
technologies
18. Imad Hamad: Next generation hydropower technology: Available, economical, quickly
deployed, while minimizing the impacts
Sítě a systémy
19. Olof H Heyman, Lars Weimers, Mie-Lotte Bohl: HVDC: A key solution in future transmission
systems
20. Heinz Cech, Erich Fuchs, Anton Heher, Albana Ilo, Tevfik Sezi, Johann Trimmel, Germany,
Thomas Werner: Into the new electricity age with Optimal integration of decentralized energy
resources - The FENIX Project
21. Jerzy Andruszkiewicz: Development of cross-border transmission lines in Poland and their
significance for the Central East Europeam energy market
22. Wilfried Breuer, Dietmar Retzmann, Karl Uecker: Highly efficient solutions for smart and bulk
power transmission of "green energy"
23. Rolf Grünbaum, Conny Wahlberg, Ambra Sannino: Use of FACTS for enhanced flexibility and
efficiency in power transmission and distribution grids
24. Michael Weinhold, Klaus Willnow: The new electricity age
25. Giuliano Monizza: Towards a renewal of transmission & distribution infrastructures to meet
EU 2020 goals
26. Hans Larsen: The intelligent energy system for tomorrow
Akumulace
27. William Leighty: Alternatives to electricity for transmission and annual-scale firming - Storage
for diverse, stranded, renewable energy resources: hydrogen and ammonia
28. Farid Bensebaa, Mohamed Khalfallah, Majid Ouchene: Decentralized and direct solar
hydrogen production: Towards a hydrogen economy in MENA region
Strana 28
1
Spotřeba elektřiny
29. Andreas Athienitis: Design of advanced solar homes aimed at net-zero annual energy
consumption in Canada
30. Akio Koike: Heat pumps; Synergy of high efficiency and low carbon electricity
31. Halime Paksoy, Selma Yilmaz, Ozgul Gok, Metin Yilmaz Muhsin Mazán: Thermal energy
storage for more efficient domestic appliances
32. Claudia Morishita, Enedir Ghisi: Assessment of the impact of energy-efficient household
appliances on the electricity consumption in the residential sector of Brazil
33. Uros Platise: Smart distribution boxes, complete energy management
34. Yungrae KIM: Korea's 1-watt plan "Standby Korea 2010"
35. Michael Gahagan: Developing efficient urban electrical systems using microgrids
Řízení
36. Stuart Bridgeman, Diana Hurdowar-Castro, Rick Allen, Tryggvi Olason, Francois Welt:
Complex energy system management using optimization techniques
37. Andreas Tirez, Patrick Luickx, Dominique Woitrin: Possible use of electric cars as balancing
instrument
Modely a metody
38. Larry Hughes: Creating energy security indexes with decision matrices and quantitative
criteria
39. Michel Carreau, Michael Morgenroth, Oleg Belashov, Oleg Mdimagh, Alain Hertz: Wind farm
design optimization
40. Mohammadsaleh Zakerinia, Mehdi Piltan, Seyed Farid Ghaderi: Optimal portfolio selection
between different kinds of renewable energy sources
41. Christoph Gutschi, Heinz Stigler: Scenarios for the development of the electricity economy in
Continental Europe
Ilustrace jsou převzaty z jednotlivých referátů a v nezbytné míře popsány v češtině. Referáty
kongresu jsou v době psaní článku v plném rozsahu k dispozici ke stažení na adrese
http://www.worldenergy.org/news__events/world_energy_congress/montreal_2010/congress
_papers/default.asp
Strana 29