1

RNDr.Jindřiška Svobodová, Ph.D.

2

Základyzákonů plynů

Tepelnávýměna

Země ve vesmíru

Atmosféra, klima

Zákon zachování energie

Fyzikální pojmy

projekty

odhady,modely,analogie

vytvářeníkonceptů

měření,pokusy

dovednosti

znalosti

kevzdělávání

ke zdraví k ŽP

postojeSimulačníhry

kritickémyšlení

Environmentálnífyzikajako podpora pro EV

4

Vln.délka TOA /nad atmosf./ povrch Země • UV (390-400nm) 8.6 % 6.4 %• VID(400-700nm) 38.2 42.9 • FR (700-850nm) 16.5 15.2 • IR (850-2800nm) 33.9 34.2 • (>2800nm) 2.7 1.3

Thimijan and Heins, 1983.

5

6

8

I. Co je globální oteplování?I. Co je globální oteplování?• Průměrná teplota stoupá - za posledních 200 let se oteplilo o

0,6°C

II. Čím je způsobeno?II. Čím je způsobeno?• může být vyvolána řadou vnějších i vnitřních faktorů, včetně

lidské činnosti• po většinu času vývoje Země se změny klimatu odehrávaly

bez vlivu člověka, proto je nazýváme přirozenými změnami

9

(Milankovičova teorie).

10

Tři křivky: Horní udává průměrné oslunění severní zeměpisné šířky 65 stupňů (Wm-2 vodorovné atmosféry) uprostřed července. Jak vidno, oslunění kolísá mezi 390 a 490 W/m2 ,

Střední křivka ukazuje dobře globální teploty - data jsou z ledového jádra z vrtu na antarktické stanici Vostok [2].

Spodní křivka je z grónského vrtu; jsou udány relativní obsahy izotopu kyslíku O18. Ty jsou indikátorem převažujících teplot v severním Atlantiku. Je nápadné, že se v této oblasti objevovalo mnoho rychlých změn; ty byly téměř jistě způisobeny různými stavy oceánského proudění v Atlantiku (obvyklý stav je teplý proud k severu). Nicméně vyhlazená křivka by byla docela podobná křivce uprostřed, tj. dlouhodobé změny teplot jsou skutečně celosvětové.

11

a) Přirozené změnya) Přirozené změny– změny sluneční konstanty– parametrů oběžné dráhy Země kolem Slunce (změnou excentricity oběžné dráhy nebo změnou sklonu zemské osy) – rozložení pevnin a oceánů

–horotvorné procesy–sopečná činnost–změny fyzikál.-chem.vlastností oceánů–oceánická cirkulace–stav a vývoj biosféry

b) Antropogenní změnab) Antropogenní změnaČlověk působí na klima v lokálním,regionálním v globálním měřítku

Antropogenní změny se často dělí do dvou skupin• změny ve složení atmosféry v globálním měřítku • změny ve využívání krajiny (odlesňování aj.)

12

13

14

15

16

17

Červeně cyklus uhlíku uvolněného z fosilních paliv.

18

19

odchylky teploty [°C];

populace [×109];

H. svět.P [r.1960=1],

podíl obděl. půdy na celkové ploše souše [×10];

(CO2–260)/20 [ppm];

koncentrace metanu 400/18O [ppb];

20

http://hraozemi.cz/ekostopa/ Uhlíková stopa

Ekologická stopa je 'jednotka', udává jak velkou plochu produktivní půdy potřebujeme k zajištění konkrétního požadavků. Obsahuje v sobě vše od potravin, nejrůznějších energií, dopravy až po konečný vyprodukovaný odpad a umožňuje nám tak srovnávat jednotlivé lidské činnosti z hlediska jejich dopadů na přírodu. Udává se v metrech čtverečných plochy na osobu (m2/osoba) Přitom maximální hodnota, kterou doporučuje WWF jsou 2 hektary na osobu

21

4

1

4 2

2

Earth

Earth

Earth

Earth

R

R

Solární konstanta 1367 Wm-2

341,754

1367

Insolace : 342Wm-2

Plocha, z níž vyzařuje zeměkoule

Ploc

ha o

zářo

vaná

Slu

ncem

23

Model dynamické rovnováhy v praxi

Užití excelu

planeta

Insolace Zemská radiace

Sestavení modelu

24

Předpokládejme, že teplota Země je 283K a že je vystavena toku 364 Wm-2

• Radiace ven = σ x T4

σ = 5.67 x 10-8 Js-1m-2K-4

• Radiace ven = 5.67 x 10-8 x 2834

= 364 Js-1m-2

• Změna teploty za 1rok =

energie na 1 m2 za 1 roktepelná kapacita

• Tepel.kapacita = 4.0 x 108 JK-1m-2

• (odhad 1000Jkg-1K-1)

• Co když o 5% se zvýší příkon k Zemi?

Předchozí radiace = 364 Js-1m-2

Počáteční teplota = 283KNynější příkon = 382.2 Js-1m-2 .

Najdi graf změny teploty v letech:

25K

WmK

P

PTT 5,0

235

6,1290

4

1

4

1 2

26

27

voda 5 – 90 (%)

sníh 75 – 95

sníh starší 40 – 70

půda tmavá 5 – 15

půda světlá 25 – 45

poušť 25 – 30

rostliny 5 - 20

oblaka 40 – 90

pokožka bílá 43 – 45

pokožka tmavá 16 – 22

Země 34 – 42

Odraz záření - ALBEDO

28

29SOURCES: ROBERT H. SOCOLOWAND STEPHEN W. PACALA, PRINCETON UNIVERSITY (UPDATED REPORT);

OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY (GLOBAL CARBON EMISSIONS DATA)

Emisní scénáře

30

Vývoj klimatu v nedávných dobách

• střídání teplých a chladných období - periodicita 100 - 140 tisíc let

• poslední tisíciletí - klima relativně stabilní

9. – 14. století teplejší 16. – 19. století chladnější20. století výrazně teplejší

31

http://geocr.tul.cz/index.php/Soubor:Globaltemp.jpg

32

Vývoj klimatu v posledních letech)

• nárůst teploty ve 20.století (pravděpodobně) nejvyšší za posledních 1000 let

• zesílení nárůstu v posledních 2-3 desetiletích

• poslední dekáda historicky nejteplejší

• 11 z posledních 12 let = nejteplejší od poloviny 19.století

33

Změny emisí a koncentrací

• nárůst emisí od r.1990 o 13% a jejich akumulace v atmosféře

• dlouhé setrvávání v atmosféře (roky)

• dobré promíchávání

• nezávislost na místě vzniku

• globální aspekty

CO2 CH4 N2O F-plyny

5-200 10-15 120 102-103

CH4

CO2

N2O

34

K odhadu produkce CO2 spalováním lze užít bilanční výpočet ze známého spotřebovaného množství paliva. Např. zemní plyn (methan, nejmenší poměr C:H) a koks (prakticky čistý uhlík).

Z bilančního výpočtu plyne, že úplným spálením 1 kg methanu (přibližně 2 m3 za tlaku 101,325 kPa a teploty 20ºC), vznikne 2,74 kg CO2, resp. Z 1 kg koksu 3,66 kg oxidu uhličitého.

Zejména případ koksu je velice důležitý, protože se jedná o maximální množství CO2, které může z uhlíkatého paliva vzniknout. Jiné složení paliva, obsah popelovin a dalších příměsí tento poměr jen snižují.

Pro bezpečně nadhodnocený odhad produkce CO2 postačuje vynásobit hmotnost spotřebovaného paliva 3,66. Odhad lze zpřesnit výpočtem ze složení konkrétního paliva, kdy je cílem vypočítat, kolik obsahuje 1 kg paliva uhlíku. Poté stačí opět tuto hmotnost vynásobit 3,66 a získáváme hmotnost oxidu uhličitého.

Tam, kde je surovinou vápenec, může jako vodítko posloužit příklad: z 1 kg čistého vápence (CaCO3) vznikne například pražením či jinou reakcí přibližně 0,44 kg oxidu uhličitého (v případě teor. 100% výtěžku).

Návod k uhlíkovým výpočtům

35

CO2 je hlavní skleníkový plyn, který tvoří 2/3 celkových emisí tzv.GHG

U emisí vyjadřovaných v tunách uhlíku se používá následující vzorec přepočtu:

1 tuna uhlíku = 12/44 (3/11) tuny CO2

nebo 1 tuna uhlíku = 3,67 tuny oxidu uhličitého.

Role uhelných elektráren

17 uhelných elektráren vyrábí 62 % české elektřiny. Samy o sobě způsobují emise

48 milionů tun CO2 ročně, (z toho 35 milionů tun ČEZ).

ČEZ na příští roky připravuje rozsáhlý program rekonstrukce parku uhelných elektráren.

Do retrofitu stávajících bloků a výstavby nových hodlá investovat zhruba 90 až100 miliard korun. Vzniká tedy mimořádná šance ovlivnit nejvýznamnější český zdroj emisí CO2.

V IRZ vinou vysokého ohlašovacího prahu (100 000 tun CO2 ročně) se zahrnuje pouze 86 zdrojů oxidu uhličitého.

36

37

Pomér vzdálenosti k velikosti bodu (plochy) méiení

Parametr ,,D:S“ (Distance to Spot Ratio) charakterizuje velikost mëfeného bodu (místa) v pomëru ke vzdálenosti mezi mëfen'm objektem a infraãerven'm teplomërem.Pfi pomëru ,,8:1“ vychází napfíklad pfi vzdálenosti teplomëru 80 cm od mëfeného objektu plocha snímání teploty o prümëru 10 cm. pomér D:S = 8:1

Velikost plochy lze odhadnout z obr.

Pro pfesná mëfení by mël b't mëfen' objekt alespon 2 x vëtší než mëfená plocha.

(-22 až + 1022 °F)Pfesnost mëfení:± 2 % hodnoty nebo ± 2 °CDoba trvání mëfení: < 1 sEmisivita: pevnë nastavená na 0,95IR Spektrum:6 až 14 mikrometr

Emisivity:Asfalt 0,90 – 0,98Sklo 0,90 – 0,95Beton 0,94Látka (tmavá) 0,98Cement 0,96Küže (pokožka)0,98Písek 0,90Laky 0,80 – 0,95Zemina 0,92 – 0,96Voda 0,92 – 0,96Dřevo 0,90Led 0,96 – 0,98Sníh 0,83CuO 0,78

Koeficient emise (emisivita)

Veličina emisivita popisuje vyzařování tepla materiálu.

Hodnota tohoto koeficientu ,,1“ znamená, že tepelné záření objektu je určeno pouze jeho vlastní teplotou.

Hodnota koeficientu menší než ,,1“ znamená, že vydávané záření vedle vlastní teploty objektu je ovlivněno odrazy od sousedních těles nebo transmisí, (průhledností) objektu.

Koeficient emise tedy ovlivnuje výsledek měření.

Ke kompenzaci lesklého povrchu lze na takovouto plochu nalepit tmavý kousek nebo natřít matnou (tmavou) barvou.

Pomocí IR teploměru nelze měřit teplotu vzduchu.

V prostředí s prachem, párou je nutno počítat s chybami.

38

39

Vývoj spotřeby energie

Homo habilis (člověk zručný) 2 mil. let b.c. spotřeboval cca 3 GJ na osobu za rok

Homo erectus (člověk vzpřímený) 0,5 mil. let b.c. spotřeboval cca 6 GJ na osobu za rok, začal používat oheň. Oheň byl 1. zdroj energie. Člověk se oddělil od zvířat a na světě tehdy žilo cca 100000 jedinců.

Homo sapiens (člověk moudrý) 10 tis. let b.c. spotřeboval cca 20 GJ na osobu za rok, používal sílu zvířat. Antika a středověk byla dobou, kdy se začala více používat vodní a větrná energie.

V 18.-19. stol.- doba průmyslové revoluce, užíval se parní stroj. Tehdy člověk spotřeboval cca 100 GJ na osobu za rok. Dnes je spotřeba energie velmi nerovnoměrná, jak ukazuje obr.2.3, USA 350 GJ na osobu za rok, Evropa 200 GJ na osobu za rok, Afrika 20 GJ na osobu za rok, Asie 40 GJ na osobu za rok, Jižní Amer. 60 GJ na osobu za rok. 20% lidí v tzv. vyspělých státech spotřebuje 80% vyrobené energie a 80% lidí v tzv. rozvojových zemích spotřebuje 20% vyrobené energie.

40

K životu potřebujeme energii a pro porovnání dospělý člověk vydává průměrný výkon cca 100W na metabolizmus a celkem cca 150W. Metabolické uvolňování energie v živočiších probíhá například reakcí glukózy a kyslíku:

Za 80 let ŽIVOTA člověk spotřebuje cca 105 tis. kWh energie k POUHÉMU životu a nikoliv energii, kterou použil z jiných zdrojů (např. z uhlí či z ropy) k zpříjemnění života a k přetváření přírody. Pro srovnání toto množství odpovídá energii uvolněné přeměnou 1g vodíku jadernou fúzí na hélium.

41

42

Energy Supply

Transport

Buildings

Key mitigation technologies and practices currently commercially available

http://climatechangeeducation.org/science/index.html

43

http://carma.org/plant

http://magma.nationalgeographic.com/ngm/climateconnections/quiz.html

http://www.chmi.cz/meteo/ok/infklim.html

http://www.chmi.cz/cc/start.html

http://www.veronica.cz/klima

http://geosci.uchicago.edu/%7earcher/cgimodels/radiation.html

http://www.globalwarmingart.com/wiki/Image:Atmospheric_Transmission_png

44

Mezivládní panel pro klimatické změny prezentuje závěry, které jsou konsensem vědců z oboru a tudíž mírným obrazem. Klima na naší planetě se mění soustavně se zrychlujícím tempem a vskutku vážně hrozí, že pohostinnost naší planety se ještě za našeho života radikálně sníží.

To je snadno ověřitelný fakt, nikoli věc názoru.

45

Příklad – ukázka 1

Jaký výkon má mít FV elektrárna, aby šetřila 60t emisí CO2 ročně?

Úvahy: lze na otázku jednoznačně odpovědět bez dalších údajů?

Na čem všem to bude záviset ?

- na době slunečního svitu, který je k dispozicirozdíly v jsou celkem významné v ČR dopadá denně v průměru 3,2kWh/m2 tedy asi 1,1MWh ročně solárního záření .

- na účinnosti a poloze fotovoltaických článků FV články z amorfního Si mají účinnost do 8% z krystalického Si 17%.

- na tom, jakou elektrárnu FV články vlastně nahrazujíPokud takovou, která je bez emisí, neušetříme nic

- na rozměrech a špičkovém výkonu dodaného zařízení

46

lze si to nechat online spočítat http://re.jrc.cec.eu.int/pvgis/pvestframe.php?en&europe

Tedy předpokládejme:

Klima ČR, křemíkové FV, náhrada uhelné elektrárny =energetické hnědé uhlí 20MJkg-1

FV elektrárna s články z krystalického křemíku umístěná v ČR získá za rok přibližně 0,2MWh

47

Dojdeme k přibližným výsledkům:

60 tun CO2 obsahuje 16,6 tun uhlíku 12C 60 * 12/44=16,6

Hnědé uhlí má obsah uhlíku přibližně 50% tj. na produkci 60 tun CO2 jej spálíme 33 tun.

Výhřevnost uhlí je přibližně 15 MJ/kg a účinnost přeměny energie uhlí na elektřinu je přibližně 40%.

Ze zmíněných 33 tun uhlí získáme 198 GJ= 55MWh elektřiny

Na získání 55 MWh/ročně potřebujeme v ČR kolektor o ploše :

1m2 FV kolektoru….180kWh ročně v ČRX m2 FV ……..55000kWh -> 305m2

Takový systém FV, který ušetří 60tun CO2 stojí kolem 18milionů korun

48

Způsoby podpory OZE ?

Stavím RD a to tak, že oproti běžnému domu ušetřím na topení Stavím RD a to tak, že oproti běžnému domu ušetřím na topení ročně 2000mročně 2000m33 zemního plynu při navýšení investic o 150 tisíc Kč zemního plynu při navýšení investic o 150 tisíc Kč (na jakoukoli dotaci od státu nemám nárok). (na jakoukoli dotaci od státu nemám nárok). Z tohoto množství zemního plynu lze ročně vyrobit asi 10 000 kWh elektřiny.Z tohoto množství zemního plynu lze ročně vyrobit asi 10 000 kWh elektřiny.

úvahy nad energetickou koncepcí

ÚsporaÚspora - 10 000kWh10 000kWh

Topíme-li uhlím 20MJkgTopíme-li uhlím 20MJkg-1-1 v kotli s 80% uv kotli s 80% učinností činností

0,8.200,8.20//3,63,6 = 4.4 kWh = 4.4 kWh kgkg-1-1

tedy roční úspora představuje 1000tedy roční úspora představuje 10000/4.4=0/4.4=2272273 kg uhli3 kg uhliZ 1kg uhlZ 1kg uhlí je něco přes 3kg COí je něco přes 3kg CO2 2

Tedy uTedy uššetetřřenené é emise COemise CO22 činí činí 68196819kg - 7tunkg - 7tun

Tedy 8 dobře izolovaných rodinných domků ušetří stejně emisí jako jeden FV systém

49

Rozdílná dotace je nastavena tak, aby se vyrovnala návratnost investičně různě náročných obnovitelných zdrojů.

Jinými slovy, čím neefektivnější obnovitelný zdroj, tím vyšší dotaci získá.

Může velmi dobře přihodit, že se objeví spousta investorů do slunečních elektráren a stát jim bude muset vyplácet zelené bonusy či draze vykupovat vyrobenou elektřinu po dobu 10 let, aniž by za tuto dobu elektrárny přispěly do celkové energetické bilance jedinou kilowatthodinou.

Vyznamenání Nulovou dotací 1.místo úspory

Postavím FV elektrárnu o stejném ročním výkonu 10 000 kWh Postavím FV elektrárnu o stejném ročním výkonu 10 000 kWh za zhruba 1,6 milionů Kč, dostanu od státu ročně na zelených bonusech za zhruba 1,6 milionů Kč, dostanu od státu ročně na zelených bonusech kolem 126 000 Kč, postavím-li větrnou elektrárnu dostanu na bonusech 20 000 Kč.kolem 126 000 Kč, postavím-li větrnou elektrárnu dostanu na bonusech 20 000 Kč.

50http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=2815&z=2

OZE pracuje za vás

51

Analýza textu z novin

Ledvickou uhelnou elektrárnu čeká inovace 29.8.06

Dva ze tří 110MW bloků s účinností 37% v elektrárně Ledvice nahradí do roku 2012 jeden moderní o výkonu 660 megawattů. Jeho hrubá účinnost se přiblíží 47 %, díky čemuž se spotřeba paliva i emise skleníkového plynu CO2 sníží o plnou čtvrtinu.

Spalovat se v něm bude hnědé uhlí z Dolu Bílina o výhřevnosti 12 MJ/kg. Nový blok bude stejně jako dosluhující dodávat také teplo do okolních obcí a měst. 

Ukázka 3

52

Citace: (kráceno)K diskusi o GW přináší média zastrašující argumenty. Přesto v našem národě vítězí zdravý pohled. Za hlavního viníka z celého souboru skleníkových plynů se vždy uvádí pouze oxid uhličitý, což mnoho vědců nepovažuje za správné. CO2 je vydechován do ovzduší člověkem a zvířaty, a to rozhodně ne v zanedbatelné míře.

Možno konstatovat, že 10 milionů občanů ČR vydechne ročně do ovzduší 117 milionů tun tohoto plynu. Jenom pro představu: je to kolem desetiny vypouštěných exhalací z naší dopravy.

V souvislosti se zpřísňováním limitů Evropské unie pro oxid uhličitý z aut, je uvedená hodnota v každém případě poučná. Rozhodně udivuje, proč někteří radikálové Evropské unie se nyní zaměřují právě na tento plyn.

Autor je doktor přírodních věd se zaměřením na životní prostředí

NEDÝCHAT Článek z několika významných českých deníků

Ukázka 4 - diskuse

53

Strávením potravin jen vracíme do vzduchu CO2, který byl dříve rostlinami ze vzduchu odebrán, tedy dýcháním nenavyšujeme jeho množství v atmosféře – pouze jsme jeden z článků jeho přirozeného koloběhu.

Proto je také spalování biopaliv považováno za proces s nulovou produkcí kysličníku uhličitého.

ARGUMENT 1

54

Dále je záhadou, jak mohl pan XY přijít k údaji, že 107 občanů ČR ročně produkuje dýcháním 117 miliónů tun CO2, tedy 11,7 t na hlavu a rok.

Ze statistik -- celk. produkce CO2(zahrnující průmysl, dopravu, vytápění…) je v

ČR 12,5 tuny CO2 na hlavu a rok.

Že by tedy lidské plíce zvládly vyrobit téměř 94% naší celkové produkce CO2?

ARGUMENT 2Člověk přijímá denně v potravě asi 0,3 kg uhlíku, jehož oxidací vznikne kolem 1 kg oxidu uhličitého. Ročně ho tedy občané ČR mohou vydechnout maximálně 4 milióny tun CO2,

tedy aspoň 30krát méně než je klíčový údaj uváděný v glose. 

C+O2—>CO2 12+2.16—>44 a 44/12 je 3.6

55

Občanská fyzika

• Lepší budovy – pasivní domy --- standard budov

• Přírodní materiály a nové technologie

• Aktivní solární systémy s vysokou účinností

• Úsporné spotřebiče

• Světlo (jedovaté v noci)

• Úprava vody

• Osvěta

56

ZDROJE:

Robert Constanza et al., Sustainability or Collapse –What can we learn from Integrating the History of Humans and the Rest of Nature

Leonardo Maugeri, Oil: Never Cry Wolf—Why the Petroleum Age Is Far from over, Science 304, 1114-1115, 2004

Pacala S., Socolow R.: Stabilization Wedges –Solving the Climate Problem for the Next 50 Years with Current Technologies, Science 305, 668-972, 2004

IPCC report 2007

Jeník Hollan a jeho publikace z posledních 6 let

http://www.ped.muni.cz/wphy/projekty/klima/envidoc.html