Kde a jak se vyrábí elektrická energie?

Elektrická energie vzniká proměnou z jiných druhů energií. Největší množství elektrické energie vzniká v točivých generátorech, které do pohybu uvádí rozpínající se plyny nebo pára nebo proudící voda v turbínách, případně vrtule, kterou do otáčivého pohybu uvádí vítr. Narůstá podíl elektřiny vznikající působením slunečního záření, jejímiž generátory jsou statické, fotovoltaické panely. V praxi se tak v případě největších elektráren setkáváme s trvalým výkonem několika tisíců MW a u nejmenších elektráren se špičkovými miliónkrát menšími výkony několika kW.

Parní elektrárny

• Energie se v parních elektrárnách (PE) získává spalováním fosilních paliv (uhlí, zemní plyn) nebo biomasy
• Při spalování uhlí vzniká velké množství škodlivin (NO_x, CO₂, SO₂, prachové částice nebo polycyklické aromatické uhlovodíky), z nichž většina musí být před vypuštěním spalin do ovzduší zachycena. Dosud není řešeno zachytávání CO₂. Tento druh výroby elektřiny je z dlouhodobého hlediska neperspektivní i vzhledem k nutnému nákupu emisních povolenek. Evropským politickým cílem je zásadně omezit zdroje elektřiny založené na uhlí. Vzhledem k nedostatečnému růstu výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů při rostoucí poptávce po elektřině a zásadnímu růstu její ceny je nyní (rok 2022) velmi obtížné konstatovat, kdy přesně bude provoz parních elektráren ukončen.
• Spalování biomasy je ekologičtější, protože se jedná o obnovitelný zdroj energie, nižší je zejména produkce skleníkových plynů. V případě velkých zdrojů je však spojeno s přepravou velkého objemu biomasy i z poměrně velkých vzdáleností nad 100 km a z tohoto pohledu se využití biomasy pro výrobu elektřiny ve velkých zdrojích nejeví jako optimální.
• Mezi největší parní elektrárny patří Počerady 5×200 MW_e, Prunéřov II s 5×210 MW_e

Jaderné elektrárny

• Jedná se v podstatě o kondenzační parní elektrárny, ve kterých pára vzniká odpařováním vody teplem z jaderného reaktoru. Energie se získává přeměnou z vazebné energie jader těžkých prvků (uranu 235 nebo plutonia 239)
• Výhodou jaderných elektráren (JE) jsou nízké výrobní náklady a prakticky nulové emise, nevýhodou jsou vysoké investiční náklady, dlouhá doba k získání povolení a vlastní výstavby a produkce jaderného odpadu. V současné době jsou k dispozici jen krátkodobá úložiště odpadu, přičemž trvalé (na věky) by mělo být zřízeno do roku cca 2050.
• V ČR jsou v provozu JE Temelín s výkonem 2×1 078 MW_e a JE Dukovany s výkonem 4×440 MW_e

Paroplynové elektrárny, plynové spalovací elektrárny

• Energie pro pohon generátoru elektrické energie vzniká spalováním zemního plynu v plynové spalovací turbíně jak v paroplynových elektrárnách (PPE), tak plynových spalovacích elektrárnách (PSE). Pokud je odpadní teplo z plynové turbíny dále využito k výrobě páry a ta je využita k pohonu parní turbíny, hovoříme o paroplynové elektrárně (PPE). Paroplynové elektrárny mají vysokou účinnost výroby elektrické energie z plynu až cca 85 %.
• Jedná se o nejvíce ekologický způsob využití zemního plynu pro výrobu elektrické energie, emise CO₂ jsou o 70 % nižší než při spalování uhlí v PE
• Paroplynové elektrárny mají potenciál být využity pro budoucí spalování vodíku
• S paroplynovými elektrárnami se aktuálně počítá pro vyrovnávání nesouladu mezi poptávkou po elektřině a její výrobou z obnovitelných zdrojů energií.
• Největší paroplynovou elektrárnou jsou Počerady s výkonem 838 MW_e

Vodní elektrárny, vodní přečerpávací elektrárny

• Elektrická energie vzniká přeměnou z kinetické energie proudící vody tak, že voda roztáčí vodní turbínu, která je propojena s generátorem elektrické energie
• Podle konstrukce dělíme vodní elektrárny (VE) na jezové (spád je tvořen jezem na vodním toku a výškový rozdíl hladin je do cca 10 metrů), derivační (spád tvoří umělý kanál – náhon), přehradní (akumulační nádrž je vytvořena přehrazením vodního toku s výškovým rozdílem hladin v desítkách metrů i více) a přečerpávací (sestávají z dvojice nádrží, v době přebytku energie v síti dochází k čerpání vody ze spodní nádrže do horní, v době energetických špiček se opačným průtokem vody přes turbínu elektřina vyrábí, výškový rozdíl hladin i nad sto metrů).
• Velkou výhodou přehradních vodních elektráren a také přečerpábvacích je schopnost velmi rychlého náběhu na plný výkon (např. u elektrárny Orlík do 128 sekund) a umožňují tak vyrovnávat nerovnováhu mezi nabídkou a spotřebou elektřiny, vykrývat energetické špičky.
• V ČR je potenciál pro velké vodní elektrárny v podstatě vyčerpán. Nejen provoz velkých, ale i malých vodních elektráren a výstavbu nových omezuje nutnost ochrany fauny a flóry ve vodních tocích, zajištění minimálního průtoku korytem vodního toku.
• Největší vodní elektrárnou je Orlík s výkonem 364 MW_e.
• Největší vodní přečerpávací elektrárnou jsou Dlouhé Stráně s výkonem 3×325 MW.

Fotovoltaické elektrárny

• Elektrickou energii získávají přímou přeměnou slunečního zážení založenou na tzv. fotoelektrickém jevu. U fotovoltaických elektrárnách se orientačně počítá, že z instalovaného špičkového elektrického výkonu 1 kWp se za rok vyrobí cca 1 000 kWh elektrické energie.
• Konstrukční předností fotovoltaických elektráren je absence mechanicky se pohybujících částí. Výrobní technologie však vyžaduje superčisté prostory, čistý křemík, vzácné prvky aj.
• Fotovoltaické elektrárny patří mezi obnovitelné zdroje energie, s klesajícími investičními náklady roste jejich ekonomická efektivita. Nevýhodou jsou nároky na plochu, které však mohou být kompenzovány umístěním na střechách. Nové typy umožňují i umístění i na zemědělsky dále využívaných plochách.
• Základní nevýhodou fotovoltaické elektrárny je časově nestálá doba slunečního svitu, tedy i nestálá výroba elektrické energie během dne i roku. Ta je řešena specifickým řízením dodávky elektrické energie do sítě, výstavbou elektrických akumulačních stanic, přeměnou na tepelnou energii ukládanou do zásobníků s využitím například v noci aj. Využití fotovoltaických elektráren se předpokládá na výrobu vodíku, který bude následně využit jako zdroj energie pro nejrůznější účely, jak zpětnou výrobu elektřiny, tak tepla místo zemního plynu.
• Za největší fotovoltaickou elektrárnu se považuje Ralsko s instalovaným výkonem 55 MW_e, která je složena z pěti samostatných polí fotovoltaických panelů.

Větrné elektrárny

• Využívají energii větru, což je kinetické energie vzduchu proudícího mezi oblastmi s různým atmosférickým tlakem. Vítr roztáčí prostřednictvím vrtule generátor, který vyrábí elektrickou energii. Využitelnost větrných elektráren na území ČR se pohybuje okolo max. 1 800 hodin ročně z celkových 8 760.
• Mezi výhody patří obnovitelný charakter. O jejich vlivu na životní prostředí se však intenzívně diskutuje i mimo ČR a dochází ke střetům i uvnitř komunity ochránců životního prostředí o to, která kritéria upřednostnit. Nevýhodou je zejména nestálost dodávek energie, neboť větrné elektrárny jsou závislé na povětrnostních podmínkách.
• Za největší větrnou elektrárnu se považuje Větrná farma Kryštofovy Hamry s výkonem 21×2 MW.

Kogenerace

• Pokud je ze zdroje elektrické energie cíleně využívána tepelná energie vzniklá spálením paliva, která však již nemůže být využita pro výrobu elektrické energie, hovoříme o kombinované výrobě elektřiny a tepla KVET, historicky se vžil kratší název kogenerace.
• V druhé polovině dvacátého století byla většina tehdy Československých elektráren koncipována jako kogenerační včetně jaderných. Svědectvím jsou na evropské poměry až neobvykle rozsáhlé soustavy dodávající teplo do měst právě z elektráren.
• Při výrobě elektřiny její přeměnou přes kinetickou z tepelné se využívá maximálně cca 40 energie z paliva, podle účinnost turbíny, motoru a úrovně doprovodných technologií. Proto je výhodné, a z dnešního pohledu i absolutně nutné, využít co nejvíce odpadního tepla, které je obsaženo v chladicí vodě, spalinách. Vzhledem k dostupným teplotám těchto teplonosičů není problém teplo transportovat na větší vzdálenosti (například Mělník – Praha) a i v případě malých zdrojů lze odpadní teplo využít pro vytápění a přípravu teplé vody objektů. Tím se využití energie v palivu zvyšuje na 80 % i více %.
• V současné době se rozvoj kogenerace, kombinované výroby elektřiny a tepla spojuje s výkonově menšími zdroji využívajícími k pohonu plynové motory. Pro jejich využití je primárním úkolem spotřebovat odpadní teplo a z tohoto požadavku vychází návrh jejich elektrického výkonu. Kogenerační jednotky se velmi dobře uplatňují v průmyslu, obecních tepelných hospodářstvích, v provozech a areálech s trvalou poměrně stálou potřebou tepla i elektřiny aj.

Trigenerace

• Jedná se o specifický druh kogenerace. Odpadní teplo se při trigeneraci nevyužívá jen k vytápění, přípravě teplé vody, ale s využitím absorpčních nebo adsorpčních chladicích strojů k výrobě chladu. Viz například Modernizace plynové kotelny jako součást energetické optimalizace areálu Pražské plynárenské a.s., kde je teplo vznikající chlazením plynového motoru využito na výrobu chladu pro klimatizaci výpočetního střediska aj.

Zdroje energie pro výrobu elektrické energie

Neobnovitelné zdroje energie

• Termínem neobnovitelné zdroje označujeme tzv. fosilní paliva, což je fosilizovaná biomasa přeměněná v nerostné suroviny a dále jaderné palivo, z něhož se energie uvolňuje prostřednictvím jaderné štěpné reakce.
• Mezi fosilní paliva využívaná k výrobě elektřiny patří uhlí, zemní plyn a ropné produkty (mazut, LPG).
• Z jaderných paliv se v současnosti využívá obohacený nebo přírodní uran a uměle vytvořené plutonium.
• Podíl fosilních paliv má vzhledem k omezování produkce emisí, především CO₂ trvale klesat. S omezováním uhlí souvisí i pokles emisí SO₂, NO_x, polétavého prachu, případně i organických látek VOC. Zemní plyn jako méně poškozující ovzduší má být využit jako střednědobá přechodná varianta a velkou roli má pro vykrývání nerovnováhy mezi poptávkou a nabídkou způsobenou nejistým výkonem výroby elektřiny z OZE.

Obnovitelné zdroje energie

• Obnovitelné zdroje energie (OZE) jsou přírodní zdroje, které mají schopnost se při postupném spotřebovávání po čase obnovovat, a to samy nebo za přispění člověka. Patří sem energie slunečního záření, geotermální energie, kinetická a tepelná energie vzduchu (větru), vody, tepelná energie půdy, energie biomasy, skládkového plynu, kalového plynu a bioplynu. Blíže viz Zákon č. 382/2021 Sb. Zákon, kterým se mění zákon č. 165/2012 Sb., o podporovaných zdrojích energie a o změně některých zákonů, ve znění pozdějších předpisů, a další související zákony.

Zdroj elektrické energie z pohledu TZB

Z oblasti technických zařízení budov není na elektrické energii závislý v podstatě jen odtok odpadních a dešťových vod, případně stínicí prvky proti nadměrnému oslunění a některá lokální topidla na pevná paliva. Ale i odtok odpadních vod z domu, nebo i jen od klozetu, vany, umyvadla může být řešen s využitím přečerpávacích čerpadel. Po 1. září 2022 bude elektrickou energii vyžadovat i poslední bezelektrická nika v oboru teplovodního vytápění, a to ručně přikládané kotle na pevná paliva napojené na samotížné otopné soustavy. Jejich případní náhradníci tepelná čerpadla, plynové kotle, kotle na extralehký topný olej a nebo kotle na pevná paliva, ale s vyššími emisními a účinnostními paramery jsou vybaveny elektrických regulačním systémem, ventilátorem pro řízení přívodu spalovacího vzduchu aj. Je zřejmé, že obor TZB se bez elektrické energie neobejde.

S ohledem na výše uvedené nerozhoduje, zda je elektrická energie odebírána z rozvodné elektrické sítě nebo vlastního zdroje. Rozhoduje dostatek elektrické energie a stálost její nabídky. Proto jsou některé kritické prvky TZB napojovány na záložní zdroje elektrické energie. Ty tvoří elektrické baterie s elektronicky pracujícími měniči napětí pro potřebu napájených prvků nebo generátory s motory poháněnými motorovou naftou, benzínem, plynem, které se do provozu uvádí ručně, nebo automaticky při výpadku dodávky elektrické energie ze standardně využívaného zdroje, zpravidla elektrické rozvodné sítě. Běžné je zálohování provozu vzduchotechnických zařízení nemocničních operačních sálů, bezpečnostních systémů, například vyžadujících činnost čerpadel pro hašení požárů nebo odvádění kouře, ale může jít i záložní zdroj elektrické energie jen pro provoz malé otopné soustavy včetně kotle v rodinném domě.