Využití alternativních zdrojů tepelné energie

Nedostupnost standardních zdrojů (plyn, uhlí, elektřina, teplo), přemrštěné ceny přípojek a tradičních zdrojů energie, znehodnocování životního prostředí a vyčerpávání přírodních zdrojů nás nutí přemýšlet o tom, jak získávat elektřinu a teplo z alternativních/obnovitelných zdrojů energie.

Lidstvo získává energii především spalováním fosilních paliv a provozem jaderných elektráren. Alternativní energie je metoda, která vyrábí energii šetrněji k životnímu prostředí a způsobuje méně škod. Je potřebný nejen pro průmyslové účely, ale také v jednoduchých domácnostech pro vytápění, ohřev vody, osvětlení a provoz elektrických zařízení/elektroniky. Důležitým faktorem při aplikaci jakékoli technologie je zachování tepla uvnitř areálu (účinná a dobrá tepelná izolace, rekuperace tepla, instalace energeticky úsporných topných systémů), jinak je prostě zbytečné hovořit o účinnosti konkrétního systému.

Druhy hlavních alternativních zdrojů energie:

• Sluneční světlo a solární panely
• Vodní toky a vodní elektrárny
• tepelná čerpadla pro vytápění
• Větrná a větrná energie
• Přílivy
• Biopalivo (palivo z rostlinných nebo živočišných zdrojů)
• Geotermální teplo (vnitřek Země)

Téměř všechny možnosti jsou relevantní pro území Ruska, ale zaměříme se pouze na ty nejběžnější: Biopalivo, Solární energie, Výroba větru, Tepelná čerpadla a vodní elektrárny. Zbývající možnosti jsou velmi místní a nepoužívají se všude.

1. Biopaliva

Bioenergie vyrábí elektřinu a teplo z paliv první, druhé a třetí generace.

• První generací jsou pevná, kapalná a plynná biopaliva (plyn ze zpracování odpadů bioplyn). Například palivové dřevo, bionafta a metan.

• Druhou generací je palivo získané z biomasy (zbytků rostlinného nebo živočišného materiálu, případně speciálně pěstovaných plodin).

• Třetí generace – biopalivo z řas.

Biopaliva první generace lze snadno získat. Obyvatelé venkova mohou využívat bioplynové stanice, kde biomasa fermentuje při požadované teplotě. Je nutné počítat s tím, že butan a propan jsou 3x výhřevnější než bioplyn. Vzhledem ke specifikům samotného plynu jsou hořáky a zařízení dražší než pro vytápění tradičním hlavním nebo zkapalněným plynem. Ale pokud není na výběr, pak je to možnost.

Nejtradičnější metodou a nejstarším dostupným biopalivem je palivové dřevo. K jejich produkci se dnes vysazují energetické lesy z rychle rostoucích stromů.

2. Sluneční energie

Jeden z nejvýkonnějších typů alternativních zdrojů energie. Nejčastěji se přeměňuje na elektřinu pomocí solárních panelů. Celá planeta má dostatek energie na celý rok z energie, kterou Slunce během dne posílá na Zemi. Roční výroba elektřiny v solárních elektrárnách však nepřesahuje 2 % z celkového objemu.

Hlavní nevýhodou je závislost na počasí a denní době. Pro severní země není získávání solární energie rentabilní. Konstrukce jsou drahé, je třeba je „udržovat“ a samotné fotočlánky, které obsahují toxické látky (olovo, gallium, arsen), je třeba včas zlikvidovat. Vysoký výkon vyžaduje velké plochy, ale účinnost se neustále zlepšuje s použitím nových materiálů a vývoje.

Solární elektřina je rozšířena tam, kde je levnější než klasická elektřina: vzdálené obydlené ostrovy a zemědělské pozemky, vesmírné a mořské stanice, pouště. V teplých zemích s vysokými tarify elektřiny dokáže pokrýt potřeby běžného domu. Například v Izraeli se 80 % vody ohřívá solární energií.

Baterie se instalují také do kalkulaček, domácností, parkovišť, dálničních přístřešků, aut bez řidiče, letadel, vzducholodí a vlaků Hyperloop.

3. Větrné turbíny

Zásoby větrné energie jsou 100krát větší než energetické zásoby všech řek na planetě. Větrné turbíny pomáhají přeměňovat vítr na elektrickou, tepelnou a mechanickou energii. Hlavním zařízením jsou větrné generátory (pro výrobu elektřiny) a větrné mlýny (pro mechanickou energii).

Tento typ obnovitelné energie je dobře rozvinutý – zejména v Dánsku, Portugalsku, Španělsku, Irsku a Německu. Do začátku roku 2016 výkon všech větrných turbín překonal celkový instalovaný výkon jaderné energetiky.

Nevýhodou je, že se nedá ovládat (síla větru není konstantní). Větrné turbíny mohou také způsobit rádiové rušení a ovlivnit klima, protože odebírají část kinetické energie větru – ačkoli vědci zatím nevědí, zda je to dobré nebo špatné. Údržba a cena takových instalací také vyvolává mnoho otázek.

4. Tepelná čerpadla

Domácí tepelné čerpadlo funguje na principu, že těleso, které má teplotu vyšší nebo rovnou absolutní nule, obsahuje zásoby tepelné energie. Rezervu lze snadno vypočítat, pokud znáte hmotnost a tepelnou kapacitu těla.

A pokud se z této perspektivy vrátíme k mořím, oceánům, jakýmkoliv vodám, které mají šílenou hmotnost, pak pochopíme tu nejzřejmější věc: obsahují velké zásoby tepelné energie, kterou lze využít bez poškození životního prostředí.

Energii však nelze jen tak odebírat, je třeba snížit její teplotu.

Typy tepelných čerpadel

Tepelná čerpadla se dělí na několik typů. První typ v klasifikaci podle způsobu přenosu tepelné energie:

Komprese. Hlavními instalačními prvky jsou kompresory, kondenzátory, expandéry a výparníky. Tento typ čerpadla je velmi kvalitní, cenově dostupný a účinný, proto je na trhu velmi oblíbený.

Vstřebávání. Nejnovější generace tepelných čerpadel. Při své práci používají absorbent freonů. Díky tomu se kvalita práce několikanásobně zvyšuje.

Typy tepelných čerpadel je možné rozlišit podle zdrojů tepla, a to:

• Tepelnou energii vytváří půda;
• Voda;
• Proudy vzduchu;
• Znovu zahřejte. Jsou extrahovány z odtoku vody, znečištěného vzduchu nebo odpadních vod.

Podle typů vstupně-výstupních obvodů:

· vzduch-vzduch. Čerpadlo odebírá studený vzduch, snižuje jeho teplotu, získává potřebné teplo, které předává tam, kde je potřeba vytápění.

· voda-voda. Čerpadlo odebírá teplo z podzemní vody, které předává vodě pro vytápění místnosti.

· voda-vzduch. Od vody ke vzduchu. Typické je použití sond a studny pro vodu a vytápění probíhá systémem ohřevu vzduchu.

· vzduch-voda. Ze vzduchu do vody. Čerpadla tohoto typu využívají k ohřevu vody teplo z atmosféry.

· půda-voda. V této formě se teplo odebírá z vodovodního potrubí uloženého v zemi. Teplo se odebírá ze země.

· ledová voda. Zajímavý typ tepelného čerpadla. K ohřevu vody pro vytápění prostor se používá způsob výroby ledu, který uvolňuje kolosální tepelnou energii. Pokud zmrazíte až 200 litrů vody, můžete získat energii schopnou vytopit průměrně velkou místnost na 40–60 minut.

Účinnost tepelných čerpadel pro vytápění

Abyste pochopili, zda je tepelné čerpadlo účinné, musíte si spočítat, kolik energie vyrábí a kolik spotřebuje.

Aby byl efektivní, musí více dávat, než brát. Tento poměr se obvykle nazývá konverzní koeficient.

Změní se, pokud se změní teplotní rozdíl mezi vstupními a výstupními obvody. Pokud venkovní teplota klesne, čerpadlo bude méně účinné. Různé typy tepelných čerpadel mají různé konverzní faktory, které se mohou pohybovat od jedné do pěti. Chcete-li přesně porozumět a posoudit, musíte znát výkonnostní parametry pro daný rok.

Nevýhody tepelných čerpadel.

Náklady na vybavení a údržbu jsou poměrně drahé.

Zařízení ke svému provozu vyžadují elektřinu.

Pokud je tepelné čerpadlo typu půda-voda, kdy se teplo odebírá ze země, tak v místě instalace teplosměnných trubek nic neroste.

Další negativní vlastností je, že moc neohřívají vodu. Obvykle teplota dosahuje cca 50-60 C, proto jej lze použít pouze jako nosič tepla pro nízkoteplotní topné systémy (teplé podlahy a konvektory).

5. Vodní energie

K přeměně pohybu vody na elektřinu jsou potřeba vodní elektrárny (VVE) s přehradami a nádržemi. Jsou umístěny na řekách se silným průtokem, které nevysychají. Přehrady jsou stavěny tak, aby se dosáhlo určitého tlaku vody – ten dává do pohybu lopatky vodní turbíny, která zase pohání elektrické generátory.

Stavba vodní elektrárny je dražší a složitější než stavba klasických elektráren, ale cena elektřiny (u ruských vodních elektráren) je dvakrát nižší. Turbíny mohou pracovat v různých režimech výkonu a řídit výrobu elektřiny.

Zdrojem energetických zdrojů pro vytápění, zásobování teplou vodou a elektrickou energií nemusí být pouze spalování paliva v různých elektrárnách nebo využití energie padající vody ve vodních dílech. V současné době se ve světě aktivně rozvíjí alternativní energetika, která využívá takové zdroje, jako je tepelná energie slunečního záření (solární kolektory, solární přijímače, solární baterie atd.), nízkopotenciální geotermální energie (tepelná čerpadla), horké geotermální zdroje, energie odcházejících ohřátých plynů a odpadní vody z procesních instalací (absorpční tepelná čerpadla, ekonomizéry a utilizátory).

Sluneční tepelná energie je distribuována v prostoru vlnovým nebo radiačním způsobem. K zachycení tepla ze slunečních paprsků a jeho následnému předání do solárního topného systému se používají speciální teplo-přijímací prvky zvané solární přijímače. Topné systémy využívající solární teplo se dělí na pasivní a aktivní.

Pasivní solární systémy vytápění.

Zde se jako solární přijímač používá povrch vnitřních konstrukcí budovy, stěny, které jsou natřeny tmavými barvami. Sluneční infračervené záření vstupuje do místnosti otvory ve vnějších konstrukcích budovy, je pohlcováno vnitřními plochami obrácenými na jih a ty zase odevzdávají teplo do vnitřního prostoru domu. Pomocí této jednoduché, ale účinné techniky je možné za určitých podmínek částečně nebo dokonce úplně kompenzovat tepelné ztráty místnosti během chladného období.

Aktivní solární topné systémy.

Pro uspořádání aktivního solárního systému se používají koncentrační a ploché solární přijímače.

Koncentrační solární přijímač sestává z kulových nebo parabolických zrcadel vyrobených z leštěného kovu a prvku pohlcujícího teplo (solární kotel) umístěného v ohnisku slunečních paprsků odrážených zrcadly.

Plochý solární přijímač je teplo pohlcující zařízení vyrobené z měděných trubek, desek s kanály pro cirkulaci chladiva nebo lisovaných ocelových radiátorů, umístěných mezi zadní izolovanou stěnou a zasklením se zvýšenou propustností slunečních paprsků. Pro zajištění zachování přijatého slunečního tepla a snížení tepelných ztrát lze mezi trubky pohlcující teplo s chladicí kapalinou a průsvitným povrchem umístit vakuum. Ploché solární přijímače a solární kolektory jsou umístěny na jižních svazích šikmé střechy.

Jako nosič tepla v solárních kolektorech se používá voda nebo nemrznoucí chladicí kapalina. Ploché solární přijímače se pro největší efekt nejlépe používají v místech s významným počtem slunečných dnů v roce, například v jižních oblastech.

Nízkokvalitní geotermální teplo lze využít k výrobě teplé vody a jejímu zásobování otopným systémem i k zásobování vodou pomocí tepelných čerpadel. Odběr tepla ze země nebo podzemní vody se provádí vodorovně nebo svisle uloženým potrubím s nezamrzajícím primárním nosičem tepla, který předává teplo vnitřnímu okruhu tepelného čerpadla k jeho dalšímu předání topným zařízením.

Horké geotermální zdroje lze využít přímo tam, kde jsou k dispozici. Voda s úrovní mineralizace do 10 g/l může být dodávána přímo do systému vytápění a ohřevu vody. Při vyšší mineralizaci se jako primární nosič tepla využívá horká geotermální voda, která ohřívá připravovanou vodu přes stěnu výměníku.

V průmyslových budovách a dílnách lze teplo odcházejících ohřátých spalin, páru nebo jiné odpadní teplo využít k ohřevu napájecího nebo napájecího okruhu zařízení na výrobu tepla. pomocí speciálních výměníků tepla – ekonomizéry-utilizátory.