Přečtěte si:  Smart city a elektromobilita pro praktický užitek a jejich aktuální výzvy

„Zelené“ taháky pro středoškoláky (i dospělé) 8

Víte, jak funguje ekologická výroba tepla?

8.2.2013 S ohledem na zaměření portálu Proelektrotechniky.cz se Zelené taháky dosud zaměřovaly především na výrobu elektřiny. Pro úplnost však bude vhodné si ukázat i zařízení k využití dalších obnovitelných zdrojů energie, jejichž prvotním účelem je výroba tepla a elektřinu buďto spotřebovávají ke svému provozu nebo ji vyrábějí až následně v kogeneračních jednotkách (viz samostatný tahák). Do první kategorie spadají především tepelná čerpadla, často používaná v kombinaci se solárními kolektory, do druhé zejména spalování biomasy.

Tepelné čerpadlo využívá fyzikální podstatu tepla, tj. energie neuspořádaného pohybu atomů a molekul v látkách, k ohřevu topné látky (chladiva), a následně například k vytápění domu. Je zřejmé, že tepla v sobě látka obsahuje tím více, čím větší je její množství a čím vyšší je rychlost pohybu jejích atomů a molekul – tedy čím vyšší je její teplota. Dodáním tepla se látky zahřívají, jejich teplota stoupá. Z toho vyplývá, že velké množství látky o nízké teplotě může obsahovat stejné množství tepla – tepelné energie – jako malé množství látky o vysoké teplotě. Zamyslíme-li se nad tím, které látky či materiálu je v přírodě nejvíce, nabízí se odpověď: země, voda, vzduch. Tepelné čerpadlo slouží k tomu, aby teplo z jejich velkého množství a nízké teploty využilo k ohřevu mnohem menšího množství jiné látky – třeba vody v ústředním topení – na vyšší teplotu.

Tepelné čerpadlo tedy využívá nejčastěji tepelnou energii země (případně vzduchu či vody) o nízké teplotě – nízkopotenciální teplo. Pracovní látka o velmi nízké teplotě varu neboli chladivo (nejčastěji freony nebo zkapalněný plyn) tuto tepelnou energii zemi odebírá, čímž ji ochlazuje, a takto získané teplo použije pro ohřev jiné látky – například vody v topení či v bazénu. Sledujme na obrázku, jak k tomu dochází:

                    Schéma tepelného čerpadla

Ve výparníku tepelného čerpadla chladivo při nízkém tlaku odebere zemi její teplo. Přitom se chladivo zahřeje, a jelikož má velmi nízkou teplotu varu, začne se vařit a vypařovat. Páry chladiva se pak kompresorem stlačí, a tím stoupne jejich teplota – stejně jako se například zahřeje vzduch, kterým hustíme pneumatiku. Představme si tento jev tak, že se molekulám chladiva zmenší prostor, v němž se neuspořádaně pohybují; tím do sebe začnou navzájem narážet častěji, následkem čehož vzroste jejich rychlost (teplota). Zahřáté chladivo předá v kondenzátoru svoje teplo ohřívané látce (nejčastěji vodě). Tím se samo ochlazuje a kondenzuje – tedy mění své skupenství z plynného na kapalné. Přes škrticí ventil, který snižuje tlak, pak přechází zpět do výparníku a oběh se uzavírá.

Stejným způsobem funguje i lednička: Výparník, jímž prochází chladivo, odebírá tepelnou energii potravinám a odebrané teplo je vypouštěno žebrovím na zadní straně ledničky do ovzduší v domácnosti. Říká-li se tedy často, že tepelné čerpadlo funguje jako obrácená lednička, je i není to pravda: Obě zařízení pracují na shodném principu, mají pouze odlišný cíl jedno ohřívat a druhé chladit.

Jak vidíme, ke změně formy tepelné energie chladiva na takovou, která umožní ohřát vodu, je třeba v tepelném čerpadle vynaložit kinetickou energii kompresoru, a tedy elektrickou energii, která pohání jeho motor. Zjednodušeně lze přitom říci, že k ohřátí vody spotřebuje tepelné čerpadlo třetinu elektrické energie, kterou je třeba vyrobit (a není to vždy z obnovitelných zdrojů), a dvě třetiny energie země, která je v přírodě volně k dispozici. Tepelné čerpadlo, podobně jako například kogenerace, je tedy „čistým“ zdrojem energie pouze částečně.

Tepelná čerpadla se nejčastěji používají k vytápění budov nebo pro ohřev teplé užitkové vody. V zemědělství lze použít tepelná čerpadla, která odpadním teplem z chlazení mléka ohřívají teplou užitkovou vodu. Různé kombinace chlazení látek a ohřevu užitkové vody se používají i v průmyslu.

Potřeba tepla se během roku mění. Pokud je výkon tepelného čerpadla navržen na jeho nejvyšší spotřebu, zůstane po většinu roku nevyužitý. Výsledkem budou nehospodárně vynaložené peníze na pořízení a provoz. Proto se tepelné čerpadlo zpravidla používá společně s jiným zdrojem tepla (elektřina, plyn, uhlí). Technicky se této kombinaci říká bivalentní provoz. Často používanou kombinací, která významně zlepšuje příznivost celého zařízení pro životní prostředí, je také společné použití tepelného čerpadla a solárních kolektorů.

Solární kolektory zachycují skleněnou plochou či trubicí sluneční záření a přeměňují je na tepelnou energii. Tato energie je pohlcována absorbérem a odváděna teplonosnou kapalinou (voda, nemrznoucí kaliny) do výměníku, kde je předáváno k ohřevu vody nebo topné vodě. Kolektory, které jsou vybaveny selektivní absorpční vrstvou, mají vyšší účinnost, protože dokáže zachytit i difúzní záření, tj. takové záření, které vzniklo odrazem slunečního záření na překážkách v atmosféře.

Biomasa je hmota organického původu. V souvislosti s energetikou se nejčastěji jedná o dřevo a dřevní odpad, slámu a jiné zemědělské zbytky a exkrementy užitkových zvířat. Biomasa může být jak odpadem, tak výsledkem záměrné výrobní činnosti v zemědělství a lesnictví. Schéma energetického využití biomasy ukazuje obrázek:

                Schéma energetického využití biomasy

Různé druhy biomasy se využívají buďto k přímému spalování a výrobě tepla, nebo se z nich chemickým procesem získávají etanol (líh) a bioplyn, jehož základní složkou je metan. Ty lze pak využít ve spalovacích motorech nebo v plynových turbínách při kombinované výrobě elektřiny a tepla.

Obrázky: ČEA CR

Tímto Zeleným tahákem končí náš seriál. Aktuality z obnovitelných zdrojů energie však publikujeme průběžně dále. Také využívání obnovitelných zdrojů se průběžně vyvíjí, takže ten konec je vlastně podmíněný – jen do té doby, než se objeví další zajímavé zařízení v této oblasti, o němž jsme tu zatím nepsali.

redakce Proelektrotechniky.cz

Bonus: Vtip o obnovitelném zdroji energie

Přečtěte si také:

Univerzita v Bridgeportu má vlastní palivočlánkovou kogeneraci

9.5.2014 Město Bridgeport v americkém státě Connecticut bude mít již druhý palivočlánkový energetický zdroj. Po Brigeportském palivočlánkovém parku bude v areálu University of Bridgeport instalována 1,4MW palivočlánková kogenerační jednotka. Na začátku května 2014 to oznámil její dodavatel, společnost FuelCell Energy 

Vitovalor 300-P: palivočlánková mikrokogenerační jednotka pro obytné domy na evropském trhu

15.5.2014 Jak jsme psali v našem článku První palivočlánková mikrokogenerace pro domácnosti v Evropě, byla v dubnu 2014 německým výrobcem tepelné techniky Viessmann uvedena na německý trh první palivočlánková mikrokogenerační jednotka, určená pro běžné spotřebitele. Tento produkt s obchodním jménem Vitovalor 300-P používá palivové články japonského výrobce Panasonic. 

Bridgeport FC Park: nový palivočlánkový park v USA

14.1.2014 Americký výrobce průmyslových palivových článků FuelCell Energy, Inc., o němž jsme psali v souvislosti s palivočlánkovou kogenerací v nemocnici Hartford ve státě Connecticut, dokončil na samém konci roku 2013 dodávku „na klíč“ palivočlánkového parku, tedy komplexu palivočlánkových elektráren, pro jeho provozovatele, energetickou společnost Dominion. 

Ene-Farm: První palivočlánková kogenerační jednotka pro bytové domy na světě

7.11.2013 Společnosti Tokyo Gas Co., Ltd. a Panasonic Corporation oznámily koncem října 2013, že společně vyvíjejí první palivočlánkovou mikrokogenerační jednotku pro bytové domy. Jako nejnovější součást rodiny kogeneračních jednotek pro domácnosti Ene-Farm by měla přijít na trh v dubnu 2014 a do roka se předpokládá prodat 500 těchto jednotek. Ene-Farm pro bytové domy pracuje na podobném principu jako palivočlánkové mikrokogenerační jednotky pro rodinné domy 

První palivočlánková mikrokogenerace pro domácnosti v Evropě

13.9.2013 Společnosti Panasonic a Viessmann oznámily začátkem září 2013, že v dubnu 2014 hodlají uvést do běžného prodeje mikrokogenerační jednotku s palivovým článkem. Půjde o první palivočlánkový systém s polymerovým elektrolytem (PEFC) v Evropě určený pro jednotlivé domácnosti. Systém pracuje s připojením k běžné plynové síti. Princip mikrokogenerace vysvětluje náš článek „Mikrokogenerace: řešení pro chytré budovy“. Tento systém, společně vyvinutý oběma firmami a adaptovaný na požadavky evropského trhu, se skládá ze dvou modulů: palivočlánkový modul a horkovodní bojler. 

Vodíková kogenerace: energie z palivových článků pro nemocnici v Connecticutu

23.4.2013 Americká společnost FuelCell Energy informovala v polovině dubna 2013, že dodá 1,4MW kogenerační jednotku s palivovými články DFC1500^® do nemocnice Hartford Hospital v Connecticutu, USA. Kogenerační jednotku bude vlastnit a provozovat společnost Hartford Steam Company. 

Copyright © 2012 – 2024 Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services