Matematické modely chladicích věží ušetří investorům i stamiliony

V elektrárnách po světě vyprodukujeme více tepla, než kolik ho spotřebujeme; problém je dostat ho ke všem spotřebitelům. Jedině mělnická elektrárna u nás využívá odpadní teplo, když jím zásobuje přilehlou část Prahy. Řešení problému s distribucí odpadního tepla by mohla přinést decentralizovaná energetika, tedy malé lokální elektrárny. Nahradit Temelín by znamenalo zbudovat desítky tisíc malých zařízení.

Laboratoř si většina z nás představí jako místo, jemuž dominují zkumavky a mikroskop. Laboratoři Ústavu mechaniky tekutin a termodynamiky při ČVUT v Praze, Fakultě strojní ovšem dominuje něco zcela jiného – sedm metrů vysoký model chladicí věže. I tak se vlastně jedná o miniaturu, uvážíme-li, že v praxi slouží chladicí věže třeba v tepelných elektrárnách. Věž Temelína přitom měří 120 metrů.

Ústav vede prof. Ing. Jiří Nožička, CSc. K problematice chladicích věží se dostal někdy před dvaceti lety díky své vstřícnosti. Byl totiž první, kdo si s majitelem firmy, hledajícím spolupracovníky přes problematiku chladicích věží, sedl za stůl a začal si s ním povídat.

„Jsme ústav, který se zabývá prouděním, termodynamikou, sdílením tepla a hmoty atd., tak to do jisté míry patří do našeho pole působnosti,“ říká k tomu prof. Nožička. „Nejdříve jsme začali spolupracovat na relativně malých věcech, a když to fungovalo, rozšiřovali jsme spolupráci o společné výzkumné projekty a toho se držíme do dneška. Tehdy se jednalo o problematiku tzv. ventilátorových chladicích věží. V každé je soustava kanálů a potrubí, kterými se přivádí voda k rozstřikovým tryskám. Ty vytvářejí jakousi spodní sprchu, jež dopadá na chladicí výplně, na kterých dochází k vlastnímu chlazení. Snažili jsme se získat charakteristiky trysek a ukázalo se, že vypadají trošku jinak, než si výrobci představují, a že zavodnění, které po nás firmy požadují, nezajistí maximální chladicí výkon věže. Proto jsme se začali zabývat celkovými výkonovými charakteristikami věží a přišli s celou řadu vlastních věcí. Proměřovali jsme například, jakým způsobem a kde ta věž chladí, a tomu se snažili přizpůsobit rozložení trysek. Na základě těchto poznatků a díky tomu, že jsme si v laboratoři postavili několik zkušebních stendů, umožňujících proměřovat charakteristiky výplní a trysek, jsme začali vytvářet i matematické modely chladicích věží. Snažíme se tedy jít jednak cestou experimentů a zároveň mít i určitý matematický aparát, který by alespoň částečně umožnil takovou chladicí věž dopočítat.“

Znamená to, že se do určité míry obejdete bez praktických experimentů?

„Ne úplně, ale jsme třeba schopní na základě toho sestavit postupy, které usnadní projektantovi věže udělat prvotní návrh poměrně rychle. Takže když chce třeba firma získat nějakou zakázku a vstupuje do výběrového řízení, umožní to projektantovi co nejrychleji zpracovat alternativní návrhy, spočítat reálnou cenu – a hlavně pracovat s poměrně věrohodnými údaji ohledně předpokládaného výkonu věže. Protože když se dnes podíváte na návrhy věží, které chodí do výběrových řízení, zjistíte, že při stejných parametrech se liší nabídky od dodavatelů v desítkách procent. A když ta věž vyjde třeba o 20 procent větší, než je potřeba, rozdíl v ceně se může pohybovat ve stamilionech.“

Do jaké míry může být investor vůbec schopen posoudit kvalitu jednotlivých návrhů?

„Záleží na tom, zda má v týmu příslušné specialisty, obvykle pouze zadá parametry, které musí věž splňovat, a dělá si při předávce ověřovací měření. A pokud věž nefunguje, jak má, následují penále a reklamace. I proto se na náš ústav obracejí někteří investoři s žádostí o posudky. To je dnes ostatně problém mnoha výběrových řízení, že se po člověku, který ho vypisuje, chce, aby byl odborníkem na danou oblast. Musí pak dodávku přesně specifikovat, protože jinak mu hrozí, že když něco zadá špatně a dostane na základě toho něco, co pořádně nefunguje, může se dodavatel hájit: Ale vždyť jste to tak chtěli…“

Máte z hlediska výzkumu v této sféře u nás nějakou konkurenci?

„V poměrně širokém okolí jsme asi jediní, protože získáváme zakázky nejen od našich výrobců, ale i z Evropy a z širšího světa. Samozřejmě jde o firmy, které u nás mají zastoupení. Jistě to souvisí i s tím, že jsme postavili několik už zmíněných stendů, a ty doladili do poměrně velké přesnosti, takže jsme schopní podávat měření s přesností mnohdy vyšší, než výrobce. Umíme například měřit výplně, eliminátory a rozstřikové trysky, které jsou v Temelíně. Nemůžeme samozřejmě změřit věže jako celek, ale když máme parametry jednotlivých komponent, jsme schopni ty velké věci dopočítat.

Co se vlastně měří?

Měří se například zatížení – to znamená množství vody o určité teplotě na metr čtvereční chladicí plochy, kolik tepla se předá chladicímu vzduchu. Protože na reálné chladicí věži je potřeba se zajímat o dvě věci – primárně jak moc ochladí vodu, tedy jak moc se přiblíží k teplotě okolí, a samozřejmě kolik megawatů chladicího výkonu věž dodá. A my tohle dokážeme přepočítat na jednotku plochy a určit reálné parametry toho zařízení.

Zaráží mě jen, že je tu nějaká voda, kterou je potřeba ochlazovat, zatímco jinde vodu například pro domácnosti ohříváme. Nešlo by tedy tuhle teplou vodu místo ochlazování naopak využívat?

To se dostáváme k jiné filozofické otázce, kterou – když se ji budeme snažit zodpovědět – zjistíme, že všechno je špatně. My dnes v elektrárnách po světě vyprodukujeme více tepla, než kolik tepla spotřebujeme např. v domácnostech, průmyslu atd. Problém je, že to teplo potřebujeme dodat ke všem spotřebitelům, zatímco v celé republice je jen několik velkých elektráren.  

Takže problém je s distribucí toho tepla…

Ano. Jediné, co se v tomto směru zatím podařilo realizovat, je mělnická elektrárna, kde parovod zásobuje odpadním teplem přilehlou část Prahy. Samozřejmě by bylo možné postavit v okolí elektrárny třeba nějaké skleníky, ale to by šlo o využití jen zcela zanedbatelného množství vyprodukovaného tepla. Je to i jeden z důvodů, proč se dnes volá po budování decentralizované energetiky. Při větším množství relativně malých energetických zdrojů by jejich odpadní teplo bylo využitelné v místě spotřeby. Zůstává ale otázka, za jak dlouho a zda vůbec se to podaří prosadit. Tyhle tendence jdou ruku v ruce s obnovitelnými zdroji. Bohužel státy s vyspělou energetikou se pustily primárně do budování velkých energetických zdrojů, a tak je i tam tento problém podobný jako u nás. Představte si, že místo jednoho Temelína byste musela postavit desítky tisíc malých zařízení… I když všechno má svoje výhody a nevýhody, protože pokud třeba přijde vichřice, kdy padají stromy na elektrická vedení, pak budu-li mít zařízení, které zásobuje teplem a teplou vodou jednu vesnici, nevyřadila by taková porucha půl republiky. Centralizované elektrárny také potřebují daleko méně lidí na obsluhu. Zase by to ale mělo negativní dopady na energetickou soustavu, kde je potřeba občas přeposílat obrovské výkony. Zvláště v situacích, kdy v Německu začne nebo přestane foukat vítr a ze severu Německa je potřeba přemístit obrovské množství energie na jih, tak to všechno musí protéct po drátech přes nás.

Má tento obor nějaký svatý grál, který se všichni snaží vyřešit a nedaří se jim to?

Akumulace energie. Obnovitelné zdroje jsou už dnes možná schopné vyrobit tolik energie, že by nám třeba stačila pokrýt spotřebu. Bohužel ale sluníčko obvykle nesvítí tehdy, když to potřebujeme, a elektřinu schovávat na horší časy ještě moc neumíme. Až se tohle podaří vyřešit, podaří se odstranit i všechny problémy s rozkolísaností sítě, ale to ještě nějakou dobu bude trvat.

Myslíte, že je to otázka roků? Zdá se, že vývoj technologií neustále nabírá na obrátkách…

Když jsem před více než 30 lety chodil na tuhle školu, říkali nám, že jaderná fúze už je v podstatě zvládnutá, stačí to postavit a bude to běhat. A dneska říkáme studentům, že jaderná fúze už je v podstatě zvládnutá a stačí to postavit a bude to běhat. Já se bojím, že je to trošku podobné…