Energy and Emissions (FSI-KEE-A)

Akademický rok 2021/2022
Garant: prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c.  
Garantující pracoviště: ÚPI všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: angličtina
Cíle předmětu:
Účel předmětu "Energie & emise" a s tím spojené cíle jsou následující:
- Naučit se aplikovat znalosti z teoretických i praktických předmětů (např. návaznost na "Tepelné pochody").
- Ukázat, že zajištění priorit redukce spotřeby energie a koncentrace škodlivých emisí není možná bez odborných znalostí.
- Seznámit se s nejnovějšími metodami v dané oblasti využívanými ve světě a originálními přístupy vyvinutými na pracovišti vyučujících.
- Naučit studenty orientovat se v odborné literatuře, především zahraniční.
- Seznámit se s řešením případů z oblasti praktických aplikací.
Výstupy studia a kompetence:
Studenti získají informace a znalosti z následujících oblastí:
- Energetické systémy v průmyslových procesech a komunální sféře.
- Energetické využití odpadů a biomasy.
- Maximální využití procesního a odpadního tepla.
- Legislativa pro ochranu životního prostředí a emisní limity jako omezující faktory.
- Redukce škodlivých emisí, čištění spalin a odpadních plynů.
- Efektivní využití podpůrných simulačních výpočtů, matematických modelů a softwarových systémů.
- Zpětná vazba z praktických aplikací.
- Koncepční přístup. Vhodná kombinace teorie, experimentů a praxe pro komplexní a ověřené řešení.

Posluchači se naučí aplikovat teoretické znalosti na konkrétní praktické případy. Naučí se pracovat s odbornou literaturou.
Seznámí se s nejnovějšími metodami v daném oboru a se způsoby jak je aplikovat. Uvědomí si nutnost součinnosti resp. týmové práce. Vyzkouší si řešení praktických problémů z různých oblastí daného oboru pomocí profesionálních či vlastních softwarových systémů.
Prerekvizity:
Základní znalosti z oblasti termomechaniky (entalpie, stavové rovnice ideálního plynu, termodynamické zákony, Rankinův cyklus, stavy páry, parní tabulky) . Znalost předmětů magisterského studijního programu v předchozím semestru, zejména tepelných pochodů a základů bilancování procesních schémat.
Obsah předmětu (anotace):
V současné době se stává potřeba efektivního využívání energetických zdrojů naprostou prioritou. Jedná se jak o sféru komunální tak průmyslovou. Přitom je třeba objektivní pohled na danou situaci, tzn. je nutné vycházet ze současných možností závislosti na fosilních palivech, ale zároveň maximálně (přitom však realisticky) využívat obnovitelné zdroje energie.

V prvé řadě je předmět orientován na úspory energie a redukci emisí v procesním průmyslu, energetice a komunální sféře. Zaměření předmětu odráží skutečnost: "Vytvoříme-li emise, nelze je zničit." Tímto faktem je dán hlavní cíl – minimalizovat spotřebu energie a tím i tvorbu emisí (CO2, NOx, SOx,...). Část předmětu je věnována realizaci úspor energie a snížení tvorby škodlivých emisí prostřednictvím tzv. integrace procesů či tepelné integrace (Process Integration / Heat Integration) založené na metodice "Pinch Analysis" včetně ekonomických a ekologických aspektů. Dále je pozornost věnována představení zařízení pro dodávku tepla, elektřiny a chladu, kombinované výrobě tepelné a elektrické energie (kogeneraci), externím energetickým zdrojům, termodynamickým cyklům, energetickému využití odpadů a biomasy jako alternativních či obnovitelných zdrojů energie.

Prezentovány jsou moderní metody založené na koncepčním přístupu, který je umožněn aplikací principů procesního inženýrství na energetické systémy dodávající energii velkým i malým spotřebitelům. Tato jedinečná kombinace se v posledním období velmi osvědčila a aplikuje se u nás i v zahraničí. Autory této koncepce jsou tvůrci tohoto předmětu s využitím "know-how" špičkových odborníků z praxe.
Metody vyučování:
Přednášky: prezentace celkového přehledu, základních principů, konkrétních aplikací z předmětné oblasti. Prezentace jsou v angličtině s nutným českým překladem.

Cvičení: praktické zvládnutí problematiky, semestrální práce.
Způsob a kritéria hodnocení:
Podmínky udělení zápočtu:
Aktivní účast ve cvičeních a zpracování semestrální práce s hodnocením min E (51 a výše bodů).

Zkouška:
Hodnocení probíhá ve čtyřech odděleně hodnocených stupních, kdy každý stupeň má svoji váhu pro výpočet celkové známky
- Semestrální práce (váha 25 %, 0-50 bodů…F, 51-60 bodů…E, 61-70 bodů…D, 71-80 bodů…C, 81-90 bodů…B, 91 a výše bodů ...A)
- Písemné testy (bodově hodnocené, váha 25%, 0-5,0 bodů…F, 5,1-6,0 bodů…E, 6,1-7,0 bodů…D, 7,1-8,0 bodů…C, 8,1-9,0 bodů…B, 9,1 až 10 b ...A)
- Výpočtové příklady (bodově hodnocené, váha 25%, 0-5,0 bodů…F, 5,1-6,0 bodů…E, 6,1-7,0 bodů…D, 7,1-8,0 bodů…C, 8,1-9,0 bodů…B, 9,1 až 10 bodů ...A)
Pokud student obdrží v nejhorším případě známku „E“ z Písemného testu i Výpočtových příkladů, postoupí k ústní zkoušce.
- Ústní zkouška: Studenti prokazují znalosti na základě porozumění problematice nikoliv pouhého memorování (obhajoba semestrální práce, vysvětlení principů s využitím prezentací z přednášek), bodově hodnocené, váha 25 %, 0-5,0 bodů…F, 5,1-6,0 bodů…E, 6,1-7,0 bodů…D, 7,1-8,0 bodů…C, 8,1-9,0 bodů…B, 9,1 až 10 b ...A)
Celkové hodnocení: A až F jako vážený průměr z předchozích částí
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Výuka je prováděna v počítačové učebně. Cvičení jsou povinná. Je tolerovaná jedna absence. Ukončená semestrální práce je předpokladem k udělení zápočtu i připuštění k ústní zkoušce.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 2 hod. nepovinná                  
    Cvičení s počítačovou podporou  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 1. Úvod: spotřeba energie,škodlivé emise a odpady.
2. Externí energetické zdroje - přehled
3. Pára a parní kotle
4. Parní turbíny
5. Spalovací turbíny a kotel na odpadní teplo
6. Využít tepla ve spalovnách odpadů
7. Teplárenství a jeho nová role
8. Integrace procesů: Termodynamická analýza
9. Integrace procesů: Využití tepla
10. Integrace procesů: Výběr externích energetických zdrojů a integrace tepelných strojů
11. Integrace procesů: Nový návrh, optimalizace a rekonstrukce za účelem redukce spotř. energie a emisí.
12. Primární opatření pro redukci škodlivých emisí.
13. Sekundární opatření pro redukci škodlivých emisí.
    Cvičení s počítačovou podporou Cvičení s počítačovou podporou. Řešení úloh k přednášeným tématům na základě informací z přednášek.
Literatura - základní:
1. Ganapathy, V.: Industrial boilers and heat recovery steam generators: design, applications, and calculations, CRC Press (2002)
2. Rogoff, M.J., Screve, F.: Waste-to-energy: technologies and project implementation. Academic Press (2019)
3. Heinz, B., Singh, M.: Steam Turbines–Design, Applications and Rerating. McGraw-Hill, New York (2009)
4. Sjaak, V., Koppejan, J.: Handbook of Biomass Combustion and Co-firing, ISBN 9036517737. Twente University Press, Enschede, The Netherlands (2002)
Literatura - doporučená:
1. Klemeš, J. J. (ed.). Handbook of Process Integration (PI). Woodhead Publishing. 2013
2. Brown, T.: Engineering economics and economic design for process engineers. CRC Press (2016)
3. Wu, C.: Thermodynamic cycles: computer-aided design and optimization. CRC Press (2003)
4. Smith, R.: Chemical process: design and integration. John Wiley & Sons (2005)
5. Branchini, L.: Waste-to-energy: advanced cycles and new design concepts for efficient power plants. Springer (2015)
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
N-PRI-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 6 Povinný 2 1 L
N-ENG-Z příjezd na krátkodobý studijní pobyt --- bez specializace -- zá,zk 6 Doporučený kurs 2 1 L
N-ENG-Z příjezd na krátkodobý studijní pobyt --- bez specializace -- zá,zk 6 Doporučený kurs 2 2 L