Energetičtí otroci
Každá civilizace je závislá na dostupné energii. Ve starověku si privilegované vrstvy užívaly poměrně velkého luxusu díky tomu, že většinu těžké práce za ně vykonávali otroci. Dnes je náš pohodlný život pro změnu zcela závislý na dodávkách elektrické energie. Tuto energii pro nás vyrábí tepelné stroje v uhelných, plynových či jaderných elektrárnách, případně využíváme energii větru, vody či Slunce. V následující aktivitě se pokusíme pomocí jednoduchých výpočtů dojít k názorné představě, kolik energie vlastně pro svůj život potřebujeme.
Průměrná spotřeba elektřiny na jednu domácnost v EU v roce 2019 byla 3 700 kWh/rok. Při ceně zhruba 10 Kč za kWh to činí poměrně malý roční výdaj 37 000 Kč. Je třeba dodat, že kromě elektrické energie často domácnosti spotřebovávají ještě plyn či dřevo např. k vytápění a ohřevu vody. Vytápění a ohřev mají, jak ukazuje grafika, největší podíl na spotřebě. My se však nyní pro jednoduchost budeme zabývat pouze spotřebou elektřiny.
Zdroj
Roční útrata za elektřinu je malá hlavně proto, že umíme energii vyrábět velmi efektivně a s malými náklady. Pojďme si na chvíli představit, že elektrická síť neexistuje a my se našeho komfortu vzdát nehodláme. Můžeme si představit různé způsoby, jak potřebnou energii pro průměrnou domácnost získat.
Energetičtí otroci
V tomto modelu budeme energii vyráběr šlapáním na rotopedu, tedy pomocí lidské práce. Proveďte vlastní odhad, kolik lidí by bylo potřeba k zajištění soběstačnosti průměrné domácnosti. Důležité údaje pro váš výpočet:
- mechanický výkon člověka v dobré kondici je při dlouhodobé zátěži asi 100 W,
- účinnost generátoru, který by byl k rotopedu připojen, je cca 90%.
Slunce
V tomto modelu budeme vyrábět energii pomocí fotovoltaických panelů. Proveďte vlastní odhad, jakou plochu panelů a také jakou kapacitu baterie byste potřebovali k provozu vaší domácnosti. Pro váš výpočet použijte údaje z modelové fotovoltaické elektrárny:
Fotovoltaický panel o max. výkonu 1 kW a ploše 6,6 m2 vyrobí za rok v našich podmínkách při optimálním umístění cca 1 000 kWh energie. Vyrobená energie značně kolísá v závislosti na ročním období. V zimních měsících je měsíční úhrn cca 30 kWh, v letních cca 130 kWh.
Dřevo
V posledním modelu použijeme v výrobě energie teplo vyrobené spalováním dřeva. Účinnost použité turbíny bude maximálně cca 30 %. Odpadní teplo z turbíny ale s výhodou použijeme k vytápění a ohřevu teplé vody (kogenerace). Odhadněte roční spotřebu dřeva s výhřevností cca 15 MJ/kg.
Na závěr porovnejte jednotlivé způsoby zajištění spotřeby vaší domácnosti a diskutujte o nich. Můžete zkusit navrhnout alternativy. Mějte na paměti, že spotřeba domácností tvoří jen asi čtvrtinu celkové spotřeby elektrické energie EU.
Poznámky pro učitele
Vzorové řešení:
Energetičtí otroci. Průměrný příkon domácnosti vyjde cca 420 W. Průměrný výkon jednoho otroka je 90 W. Pět by proto vyrábělo celkem 450 W. Budeme-li počítat s osmihodinovou pracovní dobou, musíme počet otroků vynásobit třemi. Celkem jich tedy bude potřeba 15. Jejich nasazení bychom mohli vhodně přizpůsobovat aktuální spotřebě domácnosti.
Slunce. Pro výpočet použijeme energii vyrobenou v zimních měsících, neboť není reálné mít baterii, která by se v létě nabíjela a uložila dost energie pro zimní měsíce. Průměrný výkon modelového panelu v zimě je cca 42 W. K zajištění výkonu 420 W bude potřeba cca 10 panelů, tedy celková plocha bude 66 m2. Na rozdíl od otroků ale v tomto případě výroba závisí na počasí a s naší spotřebou nekoresponduje. Pokud bychom chtěli mít zásobu energie na 2 týdny (kdy je například zataženo nízkou oblačností a panely téměř nic nevyrábí), bude potřeba kapacita baterie cca 142 kWh. Pro zajímavost: baterie Powerwall od firmy Tesla s kapacitou 10 kWh se prodává za cca 100 000 Kč.
Dřevo. Ročně bude potřeba cca 12 300 kWh tepla, to odpovídá asi 3 000 kg dřeva. Pro lepší představu je to 8 kg dřeva denně.
