Tepelné čerpadlo

    Velmi zajímavá je možnost nepřímého využívání sluneční energie pomocí tepelných čerpadel. Jejich princip připomíná činnost chladničky, místo chladu však využíváme tepla. Dalo by se říci, že se jedná o chladničku naruby. Princip spočívá v tom, že teplo, které normálně chladnička odebírá potravinám, získáváme z nějaké látky, například vzduchu, podzemní vody (která má celoročně stabilní teplotu), a tímto teplem pak topíme (jistě jste si všimli, že mřížka za ledničkou bývá horká i když je teplota v lednici velmi nízká). Při dostatečném množství málo teplé látky a při dodání elektrického proudu k pohonu čerpadla, lze získat 3x až 4x více tepla než kdyby jsme topili elektrickou energií přímo. Přičemž nemusíme využívat jen sluneční energie, kterou jsme v létě uložili do absorbérů. Můžeme používat i přirozených zásobníků sluneční energie, jako je země, voda - povrchová i podzemní, okolní vzduch. Avšak nejvýhodnější je využívání odpadního tepla např. z větrání (obchodních domů, restaurací), využití geotermální energie a tepla z odpadních vod, kterými již nelze vytápět přímo.


   Fotovoltaické články

   Tato problematika je podrobně probrána v 5.) kapitole. Připomeňme jen, že tento způsob výroby elektrické energie není zatím konkurenceschopný. Není však též na škodu se zde zmínit o projektu satelitní sluneční elektrárny vypuštěním synchronní družice Země. Elektrický proud by byl dopravován na Zem jako paprsek mikrovlnného záření (přenos elektrické energie na dálku vynalezl průkopnický vynálezce Nikola Tesla).


   Sluneční teplené elektrárny

   Jedná se o klasickou tepelnou elektrárnu s parní turbínou, pro výrobu páry se však místo fosilního paliva užívá slunečního tepla. Existují dvě základní metody, obě však dosahují velmi malé účinnosti (10, max. 30%):

   1) Sluneční věžová elektrárna - velký počet zrcadel soustředí sluneční záření na kotel umístěný na vrcholku vysoké věže;

   2) Sluneční farma - používá sluneční kolektory ve tvaru parabolických žlabů 100 až 150 m dlouhých orientovaných ve směru sever-jih. Sluneční paprsky se koncentrují na trubici vedenou ohniskem kolektoru.


     Vítr

   Česká republika nemá tak výhodné podmínky pro využití větrné energie jako například přímořské státy, přesto je u nás mnoho dobrých lokalit. Podle odhadů lze v ČR teoreticky výrobou elektrické energie z energie větru pokrýt asi 5% současné spotřeby elektřiny.

   Značnou nevýhodou větru jako zdroje je především jeho malá spolehlivost. Určitou výhodou je skutečnost, že v období zimních měsíců, tedy v době nedostatku slunečního svitu, je naopak energie větru dostupnější, zatímco v letních měsících vítr vane méně.

   Při rychlosti větru pod 3 m/s je jeho výkon tak malý, že se nedá technicky využít. Optimální rychlost větru je 12 m/s. Při překročení této hranice musí být větrem poskytovaný výkon omezován a část energie zůstává nevyužita. Přesáhne-li rychlost větru 25 m/s, musí být větrná elektrárna odstavena, aby se zabránilo jejímu zničení.


     Řeky

    Účinnost přeměny vodní potenciální energie na elektrickou je při větším výškovém spádu asi 85 - 90 %, při využití přímého proudění v řekách je účinnost nižší - asi 50%.

   Vodní elektrárny

   Celosvětový technicky využitelný hydroenergetický potenciál je asi 3,6 TWr (x 8760 = 31 536 TWh), přičemž v ČR se jedná přibližně o 3,5 TWh za rok. V roce 1983 bylo na světě vyrobeno kolem 1900 TWh tj. 1900 / 8760 = 0,21 TWr elektrické energie. Tato hodnota odpovídala asi 1,7 % celosvětové roční spotřeby energie (12 TWr).

   Mezi největší díla své doby patří Hooverova přehrada v USA, o výkonu 1,3 GW postavená v 30-tých létech. Největší současnou hydroelektrárnou je Itaipu v Brazílii s výkonem 14 GW. Ačkoliv jsou hydroelektrárny dosti rozšířené, nepřesahuje zpravidla jejich celkový podíl na výrobě elektrické energie 5 %.

   Přednosti vodních elektráren:
      - obnovitelný zdroj energie neprodukující žádné odpady
      - dostatečně známá a vyvinutá technologie
      - přijatelná cena elektřiny
      - určité možnosti akumulace s následnou možností její využití ve špičkách
      - vysoká účinnost přeměny a malá vlastní spotřeba energie
      - vysoký stupeň pohotovosti, malá poruchovost, snadná obsluha.

   Nedostatky vodních elektráren:
      - omezený potenciál vodních toků, nejlepší lokality již využity
      - vysoké náklady na vybudování vodního díla.

   Ekologické problémy:
      - zanášení přehradních nádrží a jejich eutrofizace (= "zmrtvění" v důsledku přemnožení především vodních řas)
      - negativní lokální změny životního prostředí
      - možnost velkých havárií (protržení hráze).


     Moře

   Plocha světových oceánů a moří zabírá asi 79 % zemského povrchu. V pohybu těchto vod a v teplotním rozdílu mezi hladinami a hlubinami je skryto obrovské množství energie. Bylo vypočteno, že jen z energie ve vln všech mořích a oceánech by bylo teoreticky možné získat 95 miliónů kWh elektrické energie ročně. Zatím se však této energie využívá nepatrně.

   Energie moří

   Přílivové elektrárny

   Periodické dmutí mořské hladiny (příliv, odliv) vysvětlil již anglický fyzik Isaak Newton (1642-1727). Příliv a odliv se vystřídá na témže místě dvakrát za den po 6 hodinách a 12 minutách. Po sedmi dnech a 9 hodinách nastane na témže místě příliv místo plánovaného odlivu. Podmínkou pro využití slapové energie je, aby rozdíl hladin mezi přílivem a odlivem byl alespoň 6 metrů a aby tvar pobřeží umožňoval stavbu hráze s průtokovými turbínami.

   Energie mořských vln

    Mořské vlny nesou na každém metru své délky výkon 40 až 80 kW. Bylo vyvinuto množství odlišných systémů k využití této energie. Například vynálezce vznášedel, anglický inženýr Cockerall, u skotského pobřeží donedávna zkoušel zakotvené třídílné plovoucí prámy. Jejich prohýbání se přenášelo na vodní motor spojený s alternátorem. Problémy s údržbou velkého množství prámů vedly k zastavení pokusů.

   Zajímavý je norský a švédský princip založený na kolísání vodního sloupce v betonové šachtě (umístěné na pobřeží), který jako píst střídavě vytlačuje a nasává přes speciální Wallsovu turbínu vzduch. Naději na realizaci mají ta zařízení, která slouží zároveň k ochraně přístavů před mořským vlnobitím. V provozu již je příbojová elektrárna Madrás v Indii, 150 kW.

   Využití teplotního rozdílu - projekt "OTEC"

   Po první světové válce se pokoušel francouzský fyzik G. Claude poprvé využít k získání elektřiny teplotní rozdíl mezi hladinou moře a vodou v hloubce 600 m - 1 km, který může být vyšší než 20°C. K těmto pokusům se vrátili Američané v roce 1980 v projektu "OTEC" (Ocean Thermal Energy Conversion) na Havaji (výkon zařízení 50 kW). Předpokladem je fakt, že 1/4 dopadajících paprsků na povrch Země je absorbováno v moři - ohřev hladiny.

   Tato teplá voda z povrchu moře ohřívá čpavek, jeho páry pohánějí speciální plynovou turbínu s alternátorem a srážejí se v kondenzátoru ochlazovaném vodou čerpanou z hloubky 600 m. Nevýhodou podobných projektů je jednak riziko úniku čpavku, jednak ochlazování moří, které by mohlo vyvolat nežádoucí klimatické změny. Navíc teoretická účinnost přeměny energie je okolo 7 %, prakticky se však v současné době počítá s účinností 2 až 3 %. Nevýhodou jsou též vysoké náklady na tato zařízení. Vzhledem ke všem těmto faktům se v nejbližší době s rozsáhlejším nasazením projektu "OTEC" nepočítá.


     Teplo Země - Geotermální energie

   Teplo skryté v magmatu

   Každých 100 m do hloubky stoupá teplota průměrně o 3°C. Magma je nesmírný zdroj tepla, ale jen jeho nepatrná část se dostane na povrch. I tak, množství energie, které se během jednoho roku dostane ze zemských hlubin na povrch, odpovídá energii, kterou lze získat z 35 miliard tun černého uhlí. Je to čtyřikrát více než spotřebuje celá lidská společnost!

   Využití zemního tepla se od doby ropné krize rozvíjí. Přesto však v r. 1987 neposkytovaly všechny geotermální elektrárny světa výkon větší než 4800 MW. Z toho byla téměř polovina instalována v USA. Dále následovali Filipíny, Mexiko a Itálie asi po 500 MW.

   Kde se využití vyplatí

   Při přepočtu na jeden m² zemského povrchu poskytuje zemské teplo svými 0,06 - 0,08 W méně energie než například světlo jedné svíčky. Ale ne všude je hustota energie zemního tepla tak malá. Například z islandských gejzírů prýští horká voda přímo na zemský povrch.


   Elektrická energie ze zemního tepla

   Elektrárny, které využívají zemského tepla, používají buď systém suché páry nebo horkovodní systém (systém mokré páry).

     Systém suché páry
   Na některých místech z vrtů nebo přírodních vývěrů uniká přímo předehřátá pára. Ta pak (po odfiltrování kapiček vody) pohání turbíny elektrárny. Po ochlazení a zkondenzování se vrací sousedními vrty zpět do země. Teplota páry může dosáhnout při sedminásobku atmosférického tlaku až 200°C.

     Systém mokré páry
   Obvykle není možné získat z podzemních zdrojů páru s tak dobrými parametry, aby mohla přímo pohánět turbínu. Tam, kde voda v podzemí dosahuje teploty od 180 do 350°C (a díky vysokému tlaku se nezměnila v páru), vede se do odtlakovací nádrže, ve které se po rychlém snížení tlaku část vody změní v páru. Ta se opět vede na turbínu.

     Horkovodní (binární) systém
    Tam, kde má voda jen malý tlak a poměrně nízkou teplotu, slouží horká voda pouze k ohřátí pracovní kapaliny s nižším bodem varu. Zde připadají v úvahu organické látky propan, isobutan a freony. První jsou však explozivní a freony zase poškozují ozónovou vrstvu. Další vývoj tohoto systému bude proto záviset na nalezení méně škodlivého pracovního média.

      Horká suchá skála, aneb pokusy s metodou "Hot-Dry-Rock"
   Jestliže nejde v nitru Země najít žádné vrstvy propustné pro vodu, chybí médium, které by mohlo přenášet teplo na zemský povrch. Tento problém řeší postup "H-D-R". Odstřelem nebo tlakem vody se v hloubce kolem vrtu vytvoří umělé trhliny. Pak se do vrtu zavádí voda, která po ohřátí vystupuje zpět na povrch. Teplo ohřáté vody se využije buď k výrobě páry v tepelném výměníku nebo přímo k vytápění.


     Biomasa

   Pod pojmem biomasa rozumíme rostlinnou látku - organickou hmotu, obsahující uloženou sluneční energii.

   Využití odpadů a biomasy

   Lidstvo využívalo energie biomasy odpradávna. Například dřevo bylo nejstarším palivem člověka. Existují však i jiné, zajímavější a účinnější metody přeměny živé hmoty v energii.

     Dva druhy zdrojů
   Organické látky vhodné k energetickému zpracování můžeme získat dvojím způsobem: Zužitkováním odpadů z domácností, zemědělství i průmyslu, nebo pěstováním rychle rostoucích rostlin v "energetických farmách".

     Dřevěné brikety
   Z rozdrceného a vysušeného dřeva stromů, které poměrně rychle rostou (vrby, topoly, osiky, olše), lze lisovat brikety s výhřevností až 21 GJ na tunu. V dosud nevyužitém pohraničním pásmu mezi Švédskem a Finskem se ověřují pěstování takových "energetických lesů".

   Roste také zájem o dřevěné uhlí vyrobené moderními metodami nízkoteplotní karbonizace (zahřívání bez přístupu vzduchu), které umožňují získat až trojnásobek toho, co dokázali uhlíři v milířích (dají se i získat vedlejší produkty jako jsou kyselina octová, methanol, aceton a dřevný dehet. Plynné zplodiny obsahují značné množství spalitelných látek, kterými se dotuje spotřeba tepelné energie pro nízkoteplotní karbonizaci). Tímto způsobem je možné "spalovat" - zpracovávat i některé odpady.

   Jinou možností zhodnocování odpadů je jejich přímé spalování. V SRN pracuje okolo 50 spaloven, které využívají zhruba čtvrtinu domovního odpadu. Z jedné tuny odpadu se vyrobí okolo 360 kWh elektřiny. K výrobě stejného množství spotřebuje uhelná elektrárna přibližně 360 kg hnědého nebo 120 kg černého uhlí. Získaného tepla lze rovněž využít do tepelné sítě k vytápění měst a pod.

     Bioplyn
   Zkvašením organických odpadků (například kejdy, hnoje, kalů z čistíren vod) vzniká při omezeném přístupu vzduchu hořlavý plyn (bioplyn). Tuna chlévské mrvy vydá až na 50 m³ bioplynu, tuna drůbežího trusu dokonce 100 m³. To je srovnatelné s energií 30 až 60 litrů topného oleje. Odpad z vyhnívacího procesu navíc bývá velmi výborným hnojivem. Tímto způsobem by naše zemědělství mohlo krýt 5% vlastní energetické spotřeby. Předpokladem k rentabilnímu využití je usedlost, která chová celkem alespoň 60 krav, koní nebo vepřů.

    Výroba bioplynu je rozšířena hlavně v zemích s velkým množstvím ustájeného dobytka (Čína, Indie).

     Fermentace
   Zkvašením roztoků cukrů je možné vyprodukovat ethanol (EtOH). Vhodnými materiály jsou cukrová řepa a třtina, obilí, kukuřice, ovoce a brambory. Cukry mohou být vyrobeny i ze zeleniny nebo celulózy. Po 30-ti hodinách obsahuje fermentační kaše 6 - 10 % alkoholu. Teoreticky lze získat z 1 kg cukru 0,65 l čistého ethanolu, v praxi je však výtěžnost 90 - 95%. Vzniklý alkohol je oddělen destilací.

    Ethanol je velmi hodnotným palivem pro spalovací motory. Jeho přednostmi jsou ekologická čistota a antidetonační vlastnosti. Nedostatkem ethanolu jako paliva je jeho schopnost vázat vodu a působit korozi motoru, což lze odstranit přidáním antikorozních přípravků.

   Když vypukla ropná krize, pokusila se Brazílie snížit dovoz ropy využitím nadměrné produkce cukrové třtiny a kasavy. Zkvašením rostlinné hmoty získali ethanol. Jeho smíšením s benzínem pak začali vyrábět palivo gasohol. Výrobní náklady paliva však převyšují cenu normálního benzínu. Aby byl gasohol prodejný, nezbylo než aby stát tento program dotoval několika miliardami USD ročně.

      Výtěžnost EtOH z rostlin obsahujících glycidy

Surovina	Výnos (t/ha)	Obsah glycidů (%)	Obsah ethanolu (l/t)	Obsah ethanolu (hl/ha)
řepa cukrová	30 až 40	16	90 až 100	38 až 48
třtina	50 až 100	13	60 až 80	35 až 70
kukuřice	4 až 8	60	360 až 400	15 až 30
pšenice	2 až 5	62	370 až 420	8 až 20
ječmen	2 až 4	52	310 až 350	7 až 13
proso-zrno	2 až 5	70	330 až 370	7 až 8
brambory	20 až 30	18	100 až 120	22 až 33

     Limity
   Celý projekt pěstování rostlin pro energetické účely naráží na vážnou kritiku, jejíž podstata spočívá v otázce: "Jak je možné připustit, aby se na půdě nepěstovaly potraviny, když tolik lidí hladoví?"

   Proto je nutno tyto energetické plantáže budovat především na místech, které nelze pro zemědělství využít, například rekultivované skládky, nebo přímo skládky hlušiny, prostory kolem dálnic, popílkoviště a výsypky jaké se nacházejí např. v severních Čechách.

   Experimenty s pěstováním biomasy pro energetické účely provádí již řadu let Výzkumný ústav rostlinné výroby (Ruzyně) na popílkovištích a výsypkách v Chomutově. Vynikajících výsledků bylo dosaženo s pěstováním konopí setého (neobsahuje narozdíl od konopí indického - marihuany téměř žádné sloučeniny THC), topolů a obilnin. Z rostlin produkujících olej je zejména výhodná řepka (řepkový olej lze totiž zpracovávat na naftu a mazadla).


     Vodík

   Již Jules Verne ve své době předpovídal vyčerpání zásob fosilních paliv a sám jako náhradu předpokládal vodík. "Voda je uhlím budoucnosti!", avšak voda rozložená v prvky - vodík a kyslík.

   O využití vodíku jako altrnativního globálního paliva a energetického média již bylo podrobně psáno v 1.) kapitole proto sem také čtenáře odkazujeme.