Tento web obsahuje aplikace Google Adsense a Google analytics, které využívají data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokie lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.

7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady

Autor: Jiří Škorpík, skorpik.jiri@email.cz

Fosilní paliva jsou zbytky prehistorické organické hmoty, vyskytují se v pevných, kapalných i plynných formách, obsahují velké množství uhlíku a vodíku, které nejsou chemicky vázány na jiné prvky, a proto mají poměrně velkou výhřevnost. Využívají se převážně jako zdroj energie uvolňované při spalování ve spalovacích motorech a v kotlích (před spalováním předchází úprava surového fosilního paliva). Jedná se také o významnou výchozí surovinu pro výrobu syntetických materiálů a chemických látek například plastů, asfaltu a dokonce i léků.

Za jeden rok (2005) spotřebuje lidská civilizace takové množství fosilních paliv, jaké se tvořilo po dobu 2 miliónů let. Bez fosilních paliv by energie byla mnohem dražší a méně dostupná a dnešní svět by zcela jistě vypadal jinak, než jak jej známe dnes (především z pohledu ceny a množství úsilí vynakládané na získávaní energie pro uspokojování lidských potřeb). Pokud by jen ČR chtěla nahradit fosilní paliva například vodíkem vyráběný elektrolýzou v jaderných elektrárnách potřebovali bychom cca 47 temelínských bloků.

Vznik uhlí

Uhlí jsou zuhelnatělé zbytky převážně suchozemských rostlin. Větší část uhlí pochází z období karbonu, kdy byly pro vznik uhlí velice příhodné podmínky, kterými jsou kombinace velkých přírodních katastrof a horotvorná činnost. K útlumu vzniku uhelných ložisek v následujících epochách země došlo v důsledku úbytku přírodních katastrof vlivem stabilizace klimatu a ústupu horotvorné činnosti:

Přírodní katastrofa v období karbonu. 1.1117 Přírodní katastrofa v období karbonu.
Obrázek: Zdeněk Burian 1967.

Podstata tvorby fosilních paliv spočívá v odříznutí odumřelé biomasy od vzduchu (například zakrytí vrstvou bahna o tloušťce přibližně 50 cm). Nejdříve probíhá biologický rozklad biomasy pomocí bakterií. V další fázi vzniku uhlí je nutný termický rozklad při vysokém tlaku, který může být způsoben poklesem vznikajícího ložiska do větších hloubek způsobený horotvornou činností v dané lokalitě. Během uhelnatění biomasy vznikají různé plyny (CH4, CO2) a voda, které v ložisku částečně zůstávají.

● 1 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●
Výřez z časové osy Země zachycující období vzniku uhlí.
2.433 Výřez z časové osy Země zachycující období vzniku uhlí.
PAL. Paleogén; NE. Neogén; KENOZ. Kenozoikum. Přibližně 56 % uhlí pochází z období Karbonu a Permu. 30 % z období Jury a Křídy. 14 % uhlí pochází z období Paleogénu a Neogénu.

Vznik uhlí je časově náročný a jednotlivé meziprodukty vzniku uhlí lze rozdělit na rašelinu(1)lignit(2)hnědé uhlíčerné uhlí(3)antracit:

(1)Rašelina
Rašelina vzniká rozkladem biomasy pomocí aerobních bakterií, a po poklesu do hloubek několika metrů anaerobních bakterií. V této fázi unikne do okolí i většina prchavých látek obsažených v biomase. Rašelina svou strukturou stále připomíná tvary původního materiálu.
(2)Lignit a hnědé uhlí
Vzniká z ložiska rašeliny. Pro vznik hnědého uhlí je nutný významnější pokles ložiska biomasy (kombinací nahromaděných dalších vrstev biomasy nad původní a poklesu podloží ložiska do větší hloubky). Za takových podmínek se zvyšoval tlak původní usazené vrstvy biomasy, a teplota přibližně na 150200 °C. Přechodovou fází mezi rašelinou a hnědým uhlím je lignit, který obsahuje ještě větší množství vody než čistě hnědé uhlí. Ložisko lignitu a hnědého uhlí mají již charakter měkké horniny, ale lze v nich rozeznat otisky tvarů původního materiálu.
(3)Černé uhlí a antracit
Pokud pokles ložiska hnědého uhlí postupoval dále do větších hloubek až se teplota ložiska pohybovala mezi 300500 °C a tlak byl dostatečný na to, aby uhlí prouhelnatělo ještě více, vzniklo černé uhlí. Jestliže podíl uhlíku v ložisku je větší jak 92 %, tak takové uhlí nazýváme antracit. V extrémních případech vysokých tlaků po dlouhou dobu v některých ložiscích antracitu došlo k regionální metamorfóze, kdy se organická hmota přeměnila na grafit [18]. Ložiska černého uhlí připomínají horninu a nelze v nich rozeznat stopy tvarů a otisky původního materiálu.

Výsledná hloubka ložiska uhlí se může občas lišit pokračující horotvornou činností v dané lokalitě. Například opětovným zdvižením ložiska nebo poklesem. Proto se například některá ložiska hnědého uhlí a lignitu mohou nacházet hlouběji, než některá ložiska černého uhlí.

Rozdíly mezi jednotlivými typy uhlí jsou dány jejich složením:

● 2 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●
     C      H      O      N      S      A      w      
------------------------------------------------------
(a)  63,6   2,3    4,8    0,7    0,4    20,2   8    %
(b)  44,7   3,5    11,3   0,5    1      10     29   %
3.1118 Prvkové složení uhlí v procentech hmotnostního podílu.
(a) černé uhlí – důl Dukla s výhřevností 27,3 MJ·kg-1; (b) hnědé uhlí – Mostecko 18,7 MJ·kg-1 (na hnědé uhlí velmi dobrá výhřevnost obvykle 1015 MJ·kg-1). C uhlík; H vodík; O kyslík; N dusík; S síra; A popelovina; W voda. Porovnejte s prvkovým složením rostlinné biomasy(4), která byla původním materiálem. Obvyklé výhřevnosti některých paliv včetně uhlí jsou uvedeny například v [2]. Zdroj dat pro tabulku [2].
(4)Poznámka
Porovnáním tabulek složení uhlí a složení rostlinné biomasy lze sledovat jak se měnilo prvkové složení ložiska na časové ose rozkladu.
Z kolika km2 se sklidí stejná energie obsažená v biomase (obilná sláma) a na jakou plochu dopadne za rok stejné množství sluneční energie, která byla obsažena ve veškerém uhlí vytěženém v ČR v roce 2005? Víme, že v roce 2005 se v ČR vytěžilo množství uhlí v energetickém objemu 790 883 709 GJ. Víme také, že energetický výnos biomasy určená z její výhřevnosti je 63 GJ·ha-1 a průměrná sluneční energie dopadající na 1 m2 plochy v našich geografických šířkách je 1000 kWh·rok-1. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 175.
Úloha 1.175

Ložiska uhlí v ČR

Výskyt uhelných ložisek na území ČR je patrný z mapy:

Geografické rozmístění hnědouhelných ložisek v ČR.
4.1119 Geografické rozmístění hnědouhelných ložisek v ČR [3].
Hnědé uhlí: 1 severočeská hnědouhelná pánev; 2 sokolovská pánev; 3 chebská pánev; 4 žitavská pánev; 5 ložisko Uhelná; 6 výskyty křídového uhlí v okolí Moravské Třebové; 7 jihomoravská lignitová pánev; 8 jihočeské pánve. Černé uhlí: Hornoslezká pánev, Kladenská pánev, Oslavanská pánev (vytěžena).

Uhlí jako palivo pro ohniště bylo člověkem využíváno pravděpodobně již před 3 000 lety. V té době se ale účelově netěžilo a využívaly se uhelné pánve vyvěrající na povrch země (což byly i některé lokality severní Moravy).

Uhlí se v ČR těží, jak v povrchových dolech, tak v dolech hlubinných (i v kilometrových hloubkách ve formě hloubení tunelů). Hlubinná těžba uhlí u nás probíhá (2006) na Ostravsku, ale většina uhlí u nás se těží v povrchových dolech:

● 3 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●
Těžba uhlí v ČR.
5.1120 Těžba uhlí v ČR.
vlevo Těžba hnědého uhlí v mosteckém revíru – Mostecká uhelná společnost [4]; vpravo spotřeba uhlí v ČR [5] v jednotlivých letech. t [t] vytěžené množství. Rypadla pro povrchovou těžbu hnědého uhlí dosahují výkonů až 10 000 m3·hod-1 vytěžené hmoty(5). V roce 2005 se v ČR vytěžilo 9 099 284 tun černého uhlí a 45 234 890 tun hnědého uhlí.
(5)Poznámka
Vytěžená hmota neobsahuje pouze uhlí, ale i příměsi, které byly společně s biomasou v pánvi uvězněny, proto se vytěžená hmota musí před distribucí k odběratelům uhlí vytřídit. Například u severočeských povrchových ložiscích se musí vytěžit cca 4 až 7 m3 hmoty na jednu tunu uhlí. Tomuto poměru se říká skrývkový poměr [m3·t-1].

Největším spotřebitelem uhlí je elektroenergetika a průmysl. Některé uhelné elektrárny (viz níže) jsou postaveny přímo v bezprostřední blízkosti ložiska uhlí, a uhlí se dopravuje na dopravních pásech z dolu přímo do areálu elektrárny. Na větší vzdálenosti se dopravuje vlakem, což vyžaduje obvykle posílenou železniční infrastrukturu v okolí elektrárny a speciální vykládkové zařízení schopné vyložit například i zamrzlé uhlí ve vagónech. Uhlí se dopravuje i říčními cestami (například takto je zásobena elektrárna Mělník). Světový obchod s uhlím využívá i námořních cest.

Spalování uhlí v uhelných elektrárnách

Uhlí se využívá k výrobě elektrické energie a tepla nejčastěji pomocí parního oběhu, kde je uhlí zdrojem tepla uvolňovaného při jeho spalování v ohništi parního kotle:

Areál uhlené elektrárny. 6.684 Areál uhelné elektrárny.
Elektrárna Dětmarovice – foto [1]. 1 skládka paliva a homogenizace paliva; 2 kotelny (granulační kotle s účinností 91 % [17]); 3 strojovny; 4 chladící věže; ηe,pr [-] čistá účinnost bloku tepelné elektrárny(6) (na prahu elektrárny) – definice [2, s. 517]; Ppr [W] elektrický výkon na prahu elektrárny; m·pv [kg·s-1] spotřeba paliva; Qir [J kg-1] výhřevnost paliva. Elektrárna obsahuje 4xelektrárenský blok 200 MW Škoda (čtyři nezávislé výrobní okruhy obsahující zařízení k realizaci parního oběhu), tj. jsou zde 4 parní kotle s granulační spalovací komorou [9, s. 84] a čtyři turbosoustrojí s parními turbínami, zdroj [6].
● 4 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●
(6)Čistá účinnost bloku uhelné elektrárny
Čistá účinnost velké uhelné elektrárny v ČR se pohybuje od 30 % do 38 % ve světě i více.

Uhlí se nejdříve na skládce homogenizuje, to znamená, že se mísí jednotlivé dodávky mezi sebou, aby byla zajištěna stálá kvalita uhlí kvůli stabilnímu spalovacímu procesu a složení spalin. Výkony uhelných kotlů v elektrárnách jsou i větší jak 1 MW a dosahují výšky i několika desítek metrů. Kotle na uhlí se od kotlů na biomasu velmi odlišují, to je především dáno spalovacím procesem, protože uhlí neobsahuje tolik vody jako biomasa a má velmi nízký prchavý podíl (zvláště černé uhlí už prakticky neobsahuje žádný prchavý podíl a hoří už jen uhlík). Na druhou stranu uhlí má daleko větší obsah popelovin a škodlivých látek než biomasa, a tak kotle na uhlí bývají vybaveny odprášením spalin a odlučovači škodlivých emisí, které se při spalovacím nebo těsně po spalovacím procesu musí ze spalin odstranit. Více o typech kotlů na spalování uhlí např. v [9], [7], .

Při výpočtu spalování se postupuje stejně jako při výpočtu spalování biomasy uvedené například v [19], pouze složení paliva se liší.

Vypočítejte teplotu nechlazeného plamene při hoření černého uhlí. Předpokládejte stechiometrické spalování suchého vzduchu (α=1). Množství a složení spalin (viz tabulka), Množství vzduchu potřebného ke spálení 1 kg paliva je 6,1077 m3n·kg-1pal. Výhřevnost Qir=27,3 MJ·kg-1pal. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 689.
Úloha 2.689
Hmotnostní složení černého uhlí            Prvkový rozbor vzduchu
-------------------------------            ----------------------
prvek     kg/kg                            prvek     m3n/m3n     
ωC        0,636                            ωN2       0,7805      
ωH        0,023                            ωO2       0,21        
ωO        0,048                            ωAr       0,0092      
ωN        0,007                            ωCO2      0,0003      
ωS        0,004                                                  
ωH2O      0,08                                                   
ωA        0,202                                                  
Tabulka k Úloze 2.

V uhelných elektrárnách se v ČR vyrábí více jak 60 % elektřiny. Uhelné elektrárny jsou většinou vázaný nejen na blízkost uhelného dolu ale i většího zdroje vody (řeka nebo přehrada) pro chlazení.

Ropa

Tekuté či polotekuté živičné usazeniny byly využívány jako stavební materiály, zdroje světla či farmaceutické produkty již od středověku a to především v jihovýchodní Asii. Ve větším měřítku se ropa a její produkty začaly používat v Americe v průběhu 19. století, díky zahájení hlubinné těžby ropy v roce 1859 [20, s. 180]. Po vytěžení se ropa dále zpracovávala (formou destilace) na různé frakce. Nejdříve se využívaly středně těžké frakce (petrolej) pro spalování a svícení, později lehčí (nafta, benzín) pro pohon motorů s vnitřním spalováním. Ropa se v průběhu 20. století stala dominantním energetickým zdrojem a zejména v dopravě nenacházíme zatím adekvátní alternativy.

● 5 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●
Ropné pole Signa Hill 1930 (dnes součást jižního Los Angeles). 7.1123 Ropné pole Signa Hill 1930 (dnes součást jižního Los Angeles).
Autor fotografie nezjištěn, obrázek je publikován např. v [10].

Výhřevnost surové ropy se pohybuje od 4045 MJ·kg-1 [15].

Těžba ropy

Těžba ropy probíhá na souši i pod hladinou oceánů:

Ropné pole Gullfaks. 8.1124 Ropné pole Gullfaks.
Gullfaks se nachází 135 km od břehu Norska. Hloubka oceánu v tomto místě je od 100 do 130 m. Jedná se o tři ropné plošiny A, B a C na betonových nohách vysokých až 150 m. Vytěžená ropa je shromažďována v zásobnících blízko plošin odkud se přečerpává do tankerů. Na plošinách také probíhá čištění ropy (od vody a pod.). "This oil field reached peak production in 2001 at 180,000 barrels per day", což odpovídá přibližně 115 % roční spotřeby ČR (2006). Obrázek z [11].

Doprava surové ropy na povrch po poklesu tlaku v ložisku se nejčastěji realizuje pomocí dvouventilových pump a okrajově pomocí proudového čerpadla (ejektoru umístěného při dně sacího koše – ejektorů může být zapojeno za sebou několik [22]).

Složení ropy

Ropa je směsí kapalných a plynných uhlovodíků a jiných organických sloučenin. Jedná se o živičné látky, do které spadá zemní plyn (uhlovodíkový), asfalt a ozokerit (zemní vosk). Při těžbě se dostává do ropy také voda a minerální příměsi:

Sloučenina            Chem. vzorec   poznámka               
------------------------------------------------------------
Alkany(7)               CnH2n+2        n=1..60                
Cykloalkany           CnH2n          především C5H10 a C6H12
Aromatické uhlovodíky CnH2n-6        především C6H6 (benzen)
9.691 Přibližné složení ropy.
Ropa v malém množství obsahuje i další sloučeniny obsahující kromě vodíku a kyslíku i dusík a síru [12].
● 6 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●
(7)Alkany v ropě
Podle složení se mohou vyskytovat v ropě ve skupenství plynném ( CH4 – metan až C4H10), kapalném (C5H12 až C16H34) i pevném.

Složení ropy kolísá podle naleziště, některé druhy ropy obsahují převážně alkany (parafinické ropy), v jiných převládají cykloalkany (naftenické ropy) nebo aromatické uhlovodíky (aromatické ropy). Pro snadnější využití (skladování, spalování) se provádí krakování [20, s. 181], což je tepelné zpracování (450900 °C) ropy při kterém dochází k rozpadu – rozštěpení uhlíkatých řetězců na lehčí řetězce.

Vznik ropy není tak jednoznačně popsatelný jako vznik uhlí. Většina ropy má pravděpodobně původ v rozkladu biomasy v blízkosti pobřeží, které později kleslo do větších hloubek. Některé teorie předpokládají i nebiologický vznik ropy na základě především geologických procesů, při kterých dochází k separací organických sloučenin obsažených v neživé hornině.

Spotřeba ropy v ČR

ČR nemá významné zásoby (naleziště) ropy, je nutné ji dovážet. Do ČR se dováží ropa především z Ruska ropovodem Družba. Menší přípojka je i z Německa (napojení na ropovod TAL vedoucí z přístavu Terst). Ropa v  elektroenergetice nehraje významnou roli (kotle na spalování oleje nebo jiných ropných produktů jsou pouze záložní), ale spotřeba pro jiné části průmyslu a dopravu je obrovská:

Ropovod Družba se sítí ropovodů v ČR a dovoz ropy a ropných produktů do ČR.
10.1125 Ropovod Družba se sítí ropovodů v ČR a dovoz ropy a ropných produktů do ČR.
t [mil. tun] množství spotřebované ropy. Obrázek sítě ropovodů z [13]; zdroj dat pro graf [5].

Česká republika disponuje strategickými zásobníky ropy s devadesáti denní kapacitou (2007). Většina zásobníků je situována v lokalitě Nelahozeves [8]. Mimo ropných zásobníků jsou v ČR v provozu i zásobníky na pohonné hmoty.

Zemní plyn

Zemní plyn, z velké většiny tvořen pouze metanem CH4, často doprovází ložiska předchozích dvou fosilních paliv především ropy. Zemní plyn se hromadí v ložisku uhlí i ropy při rozkladu biomasy v případě, že je mu znemožněno uniknout na povrch. Tlak zemního plynu v ložisku dosahuje až 100 MPa.

● 7 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●
Plyn                    [% obj.]                                       
--------------------------------     ----------------------------------
CH4                     98,2         S                [mg·m3n]  0,20   
CmHn                    0,94         Qir              [MJ·m3n]  34,08  
CO2                     0,10         Qr               [MJ·m3n]  37,82  
N2                      0,77         ρ                [kg·m-3n] 0,69   
--------------------------------     zápalná teplota  [°C]      650    
                                     ad. tep. plamene [°C]      1957   
11.1126 Složení tranzitního plynu (zemní plyn v tranzitním plynovodu).
Údaj z roku 2001. Zdroj [2].

Dovoz a distribuce zemního plynu

Podobně jako ropu je nutné zemní plyn do ČR dovážet. Díky masivní podpoře plynofikace v 90. letech minulého století se zvýšila spotřeba zemního plynu z cca 6 mld. m3 na 9,5 mld. m3, což je asi 0,4 % celosvětové spotřeby. Na této úrovni se spotřeba zemního plynu pohybuje posledních 5 let (2007).

Spotřeba zemního plynu v ČR (objem při 15 °C) a trasa tranzitního plynovodu Tranzit.
12.1127 Spotřeba zemního plynu v ČR (objem při 15 °C) a trasa tranzitního plynovodu Tranzit.
t [mil. m3n] objem spotřebovaného zemního plynu. Světlost plynovodu: 5x Ø1 400 mm, průtok: 120 mil. m3·den-1 (z toho odběr ČR 30 mil. m3·den-1), provozní tlak: 7,5 MPa. HPS hraniční předávací stanice; VPS vnitřní předávací stanice; KS konečná stanice; PZP podzemní zásobník plynu. Zdroj obrázku a dat [14].

Do ČR se dováží plyn z Ruska tranzitním plynovodem Tranzit. Malé množství zemního plynu se dováží přes Německo z Norska. Část plynu přecházejícího přes ČR jde do Německa a Francie. Celá Evropa je protkána poměrně hustou sítí plynovodů, které jsou zásobovány z východu (Rusko), z jihu a ze severu (v severním moři se nachází významné zásoby zemního plynu).

● 8 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●

Na následujícím obrázku je znázorněna spotřeba zp během roku a množství zemního plynu, které si může ČR odebrat(8) z Tranzitu. Je zřejmé, že povolený odběr v zimě nedokáže pokrýt spotřebu, a naopak v létě je povolený odběr větší než je spotřeba, proto se na území ČR provozují podzemní zásobníky plynu plněné v létě, ze kterých se kryje částečně zimní spotřeba:

Spotřeba ZP a dovoz plynu pro ČR.
13.1128 Spotřeba ZP a dovoz plynu pro ČR.
Šrafování aktuální spotřeba ZP v daném měsíci; Fialová přebytek/nedostatek odebíraného zemního plynu z tranzitního plynovodu. Odběry a spotřeba zemního plynu během roku musí být stanoveny s ohledem na konstantní průtok zemního plynu tranzitním plynovodem během roku.
(8)Poznámka
Na obrázku je vyznačeno množství odebíraného zemního plynu z plynovodu jako konstantní. Ve skutečnosti se během roku odběr mění a v létě může ČR odebírat z Tranzitu více zemního plynu než v zimě.

Na rozdíl od skladování svítiplynu(9), který se uskladňoval v nadzemních zásobnících je množství uskladňovaného zemního plynu tak velké, že se ukládá do obrovských podzemních prostor. Pro podzemní zásobníky se využívají buďto prostory po vytěžené ropě či zemním plynu, dutiny vzniklé loužením solných ložisek nebo odčerpáním části nebo veškeré vody z podzemního jezera (aquifera) a nebo v jeskyni nějakého masivu. Hloubky takových skladových prostor jsou ve stovkách až tisících metrech. V Hájích na Příbramsku je podzemní zásobník vybudovaný v žulovém masivu v hloubce 1000 m:

Podzemní zásobník plynu Dolní Dunajovice.
14.692 Podzemní zásobník plynu Dolní Dunajovice.
1 cetrála zásobníku; 2 produkční kříž; 3 tlak plynu v zásobníku dosahuje několika MPa zde 1,5 MPa.
● 9 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●
(9)Svítiplyn
Plyn vyrobený zplyňováním uhlí, používaný od 19. a značnou část 20. století místo zemního plynu, který v té době nebyl dostupný.

Na větší vzdálenost (tam kde se nevyplatí vybudovat plynovod) se zemní plyn převáží ve zkapalněném stavu tzv. LNG (Liquid Natural Gas) pomocí tankerů. Například do Evropy se tímto způsobem přepravuje zemní plyn ze severní Afriky [21].

Výpočet dodané energie v zemním plynu

Odběr plynu je měřen plynoměrem v jednotkách m3. Platba je ovšem provedena za dodanou energie vypočítané ze spalného tepla dodávaného plynu. Spalné teplo plynu je naměřeno při určitém tlaku a teplotě plynu. Pokud je tedy plyn odebírán při jiné teplotě, potom se musí dodaný objem plynu nejdříve přepočítat na objem plynu při vztažných podmínkách. Tento přepočet se dělá pomocí stavových rovnic pro vztažné podmínky a provozní podmínky plynovodu v místě odběru. Vztažné podmínky jsou obvykle tv=15 °C, pv=101,325 kPa:

Energie dodaná v zemním plynu.
15.1129 Energie dodaná v zemním plynu.
QD [kWh] dodané teplo; Vv [m3] objem dodaného plynu při vztažných podmínkách; Qr [kWh·m-3] spalné teplo dodaného plynu při vztažných podmínkách (měří se na odběrech v plynovodu několikrát za měsíc); Vp [m3] objem dodaného plynu (údaj z plynoměru); k [-] přepočtový koeficient; K [-] stupeň kompresibility (přibližně 1,0001); pp [kPa] tlak plynu v místě odběru; Tv [K] vztažná teplota odebraného plynu; Tp [K] teplota plynu v místě odběru; pv [kPa] vztažný tlak plynu; pb [kPa] atmosférický tlak v místě odběru; ppr [kPa] přetlak plynu v místě odběru; h [m] nadmořská výška místa odběru plynu.

Ze vzorců je zřejmé, že odebrané množství tepla odpovídá vychlazením spalin na vztažnou teplotu tedy 15 °C. Ve skutečnosti, pokud spotřebitel nedisponuje kotlem, který je schopen vychladit spaliny na co nejnižší teplotu (kondenzační kotel) bývá teplota spalin do komína cca 120 °C a část energie, které spotřebitel zaplatí není schopen využít.

Vypočítejte množství dodané energie v zemním plynu pro dvě geograficky odlišná místa. Odběrnými místy jsou Brno (243 m n.m.) a (Třešť 545 m n.m.). Obě odběrová místa odebrala za rok stejné množství plynu 2500 m3 (údaj z plynoměru). Průměrná teplota dodávaného plynu byla 9 °C. Průměrná hodnota přetlaku v plynu v místech odběrů 2 kPa. Střední spalné objemové teplo plynu ve sledovaný rok pro vztažné podmínky bylo Qr=10,5261 kWh·m-3. Vztažné podmínky: pv=101,325 kPa, Tv=288,15 K. Výsledek uveďte v kWh i v MJ. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 693.
Úloha 3.693
Vypočítejte objem spalin a teplotu nechlazeného plamene při stechiometrickém spalování zemního plynu. Předpokládejte spalování suchého vzduchu. Složení vzduchu je stejné jako v případě Úlohy 2, složení zemního plynu a jeho výhřevnost jsou uvedeny v Tabulce 11. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 694.
Úloha 4.694
● 10 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●

Závislost na dovozu fosilních paliv

ČR i většina zemí v EU nemá významné zásoby ropy a zemního plynu, výjimku tvoří uhlí, takže Evropa je závislá na dovozu paliv:

země EU           dovoz [%]            země EU           dovoz [%]
-----------------------------------    ---------------------------
Británie          0 (čistý vývozce)    Německo           60,5     
Dánsko            0 (čistý vývozce)    Slovensko         65,3     
Polsko            11,3                 Itálie            86,7     
ČR                26,6                 Lucembursko       100      
Estonsko          29,2                 Kypr              100      
Francie           50,3                 Malta             100      
16.1131 Množství dovážených fosilních paliv/produktů.
Údaj z roku 2004.

ČR z vlastních zdrojů pokrývá 73,4 % spotřeby, import tvoří zbývajících 26,6 %, což řadí ČR na čtvrté místo v EU. V případě uhlí je ČR čistým vývozcem, naopak přes 95 % spotřeby ropy a zemního plynu pochází z dovozu.

Spalování fosilních paliv a ekologické dopady

Po spálení mají výstupní spaliny jiné složení než spalovací vzduch. Spaliny obsahují všechny prvky a sloučeniny jako vzduch včetně kyslíku, protože neexistuje technické zařízení, které by spálilo veškerý kyslík. Navíc jsou ve spalinách další látky, které byly obsaženy v palivu nebo vznikly při jeho spalování. Některé plyny jsou zdraví a přírodě škodlivé tzv. škodlivé emise, pokud by tedy nedošlo k jejich odstranění nebo přetvoření, než budou vypuštěny do atmosféry, mohly by uškodit jak člověku tak přírodě nejen v bezprostředním okolí zdroje. Některé sloučeniny dokonce v atmosféře dále reagují a přetvářejí se. Množství jednotlivých emisí ve spalinách se stanovuje v jednotkách ppm. Přičemž 1 ppm je miliontina objemu v daném objemu při normálných podmínkách (podle 309/91 Sb. a vyhláškou 117) [2].

Některé sloučeniny emitované do ovzduší mají vysokou rozpustnost ve vodě a jsou zpětně ukládány spolu s kapkami vody na zemský povrch. Některé sloučeniny unikají až do stratosféry, kde vlivem slunečního záření muže dojít k jejich rozkladu na jiné částice, které lépe reagují s okolím a opět vytváří další sloučeniny.

Vliv oxidů síry

Obsahuje-li palivo síru může při hoření vznikat SO2 (oxid siřičitý), přičemž některý SO2 (2 % až 3 %) reaguje ještě ve spalovacím zařízení na SO3 (oxid sírový). SO2 je odolný vůči UV záření a v atmosféře dochází k jeho oxidaci na SO3 a následně k tvorbě kyseliny sírové H2SO4, která se při dešťových srážkách (kyselý déšť) dostává do půdy. Odstraňování sloučenin síry ze spalin se nazývá odsířeni neboli desulfidace. U fluidních ohnišť se síra obsažená v palivu odstraňuje částečně už ve fluidní vrstvě za pomocí vápna, což je výhoda fluidních ohnišť. U automobilové dopravy se síra neuvolňuje, protože automobilová paliva už síru neobsahují. Podrobnější popis [2, s. 444].

● 11 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●
Schématické znázornění působení oxidů síry uniklého při spalování do atmosféry.
17.695 Schématické znázornění působení oxidů síry uniklého při spalování do atmosféry.
Podrobnější popis chemických reakcí síry vznikajících při hoření a v atmosféře je uveden v [2, s. 218].

Vliv oxidů dusíku

Při spalování se hoření účastní i dusík obsažený v palivu a ve spalovacím vzduchu. Tento dusík reaguje ve spalovacích zařízeních s kyslíkem přičemž vzniká NO (oxid dusnatý cca 95 % z celkového množství oxidů dusíku) a NO2 (oxid dusičitý cca 5 % z celkového množství oxidů dusíku), které se souhrnně nazývají NOx. Tvorba závisí především na koncentraci kyslíku, době pobytu a teplotě ve spalovacím prostoru, kde je přítomen kyslík.

NOx způsobuje redukci ozónu a tím přispívá ke vzniku skleníkového efektu a podílí se na změně klimatu. Za jistých podmínek může v atmosféře vznikat za pomocí sloučenin dusíku i kyselina dusičná. Více v [2, s. 464]:

Schématické znázornění působení oxidů dusíku uniklého při spalování do atmosféry.
18.696 Schématické znázornění působení oxidů dusíku uniklého při spalování do atmosféry.
Podrobnější popis chemických reakcí dusíku vznikajících při hoření a v atmosféře je uveden v [2, s. 219].

Tvorba CO a CO2 a koloběh uhlíku

Při spalování fosilních paliv vzniká velké množství CO2 (oxid uhličitý), protože dominantním prvkem fosilních paliv je uhlík a velká většina spalného tepla je právě vázána na na uhlík. CO (oxid uhelnatý) je produktem nedokonalého spalování, kdy vlivem nedostatku kyslíku nedochází k úplné oxidaci palivového uhlíku. Uhlík a oxidy uhlíku jsou nenahraditelnou součástí biosféry a slouží jako základní stavební kámen živých organismů a rostlin, a proto narušení koloběhu uhlíku může mít lokální i globální vliv na život:

● 12 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●
Koloběh uhlíku.
19.1132 Koloběh uhlíku.
1 fotosyntéza a vznik glukózy; 2 spalování biomasy; 3 využití glukózy při dýchání; 4 rozklad biomasy; 6 fosilizace biomasy (rašelina); 7 těžba fosilních paliv; 8 spalování fos. paliv (energetika, doprava, průmysl atd.); 9 vulkanická činnost (únik uhlíku do atmosféry); 10 sedimentace uhlíku v oceánu a v mořské funě a flóře; 11 neplynná část Země. Sedimenty obsahující uhlík se ze dna oceánů dostávají do atmosféry vulkanickou činností. Mořská voda je schopna některé uhlíkaté sloučeniny jímat i do svého objemu (za cenu zvýšení kyselosti) a postupně ho u dna vyloučit ve formě uhličitanů.

Z obrázku je patrné, že koloběh uhlíku nemusí být v současnosti v rovnováze a do atmosféry je ho uvolňováno víc, než je z ní spotřebováváno. Zatímco tvorba CO2 vlivem rozpadu či dalšího zpracování biomasy je kompenzováno přibližně stejnou spotřebou atmosférického CO2, tak vzniklé CO2 při spalování fosilních paliv zůstává v atmosféře (v malé míře je pohlcován oceány). Při spalování fosilních paliv uniká do atmosféry uhlík, který byl uložen před mnoha milióny let v zemi, což přispělo ke snížení koncentrace CO2(10). Spalováním fosilních paliv se dávno uložený uhlík dostává do atmosféry, a tím jeho koncentrace v atmosféře roste oproti stavu před masivním spalováním fosilních paliv. S jistou rezervou lze tvrdit, že spalováním fosilních paliv se koncentrace CO2 v atmosféře vrací v čase.

(10)Poznámka
V historii Země bylo období, kdy atmosféra obsahovala jen minimální množství CO2. Jedná se období rané fáze vývoje Země. Poté co Země vychladla došlo díky nízké koncentraci skleníkových plynů (viz níže) v období zvané proterozoikum (období těsně před vlivem života na klima) pravděpodobně k úplnému zalednění povrchu planety [23. s. 156].
(1) sedimenty na dně oceánů asi 40 000 Gt uhlíku,
(2) fosilní paliva 5 000 až 10 000 Gt uhlíku,    
(3) odumřelá biomasa asi 2 000 Gt uhlíku,        
(4) ovzduší dnes 800 Gt uhlíku,                  
(5) uhličitany,                                  
(6) živá biohmota.                               
20.697 Krátkodobé či dlouhodobé zásoby uhlíku na zemském povrchu a atmosféře ve formě sloučenin.
Zdroj dat [15].
● 13 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●

Skleníkový efekt a vliv CO2

Sluneční záření dopadající na povrch Země má vlnovou délku nejčastěji odpovídající viditelnému světlu. Část tohoto záření je odražena atmosférou nebo povrchem Země do vesmírného prostoru beze změny vlnové délky, jak je popsáno v kapitole 2. Tepelný tok ze Slunce na Zemi. Větší část tohoto záření je pohlcena povrchem Země a přeměněna na její vnitřní tepelnou energii respektive se zahřívá. Ohřátý povrch emituje záření o vlnové délce odpovídající jeho teplotě (tzv. tepelné záření o vlnové délce 540 mm). Pro tepelné záření je mnohem těžší projít atmosférou než slunečnímu záření a je částečně absorbováno skleníkovými plyny v atmosféře.

Skleníkové plyny se zahřívají a vyzařují tepelné záření buď do vesmíru nebo zpět k zemi. Tím se část záření vrací zpět k povrchu země a ještě více ho ohřívá dokud vlnová délka záření není taková, aby v dostatečném objemu prošla atmosférou. Aby tedy nastala rovnováha mezi vyzařovaným a příjímaným teplem povrchu země, při rostoucí koncentraci skleníkových plynů musí se teplota povrchu zvyšovat(11).

(11)Poznámka
Sálavé spektrum Země se sice dramaticky nemění ani při globálním oteplováním, ale skleníkových plynů je několik druhů a pokrývají svou absorpcí prakticky celé spektrum kromě spektra viditelného světla. Mezi vlivné skleníkové plyny v atmosféře patří například H2O, CH4 a CO2. Především zvyšování koncentrace v atmosféře posledně zmiňovaného plynu je připisován velký podíl na změně klimatu vlivem globálního oteplování:
Průběh změn počtu slunečních skvrn, koncentrací CO<sub>2</sub> a teploty od roku 1850.
21.51 Průběh změn počtu slunečních skvrn, koncentrací CO2 a teploty od roku 1850.
(a) průběh teploty; (b) koncentrace CO2 z rozboru ledu z Law Dome v Antarktidě; (c) koncentrace CO2 z měření na observatoři Mauna Loa; (d) počet slunečních skvrn. Zdroj [16].
● 14 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●

Z obrázku je patrný vliv koncentrace CO2 na globální teplotu. Jednou z příčin zvyšování koncentrace CO2 je spalovaní fosilních paliv, proto jsou v některých zemích legislativně i dotacemi podporovány technologie, které mají co nejnižší produkci CO2 na množství získané energie. Například místo uhlí se podporuje spalování zemního plynu apod., což je zřejmé z následující tabulky. Také se některé státy pokouší omezovat produkci CO2 zpoplatněním jejich vypouštění do atmosféry (tzv. povolenky CO2) a zkouší se i technologie na uskladňování CO2 ze spalin například v dutinách po těžbě a pod.

účinnost elektrárny [%]	 0,3  0,35 0,4  0,45 0,5  0,55 0,6
----------------------------------------------------------
palivo                                                    
---------------------                                     
hnědé uhlí              1,13 0,97 0,85 0,75 0,68 -    -   
černé uhlí              1,16 0,99 0,87 0,77 0,70 -    -   
zemní plyn              0,72 0,61 0,54 0,48 0,43 0,43 0,36
ropa                    0,91 0,78 0,68 0,61 0,55 0,50 0,46
22.52 Měrná produkce CO2 při výrobě elektřiny [kgCO2/kWh] v závislosti na druhu paliva a účinnosti elektrárny.
Zdroj dat [15].

Ostatní škodliviny ve spalinách

Mimo výše uvedených sloučenin mohou spaliny obsahovat v malé míře další sloučeniny a škodliviny, které vznikají v různých fázích spalovacího procesu podle druhu zařízení. Mohou vznikat halogeny – plynný chlorovodík HCL a fluorovodík HF; stopové prvky organických sloučenin uvolněné do plynné fáze během spalování atd.

Obsahem spalin bývají i emise tuhých částic (prach). Uhlí může obsahovat i malé množství radioaktivních prvků a těžké kovy (jedná se o materiál splavený při nahromadění biomasy během přírodních katastrof), které jsou vylučovány v tuhých částicích ve spalinách i v popelu.

Odkazy

  1. Oficiální web Michala Poláka. Web: http://www.empefoto.cz, [2011].
  2. IBLER, Zbyněk, KARTÁK, Jan, MERTLOVÁ, Jiřina, IBLER, Zbyněk ml. Technický průvodce energetika-1. díl, 2002. 1. vydání. Praha: BEN-technická literatura, ISBN 80-7300-026-1.
  3. OTČENÁŠEK, Petr. Elektrická energie pro Českou republiku, 2006. Vydal ČEZ, a.s., Dostupné z http://www.cez.cz/edee/content/file/vzdelavani/elektricka-energie-cr.pdf, [2013].
  4. Czech Coal, a.s.. Obchodní společnost s uhlím. Adresa: Evropská 2690/17, 160 00 Praha 6, Dejvice, web: http://www.czechcoal.cz, [2011].
  5. Český statistický úřad. Web: http://www.czso.cz, [2011].
● 15 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●
  1. Elekrárna Dětmarovice, Web:http://www.cez.cz/cs/vyroba-elektriny/uhelne-elektrarny/cr/detmarovice.html, [2011].
  2. ČECH, Bohumír. Diagnostické metody měření spalinových traktů a jejich aplikace u kotlů s fluidní vrstvou, 1997. Disertační práce obhájená na Slezské polytechnice Gliwice katedře energetiky a životního prostředí v roce 1998. Práce obsahuje i katalog schématických řezů všech fluidních kotlů v ČR – stav konec roku 1997.
  3. Autor neuveden. České zásoby ropy čekají v pískovně u Nelahozevsi, iDnes.cz, 2007. Dostupné z http://ekonomika.idnes.cz/ceske-zasoby-ropy-cekaji-v-piskovne-u-nelahozevsi-fvw-/ekonomika.aspx?c=A070112_163905_ekonomika_ven, [2012].
  4. KRBEK, Jaroslav, OCHRANA, Ladislav, POLESNÝ, Bohumil. Průmyslová energetika, 1996. 1. vydání. Brno: Fakulta strojní VUT v Brně, ISBN 80-214-0831-6.
  5. ANGELO, Laura (Lead Author), CLEVELAND, Cutler. "Signal Hill, California", In: Encyclopedia of Earth, July 2, 2008. Washington, D.C.: Environmental Information Coalition, National Council for Science and the Environment, Dostupné z http://www.eoearth.org/article/Signal_Hill,_California.
  6. Statoil, energetetická společnost zaměřená na těžbu a zpracování ropy a zemního plynu. Web: http://www.statoil.com, [2011].
  7. ZIMÁK, Jiří. Ložiska nerostných surovin, 2005. Olomouc: Katedra geologie PřF UP Olomouc. Dostupné z http://www.geology.upol.cz/soubory/LG-3.doc, [2011].
  8. MERO ČR, a. s., vlastník a provozovatel české části ropovodu Družba a ropovodu IKL. Adresa: Veltruská 748, 278 01 Kralupy nad Vltavou-Lobeček, web: http://www.mero.cz, [2011].
  9. Energetický regulační úřad. Web: http://www.eru.cz, [2011].
  10. KADRNOŽKA, Jaroslav. Energie a globální oteplování – Země v proměnách při opatřování energie, 2006. 1. vydání. Brno: VUTIUM, ISBN 80-214-2919-4.
  11. Autor neuveden. Global Climate Change, 2011. Stanford SOLAR Center, dostupné z http://solar-center.stanford.edu/sun-on-earth/glob-warm.html, [2011].
  12. JANČAR, Rostislav. Prozkoumali jsme jedinou černouhelnou elektrárnu v Česku, iDnes.cz, 2007. Dostupné z http://technet.idnes.cz/prozkoumali-jsme-jedinou-cernouhelnou-elektrarnu-v-cesku-pnw-/tec_technika.aspx?c=A070202_122622_tec_technika_rja, [2012].
  13. KASÍK, Pavel. Neobyčejná historie obyčejné tužky, iDnes.cz, 2007. Dostupné z http://technet.idnes.cz/neobycejna-historie-obycejne-tuzky-dbi-/tec_technika.asp?c=A071025_221320_tec_technika_pka, [2012].
  14. KÓL, Přemysl. Spalovací procesy. Internetové stránky zabývající se popisem spalování a vztahy pro výpočet spalování. Dostupné z http://Spalovaci-procesy.wz.cz, [2011].
  15. PACÁK, Josef. Úvod do studia organické chemie, 1982. 1. vydání. Praha: SNTL.
● 16 ●
● 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady ●
  1. HARANT, Václav. Plyn, nebo vodík?, ihned.cz, 2006. Dostupné z http://ekonom.ihned.cz/c1-18095430-vaclav-harant-plyn-nebo-vodik, [2012].
  2. HIBŠ, Miroslav. Proudové přístroje, 1981. 2. vydání-přepracované. Praha: SNTL - Nakladatelství technické literatury, n. p., DT 621.694.
  3. CÍLEK, Václav. Co se děje se světem?, kniha malých dobrodiní v časech velké proměny Země, 2016. 1. vydání. Praha: Dokořán. ISBN 978-80-7363-761-3.

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady, Transformační technologie, 2011-04, [last updated 2016-12-20]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/07.html.

©Jiří Škorpík, LICENCE
● 17 ●

Úplná verze článku

Celý článek včetně příloh je uveden v e-knize:

7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady. 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady
17 stran textu + 5 stran příloh.

Náhledy: Titulní strana.
Formát: PDF, velikost A4.




Cena: 35 Kč
Koupit

Soubor všech e-knih tématu Zdroje a přeměna energie lze koupit s množstevní slevou zde.