Post on 09-Feb-2022
Stredná odborná škola polytechnická, Ul. Falešníka 6 971 01 PRIEVIDZA
ZÁVEREČNÁ PRÁCA K PRAKTICKEJ ČASTI MATURITNEJ SKÚŠKY
Rok: 2009/2010 Meno Priezvisko
Názov témy :
Fúzny reaktor
Študijný odbor : 2675 4 ELEKTROTECHNIKA
Zameranie : 02 výroba a prevádzka strojov a zariadení
Čestné prehlásenie : Čestne prehlasujem, že som odbornú prácu vypracoval samostatne s použitím uvedenej literatúry v zozname.
Stredné odborná škola polytechnická, Falešníka 6 971 01 P R I E V I D Z A
Trieda: II.NE Školský rok: 2009/ 2010 Forma štúdia: denná / nadstavbová
Študijný odbor: 26 754 ELEKTROTECHNIKA Zameranie: 02 výroba a prevádzka strojov a zariadení Názov témy č. 12:
Fúzny reaktor
Cieľ odbornej práce: objasniť význam nových zdrojov elektrickej energie, vysvetliť činnosť fúzneho reaktora . Úlohy:
1. vysvetlite pojem energetická kríza
2. objasnite význam nových spôsobov výroby elektrickej energie
3. popíšte činnosť a vyhotovenie fúzneho reaktora
4. porovnajte vlastnosti jednotlivých druhov alternatívnych zdrojov elektrickej
energie
Rozsah a spôsob dokumentácie: 7 – 20 strán textu spracovaného v Microsoft Word a Excel Literatúra: učebnice, odborná literatúra, časopisy, firemné katalógy, internet. Riešitelia: Michal Vavro
Vypracoval:...............................................
OBSAH 1. Energetická kríza.........................................................................................................1 2. Význam nových spôsobov výroby elektrickej energie................................................2 2.1 Starostlivosť o životné prostredie................................................................................3 3. Fúzny reaktor............................................................................................................. 4 3.1 Princíp činnosti a vyhotovenie....................................................................................5 3.2 Tokamak....................... .............................................................................................7 3.3 Výskumné reaktory.....................................................................................................8 4. Alternatívne zdroje el. energie....................................................................................9 4.1 Slnečná energia..........................................................................................................10 4.2 Biomasa.....................................................................................................................11 4.2.1 Biomasa ako palivo...................................................................................................12 4.2.2 Spaľovanie.................................................................................................................13 4.3 Veterná energia..........................................................................................................14 4.3 Veterná energia..........................................................................................................15 4.4 Vodná energia ...........................................................................................................16 4.4.1 Využitie vodnej energie.............................................................................................17 4.4.2 Ekológia.....................................................................................................................18 4.5 Energia oceánov a morí.............................................................................................19 4.5.1 Energia prílivu...........................................................................................................20 4.5.2 Energia morských vĺn................................................................................................21 4.5.3 Termálna energia oceánov.........................................................................................22 4.6 Geotermálna energia..................................................................................................23 5. Záver..........................................................................................................................24
1
1. ENERGETICKÁ KRÍZA
Vyspelý svet potrebuje obrovské množstvo energie nielen na zabezpečovanie tepla, svetla,
osobnej a nákladnej dopravy, ale aj na pohon rozličných zariadení a podporu
poľnohospodárstva. Máme však dostatočné energetické zdroje?
Predpokladá sa, že pri súčasnej spotrebe energie sa zásoby ropy vyčerpajú v priebehu 30
rokov. Zásoby uhlia vydržia len na 170 rokov a zemného plynu do roku 2060. Geológovia
stále hľadajú nové náleziská, takže svetová zásoba surovín môže byť obnovená. Najnovšia
metóda zisťovania nálezísk ropy a zemného plynu je pomocou družíc.
Je pravdepodobné, že je veľa nálezísk, ktoré geológovia ešte len musia objaviť.
Okrem toho stúpajúca spotreba energie nepriaznivo ovplyvňuje životné prostredie.
Spaľovanie veľkého objemu uhlia silne znečisťuje ovzdušie a spôsobuje globálne
otepľovanie. Ľudia stále potrebujú fosílne palivá, pretože spotreba energie na svete je veľmi
veľká.
2.VÝZNAM NOVÝCH SPÔSOBOV VÝROBY ELEKTRICKEJ
ENERGIE
Energiu považujeme za samozrejmosť. Nedostatok paliva a výpadky elektriny sú zriedkavé,
ale z času na čas nám pripomenú, že sme závislí od energie v doprave, pri vykurovaní našich
domovov v zime, pri ich ochladzovaní v lete, pri práci v závodoch, na farmách a v úradoch.
Väčšina zdrojov energie je však vyčerpateľná. Navyše, využívanie energie sa často spája so
znečisťovaním. Trvalá udržateľnosť stavu životného prostredia a potreba maximalizovať
bezpečnosť dodávok energie a udržania konkurencieschopnosti na svetových trhoch pri
rastúcich cenách vzácnych tradičných palív znamená využívanie menšieho množstva
fosílnych palív, ich rozumnejšie využívanie a hľadanie náhradných palív.
Približne 80 % energie, ktorá sa v EÚ spotrebuje, pochádza z fosílnych palív – ropy, zemného
plynu a uhlia. Významná a ešte stále veľká časť týchto palív pochádza z krajín mimo EÚ.
Závislosť na dovoze ropy a plynu, ktorá v súčasnosti predstavuje 50 %, by sa mohla do roku
2030 zvýšiť na 70 %. To spôsobí zvýšenie zraniteľnosti EÚ pri poklese dodávok alebo
2
zvyšovaní cien. EÚ musí znížiť spotrebu fosílnych palív aj z dôvodu zastavenia globálneho
otepľovania. Okrem toho je potrebné zlepšiť energetickú infraštruktúru EÚ: v rámci
nasledujúcich 20 rokov v tejto súvislosti treba 1 trilión eur. Ani toto však nebude stačiť. Skôr
či neskôr sa EÚ bude musieť stať hospodárstvom, ktoré bude v priemysle, doprave a v
domácnostiach využívať menej fosílnych palív, a ktoré bude využívať obnoviteľné zdroje
energie pri výrobe elektrickej
energie, vykurovaní budov, ich
klimatizovaní, či ako palivo v
určitých druhoch automobilov.
Vyžiada si to rázny prechod na
veternú energiu (najmä v
pobrežných oblastiach), energiu z
biomasy, vodnú energiu a
slnečnú energiu a biopalivá z
organických látok. Ďalším
krokom by mohol byť prechod na vodíkové hospodárstvo.
Obr.1 Jadrová elektráreň
2.1 Starostlivosť o životné prostredie
Na účely zastavenia globálneho otepľovania boli stanovené hraničné hodnoty pre množstvo
emisií oxidu uhličitého (CO2), ktoré priemysel EÚ môže vypúšťať do ovzdušia. Spoločnosti,
ktoré prekročia svoje emisné kvóty, si ich môžu kúpiť od iných spoločností, ktoré svoje
emisné kvóty nevyčerpali.
To prispeje k efektívnejšiemu využívaniu energie, zníži emisie znečisťujúcich látok a pomôže
dodržať ciele, ku ktorým sa EÚ zaviazalo v rámci Kjótskeho protokolu o zmene klímy.
Európska komisia navrhla, aby sa tieto pravidlá rozšírili aj na letecké spoločnosti. Nárast
emisií z lietadiel totiž môže znížiť o viac ako štvrtinu zníženie celkových emisií skleníkových
plynov plánované do roku 2012.
3
3. FÚZNY REAKTOR
Jadrová fúzia je proces opačný k jadrovému rozpadu. Dve ľahšie jadrá sa spoja a dohromady
vytvoria jedno väčšie. Táto reakcia je exotermická pre prvky ľahšie než železo (od železa
vyššie je naopak energeticky výhodné štiepenie jadra). Naše Slnko je obrovským reaktorom,
ktorý z vodíka produkuje takouto cestou hélium a ťažšie prvky. Prečo sa teda ešte na Zemi
nepoužíva ?
Odpoveď je jednoduchá - zatiaľ sme nezvládli vyrobiť reaktor, ktorý by to dokázal. Aj keď
nekontrolovaná fúzia je známa v podobe vodíkovej bomby už 50 rokov, zariadenie na výrobu
energie ešte nemáme. Najbližšie k tomuto cieľu sa zatiaľ principiálne dostal TOKAMAK (z
ruštiny TOroidaľnaja KAmera s AKsiaľnym magnitnim polem) - ktorý je taktiež známy už 50
rokov.
3.1 PRINCÍP ČINNOSTI A VYHOTOVENIE
Jadrové reakcie vhodné pre realizáciu termonukleárnych procesov, majú byť silné energické
jadrové premeny s vysokým účinným prierezom už pri pomerne nízkych energiách.
V ideálnom prípade by produkty reakcie mali byt nabité častice. Generácia neutrónov,
s ktorými sa nepočíta pre ďalšie špeciálne využitie, veľmi komplikuje prevádzku zariadenia
a znehodnocuje ju z ekologického hľadiska.
Základné termonukleárne reakcie použiteľné pre realizáciu termonukleárnych zariadení sú
uvedené v tabuľke 1.
Ako vidieť, všetky uvedené reakcie sú
sprevádzané tepelným efektom. Avšak tieto
reakcie sa môžu uskutočniť iba vtedy, ak jadrám,
ktoré sa majú na reakcii zúčastniť, sa dodá energia
potrebná na prekonanie potenciálovej bariéry.
Inými slovami, aby sa jadrá mohli priblížiť na
vzdialenosť, pri ktorej už začnú pôsobiť jadrové
sily, musia prekonať sily coulombovského
odpudzovania medzi kladnými nábojmi.
Obr.2 Schematické znázornenie reakcie deutéria a trícia .
4
Vzdialenosť pôsobenia jadrových síl medzi jadrami je 2.10 -5 m. To znamená, že uvedené
jadrá sa musia priblížiť na vzdialenosť medzi ich stredmi 4.10 -15 m. Pri tejto vzdialenosti
výška potenciálovej bariéry je asi 400 keV. Dodať potrebnú energiu veľkému počtu jadier
uvedených izotopov vodíka možno napr. jeho zohriatím na vysokú teplotu, a to 10 8 až 10 9 K.
Pri takej vysokej teplote, pri akej prebieha jadrová reakcia syntézy, vodík už nemôže
existovať ako neutrálny plyn pozostávajúci z atómov a molekúl, ale iba z jednotlivých
pohybujúcich jadier a elektrónov.
Takýto plyn sa volá vysoko teplotná plazma Palivom fúzneho reaktora by mal byt plyn
deutéria a trícia čo sú izotopy vodíka, reakcia deutérium – trícium (T-D) sa realizuje
najľahšie, pretože má výhodný účinný prierez už pri energiách rádovo desať keV. Deutérium
sa líši od vodíka iba tým, že má v jadre o jeden neutrón viac a teda je o jeden neutrón ťažší.
Deutérium sa nachádza aj voľne v prírode v morskej vode a používa sa pre výrobu ťažkej
vody pre ťažkovodné reaktory. Trícium je však materiál, ktorý sa umele vyrába pri jadrových
procesoch a je rádioaktívny s polčasom rozpadu 12,4 roka a s energiou žiarenia 18 keV. Ako
izotop vodíka sa od vodíka líši tým, že má o dva neutróny viac. Problém s tríciom je vo
fúznom reaktore vyriešený tak, že si ho reaktor sám vyrába. Okrem plynu deutéria a trícia sa
v reaktore nachádza aj lítium v takzvanej plodiacej vrstve. Ak lítium zachytí neutrón premení
sa na a – aktívne lítium, ktoré sa s príslušným polčasom rozpadu rozpadá na a – časticu
a trícium.
Tabuľka 1
Reakcie Q [MeV] E + [MeV]
TD T + D? 4 He (3,52 MeV) + n (14,06MeV) 17,58 3,52
DD D + D?T (1,01MeV) + H (3,03MeV) 4,04 4,04
DD D + D? 3 He (0,82MeV) + n (2,45MeV) 3,27 0,82
3 HeD 3 He + D? 4 He (3,67MeV) + H (14,67MeV) 18,34 18,34
11 BH 11 B + H? 4 He + 4 He + 4 He 8,68 8,68
5
3.2 TOKAMAK
Tokamak je toroidný systém, v ktorom je plazma udržiavaná magnetickým polom.
Magnetické pole slúži na ohraničenie horúcej plazmy a tvorí pre ňu vlastne materiálovú stenu,
je vytvárané kombináciou toroidného poľa a koloidného magnetického poľa. Toroidné
magnetické pole je vytvárané vonkajšími cievkami, poloidné pole je generované prúdom
pretekajúcim plazmou. Tento prúd sa tiež používa na základné zohriatie plazmy.
Princíp tokamaku je pomerne jednoduchý, ale fyzikálne procesy, ktoré v ňom prebiehajú sú
pomerne zložité. Základnou podmienkou makroskopickej stability je, aby toroidné pole bolo
silnejšie ako poloidné magnetické pole. Pre vytvorenie toroidného magnetického pola, ktoré
ohraničuje plazmu sú potrebné veľké cievky ktorými pretekajú veľké prúdy. Cievky
toroidného pola sú väčšinou tvorené sústavou jednozávitových cievok, kde jadro toroidného
systému tvorí nádoba reaktora a v nej plazma.
Poloidné pole slúži zároveň na základné zohriatie plazmy a súčtom s toroidným polom
vytvára špirálovité magnetické pole vo vnútri plazmy. Po siločiarach tohto magnetického pola
sa pohybujú nabité častice plazmy, postupne sa dostávajú do stredu toroidného jadra, kde je
najväčšia intenzita magnetického pola a najväčšia hustota jadier deutéria a trícia, pri
náhodných zrážkach po
prekonaní potenciálovej
bariéry sa spájajú
a vytvárajú ťažšie jadrá
a súčasne uvoľnia
energiu a neutrón.
Obr.3 Principiálna
schéma tokamaku
6
3.3 VÝSKUMNÉ REAKTORY
Výskumné fúzne reaktory sa vo svete stavajú od konca 60 – tych rokov minulého storočia.
Vývojom fúznych reaktorov sa zaoberá takmer každá ekonomicky prosperujúca krajina.
materiálov pre stavbu reaktora. Takéto fúzne reaktory slúžia najmä na skúmanie
vysokoparametrovej plazmy a na vývoj
Obr.4 Fúzny reaktor JET
Doteraz najväčší fúzny reaktor, ktorý bol postavený je projekt JET. Tento projekt bol
financovaný zo zdrojov európskej únie. Tento fúzny reaktor je postavený v Anglicku.
7
Tabuľka 2 Najvýznamnejšie fúzne reaktory
4. ALTERNATÍVNE ZDROJE EL. ENERGIE
4.1 SLNEČNÁ ENERGIA
Slnko je jediným zdrojom energie, na ktorý ba ľudstvo môže plne spoľahnúť . Slnečná
energia nám dokáže poskytnúť všetko ,čo z hľadiska energie potrebujeme a to často veľmi
jednoducho.
Fúzny reaktor krajina Menší
polomer
(m)
Elongation
k
Väčší
polomer
(m)
Plazmový
prúd
I (MA)
Intenzita
magnetického
B (T)
Vstupný
výkon
P(MW )
Dátum
spustenia
ITER 3 Party 2.0 1.75 6.2 15 5.3 73+
JET EU 1.00 1.8 2.96 7.0 3.5 42 1983
JT-6OU JAPAN 0.85 1.6 3.2 4.5 4.4 40 1991
TFTR USA 0.85 1.0 2.50 2.7 5.6 40 (1982)
closed
TORE-
SUPRA
FRANCE 0.80 1.0 2.4 2.0 4.2 22 1988
T-15 RUSSIA 0.70 1.0 2.4 2.0 4.0 - 1989
DIII-D USA 0.67 2.5 1.67 3.0 2.1 22 1986
ASDEX-U GERMANY 0.5 1.7 1.67 1.4 3.5 16 1991
TEXTOR-94 GERMANY 0.46 1 1.75 0.8 2.6 8 1994
FT-U ITALY 0.31 1.0 0.92 1.2 7.5 - 1988
TCV SWITZERLAND 0.24 3.0 0.875 1.2 1.43 4.5 1992
C-MOD USA 0.22 1.8 0.67 1.5 8.07 4.5 1992
MAST UK 0.5 3 0.7 2 0.63 6.5 1999
NSTX USA 0.67 1.9 0.85 1.0 0.6 11.5 1999
8
Obr.2 Využitie slnečnej energie v domácnosti
SLNKO JE ZÁKLAD
Slnko je obrovská jadrová pec vyžarujúca svoju energiu do vesmíru. Jedna tisícina milióntiny
slnečného výkonu t.j. cca 400 000 000 000 000 000 000 MW dopadá na Zem . Približne 30
percent tejto energie sa odráža spať do vesmíru. Zvyšok je absorbovaný atmosférou , pôdou a
oceánmi.
Ľudia od nepamäti využívali slnečné žiarenie na ohrev vody v nádobách. Začiatky
experimentálneho využívania absorpcie slnečnej energie spadajú do 17. storočia, kedy sa v
Severnej Európe rozšírili sklenníky na pestovanie tropických rastlín. O dvesto rokov neskôr
sa objavil prvý komerčný "slnečný produkt" - ohrievač vody v USA. Obrovsky rozmach
slnečných aplikácii nastal po ropnej kríze v roku 1973 - za sedemnásť rokov sa len v USA
zvýšil obrat firiem ponúkajúcich slnečné kolektory, fotovoltaicke články alebo solárne
termálne elektrárne z dvoch miliónov na 200 miliónov dolárov.
Rozlišujeme tri základne spôsoby využitia slnečnej energie :
Pasívna slnečná architektúra , kde tvar a výstavba budov je navrhnutá tak, aby dopadajúce
žiarenie, jeho skladovanie a distribúcia po budove dosiahla maximálneho efektu.
9
Aktívne slnečné systémy - kolektory - na zohrievanie vody a vykurovanie priestorov resp.
parabolické zrkadla a iné systémy koncentrujúce slnečné žiarenie .
Obr.5 Slnečný kolektor
Heliostar H400 V
4.2 BIOMASA
Biomasa je zakonzervovaná slnečná energia. Ľudstvo využíva slnečnú energiu vo forme
biomasy na získavanie tepla resp. na varenie už od čias objavenia ohňa.
Obr.6 Kolobeh CO2 v prírode
Fotosyntéza ako základný proces ,
ktorým rastliny premieňajú
slnečnú energiu na organickú hmotu , nám poskytuje možnosť využiť tuto energiu bez
vysokých nákladov na jej získanie a skladovanie . Kolektormi sú v tomto prípade listy rastlín ,
ktoré v porovnaní so slnečnými kolektormi sú nepomerne lacnejšie vypestovateľné, rastlina
samotná navyše pôsobí ako zásobáreň energie.
10
4.2.1 BIOMASA AKO PALIVO
Biomasa zaisťuje jednu sedminu spotrebovávanej energie vo svete.V rozvojových krajinách
sa tato hodnota pohybuje od 40% do 90 %. Je to hlavný palivový zdroj takmer polovice
celosvetovej populácie.
Biomasa je však dôležitým zdrojom energie aj v rozvinutých krajinách . V USA biomasa
pokrýva viac ako 4 % spotreby primárnej energie (teplo, elektrina, kvapalne paliva a i.) - je to
približne toľko energie koľko sa jej vyrába v jadrových elektrárňach. V Kanade predstavuje
podiel biomasy na energetickej bilancii krajiny 8 % a vo Švédsku 14 % .
Celosvetové zásoby biomasy sú obrovské : celkove množstvo energie vytvorenej
fotosyntézou vo forme biomasy každý rok je desaťkrát väčšie ako je celosvetová spotreba
energie.
Biomasa , vzhľadom na svoju dostupnosť a možnosť využitia nových technológií , sa z
hospodárskeho i energetický - politického hľadiska ukazuje ako najdôležitejší a v našich
podmienkach najperspektívnejší obnoviteľný zdroj energie.
Ako zdroje prichádzajú do úvahy nasledujúce biogénne suroviny :
• drevo a drevený odpad
• odpady z poľnohospodárskej produkcie (slama)
• organické odpady z domácnosti a živočíšnej výroby (hnoj)
• energetické kultúry ( rastliny s vysokým energetickým obsahom, repka na výrobu
oleja, rastliny s vysokým obsahom cukru na výrobu alkoholu a i.)
4.2.2 SPAĽOVANIE
Technológia priameho spaľovania je dobre rozpracovaná, široko používaná a komerčne
dostupná. Spaľovacie zariadenia zahrňujú rôzne systémy, pre ktoré ako palivo slúži tak
kuchynsky odpad ako baly slamy alebo vetvy stromov. Najmodernejšie postupy využívané v
súčasnosti umožňujú kombinovanú výrobu tepla a elektriny pre priemyselne alebo komunálne
účely.Elektrárne so splyňovaním biomasy pozostávajú z nasledujúcich komponentov:
11
• Zariadenie na prípravu a dopravu paliva
• Splyňovacia reaktorová nádoba
• Čistička plynov a zmiešavací systém
• Turbína resp. spaľovací motor.
4.3 VETERNÁ ENERGIA
Energia vetra ma tiež svoj pôvod v slnečnej aktivite. Zohrievaním vzduchu a jeho následným
stúpaním do výšky dochádza k prúdeniu vzdušnej masy (vietor) okolo Zeme. Tato energia sa
dá využiť na pohon veterných agregátov . Pred objavením parného stroja bol vietor jedným z
dôležitých zdrojov mechanickej energie - spomenúť možno veterne mlyny a plachetnice.
4.3 VETERNÁ ENERGIA
V niektorých prímorských oblastiach vďaka
dobrým poveternostným podmienkam
pokrývajú veterne elektrárne až 40 %
výroby elektriny ako je tomu napr. v
Dánskom regióne Jutland.
Obr.7 Veterná elektráreň
V samotnom Dánsku je inštalovaných viac ako 3 000 veterných elektrárni ,ktoré vyrábajú 3 %
elektriny produkovanej v tejto krajine. Prakticky cely inštalovaný výkon 450 MW bol
zabezpečený nezávislými súkromnými výrobcami na baze tzv. konzumentských družstiev.
Vytváranie družstiev , pozostávajúcich z 10-100 rodín, umožňuje investovať do
najekonomickejších veterných elektrárni s výkonom 150-250 kW. V súčasnosti je v Dánsku
viac ako 100 000 rodín zapojených do takéhoto typu podnikania. Elektrina vyrábaná týmito
družstvami je predávaná elektrárenským spoločnostiam.
12
Typická 250 kW turbína stoji 200 000 USD (cca 6 mil. Sk) a na vhodnom mieste vyrobí v
priemere 500 000 kWh za rok pri cene 0,08 USD/kWh (cca 1,5 Sk/kWh), pričom sa očakáva
pokles tejto ceny v polovici 90-tych rokoch v priemere na 0,04 USD/kWh ( 0,90 Sk/kWh ) .
Ďalšie zníženie cien závisí na masovej výrobe a použití týchto zariadení. Vzhľadom na to,
že značný záujem o výstavbu veterných elektrárni viedol k vzrastu cien výhodné položených
pozemkov, sme dnes svedkami výstavby týchto zariadení i na otvorenom mori (plytčiny).
Prvá švédska elektráreň umiestnená severo-východne od Malmo na otvorenom mori (250
metrov od pobrežia) ma výkon 220 kW a priemer rotora 28 metrov. Celkove je vo svete
inštalovaných viac ako 20 000 veterných elektrárni s výkonom 2 000 MW.
4.4 VODNÁ ENERGIA
Slnečné žiarenie spôsobuje odparovanie vody z oceánov, mori , jazier , riek a potokov. Vodne
pary sa presúvajú nad zemským povrchom a ich ochladzovanie vedie ku kondenzácii a
zrážkam. Kolobeh vody v prírode umožňuje ľuďom využívať energiu vodných tokov na
konanie mechanickej prace resp. na pohon turbín vo vodných elektrárňach a vyrábať tak
elektrickú energiu.
4.4.1 VYUŽITIE VODNEJ ENERGIE
Vodná energia sa dnes vo svete podieľa jednou patinou na výrobe elektriny , čo je viac ako sa
získava pri výrobe v jadrových elektrárňach . Dnešné vodne elektrárne zahrňujú veľké vodne
elektrárne vrátané akumulačných zariadení, malé vodné elektrárne a veľmi malé tzv.
mikrozdroje.Vodné turbíny môžu premeniť až 90 % dostupnej energie na užitočný výkon a
patria medzi najspoľahlivejšie a najdlhšie pracujúce elektrárne. Dobre udržované zariadenie
môže slúžiť 50 i viac rokov.
4.4.2 EKOLÓGIA
Hoci vodné elektrárne neznečisťujú okolie emisiami,neprodukujú žiaden odpad a
nespotrebovávajú žiadne surovinové zdroje, nie sú celkom neutrálne k životnému prostrediu.
Veľké vodne diela predstavujú i veľký zásah do riečnej ekológie napr. v dôsledku regulácie
vodnej hladiny, kanalizácii, spevňovania brehov, spomaľovania rýchlosti tokov a iných
faktorov . Vodne elektrárne nemôžu byt budovane v chránených prírodných územiach a mali
13
by zaručovať i pre prirodzených obyvateľov riek možnosť nerušeného vývoja. Je zrejmé,že
veľké vodne diela z tohto pohľadu je len ťažko možno považovať za ekologické .
Obr.8 Kolobeh vody v prírode
4.5 ENERGIA OCEÁNOV A MORÍ
4.5.1 ENERGIA PRÍLIVU
Príliv sa vytvára v dôsledku gravitačnej príťažlivosti mesiaca a slnka na oceány rotujúcej
Zeme. Relatívny pohyb týchto telies spôsobuje , že hladina oceánov sa periodicky zdvíha a
klesá.
Energia prílivu je jedna z najstarších foriem energie, ktorú ľudstvo využíva. Existujú dôkazy
o tom , že na pobreží Veľkej Británie existovali už 1100 rokov pred Kristom mlyny
využívajúce energiu morského prílivu a odlivu. Ešte pred necelými sto rokmi bolo na
britských ostrovoch v prevádzke viac ako
100 takýchto mlynov. Staré "prílivové"
mlyny boli pozoruhodne jednoduché : počas
prílivu sa cez otvory vo vybudovanej hrádzi
naplnil rezervoár vodou . Voda v tomto
bazéne zostala až do odlivu , kedy odtekala
otvorom v stavidle do mora
poháňajúc pri tom vodne kolo.
Obr.9 Prílivová vodná elektráreň v ústí francúzskej rieky La Rance
14
Moderne zariadenia využívajúce energiu palivu na výrobu elektriny pozostávajú z priehrady
umiestnenej v zálive a - podobne ako u starých mlynov - sú vybavene otvormi prepúšťajúcimi
vodu. V priehradnom mure sú na rozdiel od starých mlynov umiestnene turbíny a v prípade
nutnosti aj plavebne komory pre lode. Takéto elektrárne je ekonomicky výhodné budovať
tam, kde rozdiel výšky hladín medzi prílivom a odlivom je väčší ako 4 metre .
4.5.2 ENERGIA MORSKÝCH VĹN
Morské vlny , ktoré vznikajú pôsobením vetrov na morskú hladinu, v sebe nesú značné
množstvo energie. Tato energia je úmerná množstvu vody vo vlnách a ich rýchlosti. Energia ,
ktorú vetry odovzdajú moriam závisí na rýchlosti vetra, ploche na ktorú vietor pôsobí a čaše
trvania. Rýchlosť závisí na vlnovej dĺžke - čím väčšia vlnová dĺžka, tým väčšia rýchlosť.
Tento jav sa prejavuje v hurikánoch , kedy sa dlhé vlny pohybujú rýchlejšie ako búrka,
pričom obrovská vlna často predchádza prichádzajúci hurikán . Vetry fúkajúce nad
Atlantickým a Tichým oceánom vytvárajú vlny až desiatky metrov vysoké so vzdialenosťou
medzi vrcholmi dosahujúcou až 100 metrov. V takýchto vodných masách je skoncentrovane
obrovské množstvo energie. Najvhodnejšími miestami na využitie tejto energie sú zapadne
pobrežie Európy, pobrežia USA , Nového Zélandu a Japonska.
Obr.10 Zariadenie vyrábajúce el. energiu
z morských vĺn
Premena energie morských vĺn na elektrickú energiu nie je jednoduchá. Súvisí to s nízkou
frekvenciou vĺn (asi 0.1 Hertza), ktorá musí byt zvýšená na rotačnú rýchlosť v bežných
elektrárňach - asi 1500 otáčok za minútu.
15
Existuje značný počet zariadení premieňajúcich energiu vĺn na elektrinu. Pozornosť sa v
minulosti sústredila na veľké zariadenia ukotvene niekoľko kilometrov od pobrežia. Takéto
elektrárne, nakoľko sú veľmi nízke, však môžu predstavovať značné nebezpečenstvo pre lode
, pre ktoré sú často neviditeľné. Ďalšie výskumy okrem iného ukázali, že tieto zariadenia by
nemohli ekonomicky súťažiť s konvenčnými elektrárňami, a preto sa dnes pozornosť
sústreďuje na menšie jednotky vybudovane na morskom pobreží. Perspektývy využitia tejto
energie, i napriek značnému potenciálu, sú pre najbližšie desaťročie veľmi slabé.
4.5.3 TERMÁLNA ENERGIA OCEÁNOV
Nakoľko vody na povrchu sú zohrievane slnkom existuje v tropických a subtropických
moriach teplotný rozdiel medzi vodou na povrchu a v hĺbke. Tento rozdiel v hĺbke 1000
metrov môže predstavovať viac ako 5 stupňov Celzia . Využitie tohto rozdielu teplôt sa dá
chápať ako ďalšia aplikácia využitia slnečnej energie. Na rozdiel od klasických solárnych
technológii tento zdroj môže poskytovať energiu 24 hodín denne.
Finančné náklady , technologická náročnosť a spoľahlivosť však značne obmedzujú využitie
tohto zdroja, ktorého potenciál je sto násobne väčší ako potenciál veternej energie, energie
prílivu alebo energie vĺn.
Podstata využitia termálnej energie oceánov a jej premena na elektrickú energiu, je v čerpaní
veľkého množstva teplej povrchovej vody cez výparník, v ktorom sa odparuje čpavok ako
pracovne médium. Kondenzátor využíva chladnu morskú vodu z hlbín. Vzniknutá para potom
pohana turbínu. Na pohon 100 MW elektrárne je potrebne prečerpať cez výmenníky tepla až
450 m3 teplej a chladnej vody za sekundu.
Prvá elektráreň takéhoto typu bola postavená v roku 1930 v Matanzas Bay na Kube.
Zariadenie s výkonom 22 kW vyrábalo elektrinu dva týždne. Po tejto krátkej prevádzke bolo
zničené hurikánom. V súčasnosti prebieha vývoj vhodných technológii hlavne v Japonsku,
Švédsku, Francúzsku a USA. Pokiaľ by výsledky testov boli uspokojivé , dá sa s komerčným
využívaním tohto zdroja počítať v rokoch 2010 až 2020.
16
4.6 GEOTERMÁLNA ENERGIA
Geotermálna energia ma pôvod v horúcom jadre Zeme , z ktorého unika teplo cez vulkanické
pukliny v horninách vo forme tekutej hmoty - magmy. Na niektorých miestach sa jej účinky
prejavujú aj na povrchu - zo zeme stúpajú stĺpy horúcej pary alebo tryskajúce vriace gejzíry.
Tento jav je častý najmä na Islande, v USA a na Novom Zélande.
Obr.11 Geotermálna elektráreň v USA
V 10 km vrstve zemského obalu, ktorá je dostupná súčasnej vŕtacej technike, sa nachádza
dostatok energie na pokrytie nasej spotreby tepla na obdobie niekoľko sto až tisíc rokov.
Problém spočíva v tom, ako z tohto zdroja
ekonomicky ťažiť.
Teplo postupuje zo žeravého zemského
jadra smerom k povrchu. Teplotný
gradient sa pohybuje od 20 do 40 stupňov
Celzia na vertikálny kilometer s miestnymi
maximami (geotermálne pramene). V
hĺbke zhruba 2500 metrov sa však často
nachádza voda tepla až 200 stupňov
Obr.12 Teplota Zeme
17
Nevýhodou, ktorá bráni širšiemu využívaniu geotermálnej energie je, že voda obsahuje veľké
množstvo soli , a preto sa nemôže priamo viest vodovodnými potrubiami a využívať ako zdroj
pitnej vody. Nemožno ju použiť ani v systéme diaľkového vykurovania. Soľ by rozožrala
vodovodne rúry aj vykurovacie telesa. Využívanie geotermálnej energie na ohrev vody sa
preto nezaobíde bez použitia výmenníkov. Geotermálna energia sa veľmi často využíva na
výrobu elektrickej energie. Za posledne desaťročie vzrástol inštalovaný elektricky výkon v
geotermálnych elektrárňach z 2 000 MW na 5 830 MW z toho v USA je inštalovaných 1 038
MW, v Taliansku 500 MW ( 1,5 % výroby elektriny v krajine) . Potenciál tohto zdroja len v
Taliansku dosahuje 5000 MW , čo odpovedá výkonu 5 atómových elektrárni.
Inštalovaný výkon geotermálneho vykurovania , ktoré je najčastejším spôsobom využitia tejto
energie, dosiahol na Islande 1096 MW. Vo Francúzsku je viac ako 200 000 domácností
zásobovaných teplom z geotermálnych zdrojov.
5. Záver
Pre dlhodobé zabezpečenie potrieb energie je nevyhnutné zabezpečiť dostatok a rozmanitosť
energetických zdrojov, ku ktorým patria predovšetkým fosílne palivá, ale aj obnoviteľné
zdroje.Tieto by mali mať významné postavenie v energetike nasledujúce storočie.
Jednou z ciest je technológia jadrovej fúzie. Teoreticky je jej princíp známy už 50 rokov,
zatiaľ sa však nepodarilo postaviť energeticky ziskový fúzny reaktor. Pre jednotlivé štáty je
vývoj podobného zariadenia veľké sústo, navyše vedecká veľmoc USA so silnou naftárskou
lobby nemá na tomto vývoji markantný záujem.
Energia je vec, na ktorej sme sa stali všetci totálne závislí. Najmocnejší štát planéty dováža
lacnú ropu z arabských štátov, navyše má vlastné zásoby. Až ropa dôjde, začnú sa diať
zaujímavé veci. Dúfajme, že mocní tohto sveta si to uvedomujú a naše autá budú vtedy už
dávno jazdiť na vodíkové palivové články dobíjané z fúznych elektrární.