Uploaded bymidheta1
3,591 views

Proizvodnja i pretvorba energije skripta

Dokument se bavi proizvodnjom i pretvorbom energije, uključujući centralizirane i decentralizirane energetske sustave, te različite tehnologije poput termoelektrana, nuklearnih elektrana, vjetroelektrana i hidroelektrana. Prikazuje stanje energetskih sustava u Hrvatskoj, naglašavajući efikasnost i moguće poboljšanje u sektoru centraliziranih toplinskih sustava kroz program kuen-cts. Također se raspravlja o prednostima i nedostacima svake vrste energetskih sustava te ulozi obnovljivih izvora energije.

Embed presentation

Downloaded 44 times
1 / 152
2 / 152
3 / 152
Most read
4 / 152
5 / 152
6 / 152
7 / 152
8 / 152
9 / 152
10 / 152
11 / 152
12 / 152
13 / 152
14 / 152
15 / 152
16 / 152
17 / 152
18 / 152
19 / 152
20 / 152
21 / 152
22 / 152
23 / 152
24 / 152
25 / 152
26 / 152
27 / 152
28 / 152
29 / 152
30 / 152
31 / 152
32 / 152
33 / 152
34 / 152
35 / 152
36 / 152
37 / 152
38 / 152
39 / 152
40 / 152
41 / 152
42 / 152
43 / 152
44 / 152
45 / 152
46 / 152
47 / 152
48 / 152
49 / 152
50 / 152
51 / 152
52 / 152
53 / 152
54 / 152
55 / 152
56 / 152
57 / 152
58 / 152
59 / 152
60 / 152
61 / 152
62 / 152
63 / 152
64 / 152
65 / 152
66 / 152
67 / 152
68 / 152
69 / 152
70 / 152
71 / 152
72 / 152
73 / 152
74 / 152
75 / 152
76 / 152
77 / 152
78 / 152
79 / 152
80 / 152
81 / 152
82 / 152
83 / 152
84 / 152
85 / 152
86 / 152
87 / 152
88 / 152
89 / 152
90 / 152
91 / 152
92 / 152
93 / 152
94 / 152
95 / 152
96 / 152
97 / 152
98 / 152
99 / 152
100 / 152
101 / 152
102 / 152
103 / 152
104 / 152
105 / 152
106 / 152
107 / 152
108 / 152
109 / 152
110 / 152
111 / 152
112 / 152
113 / 152
114 / 152
115 / 152
116 / 152
117 / 152
118 / 152
119 / 152
120 / 152
121 / 152
122 / 152
123 / 152
124 / 152
125 / 152
126 / 152
127 / 152
128 / 152
129 / 152
130 / 152
131 / 152
132 / 152
133 / 152
134 / 152
135 / 152
136 / 152
137 / 152
138 / 152
139 / 152
140 / 152
141 / 152
142 / 152
143 / 152
144 / 152
145 / 152
146 / 152
147 / 152
148 / 152
149 / 152
150 / 152
151 / 152
152 / 152
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU RUDARSKO-GEOLOŠKO-NAFTNI FAKULTET SKRIPTA IZ KOLEGIJA: PROIZVODNJA I PRETVORBA ENERGIJE Nositelj kolegija: dr. sc. Damir Rajković, redoviti profesor na Rudarsko-geološko-naftnom fakultetu Asistent: Nenad Kukulj, dipl.ing. Zagreb, 2011.
I SADRŽAJ POGLAVLJE 1. CENTRALIZIRANI ENERGETSKI OBJEKTI .................... 1 1. UVOD ................................................................................................................................ 2 2. CENTRALIZIRANI TOPLINSKI SUSTAVI ................................................................... 2 2.1. Obilježja centraliziranih toplinskih sustava .......................................................... 3 2.2. Kuen-CTS .............................................................................................................. 4 3. PODJELA TEHNOLOGIJE CTS-a ................................................................................... 5 3.1. Termoelektrane ...................................................................................................... 5 3.1.1. Plinsko – turbinsko termoelektrane .......................................................... 6 3.1.2. Parno – turbinsko postrojenje ................................................................... 8 3.1.3. Kombinirano (kombi) postrojenje ............................................................. 8 3.2. Nuklearna elektrana ............................................................................................. 11 4. STANJE PRIMJENE U HRVATSKOJ ........................................................................... 16 5. TERMOELEKTRANE U HRVATSKOJ ........................................................................ 18 5.1. Zagreb .................................................................................................................. 18 5.2. Osijek ................................................................................................................... 20 5.3. Sisak .................................................................................................................... 21 5.4. Rijeka ................................................................................................................... 22 POGLAVLJE 2. DECENTRALIZIRANI ENERGETSKI SUSTAVI ............ 25 1. UVOD .............................................................................................................................. 26 2. OSNOVNE ZNAČAJKE DES-a ..................................................................................... 27 3. PODJELA TEHNOLOGIJE DES-A ............................................................................... 28 3.1. Obnovljivi izvori energije ................................................................................... 28 3.1.1. Energija vjetra – vjetroelektrane ............................................................. 28 3.1.2. Energija sunca ......................................................................................... 32
3.1.3. Energija vode – hidropotencijal .............................................................. 35 3.1.4. Geotermalna energija .............................................................................. 39 3.1.5. Bioenergija .............................................................................................. 41 3.1.6. Zajedničke karakteristike DES-a iz obnovljivih izvora .......................... 42 3.2. Kogeneracijska tehnologija ................................................................................. 42 3.2.1. Važnost korištenja gorivnih ćelija u kogeneracijskim sustavima ........... 42 3.2.2. Mikrokogeneracije .................................................................................. 43 3.2.3. Trigeneracije ........................................................................................... 44 3.2.4. Zajedničke karakteristike DES-a u kogeneraciji..................................... 44 3.3. Toplinske pumpe ................................................................................................. 45 4. DOPRINOS DES-a HRVATSKOJ ENERGETICI ......................................................... 47 POGLAVLJE 3. HIDROELEKTRANE ............................................................. 48 1. UVOD ............................................................................................................................ 49 2. HIDROELEKTRANE ................................................................................................... 49 2.1. Osnovni dijelovi hidroelektrane .......................................................................... 51 3. OSNOVNI TIPOVI HIDROELEKTRANA .................................................................... 54 3.1. Protočne hidroelektrane ....................................................................................... 54 3.2. Akumulacijske hidroelektrane ............................................................................. 55 3.3. Reverzibilne hidroelektrane ................................................................................ 56 4. PODJELA HIDROELEKTRANA PREMA INSTALIRANOJ SNAZI (UČINU) ....... 58 4.1. Male hidroelektrane ............................................................................................. 58 4.2. Male hidroelektrane u Hrvatskoj i stanje korištenja ............................................ 59 4.3. Male hidroelektrane u svijetu .............................................................................. 61 4.4. Velike hidroelektrane .......................................................................................... 62 4.4.1. Značajke hidroelektrana .......................................................................... 62 4.4.2. Neto snaga hidroelektrane ....................................................................... 63 4.4.3. Uloga hidroelektrana u suvremenom svijetu .......................................... 64 5. PREDNOSTI HIDROELEKTRANA .............................................................................. 64 6. NEDOSTACI HIDROELEKTRANA ............................................................................. 65 II
7. DRŽAVE S NAJVEĆOM PROIZVODNJOM HIDRO-ELEKTRIČNE ENERGIJE .... 66 8. PRIMJERI HIDROELEKTRANA .................................................................................. 67 8.1. Tri klanca (Kina) – najveća hidroelektrana ......................................................... 67 8.2. Hidroelektrana Itaipu (Brazil/Paragvaj) .............................................................. 69 8.3. Hidroelektrana Hoover (SAD) ............................................................................ 70 9. ENERGIJA MORA ....................................................................................................... 71 9.1. Elektrana na pogon valovima .............................................................................. 71 9.2. Plimne elektrane .................................................................................................. 72 9.3. Hidroelektrana na podmorske struje .................................................................... 73 POGLAVLJE 4. NUKLEARNE ELEKTRANE ................................................ 74 1. UVOD .............................................................................................................................. 75 2. PRVE NUKLEARNE ELEKTRANE U SVIJETU ......................................................... 75 3. POVIJEST NUKLEARNIH NESREĆA ......................................................................... 78 4. NUKLEARNE ELEKTRANE U SVIJETU .................................................................... 81 5. TIPOVI NUKLEARNIH ELEKTRANA ........................................................................ 82 6. NUKLEARNA ENERGIJA U ODNOSU NA OSTALE ENERGENTE ....................... 85 7. RADIOAKTIVNI OTPAD .............................................................................................. 88 8. ZAŠTITA OKOLIŠA I SIGURNOST KOD NUKLEARNIH POSTROJENJA ............ 91 POGLAVLJE 5. VJETROELEKTRANE .......................................................... 93 1. UVOD .............................................................................................................................. 94 2. ENERGIJA VJETRA ...................................................................................................... 94 3. VJETROTURBINE ......................................................................................................... 95 3.1. Princip rada .......................................................................................................... 96 3.1.1. Generatori vjetroturbina .......................................................................... 99 3.1.2. Ograničavanje izlazne snage i zaštita od oluja ..................................... 102 3.2. Vrste vjetroturbina ............................................................................................. 104 III
3.2.1. Vjetroturbine s horizontalnom osi vrtnje (HAWT) .............................. 105 3.2.2. Vjetroturbine s vertikalnom osi vrtnje (VAWT) .................................. 107 3.3. Lokacije vjetroturbina ....................................................................................... 109 3.3.1. Lokacije na kopnu ................................................................................. 110 3.3.2. Priobalne lokacije.................................................................................. 110 3.3.3. Lokacije na moru .................................................................................. 110 4. PRIMJENA VJETROELEKTRANA U SVIJETU ....................................................... 111 5. PRIMJENA VJETROELEKTRANA U HRVATSKOJ ................................................ 112 6. PREDNOSTI I NEDOSTATCI KORIŠTENJA VJETROELEKTRANA .................... 114 POGLAVLJE 6. SOLARNI UREðAJI ............................................................. 115 1. UVOD ............................................................................................................................ 116 2. RAZVOJ FOTONAPONSKE TEHNOLOGIJE I TRŽIŠTA ....................................... 117 3. SOLARNI KOLEKTORI .............................................................................................. 118 3.1. Način rada solarnih kolektora ............................................................................ 120 4. FOTONAPONSKE ĆELIJE .......................................................................................... 121 4.1. Način rada fotonaponskih ćelija ........................................................................ 122 4.2. Graña Si - PV ćelije ........................................................................................... 124 4.3. Karakteristike ćelija ........................................................................................... 124 4.4. Primjena fotonaponskih solarnih ćelija ............................................................. 125 4.5. Prednosti upotrebe solarnih fotonaponskih sustava .......................................... 127 4.6. Utjecaj na okoliš ................................................................................................ 127 5. SUNČANI BOJLER ...................................................................................................... 128 POGLAVLJE 7. KOGENERACIJA, MIKROKOGENERACIJA, TRIGENERACIJA .............................................................................................. 130 1. UVOD ............................................................................................................................ 131 2. KOGENERACIJA ......................................................................................................... 131 2.1. Prednost i efikasnost kogeneracije .................................................................... 132 IV
2.2. Izgradnja kogeneracijskog postrojenja .............................................................. 133 2.3. Elementi kogeneracijskog postrojenja ............................................................... 134 2.4. Vrste kogeneracijskih postrojenja ..................................................................... 134 2.5. Primjer korištenja kogeneracijskog postrojenja ................................................ 138 3. TRIGENERACIJA ........................................................................................................ 139 4. MIKROKOGENERACIJA ............................................................................................ 140 4.1. Motori sa unutrašnjim izgaranjem ..................................................................... 141 4.2. Stirlingov motor ................................................................................................ 141 LITERATURA ..................................................................................................... 142 V
POGLAVLJE 1. CENTRALIZIRANI ENERGETSKI OBJEKTI 1
2 1. UVOD Energetika je privredna djelatnost koja se bavi proučavanjem i iskorištavanjem različitih izvora energije te proizvodnjom električne energije. Elektrana je postrojenje za proizvodnju električne energije koja se istovremeno troši na mjestu proizvodnje ili prenosi preko elektroenergetske mreže do mjesta potrošnje. Podjela elektrana: · Termoelektrane – energetska postrojenja koja energiju dobivaju sagorijevanjem fosilnih goriva (nafta, plin i ugljen); · Nuklearne elektrane – energetska postrojenja koje dobivaju električnu energiju na temelju oslobañanje toplinske energije pri cijepanju jezgre u reaktoru · Vjetroelektrane – proizvode električnu energiju preko vjetrenjača koristeći energiju vjetra · Hidrelektrane – proizvode električnu energiju koristeći energiju vode · Solarne termalne elektrane - izvori električne struje dobivene pretvorbom Sunčeve energije u toplinsku Centralizirani energetski objekti su energetska postrojenja koja proizvode električnu i toplinsku energiju. U centralizirane energetske objekte ubrajaju se termoelektrane (na fosilna goriva) i nuklearne elektrane. Centralizirani energetski objekti se često nazivaju centraliziranim toplinskim sustavim (CTS). 2. CENTRALIZIRANI TOPLINSKI SUSTAVI Centralizirani toplinski sustavi su efikasni sustavi korištenja energije primarnog goriva, tj. prirodnog plina, derivata nafte, ugljena, otpada ili biomase za proizvodnju i opskrbu toplinske energije vrele vode, odnosno vodene pare u većim naseljima, industrijskim centrima i gradovima. Centralizirani toplinski sustav je sustav opskrbe toplinom proizvedenom centralno i distribuiranom putem vrelovodne ili parovodne mreže. Iskorištavanje primarnog goriva u takvim sustavima u slučajevima kada se istovremeno proizvodi toplinska i električna energija dostiže razinu i 90 % uz vrlo nizak negativni utjecaj na okoliš. Centralni toplinski sustavi obuhvaćaju grijanje stambenih, poslovnih i proizvodnih prostora.
3 Centralizirani toplinski sustavi : a) Topla voda (vrelovodi) za potrebe grijanja i sanitarne vode b) Tehnološka para (parovodi) za potrebe industrije Proizvodnja tople vode i pare: a) Termoelektrane-toplane, u spojnom procesu gdje se istovremeno proizvodi električna energija i toplinska energija b) Autonomne jedinice: vrelovodne i parne kotlovnice c) Kombinacija: TE-TO + nekoliko autonomnih jedinica (koje uglavnom služe za pokrivanje vršne potrošnje) Veliki centralizirani toplinski sustavi, u kojima se redovito nalazi bar jedna TE-TO, su ograničeni na veće gradove. Zbog velikih gubitaka topline, nema mogućnosti transporta topline na veće udaljenosti (izmeñu gradova). Zbog toga se radi isključivo o distributivnoj toplovodnoj i parovodnoj mreži. Ono što treba istaknuti jest da u CTS-ima za opskrbu kućanstava i usluga postoji mogućnost izgradnje suproizvodnih jedinica i akumulatora topline koji bi mogli unaprijediti ekonomsku učinkovitost kako toplinskog tako i cijelog energetskog sustava. 2.1. Obilježja centraliziranih toplinskih sustava Glavne značajke centraliziranih toplinskih sustava su: · jednostavna upotreba, transport, skladištenje i zaštita od opasnih goriva; · mogućnost iskorištavanja odbačene topline iz velikog broja različitih izvora; · visoki stupnjevi djelovanja proizvodnje ogrjevne topline (učinkovitije korištene energije uz manje nepovoljne utjecaje na okoliš) pogotovo uz kogeneracijsku proizvodnju; · značajno smanjenje prostora za kućanske ogrjevne ureñaje; · visoki komfor stanovanja i opća jednostavnost i ugodnost upotrebe topline. Opskrba toplinskom energijom većih dijelova grada obično je putem centraliziranog toplinskog sustava iz elektrana-toplana kao što je to, primjerice, u Zagrebu, Osijeku i Sisku, dok centralizirani toplinski sustav iz lokalnih mini-toplana ili blok kotlovnica opskrbljuje pojedina gradska naselja u gotovo svim većim hrvatskim gradovima.
U Hrvatskoj kućanstva troše oko 30% ukupne primarne energije, od čega značajan dio 4 otpada na grijanje i pripremu potrošne tople vode. Ukupna instalirana toplinska snaga proizvodnih jedinica u centraliziranim toplinskim sustavima (CTS) u Republici Hrvatskoj iznosi oko 1,8 GJ/s. Velik dio proizvodnih kapaciteta je zastarjele tehnologije pa zato postoje znatne mogućnosti povećanja energetske učinkovitosti. Oko 10% od ukupnog broja kućanstava u RH priključeno je na CTS, a ukupni broj korisnika je oko 151 000. U ukupnoj neposrednoj potrošnji energije za grijanje i potrošnu toplu vodu kod kućanstava i usluga CTS sudjeluje s 12%. 2.2. Kuen-CTS Program energetske efikasnosti centraliziranih toplinskih sustava - KUEN-CTS je nacionalni energetski program Republike Hrvatske, s kojim se nastoji smanjiti potrošnja i povećati energetska i ekonomska efikasnost korištenja energije u stambenim objektima koji toplinsku energiju tople vode iz centraliziranih toplinskih sustava (CTS) koriste za grijanje prostora i pripremu tople sanitarne vode. KUEN-CTS ima cilj omogućiti smanjenje gubitaka i racionalizaciju proizvodnje, transporta, distribucije i potrošnje toplinske energije. Temeljni ciljevi progama KUEN-CTS su : 1. smanjenje potrošnje i troškova za energiju, odnosno povećanje energetske i ekonomske efikasnosti korištenja energiju u sustavu CTS-a; 2. uvoñenje novih tehnologija izgradnje, nadzora, regulacije, mjerenja i optimiranja proizvodnih postrojenja i procesa proizvodnje, kapaciteta za transport i distribuciju toplinske energije; 3. smanjenje gubitka toplinske energije, korištenje otpadne topline, stabilna, sigurna, kvalitetna i jeftina opskrba toplinskom energijom, viši komfor stanovanja, te zaštita okoliša; 4. uspostavljanje sustava efikasnog marketinga i obrazovanja, kao elemenata strateško odgovornog odnosa proizvoñača (isporučitelja) i potrošača utemeljenog na novom povjerenju izmeñu proizvoñača i potrošača; 5. uspostavljanje sustava uvježbavanja i obrazovanja pogonskog osoblja da bi se osiguralo ispravno i optimalno korištenje i pogon opreme i postrojenja;
6. uspostavljanje i provedba informiranja i uvježbavanja krajnjih korisnika da bi im se omogućio nadzor potrošnje, te da bi s razumijevanjem i motivacijom djelatno sudjelovati u štednji energije, a time i novca. 5 3. PODJELA TEHNOLOGIJE CTS-A 3.1. Termoelektrane Termoelektrane su energetska postrojenja koje energiju električnu dobivaju sagorijevanjem fosilnih goriva, kao što su ugljen, plin i nafta, a glavna primjena i svrha termoenergetskih postrojenja je proizvodnja pare koja će pokretati turbinu, a potom i generator električne energije. Osnovna namjena im je proizvodnja i transformacija primarnih oblika energije u koristan rad, koji se kasnije u obliku mehaničke energije dalje iskorištava za proizvodnju električne energije. Mehanička energija je proizvedena uz pomoć toplinskog stroja koji transformira toplinsku energiju. Imamo pretvaranje kemijske energije u toplinsku koja se pak različitim procesima predaje nekom radnom mediju. Radni medij pak služi kao prijenosnik te energije, često izgaranjem goriva, u energiju vrtnje. Slika 1.1: Opći prikaz sastavnih dijelova termoelektrane Opis slike: Pri izgaranju goriva u kotlu nastaje toplina koja pretvara vodu u paru. Para se odvodi na turbinu, ona pokreće generator, koji pretvara mehaničku energiju u električnu. Iz turbine para putuje u kondenzator, gdje se pretvara u tekućinu i vraća se u kotao. Kondenzator se hladi rashladnim tornjevima ili protočno, vodom iz rijeke.
6 Slika 1.2: Pojednostavljen prikaz rada termoelektrane Podjela termoelektrana prema vrsti pokretača: Prema vrsti pokretača (stroj koji u slijedu energetske transformacije prvi pretvara bilo koji oblik energije u mehaničku energiju) dijelimo ih na: 1. plinsko-turbinsko postrojenje (kružna postrojenja), 2. parna turbinska postrojenja , 3. kombinirana postrojenja. 3.1.1. Plinsko - turbinsko termoelektrane Plinsko-turbinsko postrojenje koristi dinamički pritisak od protoka plinova za direktno upravljanje turbinom. Sam proces koji se dogaña u plinskoj turbini nije toliko različit od parne turbine. Naravno različit je medij koji ekspandira, postupak dobivanja radnog medija je takoñer drugačiji, no sam proces koji se dogaña u turbini je vrlo sličan. Razlika je ta što je pad entalpije u plinskoj turbini mnogo manji te porast volumena veći. Ukoliko želimo povećati stupanj iskoristivosti moramo povećati temperaturu medija koji ulazi u turbinu. Tu se javlja problem hlañenja, pogotovo samihlopatica. Kako bismo ohladili lopatice koristimo komprimirani zrak iz kondenzatora. Naravno dovoñenje zraka za hlañenje će smanjiti i snagu postrojenja. Današnji razvoj materijala nam je omogućio da i izborom materijal povećamo otpornost na temperaturu. Za izradu lopatica se danas koriste visoko legirani materijali na bazi nikala koji uspješno podnose više temperature. Naravno bez obzira na ova dostignuća na području materijala moramo osigurati hlañenje lopatica. U plinskim elektranama se mehanička energija pretvara u električnu pomoću plinskih motora, koji se najčešće grade kao četverotaktni motori. Ove elektrane su obično u sustavu metalurgijskih postrojenja radi iskorištenja plinova iz visokih peći ili u sustavu kosara i
postrojenja za dobivanje plinova radi iskorištenja plinova koji nastaju pri dobivanju koksa, zatim za iskorištavanje zemnog plina itd. Ukoliko želimo povećati stupanj iskoristivosti moramo povećati temperaturu medija koji ulazi u turbinu. Svako plinsko-turbinsko postrojenje sastoji se od kompresora, komore za izgaranje i plinske turbine. Princip rada: Kompresor služi za stlačivanje zraka kojeg usisava iz okoliša te ga komprimira do nekog zadanog tlaka, komprimirani zrak dovodi se do komore izgaranja gdje se grije uslijed izgaranja goriva. Smjesa koja nastaje (zagrijani zrak i plinovi izgaranja) ekspandiraju u plinskoj turbini gdje stvaraju moment koji se iskorištava u proizvodnji električne energije i pri radu kompresora. 7 Osnovne razlike izmeñu parnih i plinskih termoelektrana: · parne termoelektrane imaju veći stupanj djelovanja (korisnost): ~40% parne, 25-30% plinske · izgradnja parnih termoelektrana je skuplja (~2:1) i traje duže · troškovi goriva po jedinici proizvedene el. energije redovito su manji za parne termoelektrane, pogotovo ako se radi o termoelektranama na ugljen (~1:2) · plinske termoelektrane imaju manje troškove pokretanja i zaustavljanja · plinske termoelektrane brže ulaze u pogon i fleksibilnije su u radu: moguća je brža promjena snage · plinske termoelektrane su ekološki prihvatljivije: ispuštaju manje količine štetnih plinova · kod plinskih termoelektrana može se javiti problem opskrbe gorivom: - u slučaju da se plin dovodi plinovodom, potrebni su dugoročni ugovori s isporučiteljom (vrlo često samo jednim) - u varijanti kad se koristi ukapljeni plin, ovog problema nema, ali su troškovi (cijena plina) znatno veći Prednost plinskih u odnosu na parne elektrane: · izgradnja parnih termoelektrana ja skuplja i duže traje · plinske elektrane imaju manje troškove pokretanja i zaustavljanja · plinske elektrane brže ulaze u pogon i fleksibilnije su u radu : moguća je brža promjena snage · plinske elektrane su ekološki prihvatljivije
8 Negativnosti plinskih elektrana : · manji stupanj korisnosti (25-30%) · veći troškovi po jedinici proizvedene električne energije · može se javiti problem opskrbe gorivom 3.1.2. Parno –turbinsko postrojenje Princip rada parnog - turbinskog postrojenja: Proizvedena para uz pomoć topline, dobivena izgaranjem goriva, odvodi se u turbinu gdje na razne načine ekspandira stvarajući moment koji pak služi za proizvodnu električne energije u generatoru. Koristi dinamički pritisak generatora trošenjem vodene pare za okretanje lopatica turbine. Najveći broj velikih termoelektrana je s parnim pogonom, kod kojih se uglavnom koriste parne turbine (oko 80 % električne energije je proizvedeno korištenjem parnih turbina) neposredno spojene sa generatorom (turbo-generator). U ovim elektranama toplina dobivena sagorijevanjem goriva predaje se vodenoj pari koja u parnim turbinama proizvodi mehaničku energiju, a koja se u generatoru pretvara u električnu energiju. Prema drugom zakonu termodinamike sva toplinska energija ne može biti pretvorena u mehaničku energiju, zato je toplina uvijek izgubljena u okolini. Ako je ovaj gubitak primijenjen kao korisna toplina, za industrijske procese ili grijanje okoline, parno postrojenje se odnosi na kogeneraciju parnog postrojenja. Klasično parno-turbinsko postrojenje zasniva se na Rankinovom procesu poznatom iz termodinamike. 3.1.3. Kombinirano (kombi) postrojenje Kombinirano postrojenje ima oboje: plinske turbine ložene prirodnim plinom, parni kotao te parnu turbinu koja koristi iscrpljeni plin iz plinske turbine kako bi se proizveo elektricitet, tj. to je ciklus koji se sastoji od plinsko-turbinskog i parno-turbinskog dijela. Glavne sastavnice su naravno plinska i parna turbina. Osnovna namjena ovakvih postrojenja je da se iskoristi toplina nastala na izlazu iz plinske turbine. Pošto ispušni plinovi koji izlaze iz plinske turbine imaju izuzetno visoke temperature, oko 600°C mogu se iskoristiti kao sredstvo koje će grijati vodu i proizvoditi vodenu paru za parnu turbinu. Time povećavamo iskoristivost samog procesa pošto je toplina koju bi inače izgubili iskorištena za daljnju proizvodnju pare.
Iskoristivost takvog postrojenja doseže i do 60%. U kombiniranom postrojenju kompresor komprimira zrak i šalje ga u komoru izgaranja gdje se istovremeno dovodi gorivo za izgaranje. Plinovi izgaranja vrlo visoke temperature vode se iz komore izgaranja u plinsku turbinu, gdje ekspandiraju dajući koristan rad na vratilu spojenom na rotor plinske turbine. Vratilo pokreće generator električne struje i proizvodi električnu energiju koja se šalje u mrežu. Nakon ekspanzije, ispušni se plinovi iz plinske turbine vode u utilizator (generator pare na otpadnu toplinu). Jedna od vrlo dobrih karakteristika plinske turbine je ta što je kod nje prisutan vrlo visok omjer zrak/gorivo budući se dodaje nekoliko puta više zraka zbog hlañenja lopatica plinske turbine. Zbog toga na izlazu iz plinske turbine ostaje još dosta neiskorištenog zraka te se taj višak zraka koristi za izgaranje dodatnog goriva u utilizatoru. U utilizatoru se napojna voda zagrijava do isparavanja i pregrijava na zadane parametre. Pregrijana para odlazi iz generatora pare u parnu turbinu gdje ekspandira i predaje mehanički rad generatoru električne struje. Nakon toga para, sada već niskih parametara, odlazi u kondenzator gdje kondenzira. Nakon kondenzacije, voda se napojnom pumpom vraća u utilizator na ponovno zagrijavanje. Već je napomenuto da ovim principom povećavamo iskoristivost čitavog procesa. Razlog pronalazimo u osnovama termodinamike. Temelje možemo vidjeti u temeljnom Carnotovom procesu (izentropsko-izotermnom). Princip je sljedeći: ukoliko su temperaturne razlike manje, manji je i prijenos topline. Dakle nama je od izuzetne važnosti da je ta razlika temperatura „spremnika“ što veća. Naravno idealni slučaj bi bio ukoliko bi temperatura radne tvari kod dovoñenja topline bila jednaka temperaturi ogrjevnog spremnika, a temperatura radne tvari kod odvoñenja postane jednaka temperaturi rashladnog spremnika. Tada govorimo o idealnom Carnotovom procesu. Znamo da kod Carnotovog procesa iskoristivost ovisi samo o temperaturi, odnosno temperaturi toplinskih spremnika te se nikakvim drugim varijablama ta iskoristivost ne može promijeniti. 9
10 Slika 1.3 : Shematski prikaz kombi-procesa u termoelektrani Dijelovi termoenergetskog postrojenja: Generator pare, turbina, generator električne energije, kondenzator, kondenzatorska pumpa, napojna pumpa, rashladni toranj te spremnik napojne vode te pregrijači pare, meñupregrijači, ekonomajzeri i sl. (kao sastavni dio generatora pare). a) Kompresori Kompresori služe kod plinsko-turbinskih postrojenja, mlaznim motorima i sl. Kompresori mogu biti radijalni ili aksijalni. Kod aksijalnih strujanje zraka vrši se u smjeru vratila, dok kod radijalnih kompresora imamo radijalno strujanje na rotorsko kolo. Radijalni kompresori lakši su i mnogo efikasniji nego aksijalni kompresori za manje kompresijske omjere. Kod većih postrojenja koriste se aksijalni kompresori obzirom da su efikasniji (za veće kompresijske omjere). Isto tako u zrakoplovstvu se koriste aksijalni kompresori zbog viših kompresorskih omjera. Kompresor za rad koristi energiju nastalu zbog rada turbine obzirom da su turbina i kompresor najčešće na istom vratilu. Komprimirani zrak s plinovima izgaranja tvori radni medij koji ekspandira kasnije u turbini. b) Komora izgaranja Komora izgaranja sastoji se od dva cilindra. U prvom se odvija izgaranje prilikom čega se razvijaju visoke temperature te se tako štiti vanjski cilindar od djelovanja zračenja topline.
Cilindri su meñusobno povezani te se izmeñu njih odvija prostrujavanje zraka. Za izgaranje se dovodi 3-6 puta više zraka od teoretski potrebnog zbog sniženja maksimalnih temperatura. Komore izgaranja trebaju osigurati: stabilno izgaranje u širokim granicama opterećenja, jednoličnu raspodjelu temperatura dimnih plinova na izlazu iz komore izgaranja, da gubitak tlaka u komori izgaranja bude što manji. U klasičnom plinsko-turbinskom postrojenju možemo imati više komora izgaranja koje se slažu uzdužno, po obodu. Takvo slaganje koristimo kao bismo smanjili dimenzije. c) Kondenzator Kondenzator je klasični izmjenjivač topline koji „vraća“ paru natrag u tekuće stanje, nakon što ekspandira u turbini. Kondenzat se pumpama vraća natrag u proces. Tlak u klasičnom kondenzatoru je izuzetno mali (podtlak – oko 0,045 bara). Pošto je kondenzator izmjenjivač topline potrebno je osigurati i medij kojem će se ta topline predati kako bi se para ohladila do temperature kondenzata. Upravo zbog toga su termoelektrane smještene na rijekama, moru ili uz neki drugi vodeni izvor, kako bi se osigurao medij koji će preuzimati svu tu toplinu. Naravno postoji mogućnost da termoelektrana radi dvofazno, odnosno kao i toplana. Tada se ta para može odvoditi vrelovodima i služiti kao grijanje. d) Generator pare Za generator pare mogli bismo reći da čini središnji dio svake termoelektrane. Ukratko generator pare, što mu i samo ime kaže, služi za proizvodnju pare s odreñenim parametrima (temperature i tlaka) koja će se kasnije u turbini iskoristiti za proizvodnju električne energije. 3.2. Nuklearna elektrana Nuklearne elektrane mogu se smatrati i kao podvrsta termoelektrana, budući da je osnovna funkcionalna razlika jedino u načinu dobivanja vodene pare. Toplinsku energiju osigurava kontrolirana lančana reakcija nuklearnog goriva. Nuklearna elektrana je elektrana koja kao izvor energije koristi toplinu dobivenu u nuklearnom reaktoru, a po svemu ostalom se ne razlikuje bitno od termoelektrane koja koristi fosilno gorivo. Dobivanje električne energije u nuklearnim elektranama temelji se na oslobañanju toplinske energije pri cijepanju jezgre u reaktoru. Osloboñena je energija izvor za proizvodnju pare. Nuklearne se elektrane razlikuju prema tipu nuklearnog reaktora od kojih je najčešći reaktor hlañen i moderiran običnom vodom pod tlakom. Takva je i nuklearna elektrana Krško u čijoj je izgradnji sudjelovala i Hrvatska. 11
12 Slika 1.4: Okvirni prikaz sastavnih dijelova nuklearne elektrane Princip rada Nuklearne elektrane kao gorivo koriste izotop urana U-235 koji je vrlo pogodan za fisiju. U prirodi se može naći uran sa više od 99% U-238 i svega oko 0.7% U-235. Dok U-238 apsorbira brze neutrone, U-235 se u sudarima sa sporim neutronima raspada na vrlo radioaktivne, fisijske produkte, a pri tom se oslobaña još brzih neutrona (slika). Usporavanjem tih brzih neutrona u sudarima s molekulama teške vode, koja se pri tome zagrijava, ostvaruje se lančana reakcija. Osloboñena toplina jest toliko željena energija. U nuklearnim reaktorima se taj proces dogaña cijelo vrijeme u strogo kontroliranim uvjetima (izuzevši nekoliko trenutaka u Černobilu). Iako urana u prirodi ima relativno puno (sto puta više od srebra) izotopa U-235 ima malo. Zbog toga se provodi postupak obogaćivanja urana. Princip oslobañanja nuklearne energije. Nekontrolirani proces se zove atomska bomba, a kontrolirani proces je nuklearni reaktor. U konačnoj upotrebljivoj fazi, nuklearno gorivo biti će u formi tableta dugih oko dva i pol centimetra. Jedna takva tableta može dati otprilike istu količinu energije kao i jedna tona ugljena. Energija koja se oslobaña sudaranjem neutrona sa uranom koristi se za zagrijavanje vode. Ta voda (para) tada pokreče generator, a nakon toga treba je rashladiti i ponovo vratiti u
reaktor. Za to je potreban stalan i veliki protok vode oko jezgre reaktora. Na primjer nuklearna elektrana Krško koristi rijeku Savu za hlañenje. 13 Slika 1.5: Shema osnovnih dijelova nuklearne elektrane Osnovni dijelovi nuklearne elektrane su: · Nuklearni reaktor – ureñaj u kojemu se održava kontrolirana nuklearna reakcija, a proizvedena toplina se odgovarajućim prijenosnim medijem izvodi iz reaktora; · Parogenerator – izmjenjivač topline u kojem rashladno sredstvo reaktora predaje dio svoje toplinske energije vodi odnosno pari u sekundarnom krugu nuklearne elektrane; · Cirkulaciona crpka rashladnog sredstva reaktora omogućava cirkulaciju rashladnog sredstva u primarnom krugu reaktora · Tlačnik – održava potreban tlak i kompenzira promjene volumena rashladnog sredstva uslijed promjene temperature · Zaštitna posuda – služi za smještaj i zaštitu primarnog kruga NE i dijela reaktorskog pomoćnog postrojenja
14 Jezgru reaktora (tip PWR) čine: · Gorivi elementi: cijevi od specijalnih legura ispunjene UO2 · Regulacijske i zaustavne šipke · Moderator: ima funkciju usporavanja procesa fisije (neutrone) · Rashladni fluid · Konstrukcijski elementi Nuklearne elektrane se obično dijele s obzirom na vrstu rashladnog sredstva reaktora: 1. Reaktori hlañeni i moderirani običnom vodom pod tlakom, PWR (Pressurized Water Reactor) – npr. NE Krško 2. Reaktori hlañeni i moderirani kipućom vodom, BWR (Boiling Water Reactor) 3. Reaktori hlañeni i moderirani teškom vodom, HWR (Heavy Water Reactor) 4. Reaktori hlañeni plinom i moderirani grafitom, GCR (Gas Cooled Reactor), AGR (Advanced Gas Reaktor), HTGR (High Temperature Gas Reaktor) 5. Brzi oplodni reaktori hlañeni tekućim metalima, nemaju moderatora, LMFBR (Liquid Metal Fast Breeder Reactor) Značajke uporabe nuklearne energije: · Električna energija proizvedena u nuklearnim elektranama jedna je od najjeftinijih proizvedenih u nisko-ugljičnim tehnologijama; · Pouzdanost proizvodnje električne energije iz nuklearnih elektrana vrlo je visoka, primjerice za moderne nuklearne elektrane faktor nazivnog opterećenja iznad je 90%; · Sigurnost rada modernih nuklearnih elektrana, uz primjenu sveobuhvatnog i efikasnog regulatornog okvira, iznimno je visoka. Komparacija smrtnih slučajeva po TWh proizvedene električne energije: · broj najveća je smrtnost kod hidroelektrana (101 slučaj po TWh) · termoelektrane na ugljen (39 slučajeva po TWh) · termoelektrane na plin (10 slučajeva po TWh) · NE (1 slučaj po TWh - uključujući i Černobilsku nesreću)
Reaktori u Černobilu ne mogu biti mjerodavni za procjenu sigurnosti ostalih tipova NE – nisu grañeni uz poštivanje opće prihvaćenih kriterija sigurnosti, ali nisu ni temelj nuklearne energetike ni u jednoj zemlji izvan zemalja bivšeg SSSR. Slika 1.6: Usporedba neophodnih količina primarnih oblika energije za godišnju proizvodnju 15 električne energije u postrojenju snage 1 GW Prednosti: · PWR reaktori su vrlo stabilni zbog njihove tendencije proizvodnje manje snage kako temperatura raste; ovo čini rad sa PWR reaktorima lakšim sa gledišta stabilnosti; · PWR reaktori mogu raditi sa jezgrom sa manje fisijskog nego što je potrebno za kritičnu reakciju. Ovo svojstvo uvelike smanjuje šansu da će reaktor izmaći kontroli, što ih čini relativno sigurnim od kritičnih nesreća. Zbog toga što koriste obogaćeni uran kao gorivo PWR reaktori mogu raditi sa običnom vodom kao moderatorom umjesto znatno skuplje teške vode; · Primarni i sekundarni krug su odvojeni pa voda u sekundarnom krugu nije onečišćena radioaktivnim tvar.
16 Nedostatci: · Visoki tlak rashladne vode zahtjeva čvršće cijevi i kućište reaktora, što povećava troškove same konstrukcije; · Visoki tlak može povećati posljedice curenja rashladne vode; · Većina PWR reaktora ne mogu biti dopunjeni za vrijeme rada što smanjuje vrijeme upotrebe reaktora a samim time i financijske gubitke; · Prirodni uran sadrži samo 0.7% U-235 izotopa potrebnog za nuklearnu reakciju. Zbog toga je potrebno umjetno obogaćivati uran, što poskupljuje samo gorivo. Zbog toga što se koristi voda kao neutronski moderator nije moguće sagraditi brzi neutronski reaktor u PWR izvedbi. 4. STANJE PRIMJENE U HRVATSKOJ HEP Proizvodnja d.o.o. je društvo s ograničenom odgovornošću s ishoñenim dozvolama za obavljanje dvije energetske djelatnosti: proizvodnju električne energije za tarifne kupce i proizvodnju toplinske energije za centralne toplinske sustave gradova Zagreb, Osijek i Sisak. HEP Proizvodnja proizvodi električnu energiju u 25 hidroelektrana organiziranih u tri proizvodna područja (sjever,zapad i jug), u samostalnom pogonu HE Dubrovnik, te u 4 termoelektrane, a u tri termoelektrane-toplane se u spojenim proizvodnim procesima proizvodi električna i toplinska energija.
17 Tablica 1.1: Prikaz proizvodnje energije u Hrvatskoj Raspoloživa snaga za proizvodnju: Akumulacijske HE 1 308 MW Protočne HE 421 MW Reverzibilna HE 276/240 MW Kondenzacijske TE 878 MW Termoelektrane toplane 492 MW el + 788 MW t pare + 570 t/h tople vode Ukupna snaga za: proizvodnju električne energije 2 465 MWe proizvodnu toplinske energije 788 MW t pare+ 570 t/h tople vode Ukupna proizvodnja u 2007; električna energija toplina u vlastitim objektima HEP-a u RH 9 801 GWh 2 255 GWh u TE Plomin 2 1 401 GWh Prosječna ostvarena raspoloživost elektrana: 94 % U 2007. godini, hidroelektrane HEP Proizvodnje d.o.o. proizvele su 5.979 GWh, a termoelektrane 3.860 GWh. HEP Proizvodnja d.o.o. u ime ispred HEP grupe ugovor o voñenju i održavanju postrojenja TE Plomin 2, u kojem je proizvedeno 1.403 GWh. Tablica 1.2: Prikaz TE u Hrvatskoj, njihovih snaga i pogonskih goriva Termoelektrane Raspoloživa snaga na pragu (MW) Gorivo TE Sisak 396 loživo ulje / prirodni plin TE-TO Zagreb 337 prirodni plin / loživo ulje TE Rijeka 303 loživo ulje TE Plomin 1 98 ugljen EL-TO Zagreb 90 prirodni plin / loživo ulje KTE Jertovac 83 prirodni plin / ekstralako ulje TE-TO Osijek 90 loživo ulje / prirodni plin TE Plomin 2* 192 ugljen Ukupno: 1589
18 Slika 1.7: Prikaz današnjih udjela pojedinih izvora za proizvodnju električne energije 5. TERMOELEKTRANE U HRVATSKOJ 5.1. Zagreb Proizvodni kapaciteti toplinske energije u Zagrebu, u vlasništvu Hrvatske elektroprivrede (HEP), smješteni su u dvije kogeneracijske elektrane, u Termoelektrani-toplani Zagreb (TE-TO Zagreb) i u Elektrani-toplani Zagreb (EL-TO Zagreb), te u 61 kotlovnici. Jedinice za proizvodnju topline u kogeneracijskim elektranama sastoje se od kogeneracijskih blokova, te parnih i vrelovodnih kotlova. Pogon Posebne toplane proizvodi, prenosi i distribuira toplinu potrošačima pomoću tople vode. Proizvodne jedinice nalaze se u 61 kotlovnici, s instaliranim toplovodnim kotlovima, koji rade na 110/70°C ili 90/70°C temperaturnom režimu, a transport i distribucija se vrši kroz 50 zasebnih toplovodnih mreža.
19 a) TE-TO Zagreb Opći podaci: · položaj: Zagreb, Žitnjak · tip elektrane: kogeneracijska (spojena) proizvodnja električne i toplinske energije · vrsta goriva: o g1: prirodni plin ili spec. lako ulje za loženje o g2: teško loživo ulje / plin · ukupna snaga: 328 MWe / 740 MW t · proizvod: električna i toplinska energija Tablica 1.3: Prikaz proizvodnje TE-TO Zagreb Godišnja proizvodnja Prosjek od 2002. u 2007. Toplinska energija 3 213 060 GJ 3 452 964 GJ Tehnološka para 248 872 t 233 775 t Električna energija - prag 1 279 GWh 1577 GWh b) EL-TO Zagreb Opći podaci: · položaj: Zagreb, Trešnjevka · tip elektrane: kogeneracijska · proizvodnja: električne i toplinske energije · vrsta goriva: o g1: prirodni plin o g2: teško lož ulje / plin · ukupne snaga: 86.8 MWe / 342,34 MW t +180 t/h
20 Tablica 1.4: Prikaz proizvodnje EL-TO Zagreb Godišnja proizvodnja prosječna 2001.-05. u 2007. Toplinska energija 2.406.354 GJ 2.875.256 GJ Tehnološka para 495.407 t 475.560 t Električna energija - prag 382 GWh 357 GWh 5.2. Osijek Proizvodne jedinice Pogona Osijek smještene su u jednoj kogeneracijskoj elektrani - Termoelektrani-toplani Osijek (TE-TO Osijek) i jednoj toplani (Toplana). U pogon Osijek takoñer ulazi i sistem od 3 blok kotlovnice. Kogeneracijski blokovi smješteni su u TE-TO Osijek, dok se u Toplani nalaze parni i vrelovodni kotlovi za pokrivanje vršnih opterećenja. Svi kotlovi u blok kotlovnicama su toplovodni (110/70°C). Vrelovodni i parni potrošači koriste toplinu samo za grijanje, a potrošači priključeni na blok kotlovnice i za pripremu potrošne tople vode. TE-TO Osijek Opći podaci: · položaj: Osijek · tip elektrane: kogeneracijska · proizvodnja: električne i toplinske energije · vrsta goriva: o g1: prirodni plin / l.ulje o g2: teško lož ulje / plin · ukupna snaga: 89 MWe / 139 MW t +50 t/h Tablica 1.5: Prikaz proizvodnje TE-TO Osijek Godišnja proizvodnja prosječna od 1991. u 2007. Toplinska energija 657 492 GJ 657 778 GJ Tehnološka para 170 500 t 161 809 t Električna energija - prag 192 GWh 124 GWh
21 5.3. Sisak Toplinarstvo Sisak d.o.o u vlastitoj energani na lokaciji Željezare Sisak proizvodi toplinsku energiju u obliku vodene pare, a ostatak kupuje od INA Rafinerije Sisak. Prijenos topline do naselja Caprag obavlja se parom koja se u tri glavne izmjenjivačke stanice unutar naselja Caprag transformira u izmjenjivačima topline para/topla voda i distribuira do potrošača u obliku tople vode. Isti princip koristi se za opskrbu potrošača u naselju Brzaj samo što se toplina od glavne toplinske stanice do potrošača distribuira pomoću vrele vode. Vezano uz poslovanje sektora toplinarstva u Hrvatskoj, polovica od ukupnih troškova poslovanja otpada na troškove goriva. Rast cijena energetskog goriva rezultirao je negativnim poslovnim rezultatom, jer nije bilo automatizma u porastu cijena topline uzrokovanih porastom cijena goriva za proizvodnju te topline. TE Sisak Opći podaci:. · položaj: Sisak, Čret, četiri kilometra nizvodno od Siska na desnoj obali Save · tip elektrane: kondenzacijska termoelektrana s dva bloka : svaki blok ima dva parna kotla i po jednu parnu turbinu · vrsta goriva: teško lož ulje, plin · ukupna snaga: 420 MW (2x210 MW) · vrste proizvoda: električna energija, tehnološka para Tablica 1.6: Prikaz proizvodnje TE Sisak Godišnja proizvodnja prosječna u 2007. Tehnološka para (15 bar, 300°C) 105 305 t Električna energija - prag 1197 GWh 1206 GWh
22 5.4. Rijeka Termoelektrana Rijeka I najveći je pogon u elektro-gospodarstvu Primorsko goranske županije. S instaliranim 320 MW snage (303 MW na izlazu), čini 62% ukupnog potencijala Županije. Locirana na području Urinja u općini Kostrena, termoelektrana je iskoristila niz lokacijskih prednosti, kao što su: - jednostavno i ekonomično pretvaranje tekućeg goriva u električnu energiju te prijenos te energije dalekovodima, - blizina rafinerije osigurava opskrbu gorivom kratkim cjevovodom, pa su izbjegnute poteškoće i troškovi transporta goriva, - neograničene su količine morske vode za hlañenje, a mala visina pumapanja vode smanjuje vlastitu potrošnju energije. Po svojoj opremi i tehnologiji Termoelektrana Rijeka I je vodeća u Hrvatskoj. Zbog relativno visoke cijene tekućih goriva i razvoja hrvatskog elektroenergetskog sistema, Termoelektrana Rijeka I je koncipirana kao fleksibilan blok, s ulogom zadovoljavanja temeljne energije i pokrivanja tzv. "srednjeg dijela dijagrama" u dnevnoj potrošnji elektroenergetskog sistema. Budući rad termoelektrane moguće je sagledati jedino kroz jedinstveni integralni elektroenergetski sustav Hrvatske. Glavni pravci razvoja usmjereni su na revitalizaciju i dogradnju kapaciteta. U tu svrhu unutar lokacije na Urinju pored dva postojeća rezervoara za mazut kapaciteta 20. 000 tona izgrañen je i jedan novi kapaciteta 60.000 tona. Aktualni planovi razvoja HEP-a ne sadrže povećenje kapaciteta ovog pogona niti njegovo širenje izvan granica postojeće lokacije.
23 Slika 1.8: Shema rashladnog sustava TE Rijeka Opis rashladnog sustava: Termoelektrana spada u kondenzacione i koristi morsku vodu kao rashladni medij. Glavni rashladni sustav TE Rijeka spada u grupu jedno-prolaznih rashladnih sustava kod kojeg je rashladni medij morska voda. Njegova osnovna uloga je ukapljivanje vodene pare u kondenzatoru. Uz to, služi i za hlañenje ostalih postrojenja u termoelektrani. Rashladni sustav sastoji se od usisnih cjevovoda, usisnog bazena sa ureñajima za pročišćavanje, dvije glavne pumpe morske vode, tlačnog cjevovoda do kondenzatora, kondenzatora, odvodnog cjevovoda od kondenzatora do ispusta i izlazne grañevine. Morska voda kroz dvije usisne cijevi ulazi u usisni bazen u kojem se iz vode filtriranjem odstranjuju krupna onečišćenja. Zatim se pomoću dvije pumpe tlači kroz zajednički vod do kondenzatora pare i nakon prolaska kroz kondenzator vodi do vodoispusnog bazena gdje se ispušta u more. Manji dio vode iz tlačnog dijela rashladnog sustava prolazi kroz rashladnike zatvorenog ciklusa koji je sekundarni sustav hlañenja. Na rashladni sustav priključen je vakuum sustav koji pored osnovne funkcije održanja niskog apsolutnog tlaka na parnoj strani kondenzatora ima zadatak održavanje nužne piezometričke visine, odnosno sifonskog efekta u rashladnom sustav.
24 TE Rijeka Opći podaci: · položaj: jugoistočno od Rijeke, na morskoj obali · tip elektrane: regulacijska kondenzacijska, kotao i jedna parna turbina · vrsta goriva: teško loživo ulje · ukupna snaga: 320 MW · vrste proizvoda: električna energija · godina izgradnje: 1974.-1978
25 POGLAVLJE 2. DECENTRALIZIRANI ENERGETSKI SUSTAVI
26 1. UVOD Energetika kao bitna infrastrukturna djelatnost osnovna je pretpostavka razvitka gospodarstva. Decentraliziranim energetskim sustavima ( DES) s uporabom fosilnih i obnovljivih izvora energije, te planiranju optimalne dobave toplinske i rashladne energije posvetit će se posebna pozornost, a sve radi smanjenja potrošnje fosilnih goriva i poticanja gospodarskog razvitka uz potpunu i održivu primjenu lokalnih resursa. Pod širokim pojmom decentralizirani energetski sustavi (DESi) obuhvaćeni su svi sustavi, postrojenja i ureñaji za konverziju energije, koji nisu pod izravnom kontrolom Centralnog energetskog sustav, već predstavljaju nezavisne izvore energije za individualne i lokalne, stambene i gospodarske potrebe. Kod decentraliziranog energetskog sustava transformacija energije je decentralizirana: približena grupi potrošača ili locirana kod potrošača, te točno usklañena s dinamikom njihovih potreba. Tu energetsku transformaciju obavlja sam potrošač pa transport energije nije potreban. Decentralizirani energetski sustavi (DESi) s uporabom fosilnih i obnovljivih izvora zadovoljavaju sve aspekte općenito prihvaćenog civiliziranog odnosa prema energiji, a komplementarni su Centralnom energetskom sustavu, nadopunjavajući ga i olakšavajući mu izvršenje njegova osnovnog zadatka, a to je sigurna dobava jeftinije energije na svakom dijelu državnog teritorija. Male kogeneracije u industriji, javnim zgradama, hotelijersko-rekreacijskim kompleksima, komunalnim energanama i sl. tipični su primjer decentraliziranih energetskih sustava, koji koriste kvalitetna fosilna goriva. Spalionice komunalnog i industrijskog otpada, te biomase, vjetroelektrane, geotermalne energane, male hidroelektrane, sunčevi apsorberi za proizvodnju tople vode, krovni fotonaponski paneli i sl. tipični su primjer DES-a s uporabom obnovljivih energetskih izvora. Proces decentralizacije energetske opskrbe, intenzivno primjenjivan i aktualan u svijetu posljednjih desetak godina, nije nipošto novi koncept energetske opskrbe, već predstavlja povratak počecima proizvodnje električne energije i svih drugih potrebnih oblika energije na jednom mjestu, odnosno početku dvadesetog stoljeća. Tada je decentralizirana istodobna proizvodnja električne, toplinske i rashladne energije - kogeneracija i trigeneracija bila široko zastupljena u industriji, no zakonska regulativa i niže cijene kupljene negoli proizvedene električne energije intenzivirale su proces centralizacije proizvodnje električne energije. Unatoč tome, zbog primjena u elektroindustriji te temeljem zbog napretka tehnologije, tržište malih kogeneracijskih postrojenja evoluira i to naročito u procesnoj industriji, gdje su prosječne instalirane snage postrojenje veće od 10-30 MW, u šumarstvu i industriji gdje se kao pogonsko gorivo koristi biomasa, energetskom sustavima koji osiguravaju toplinsku i rashladnu
energiju za mrežu od više objekata, malim industrijskim sustavima gdje se kogeneracijom poboljšava stupanj iskorištavanja u odnosu na samu proizvodnju tehnološke pare i postiže povećanje kapaciteta, rezidencijalnim sustavima za jedno ili više domaćinstava potrebne instalirane snage od 10 kW do 300 kW ( primjena u rezidencijalnom sektoru, mikrokogeneracije, najraširenija je u Japanu i SAD-u uz primjenu mikroturbina i malih plinskih motora). 27 2. OSNOVNE ZNAČAJKE DES-a · transformacija energije je decentralizirana: približena grupi potrošača ili locirana kod potrošača i usklañena s njihovim potrebama (industrijski pogoni, javni objekti, rekreacijski i turistički kompleksi, otočne i komunalne energane); · koriste se visokokvalitetna fosilna goriva (prirodni ukapljeni plin, dizelsko gorivo), ali i obnovljivi izvori energije (sunce, vjetar, biomasa, geotermalni izvori, bioplin, tehnološki plinovi); · otpadaju ili se bitno smanjuju gubici i troškovi prijenosa energije do mjesta potrošnje; · u mnogim slučajevima (uglavnom kod obnovljivih izvora) otpadaju i troškovi dobave primarnih energenata; · zahvaljujući usavršenosti opreme za konverziju energije postiže se visoki stupanj djelovanja i ekonomičnosti i kod jedinica malih snaga; · ne zahtijevanju velika kapitalna ulaganja, a vrlo često je i povrat kapitala iznimno brz, što je vrlo povoljno i za domače ulagače i za ulaganja hrvatske dijaspore; · omogućuju disperziju visokostručnih kadrova (lokalno izvan glavnih centara); · prikladni su za zajednička ulaganja privatnog i javnog sektora (Public Private Partnershop- PPP); · odgovaraju energetskoj i prostornoj strategiji razvitka primjerice Hrvatske, integralnom planiranju regionalnih resursa, nacionalnom ekološkom programu, malom i obiteljskom gospodarstvu, te programu energetske efikasnosti; · nadomještavaju i podupiru CES u teško pristupačnim i energetski ekstenzivnim područjima (udaljeni otoci, nepristupačna planinska područja); · prihvatljivi su za potrošače, uglavnom otpada problem lokacije, ali znatno ovisi o umreženom plinu, distributivnom lancu tekućih goriva i ukapljenom plinu, ali i o potpori centralnog EES-a;
· u područjima veće energetske gustoće prikladni su za centralizirano grijanje odnosno hlañenje i opskrbu električnom energijom uz procesorsko upravljanje i individualno mjerenje potrošnje. 28 3. PODJELA TEHNOLOGIJE DES-A 3.1. Obnovljivi izvori energije Obnovljive izvore energije možemo podijeliti u dvije glavne kategorije: tradicionalne obnovljive izvore energije poput biomase i velikih hidroelektrana, te na takozvane "nove obnovljive izvore energije" poput energije Sunca, energije vjetra, geotermalne energije itd. Iz obnovljivih izvora energije dobiva se 18% ukupne svjetske energije (2006), ali je većina od toga energija dobivena tradicionalnim iskorištavanjem biomase za kuhanje i grijanje - 13 od 18%. Od velikih hidroelektrana dobiva se dodatnih 3% energije. Prema tome, kad izuzmemo tradicionalne obnovljive izvore energije jednostavno je uračunati da takozvani "novi izvori energije" proizvode samo 2,4% ukupne svjetske energije. 1,3% otpada na instalacije za grijanje vode, 0,8% na proizvodnju električne energije i 0,3% na biogoriva (www.izvorienergije.com/obnovljivi_izvori_energije.html). Taj udio u budućnosti treba znatno povećati jer neobnovljivih izvora energije ima sve manje, a i njihov štetni utjecaj sve je izraženiji u zadnjih nekoliko desetljeća. Sunce isporučuje Zemlji 15 tisuća puta više energije nego što čovječanstvo u sadašnjoj fazi uspijeva potrošiti, ali usprkos tome neki ljudi na Zemlji se smrzavaju. Iz toga se vidi da se obnovljivi izvori mogu i moraju početi bolje iskorištavati i da ne trebamo brinuti za energiju nakon fosilnih goriva. 3.1.1. Energija vjetra - vjetroelektrane Iskorištavanje energije vjetra je najbrže rastući segment proizvodnje energije iz obnovljivih izvora. U zadnjih nekoliko godina turbine na vjetar znatno su poboljšane. Najbolji primjer je njemačko tržište turbina na kojemu se prosječna snaga od 470 kW (1995.) povećala na 1280 kW (2001.). Ovo povećanje snage postiglo se odgovarajućim povećanjem veličine turbina gonjenih vjetrom. Trenutno su u razvoju turbine koje će moći generirati snagu izmeñu 3 i 5 MW. Neki proizvoñači već su predstavili svoje prototipove u tom razredu snage. Osim naziva vjetroelektrane, koristimo i nazive vjetrenjače, vjetrogenerator, električne turbine na vjetar i slično.
Zbog početne ekonomske neisplativosti i nestalnosti vjetra, instalacija vjetrenjača je privilegija koju si mogu priuštiti samo bogate zemlje. Trenutno je cijena vjetrenjače veća od cijene termoelektrana po MW instalirane snage, ali razvojem tehnologije ta cijena je sve manja. 29 Slika 2.1: Trenutni trend instaliranja vjetroelektrana u svijetu Njemačka je trenutni lider u proizvodnji električne energije iz vjetra i predstavlja više od jedne trećine ukupno instalirane snage vjetroelektrana u svijetu. U Španjolskoj, Danskoj i Italiji takoñer raste instalirani kapacitet. U Hrvatskoj za sada nema većih dosega na tom području. Studije su pokazale da kod nas instaliranje generatora na vjetar ne bi bilo isplativo čak ni na nekim otocima gdje vjetar puše skoro cijelu godinu. Unatoč tome izgrañeno je polje vjetrenjača na otoku Pagu, Pag-Ravna1 (2005.) snage 5,95 MW, te polje vjetrenjača kod Šibenika, Trtar-Krtolin (2006.) snage 11,2 MW. Naizgled, pozicija je idealna za vjetrenjače jer većina ljudi odmah pomisli na senjsku buru u podvelebitskom kanalu, ali ta bura koja kadkada puše i preko 150 km/h nije dobra za generiranje struje jer takav vjetar može jedino razbiti vjetrenjaču. Povaljan vjetar je onaj koji je umjeren i stalan, a takav je npr. mestral koji puše ljeti s mora na kopno. Energija vjetra je transformirani oblik sunčeve energije. Sunce neravnomjerno zagrijava različite dijelove Zemlje i to rezultira različitim tlakovima zraka, a vjetar nastaje zbog težnje za izjednačavanjem tlakova zraka. Postoje djelovi Zemlje na kojima puše tzv. stalni (planetarni) vjetrovi i na tim područjima je iskorištavanje energije vjetra najisplativije. Dobre pozicije su obale oceana i pučina mora. Pučina se ističe kao najbolja pozicija zbog stalnosti vjetrova, ali cijene instalacije i transporta energije koče takvu eksplotaciju.
Kod pretvorbe kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju (okretanje osovine generatora) iskorištava se samo razlika brzine vjetra na ulazu i na izlazu. Albert Betz, njemački fizičar dao je još davne 1919. godine zakon energije vjetra. Njime je dan kvalitetan aspekt znanja iz mogućnosti iskorištavanja energije vjetra i turbina na vjetar. Njegov zakon kaže da možemo pretvoriti manje od 16/27 ili 59% kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju pomoću turbine na vjetar. 59% predstavlja teoretski maksimum, ali u praksi se može pretvoriti izmeñu 35% i 45% energije vjetra. 30 Slika 2.2: Princip pretvorbe i način priključivanja vjetrenjače na električnu mreži Za mjeru ove energije upotrebljavamo termin kilovat sat (kWh) ili megavat sat (MWh) tokom odreñenog vremena: jednog sata, jedne godine. Vjetrovne turbine maksimalno rade 75% sati od ukupnog broja sati tokom godine: 8760 sati. Meñutim, koliko električne energije turbine mogu proizvesti ovisno o distribuciji brzine vjetra za svaku turbinu posebno. Vjetroelektrane povećavaju pouzdanost opskrbe električnom energijom decentraliziranih energetskih sustava te se na taj način smanjuje ovisnost o centraliziranim energetskim sustavima, a ujedno se povećava postotak korištenja energije iz obnovljivih izvora. Kao dobre strane iskorištavanja energije vjetra ističu se: · borba protiv globalnog zagrijavanja, Kyoto protokol; · vjetroelektrane su energetska postrojenja bez štetnih emisija; · smanjuje se nacionalna ovisnost o uvozu fosilnih goriva;
· vjetar je obnovljivi izvor energije s velikim potencijalom, besplatan je, dostupan 31 je svima i ne može se potrošiti; · pridonosi ukupnom gospodarskom rastu, razvojudomaće industrije i uključivanje domaćih tvrtki u razvoj i zapošljavanje; · brza i lagana montaža/demontaža cijelog postrojenja beznegativnog utjecaja na kvalitetu okoliša. Loše strane su visoki troškovi izgradnje i promjenjivost brzine vjetra (ne može se garantirati isporučivanje energije). Buka koju stvaraju predstavlja jedan od ključnih problema, te zbog toga dolazi do promjene u životinjskom svijetu toga područja. U cilju stvaranja uvjeta za gospodarsko korištenje energije vjetra Vlada Republike Hrvatske pokrenula je nacionalni energetski program ENWIND. Odabrani su demonstracijski pilot-projekti koji trebaju potvrditi opravdanost ulaganja te pridonijeti stvaranju slike tipičnog hodograma kroz projekte u specifično hrvatskim okolnostima. Temeljem dostupnih meteoroloških podloga, prostorne raspoloživosti, zaštite okoliša te niza drugih kriterija odabrano je 29 makro-područja pogodnih za korištenje energije vjetra, unutar kojih su preliminarno izdvojene mikro-lokacije te je za odabrane vjetroelektrane, raspoložive na komercijalnom tržištu, simulacijom ocijenjena moguća proizvodnja električne energije iz energije vjetra. Za 29 lokacija hrvatske obale i otoka procijenjeno je da je moguće instalirati minimalno oko 370 MW vjetroelektrana s godišnjom proizvodnjom od oko 800 GWh/god., ako se koriste vjetroelektrane klase 750 kW. Za domaćinstva vrlo su interesantne male vjetrenjače snage do nekoliko desetaka kW. One se mogu koristiti kao dodatni izvor energije ili kao primarni izvor energije u udaljenim područjima. Kada se koriste kao primarni izvor energije nužno im se dodaju baterije (akumulatori) u kojima se energija sprema kada se generira više od potrošnje. Velike vjetrenjače često se instaliraju u park vjetrenjača i preko transformatora spajaju na električnu mrežu.
32 Slika 2.3: Shema postrojenja za iskorištavanje energije vjetra s vodoravnom osi vrtnje Osnovni dijelovi vjetroturbine: rotor vjetroturbine, vratila s prijenosnikom, električni generator i ostali dijelovi električnog sustava (spoj na mrežu, nužno napajanje i sl), regulacijski sustavi (aerodinamičko i zračno kočenje, zakretanje kućišta, nadzor i komunikacije itd), stup, temelj. 3.1.2. Energija sunca Sunce je nama najbliža zvijezda te, neposredno i posredno, izvor gotovo sve raspoložive energije na Zemlji. Sunčeva energija potječe od nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gdje temperatura doseže 15 milijuna °C. Radi se o fuziji, kod koje spajanjem vodikavih atoma nastaje helij, uz oslobañanje velike količine energije. Svake sekunde na ovaj način u helij prelazi oko 600 milijuna tona vodika, pri čemu se masa od nekih 4 milijuna tona vodika pretvori u energiju. Ova se energija u vidu svjetlosti i topline širi u svemir pa tako jedan njezin mali dio dolazi i do Zemlje. Iako je sunčeva energija uzročnik većine izvora energije, u nastavki ću se koncentrirati na direktno iskorištavanje sunčeve energije.
Pod optimalnim uvjetima, na površini Zemlje može se dobiti 1 kW/m2, a stvarana 33 vrijednost ovisi o lokaciji, godišnjem dobu, dobu dana, vremenskim uvjetima itd. U Hrvatskoj je prosječna vrijednost dnevne insolacije na horizontalnu plohu 3-4.5 kWh/m2. Osnovni problemi iskorištavanja su mala gustoća energetskog toka, velike oscilacije intenziteta zračenja i veliki investicijski troškovi. Dobre strane korištenja sunčeve energije: · značajno smanjenje ovisnosti o uvoznoj energiji te «preusmjerenje» energije, koja bi bila potrošena na zagrijavanje PTV, u druge korisne oblike pretvorbe, · OIE su klasično decentralizirani izvori energije koji doprinose sigurnosti elektroenergetskog sustava, · analize i iskustva iz prakse zemalja s uspješnim razvojem OIE (Španjolska, Njemačka, Danska) pokazuju da OIE pridonose bržem razvoju lokalnih područja i većem zapošljavanju nego u slučaju neobnovljivih izvora i manjem ekološkom onečišćenju, · zadovoljenje uvjeta EU i Kyoto protokola. Osnovni principi direktnog iskorištavanja energije Sunca su: · solarni kolektori- pripremanje vruče vode i zagrijavanje prostorija · fotonaponske čelije- direktna pretvorba sunčeve energije u električnu energiju · fokusiranje sunčeve energije- upotreba u velikim energetskim postrojenjima Solarni kolektori U njima se sunčeva energija pretvara u toplinsku energiju vode (ili neke druge tekućine). Sistemi za grijanje vode mogu biti ili otvoreni, u kojima voda koju treba zagrijati prolazi direktno kroz kolektor na krovu ili zatvoreni, u kojima su kolektori popunjeni tekućinom koja se ne smrzava. Zatvoreni sustavi mogu se koristiti bilo gdje, čak i kod vanjskih temperatura ispod nule. Fotonaponske ćelije Predstavljaju poluvodičke elemente koji direktno pretvaraju električnu energiju sunčeva zračenja u električnu energiju. Efikasnost im je od 10% za jeftinije izvedbe s amorfnim silicijem, do 25% za skuplje izvedbe. Za sada su još uvijek nerentabilni zbog previsoke cijene.
Fotonaponske ćelije mogu se koristiti kao samostalni izvor energije ili kao dodatni izvor energije. Kao samostalni izvor energije koristi se npr. na satelitima, cestovnim znakovima, kalkulatorima i udaljenim objektima koji zahtijevaju dugotrajni izvor energije. U svemiru je i snaga sunčeva zračenja puno veća jer Zemljina atmosfera apsorbira veliki dio zračenja pa je i dobivena energija veća. Kao dodatni izvori energije fotonaponske ćelije mogu se na primjer priključiti na električnu mrežu, ali za sada je to neisplativo. 34 Slika 2.4: Shema fotonaponskih čelija Fotonaponski efekt počeo je 1839. godine promatrati Henri Becquerel i na početku dvadesetog stoljeća bio je predmetom mnogih istraživanja. U Europskoj Uniji trenutno je 40% godišnji rast instalirane snage fotonaponskih ćelija. To se naizgled čini kao velik rast, ali u biti radi se o vrlo malim količinama, pa rast od 40% ne utječe posebno na ukupnu zastupljenost takvih izvora energije. Fokusiranje sunčeve energije Fokusiranje sunčeve energije upotrebljava se za pogon velikih generatora ili toplinskih pogona. Fokusiranje se postiže pomoći mnogo leća ili češće pomoću zrcala složenih u tanjur ili konfiguraciju tornja. "Power tower" konfiguracije koriste kompjuterski kontrolirano polje zrcala za fokusiranje sunčevog zračenja na centralni toranj, koji onda pokreče glavni generator. Do sada su napravljeni demonstracijski sistemi koji imaju izlaznu snagu i iznad 10 MW. Ti novi sustavi imaju i mogućnost rada preko noći i u lošem vremenu tako da spremaju vruću tekućinu u vrlo efikasni spremnik (neka vrsta termo boce).
"Dish" sistemi prate kretanje Sunca i na taj način fokusiraju sunčevo zračenje. Postoji još i "Trough" sistem fokusiranja sunčeva zračenja, koji može biti vrlo efikasan. Takve elektrane mogu biti vrlo jake: u Kaliforniji je instalirana elektrana snage 354 MW. Kada nema dovoljno energije od Sunca, sistemi koji fokusiraju sunčevo zračenje mogu se bez većih problema prebaciti na prirodni plin ili neki drugi izvor energije. To je moguće jer Sunce koristimo za grijanje tekućine, a kad nema sunca zagrijemo tekućinu ne neki drugi način. Problem kod fokusiranja je veliki potrebni prostor za elektranu, ali to se rješava tako da se elektrana radi npr. u pustinji. U pustinjama je ionako snaga sunčeva zračenja najizraženija. Veliki problem je i cijena zrcala i sustava za fokusiranje. 35 Slika 2.5: "Power Tower" konfiguracija Slika 2.6: "Dish" sistem fokusiranja 3.1.3. Energija vode - hidropotencijal Energija vode (hidroenergija) je najznačajniji obnovljivi izvor energije, a ujedno i jedini koji je ekonomski konkurentan fosilnim gorivima i nuklearnoj energiji. U posljednjih 30-ak godina proizvodnja energije u hidroelektranama je utrostručena, ali je time udio hidroenergije povećan za samo 50% (sa 2.2% na 3.3%). Korištenje hidroenergije ima svoja ograničenja. Ne može se koristiti posvuda jer podrazumijeva obilje brzo tekuće vode, a poželjno je i da je ima dovoljno cijele godine, jer se električna struja ne može jeftino uskladištiti. Da bi se poništio utjecaj oscilacija vodostaja grade se brane i akumulacijska jezera. To znatno diže cijenu cijele elektrane, a i diže se razina podzemnih voda u okolici akumulacije. Razina podzemnih voda ima dosta utjecaja na biljni i životinjski svijet, pa prema tome hidroenergija nije sasvim bezopasna za okoliš. Veliki problem kod akumuliranja vode je i zaštita od potresa. Procjenjuje se da je iskorišteno oko 25 % svjetskog hidroenergetskog potencijala. Većina neiskorištenog potencijala nalazi se u nerazvijenim zemljama, što je povoljno jer se u njima
očekuje znatan porast potrošnje energije. Najveći projekti, planirani ili započeti, odnose se na Kinu, Indiju, Maleziju, Vijetnam, Brazil, Peru... Rastuća potreba za energijom pri tome često preteže nad brigom o utjecajima na okoliš, a dimenzije nekih zahvata nameću dojam da je njihovo izvoñenje ne samo stvar energije nego i prestiža. Postoje tri osnovne vrste hidroelektrana: protočne, akumulacijske i reverzibilne 36 hidroelektrane. Po definiciji protočne hidroelektrane su one koje nemaju uzvodnu akumulaciju ili se njihova akumulacija može isprazniti za manje od dva sata rada kod nazivne snage. To znači da se skoro direktno koristi kinetička energije vode za pokretanje turbina. Takve hidroelektrane je najjednostavnije izvesti, ali su vrlo ovisne o trenutnom protoku vode. Prednost takve izvedbe je vrlo mali utjecaj na okoliš i nema dizanja razine podzemnih voda. Glavni dijelovi akumulacijske elektrane su: akumulacija, brana, zahvat, gravitacijski dovod, vodna komora, zasunska komora, tlačni cjevovod, strojarnica i odvod vode. Postoje dvije izvedbe akumulacijskih hidroelektrana: pribranska i derivacijska. Pribranska se nalazi ispod same brane, a derivacijska je smještena puno niže od brane i cjevovodima je spojena na akumulaciju. Akumulacijske hidroelektrane su najčešći način dobivanja električne energije iz energije vode. Problemi nastaju u ljetnim mjesecima kad prirodni dotok postane premali za funkcioniranje elektrane. U tom slučaju se brana mora zatvoriti i potrebno je održavati bar razinu vode koja je biološki minimum. a) Energija valova Oblik je kinetičke energije koja postoji u kretanju valova u oceanu, a kretanje valova uzrokuje puhanje vjetrova po površini oceana. Ta energija može biti iskorištena da pokrene turbine, te postoji dosta mjesta gdje su vjetrovi dovoljno snažni da proizvedu stalno kretanje valova. Ogromne količine energije kriju se u energiji valova te joj to daje ogromni energetski potencijal. Energija valova se direktno hvata ispod površine valova ili iz raznih fluktuacija pritisaka ispod površine. Tada ta energija može pogoniti turbinu, a najjednostavniji i najčešći način funkcioniranja je sljedeći: Val se diže u komori, a rastuće sile vode tjeraju zrak iz komore te tako pokretljivi zrak zatim pogoni turbinu, a koja onda pokreće generator.
37 Slika 2.7: Oscillating water column Većina tehnologija za iskorištavanje energije valova još uvijek je orijentirana blizu obale, ili na samoj obali, a razlika meñu njima je u njihovoj orijentaciji prema valovima s kojima su u interakciji, te sa radnim principom uz pomoć kojega se energija valova pretvara u željeni oblik energije. Meñu najpopularnijom metodom je terminator devices kao što su oscilating water columns uobičajeno se nalaze na obali ili blizu same obale, a imaju princip rada gdje se šire perpendikularno s obzirom na smjer putovanja vala i gdje nakon što se snaga vala uhvati i reflektira, oscilating water column se nakon toga giba poput klipa gore-dolje, tjerajući zrak kroz otvor povezan s turbinom. b) Konverzija termalne energije oceana Metoda za stvaranje elektriciteta koja se služi temperaturnom razlikom koja postoji izmeñu duboke i plitke vode, jer je voda na većoj dubini hladnija. Ukoliko postoji veća temperaturna razlika, veća je i efikasnost čitave metode, a minimalna temperaturna razlika treba biti 38 stupnjeva Fahrenheita. Ova metoda ima dugu povijest funkcioniranja, te datira s početka 19. stoljeća. Većina stručnjaka smatra kako bi ova metoda dala dobar omjer ulaganja i koristi već sa postojećim tehnologijama bi se mogao proizvoditi gigawat električne energije. No to ipak nije slučaj danas jer OTEC zahtijeva ogromne, skupe cijevi velikih promjera koje se moraju postaviti barem kilometar duboko u more, a kako bi mogle dovoditi hladniju vodu sa većih dubina, a što je naravno vrlo skupo.
38 Tipovi OTEC sistema su sljedeći: · sistemi zatvorenog kruga · sistemi otvorenog kruga · hibridni sistemi Sistemi zatvorenog kruga koriste tekućinu sa niskim stupnjem vrelišta, najčešće amonijak, te na taj način pokreću turbinu, a koja onda stvara električnu energiju. Topla površinska morska voda se pumpa kroz izmjenjivač topline i tu se zahvaljujući niskoj točki vrelišta isparava, te takva novonastala para zatim pokreće turbo generator. Hladnija dublja voda se zatim upumpava kroz drugi izmjenjivač topline gdje zahvaljujući kondenzaciji prelazi natrag iz pare u tekućinu, a ta se tekućina zatim reciklira kroz sistem. Slika 2.8: Zatvoreni OTEC sistem Sistemi otvorenog kruga koriste tople površine tropskih oceana za dobivanje elektriciteta zahvaljujući činjenici što topla voda nakon što se stavi u kontejner sa niskim pritiskom, proključa. Nakon toga para koja se širi počinje tjerati turbinu sa niskim pritiskom spojenu na električni generator, te se na kraju kondenzira natrag u tekućinu zbog izloženosti hladnim temperaturama iz dubine oceana. Hibridni sistemi su dizajnirani na način koji kombinira pozitivne značajke, kako otvorenih, tako i zatvorenih sistema. Način rada kod hibridnih sistema uključuje toplu morsku vodu koja ulazi u vakuumsku komoru gdje se pretvara u paru (proces sličan kod sistema
otvorenog tipa). Nakon toga para se vaporizira u tekućinu niskog vrelišta (kao kod zatvorenih sistema), a koja zatim pokreće turbinu te stvara električnu energiju. 3.1.4. Geotermalna energija Toplina u unutrašnjosti Zemlje rezultat je formiranja planeta iz prašine i plinova prije više od četiri milijarde godina, a radioaktivno raspadanje elemenata u stijenama kontinuirano regenerira tu toplinu, pa je prema tome geotermalna energija obnovljivi izvor energije. Ova energija se uglavnom generira iz Zemljine jezgre odnosno Zemljina središta budući da temperatura u središtu zemlje doseže i temperaturu preko 6000 °C što je dovoljno čak i za otapanje kamenja. Manji dio te energije generira se iz ljuske zemlje, odnosno zemljinog vanjskog sloja raspadom radioaktivnih elemenata koji se nalaze u svom kamenju (stijenama). Kako se spuštamo u dublje u Zemljinu unutrašnjost tako otprilike svakih 36 metara temperatura poraste za 1 °C. U prirodi se ta energija najčešće pojavljuje u formi vulkana, izvora vruće vode (toplica) i gejzira, odnosno na područjima gdje se toplina koncentrira blizu površine zemlje. Geotermalna energija se u nekim zemljama iskorištavala tisućama godina u formi toplica, odnosno rekreacijsko-ljekovitog kupanja te su već u prošlosti bili dobro poznati pozitivni terapeutsko-zdravstveni 39 učinci izvora vruće vode odnosna toplica. Glavna prednost geotermalne energije je u činjenici da se radi o obnovljivom izvoru energije, odnosno toplina unutrašnjosti zemlje neprestano izvire iz zemljine unutrašnjosti, a glavni nedostatak u činjenici da su najpodobnija područja za iskorištavanje geotermalne energije u područjima izražene vulkanske aktivnosti što znači da rasprostranjenost podobnih područja nije velika. Prednost takvih izvora energije je takoñer i u činjenici što geotermalne elektrane nemaju gotovo nikakav negativan učinak na okoliš i uspješno se daju implementirati u najrazličitijim okruženjima, od farma, osjetljivih pustinjskih površina pa sve do šumsko-rekreacijskih područja, a riječ je i o prilično jeftinom izvoru energije.
40 Slika 2.9: Princip upotrebe geotermalne energije za proizvodnju električne energije Prvo je potrebno ekstrahirati geotermalnu energiju iz pare, vruće vode, odnosno iz vrućih kamenih slojeva zemljine unutrašnjosti. Uspjeh tog procesa ovisi o tome koliko će se voda zagrijati, a što ovisi o tome koliko je vruće kamenje bilo u startu te o tome koliko vode ispumpamo prema tom kamenju. Nakon toga se voda pumpa, odnosno ispušta kroz otvor za ubrizgavanje, te na taj način prolazi kroz pukotine vrućih slojeva zemljine unutrašnjosti te se zatim kroz povratni otvor vraća natrag na površinu pod velikim pritiskom te se pritom pretvara u paru kada doñe do površine. Tako dobivenu paru potrebno je odvojiti od slane vode što se obično odvija u centralnom postrojenju za odvajanje. Kada proces odvajanje slane vode od pare bude dovršen para se provodi do transferatora topline koji se nalaze u unutrašnjosti elektrane. Kada se para provede do transferatora topline moguće ju je provesti do parnih turbina gdje se može generirati u struju, a istovremeno se kroz ispušne ventile oslobaña neiskorištena energija. U transferatorima topline para se pod pritiskom hladi u kondenzate da bi se nakon toga toplina transferirala u hladnu vodu u kondenzacijskim transferatorima topline. Tako dobivena hladna voda pumpa se se iz izvora u skladišne spremnike iz kojih se provodi u transferatore topline gdje se vodi podiže temperatura za 85-90 stupnjeva Celzijusa. Tako zagrijana voda prolazi kroz deaeratore te se ključanjem vode odvaja otpušten kisik i ostali plinovi koji bi mogli uzrokovati koroziju nakon što se zagriju te je zbog toga potrebno rashladiti vodu na 82-85 stupnjeva Celzijusa. Dakle u biti se radi o procesu zagrijavanja vode, te njenom pretvaranju u paru koja se kasnije može koristiti bilo na način da se pomoću turbogeneratora proizvodi struja ili da ista prolazeći kroz transferatore topline grije vodu stvarajući tako potrebnu toplinu za grijanje kućanstava i industrijskih postrojenja.
Efikasnost geotermalnog grijanja je znatno veća od standardnih oblika grijanja. Geotermalna energija je 48% efikasnija od plinskih peći i više od 75% efikasnija od uljnih peći. Iskorištavanjem geotermalne energije ispušta se vrlo malo (katkad ništa) štetnih plinova i stakleničkih plinova u atmosferu, pa je prema tome geotermalno grijanje ekološki vrlo prihvatljiv oblik grijanja. 3.1.5. Bioenergija Biomasa je obnovljiv izvor energije, a čine ju brojni proizvodi biljnog i životinjskog svijeta. Može se izravno pretvarati u energiju izgaranjem te tako proizvesti vodena para za grijanje u industriji i kućanstvima te dobivati električna energija u malim termoelektranama. Fermentacija u alkohol zasad je najrazvijenija metoda kemijske konverzije biomase. Bioplin nastao fermentacijom bez prisutnosti kisika sadrži metan i ugljik te se može upotrebljavati kao gorivo, a ostali suvremeni postupci korištenja energije biomase uključuju i pirolizu, rasplinjavanje te dobivanje vodika. Oblici korištenja bioenergije su: energija od drva, bioplin, biogorivo i sl. Glavna je prednost biomase u odnosu na fosilna goriva manja emisija štetnih plinova i otpadnih voda. Dodatne su prednosti zbrinjavanje i iskorištavanje otpada i ostataka iz poljoprivrede, šumarstva i drvne industrije, smanjenje uvoza energenta, ulaganje u poljoprivredu i nerazvijena područja i povećanje sigurnosti opskrbe energijom. Predviña se da će do sredine stoljeća u svijetu udjel biomase u potrošnji energije iznositi izmeñu 30 i 40 posto. 41 Slika 2.10: Potencijal bioenergije po regijama
42 3.1.6. Zajedničke karakteristike DES-a iz obnovljivih izvora · zanemariva emisija štetnih plinova i otuda vrlo mali vanjski troškovi energije; · to su lokalni izvori energije koji smanjuju uvoz energenata, povećavaju energetsku sigurnost i doprinos lokalnom razvoju i zapošljavanju; · cijene obnovljivih izvora gotovo ne ovise o varijacijama cijena i poremećajima opskrbe fosilnih goriva na svjetskom i regionalnim tržištima; · obnovljivi izvori energije osobito su povoljni za države u razvoju koje ne obiluju fosilnim gorivima. 3.2. Kogeneracijska tehnologija Kogeneracija (CHP) je proces kombinirane proizvodnje dva korisna oblika energije iz jednog energetskog izvora. U većini kogeneracijskih sustava kemijska energija se pretvara u mehaničku i toplinsku. Mehanička energija koristi se za proizvodnju električne struje, dok se toplinska energija koristi za proizvodnju pare, zagrijavanje vode ili zraka. Osnovna prednost kogeneracije je veća iskoristivost energenta u odnosu na standardne elektrane koje služe samo za proizvodnju struje, te industrijske sustave koji služe samo za proizvodnju pare ili vruće vode za tehničke procese. Glavni razlozi gradnje kogeneracijskih postrojenja je mogućnost proizvodnje jeftinije struje u odnosu cijenu struje u električnoj mreži, čime kogeneracijska postrojenja sama sebe isplaćuju. Osim toga, industrijskim postrojenjima kogeneracijski sustavi pružaju autonomiju u slučaju ispada glavne mreže. Za neke industrijske procese, ekonomski gubici u slučaju zaustavljanja procesa zbog nestanka električne struje su iznimno veliki. 3.2.1. Važnost korištenja gorivnih ćelija u kogeneracijskim sustavima Elektrokemijski pretvarači energije koji iz kemijske energije goriva izravno, bez pokretnih djelova i izgaranja, proizvode električnu (i toplinsku) energiju. Sam naziv ‘gorive' pri tome pomalo zavarava jer u njima ništa ne gori. Valja još spomenuti kako se kod nas nazivaju i gorivnim ćelijama (člancima ili elementima). Po svome su načelu rada gorivne ćelije slične baterijima, ali za razliku od njih, gorivne ćelije zahtijevaju stalan dovod goriva i kisika. Pri tome gorivo može biti vodik, sintetski plin (smjesa vodika i ugljičnog dioksida), prirodni plin ili metanol, a produkti njihove reakcije s kisikom su voda, električna struja i toplina, pri čemu je cijeli proces, zapravo, suprotan procesu elektrolize vode.
43 Ovisno izvedbi, odnosno o primijenjenom elektrolitu, postoji više vrsta gorivih ćelija: · alkalijske gorivne ćelije; · ćelije s polimernom membranom; · gorivne ćelije s fosfornom kiselinom; · gorive ćelije s rastopljenim karbonatom i krutim oksidom. U glavne prednosti gorivih ćelija ubrajaju se visoki stupnjevi djelovanja (teoretski i do 90%, a stvarni oko 50%), pretvorba energije bez pokretnih djelova, mala razina buke te nikakve ili vrlo male količine štetnih ispušnih plinova. Zbog tih razloga gorive ćelije privlače sve veću pozornost za primjenu u vozilima i za proizvodnju električne energije. Izuzetno je poželjno takvu tehnologiju koristiti u mikrokogeneracijama i kogeneracijama radi vrlo visoke učinkovitosti, malih gubitaka energije te smanjenog utjecaja na okoliš. Od svih drugih izvedbi, za primjenu se najprikladnijima smatraju gorivne ćelije s polimernom membranom, prije svega za pogon automobila. Razlog tome su visoki stupnjevi djelovanja, rad pri razmjerno niskim temperaturama zbog čega se vrlo brzo može doseći puna snaga, vrlo povoljan omjer postignute snage i mase te kruti elektrolit (polimerna membrana) zbog čega nema problema s održavanjem njegove čistoće i korozijom. 3.2.2. Mikrokogeneracije Poznate pod nazivom mikroCHP. Mikrokogeneracija je takoñer naziv za distribuirani energijski izvor i reda veličine je kućanstva ili male proizvodne jedinice. Umjesto da se sve gorivo potroši na grijanje dio se koristi i za proizvodnju električne energije. Ta se električna energija može koristiti unutar domaćinstva (obrta), ili uz dopuštenje mreže prodavati je natrag u istu. Postojeće mikroCHP instalacije koriste četiri različite tehnologije: motore na unutrašnje izgaranje, Stirling-ove motore, kružne procese s vodenom parom i gorive ćelije. MikroCHP hvata odbačenu toplinu i time omogućava veću iskoristivost od oko 70%. To znači da se manje goriva mora potrošiti za isti iznos korisne energije. MikroCHP je efikasniji ako je mjesto potrošnje bliže mjestu proizvodnje, dok mu korisnost pada sa udaljenošću potrošača. MikroCHP elektrane mogu biti dizajnirane da rade s obzirom na potražnju za toplinskom energijom (heat driven operation) ili primarno kao elektrana čiji se toplinski otpad iskorištava. Tipične CHP elektrane su: · postrojenje protutlačne turbine;
44 · postrojenje kondenzacijske turbine s reguliranim oduzimanjem pare; · postrojenje plinske turbine s korištenjem otpadne topline dimnih plinova; · gorive ćelije s rastaljenim karboratima. 3.2.3. Trigeneracije Trigeneracije je proces istodobne proizvodnje električne i toplinske energije i hlañenja u jedinstvenom procesu. Toplina CHP elektrane se u tom slučaju koristi za hlañenje preko apsorpcijskog ciklusa (dodaje se apsorpcijski hladnjak koji koristi "odbačenu" toplinu). U usporedbi s kogeneracijom učinkovitost se povećava za čak 50 posto. Trigeneracijsko postrojenje je izvrstan način rješavanja opskrbe električnom energijom bolnica, domova za umirovljenike, rekreacijskih centara s bazenima, hotela, trgovačkih centara i sličnih objekata te industrijskih postrojenja u kojima se uz električnu energiju troši i znatna količina toplinske i rashladne energije. Pomoću ovog koncepta moguće je dobiti ukupnu efikasnost od 75% (električna energija i hlañenje). Prednosti apsorpcijskih rashladnih ureñaja u odnosu na klasične kompresorske su sljedeće: · apsorpcijski rashladni ureñaji zahtijevaju veoma mala financijska sredstva za održavanje; · troškovi rada po satu su gotovo 10 puta manji od apsorpcijskih ureñaja; · potrošnja električne energije za pogon pripadajućih pumpi je oko 1% proizvedene rashladne energije, a kod kompresorskih izmeñu 25-40% rashladne snage; · ne emitiraju freone u atmosferu, što je značajan ekološki efekt; · koristi otpadnu toplinu kogeneracijskog postrojenja, što značajno povećava ekonomično; 3.2.4. Zajedničke karakteristike DES-a u kogeneraciji · efikasnija potrošnja fosilnih goriva nego kod termoelektrana, a mogu raditi na obnovljive energenete (biomasa i otpad, bioplin, i sl.) · zbog veće energetske efikasnosti od termoelektrana troše manje goriva i time smanjuju emisije štetnih tvari i energetsku ovisnost države
· radi manje potrošnje goriva država je manje izložena varijacijama cijena i poremećajima opskrbe na svjetskom tržištu, što povećava sigurnost opskrbe energijom · pretjerana ovisnost o uvozu fosilnih goriva ugrožava ne samo energetsku, 45 ekonomsku i ekološku sigurnost, nego i opću stabilnost države 3.3. Toplinske pumpe Posebni oblik direktnog korištenja geotermalne energije. Geotermalne toplinske pumpe, u svijetu poznate pod skraćenicom GHP (Geothermal heat pumps), imaju široku primjenu u mnogim zemljama Europe i u SAD-u. Toplinske pumpe troše električnu energiju za cirkulaciju geotermalnog (otvoreni krug) ili drugog sekundarnog fluida koji preuzima toplinu zemlje (zatvoreni krug) kroz cijevi. Na taj način geotermalna toplina dovodi se domaćinstvima, gdje se većim dijelom koristi za grijanje, zatim za hlañenje i pripremu tople vode. Upotrebom geotermalnih pumpi uvelike se smanjuje potrošnja električne energije. Slika 2.11: Geotermalna toplinska pumpa (zatvoreni krug )
Postoje dva osnovna sustava iskorištavanja geotermalne energije sustavom s toplinskim 46 pumpama: · prvi sustav ne koristi izravno geotermalni fluid nego sustavom s ukopanim izmjenjivačem topline preuzima toplinu zemljine kore ili geotermalnog fluida iz bušotine takozvanim bušotinskim izmjenjivačem topline; · drugi sustav iskorištava geotermalnu vodu koja se proizvodi iz bušotine, a nakon predaje topline sekundarnom krugu ili se utiskuje nazad u sloj, ili ispušta u vodotoke ili kanalizacijske sustave. Za sve sisteme s toplinskim pumpama vrijedi sljedeće: · ako se geotermalna toplinska pumpa koristi za grijanje, tada se dovedena toplina iz "podzemlja" provodi kroz položene cijevi, prenosi na fluid u njima i dovodi do korisnika; · za hlañenje se toplinske pumpe koriste tako da cirkulirajući fluid u cijevima zgrade ili stana, odvodi tj. “kupi” toplinu koja je na njega prenesena u prostoriji, te se utiskuje u zemlju. Prednosti korištenja geotermalnih toplinskih pumpi: · smanjeni troškovi grijanja i hlañenja u stambenim i poslovnim objektima za 50%; · trajnost geotermalnih toplinskih pumpi je duža u odnosu na konvencionalne sisteme, zbog zadovoljavajuće zaštite od vremenskih nepogoda. Mehanički dio sistema nalazi se u zatvorenom prostoru, a cijevi za dovod geotermalne energije su pod zemljom; · sustav sa geotermalnim toplinskim pumpama ima nekoliko mehaničkih komponenata, koje povećavaju pouzdanost sustava. Podzemne cijevi imaju predviñen rok trajanja bez održavanja od 50 godina; · geotermalne pumpe gotovo ne zagañuju okolinu, pa su važan čimbenik u smanjenju onečišćenja atmosfere, za razliku od fosilnih goriva; · kod ovakvih sustava nema dijelova koji proizvode buku, pa su zbog toga vrlo pogodni za upotrebu u domaćinstvima ili u poslovnim prostorima. · koriste se i u toplim i u hladnim razdobljima. Ljeti za hlañenje, a zimi za grijanje;
· ovakvi geotermalni sustavi mogu snabdijevati toplinskom energijom razne vrste potrošača. To mogu biti privatni ili poslovni objekti povezani u jedinstvenu mrežu. 47 4. DOPRINOS DES-a HRVATSKOJ ENERGETICI Trenutačno decentralizirana proizvodnja električne energije postoji samo kod ograničenog broja malih hidroelektrana (2,5 MWe)i industrijskih energenata na fosilna goriva (275 MWe), dok je decentralizirana proizvodnja topline u nešto većem opsegu zastupljena kod javnih i industrijskih kotlovnica, uglavnom u gradskim i industrijskim zonama. Potrošače se u nedostatku pristupačnijih energenata za toplinske potrebe, često oslanja na električnu energiju, što je energetski neopravdano, ali često jedino moguće rješenje. Time se pravi vrlo velik, ali često neravnomjeran, pritisak na centralni elektroenergetski sustav. Evidentno je da u sljedećem razdoblju hrvatska Vlada mora posvetiti dužnu pozornost decentraliziranim energetskim sustavima s uporabom fosilnih i obnovljivih izvora energije posebno za toplinske i rashladne potrebe, ali i za potrebe opskrbe pouzdanom energijom teško pristupačnih i energetski ekstenzivnih regija. Pritom energetsku infrastrukturu treba uskladiti s regionalnim potrebama i mogućnostima gospodarskog razvitka. Ekološki i ekonomski prihvatljiva energetska infrastruktura mora se uklopiti u programe potpune i održive uporabe regionalnih resursa. Prema tomu, iako globalno gledajući DES-i ne predstavlja apsolutno rješenje svih naših energetskih teškoća, ipak oni u svakom slučaju smanjuju pritisak na EES, omogućuju smanjenje uvoza fosilnih goriva, podupiru razvitak poduzetništva, ali često predstavljaju cjeloviti rješenje za pojedine teško dostupne i nerazvijene regije, ali takoñer omogućuju gospodarski razvitak te potpunu i održivu uporabu lokalnih resursa.
48 POGLAVLJE 3. HIDROELEKTRANE
49 1. UVOD Prva hidroelektrana izrañena je u gornjoj Bavarskoj 1876. proizvedena energija se koristila za rasvjetu spilje pokraj dvorca Linderhof. Prva javna hidroelektrana izgrañena je u Švicarskoj 1883. imala je snagu od 135 kW. Daljnji razvoj hidroelektrana bio je omogućen budući dao se proširila upotreba viših napona za prijenos el. energije (dalekovod -prvi prijenos 1891. godine na udaljenost od 177km Lauffen-Frankfurt) i razvojem turbina i generatora. Najstarija Francisova turbina sagrañena je 1849. godine, a prva Peltonova 1890. godine. Najpoznatija hidroelektrana jest ona na slapovima Niagare , koju je dizajnirao naš Nikola Tesla. Energija rijeka i potoka u Hrvatskoj koristila tisućama godina (za pogon mlinova i sl.). Slika 3.1: Stari mlin korišten kao hidro postrojenje 2. HIDROELEKTRANE Hidroelektrane su energetska postrojenja u kojima se potencijalna energija vode pomoću turbine pretvara u mehaničku (kinetičku) energiju, koja se u električnom generatoru koristi za proizvodnju električne energije. Hidroelektranu u širem smislu čine i sve grañevine i postrojenja koje služe za prikupljanje (akumuliranje), dovoñenje i odvoñenje vode (brana, zahvati, dovodni i odvodni kanali, cjevovodi itd), pretvorbu energije (turbine, generatori), transformaciju i razvod električne energije (rasklopna postrojenja, dalekovodi) te za smještaj i upravljanje cijelim sustavom (strojarnica i sl). Iskorištavanje energije vodnog potencijala ekonomski je konkurentno proizvodnji električne energije iz fosilnih i nuklearnog goriva, zato je hidroenergija najznačajniji obnovljivi izvor energije (predstavlja 97% energije proizvedene svim obnovljim izvorima).
U zadnjih trideset godina proizvodnja u hidroelektranama je utrostručena, a njen udio povećan je za 50 %. Ti podaci pokazuju da se proizvodnja u hidroelektranama brzo povećava iz više razloga: hidroenergija je čista, nema otpada, nema troškova goriva (voda je besplatna) pod uvjetom da je ima u dovoljnoj količini, moderne hidroelektrane mogu i do 90% energije vode pretvoriti u električnu energiju, puštanje hidroelektrane u pogon vrlo je brzo te se koriste za pokrivanje naglih povećanja potrošnje; umjetna jezera nastala izgradnjom hidroelektrana lokalno doprinose ekonomiji i omogućavaju navodnjavanje, vodoopskrbu, turizam i rekreaciju. Hidroenergija ipak značajno zaostaje za proizvodnjom u nuklearnim ali i termoelektranama. Razlog takvom stanju leži u činjenici da iskorištavanje hidroenergije ima, takoñer bitna tehnička i prirodna ograničenja. Glavno ograničenje jest zahtjev za postojanjem obilnog izvora vode kroz cijelu godinu jer je skladištenje el. energije skupo i vrlo štetno za okoliš. Kako bi se izbjegle oscilacije vodostaja na odreñenim je lokacijama potrebno izgraditi brane i akumulacijska jezera. Izgradnja akumulacijskih jezera često zahtijeva potapanje velikih dijelova dolina a ponekad i cijelih naselja. Osim što se na taj način povećava cijena izgradnje, javlja se i problem podizanja razine podzemnih voda oko akumulacije. Razina vode naime utječe na biljni i životinjski svijet. Dolazi i do promjena odnosa sedimentacije i erozije unutar rječnog korita. To sve ukazuje na to, da niti hidroenergija nije potpuno bezopasna za okoliš. Veliku opasnot mogu predstavljati i potresi pa je u nekim zonama potrebna i dodatna protupotresna zaštita. Hidroenergija, za razliku od ostalih načina iskorištavanja obnovljivih izvora energije, nema problema s nedostatkom potrebne tehnologije već nedostatkom potrebnih lokacija. Mnoge od najboljih lokacija širom svijeta su već iskorištene. Za razliku od kapitalnih projekata kojih je sve manje, još uvijek je dovoljno projekata malih hidroelektrana, kod kojih su rizici lošeg utjecaja na okoliš mnogo manji, a energetske potrebe i sigurnost investicije mnogo veće. 50
51 Slika 3.2: Shema hidroelektrane 2.1. Osnovni dijelovi hidroelektrane Svi dijelovi hidroelektrane koji su u neposrednom doticaju s vodom, odnosno služe za njezino prikupljanje, dovoñenje i odvoñenje te pretvorbu njezine energije nazivaju se zajedničkim imenom hidrotehnički sustav. U osnovne dijelove hidroelektrane ubrajaju se: a) Brana ili pregrada Osnovni je dio hidrotehničkog sustava pa i cijelog postrojenja HE (nerijetko se cijelo hidroenergetsko postrojenje jednostavno naziva ‘branom') i ima trostruku ulogu: - skretanje vode s njezinog prirodnog toka prema zahvatu hidroelektrane; - povišenje razine vode kako bi se povećao pad; - ostvarivanje akumulacije. Brane se ubrajaju u najveće grañevine na zemlji. Osim što se pomoću njih dobiva gotovo petina ukupne proizvodnje električne struje, znatno smanjuju opasnost od poplava i suša. Meñutim, u industrijaliziranim dijelovima svijeta u posljednje vrijeme usporena je izgradnja
brana, razlog tome je što su najpogodnije lokacije već zauzete. S obzirom na visinu, brane mogu biti: visoke i niske. S obzirom na izradu: masivne (npr. betonske) ili nasute (npr. zemljane, kamene). Niske se brane nazivaju i pragovima, što je čest slučaj kod malih vodotokova, odnosno kod malih hidroelektrana. b) Zahvat vode Prima i usmjerava vodu zadržanu u akumulaciji prema dovodu, odnosno turbini. Postoje dva tipa zahvata, zahvat na površini vode ili ispod površine. Kada je pregrada niska i razina vode gotovo konstantna izvodi se na površini, dok se ispod površine i to na najnižoj mogućoj razini izvodi u slučaju kada se razina vode tijekom godine značajno mijenja. Prolaz vode kroz zahvat se regulira zapornicama. c) Dovod vode Je dio hidrotehničkog sustava koji spaja zahvat s vodostanom odnosno s vodenom 52 komorom. Ovisno o izgledu okolnog tla i pogonskim zahtjevima, može biti: - otvoren (kanal) - zatvoren (tunel), koji može biti gravitacijski ili tlačni. Gravitacijski tunel nije posve ispunjen vodom pa za promjenu protoka vode valja regulirati zahvat, dok kod tlačnog tunela voda ispunjava cijeli poprečni presjek i za promjenu protoka ne treba utjecati na zahvat. S gledišta elastičnosti pogona (mogućnosti odgovaranja na promjene u elektroenergetskom sustavu) tlačni su kanali povoljniji,puno elastičniji u pogonu jer bez ikakvih djelovanja mogu pratiti promjenu opterećenja. d) Vodostan ili vodena komora Predstavlja zadnji dio dovoda, a služi za odgovaranje na promjene opterećenja. Dimenzioniranje vodne komore ima velik utjecaj na pravilno funkcioniranje hidroelektrane, kada je dovod izveden kao gravitacijski tunel, mora imati odgovarajući volumen kako bi se u njemu mogle pohraniti veće količine vode, a kada je tunel tlačni, njegove dimenzije moraju biti takve da tlak u dovodu ne poraste preko dopuštene granice ili da razina vode ne padne ispod visine ulaza u tlačni cjevovod. e) Tlačni cjevovod Dovodi vodu od vodostana do turbina. Izrañuje se o čelika ili betona (kod manjih padova), a prema smještaju može biti na površini ili u tunelu. Na ulazu u tlačni cjevovod
obvezno se nalazi zaporni ureñaj koji ima sigurnosnu ulogu. Zapornim ureñajem se sprječava daljnje dotok vode u cjevovod u slučaju pucanja cijevi. Ispred glavnog zapornog ureñaja redovito se postavlja i pomoćni, koji omogućava bilo kakve radove na glavnom bez potrebe za pražnjenjem sustava. Obilazni cjevovod je smješten na početku tlačnog i služi za njegovo postupno punjenje te za izjednačavanje tlaka ispred i iza zapornog organa. Postavljanje zapornih ureñaja na dnu tlačnog cjevovoda ovisi o broju turbina koje su spojene na jedan cjevovod. f) Vodene turbine ili hidroturbine Predstavljaju središnji dio sustava jer služe za pretvaranje potencijalne energije strujanja vode u kinetičku energiju a zatim promjenom količine gibanja u radnom kolu u mehaničku energiju vrtnje vratila turbine, koje je u pravilu spojeno s generatorom u kojem se mehanička energija vrtnje pretvara u električnu energiju. Turbina se sastoji uglavnom od jednog provodnog dijela koji vodi daje dovoljno veliku brzinu i preko jednog obrtnog kotača oduzima energiju od vode. Ovisno o načinu prijenosa energije vodotoka na njih, tj. prema promjeni tlaka vode pri 53 strujanju kroz radno kolo, vodne turbine mogu biti: - turbine slobodnog mlaza (akcijske,impulsne); - pretlačne (reakcijske) koje mogu biti radijalne i aksijalne. Turbine se često dijele i prema izvedbi, u pravilu prema imenu konstruktora ili proizvoñača pa postoje Francisove, Peltonove, Kaplanove, Bankijeve, Ossbergerove itd., a koriste se ovisno o količini protoka vode i visini vodenog pada. g) Sustav zaštite od hidrauličkog udara Služi za sprječavanje povećanja tlaka preko dopuštene granice, odnosno vodenog (hidrauličkog) udara u tlačnom cjevovodu. Visina tlaka pri tome ovisi o vremenu potrebnom za zatvaranje zapora na dnu cjevovoda. h) Generator Je ureñaj u kojem se mehanička energija vrtnje vratila pretvara u električnu. Može biti postavljen okomito (kod velikih hidroelektrana) ili vodoravno (kod manjih ili kada su dvije turbine spojene na jedan generator). Kod crpno-akumulacijskih hidroelektrana uz turbinu i generator se na istom vratilu nalazi i crpka pa generator može raditi i kao motor.
i) Strojarnica Grañevina u kojoj su smještene turbine, vratila, generatori te svi potrebni upravljački i razni pomoćni ureñaji. Može biti izgrañena na otvorenom, kao samostojeća zgrada ili ukopana, u tunelu. j) Rasklopno postrojenje Predstavlja vezu hidroelektrane i elektroenergetskog sustava. Izvodi se u neposrednoj 54 blizini strojarnice, a tek iznimno (ako je to uvjetovano okolnim tlom) dalje od nje. k) Odvod vode Je završni dio hidrotehničkog sustava, a može biti izveden kao kanal ili kao tunel. Služi za vraćanje vode iskorištene u turbini natrag u korito vodotoka ili za dovod vode do zahvata sljedeće elektrane. 3. OSNOVNI TIPOVI HIDROELEKTRANA 3.1. Protočne hidroelektrane U protočnim hidroelektranama voda iz akumulacijskog jezera protječe kroz postrojenje i nastavlja dalje svojim prirodnim tokom. Znači protočne hidroelektrane su one koje nemaju uzvodnu akumulaciju ili se njihova akumulacija može isprazniti za manje od dva sata rada kod nazivne snage. To znači da se skoro direktno koristi kinetička energije vode za pokretanje turbina. Protočne hidroelektrane je najjednostavnije izvesti, meñutim one su vrlo ovisne o trenutnom protoku vode. Prednost protočne hidroelektrane je vrlo mali utjecaj na okoliš i nema dizanja razine podzemnih voda. Slika 3.3: Protočna HE ðale na rijeci Cetini
55 Slika 3.4: Shema protočne hidroelektrane 3.2. Akumulacijske hidroelektrane Akumulacijske hidroelektrane su najčešći način dobivanja električne energije iz energije vode. Problemi nastaju u ljetnim mjesecima kad prirodni dotok postane premali za funkcioniranje elektrane. U tom slučaju se brana mora zatvoriti i potrebno je održavati bar razinu vode koja je biološki minimum. Veliki problem je i dizanje razine podzemnih voda. Potrošnja električne energije ovisi o dobu dana, danu u tjednu, godišnjem dobu itd. U ponedjeljak je špica potrošnje, vrlo velika potrošnja je i svim ostalim radnim danima. Vikendom obično pada potrošnja električne energije. Za popunjavanje dnevnih špica potrošnje grade se reverzibilne hidroelektrane. Postoje dvije izvedbe akumulacijskih hidroelektrana: pribranska i derivacijska. Pribranska se nalazi ispod same brane, a derivacijska je smještena puno niže od brane i cjevovodima je spojena na akumulaciju. Glavni dijelovi akumulacijske elektrane su akumulacija, brana, zahvat, gravitacijski dovod, vodna komora, zasunska komora, tlačni cjevovod, strojarnica i odvod vode. Slika 3.5: Akumulacijska HE Lešće na Dobri
3.3. Reverzibilne hidroelektrane Za popunjavanje dnevnih špica potrošnje grade se reverzibilne hidroelektrane. Reverzibilne hidroelektrane slične su derivacijskim, ali protok vode je u oba smjera kroz derivacijski kanal. Reverzibilna hidroelektrana ima dva skladišta vodene mase. 56 To su: - gornja akumulacija – istovjetna je akumulacijskom jezeru klasičnih hidroelektrana. Gradnjom brane osigurava se akumulacija vode, koja protiče kroz postrojenje i rezultira proizvodnjom električne energije. - donja akumulacija - voda koja izlazi iz hidroelektrane ulijeva se u drugo, donje, akumulacijsko jezero, umjesto da se vraća u osnovni tok rijeke. Kad je potrošnja električne energije mala voda se pumpa iz donjeg jezera tj. iz nižeg spremnika u gornju akumulaciju tj. u viši spremnik vode. To se obično radi noću, jer je tada potrošnja energije najmanja. Reverzibilna turbina/generator može se ponašati i kao pumpa i kao turbina (obično kao Francis turbina). Danju se prebacuje na proizvodnju električne energije i tada se prazni gornja akumulacija, voda se propušta kroz turbinu, natrag u niži rezervoar i pritom se generira električna struja. To nije baš energetski najbolje rješenje, ali je bolje nego napraviti još nekoliko termoelektrana za pokrivanje dnevnih špica potrošnje. Slika 3.6: Shema reverzibilne elektrane
RHE Velebit je jedina reverzibilna hidroelektrana u Hrvatskoj. Nalazi se na rijeci Zrmanji 57 10 km uzvodno od Obrovca. Slika 3.7: Reverzibilna HE Velebit na rijeci Zrmanji Postoje postrojenja koja koriste napuštene rudnike kao niže spremnike, ali u većini slučajeva su to prirodni spremnici ili čak "umjetni" (iskopani) spremnici. Čiste reverzibilne hidroelektrane izmjenjuju vodu izmeñu dvaju spremnika, ali kombinirane reverzibilne hidroelektrane ujedno generiraju električnu energiju kao konvencionalne hidroelektrane kroz energiju toka vode. Za elektrane koje ne koriste tzv. sustav napumpanog spremnika možemo reći da su konvencionalne hidroelektrane. Konvencionalne hidroelektrane koje koriste akumulaciju vode mogu imati sličnu ulogu u električnoj mreži kao one sa sustavom napumpanog spremnika, tako da odgañaju proizvodnju električne energije sve dok to nije potrebno. Uzimajući u obzir gubitke uslijed isparavanja akumulirane vode i gubitke uslijed pretvorbe, približno 70% do 85% električne energije koja se koristi za napumpavanje vode u viši spremnik može biti povraćeno! Ova tehnologija je trenutno najisplativija u smislu spremanja velike količine električne energije, ali investicijski troškovi i prisutnost problema primjerenog geografskog položaja (razlika u visini izmeñu spremnika) su kritični faktori u odluci o izgradnji. Relativno niska gustoća energije napumpanog spremnika iziskuje ili veliku količinu vode ili veliku razliku u visini izmeñu dvaju spremnika. Na primjer, 1000 kilograma vode (1 kubični metar) na vrhu sto metara visokog tornja ima potencijalnu energiju od oko 0,272 KWh. Jedini način da stvorimo značajniju količinu električne energije je taj da imamo veliku količinu vode na što višem brdu iznad donjeg spremnika. Na
nekim područjima ovo se pojavljuje prirodno, a na nekim je čovjek svojim djelovanjem to omogućio. Sustav može biti vrlo ekonomičan jer poravnava razlike u opterećenju mreže, dozvoljavajući termoelektranama (npr. termoelektrana na ugljen), nuklearnim elektranama i obnovljivim izvorima energije da opskrbljuju sustav energijom. Ovo omogućuje da sustav radi sa vršnom iskoristivošću, a pritom se izbjegava rad na maksimalnoj efikasnosti gore navedenih elektrana. To za sobom povlači velike uštede na sve skupljim gorivima. No, investicijski troškovi za izgradnju spremnika s vodom su poprilično visoki. Zajedno sa gospodarenjem i upravljanjem energijom, sustavi sa napumpanim spremnikom pomažu kontrolirati frekvenciju električne mreže i omogućuju stvaranje zaliha. Termoelektrane puno teže podnose iznenadne promjene električne potražnje, a ujedno mogu uzrokovati nestabilnost frekvencije i napona mreže. Elektrane sa sustavom napumpanog spremnika kao i ostale hidroelektrane, jako se dobro nose sa promjenama opterećenja. 4. PODJELA HIDROELEKTRANA PREMA INSTALIRANOJ SNAZI (UČINU) 58 4.1. Male hidroelektrane Slika 3.8: Mala hidroelektrana Svjetski energetski trend posljednjih godina sve više teži ka obnovljivim izvorima energije. Za male hidroelektrane se smatra da nemaju nikakav štetan utjecaj na okoliš te se tu krije njihova prednost, za razliku od velikih čija se štetnost opisuje kroz velike promjene
ekosustava (gradnja velikih brana), utjecaja na tlo, poplavljivanje, utjecaj na slatkovodni živi svijet, povećana emisija metana i postojanje štetnih emisija u čitavom životnom ciklusu hidroelektrane koje su uglavnom vezane za period izgradnje elektrane, proizvodnje materijala i transport. Pojam male hidroelektrane se može promatrati sa različitih točaka gledišta i razlikuje se od zemlje do zemlje, zavisno o njezinom standardu, hidrološkim, meteorološkim, topografskim i morfološkim karakteristikama lokacije, te o stupnju tehnološkog razvoja i ekonomskom standardu zemlje. Razlika izmeñu hidroelektrana i malih hidroelektrana je u instaliranoj snazi. Granična snaga koja dijeli hidroelektrane na male hidroelektrane razlikuje se od zemlje do zemlje. Neke zamlje poput Portugala, Španjolske, Irske, Grčke i Belgije su prihvatila 10 MW kao gornju granicu instalirane snage za male hidroelektrane. U Italiji je granica 3 MW, u Švedskoj 1.5 MW, u Francuskoj 8 MW, u Indiji 15 MW, u Kini 25 MW. Meñutim u Europi se sve više prihvaća kapacitet od 10 MW instalirane snage kao gornja granica i tu granicu je podržala Europska udruga malih hidroelektrana (ESHA), te Europska komisija. U Hrvatskoj prema postojećim propisima, mala hidroelektrana, odreñena je kao postrojenje za iskorištavanje energije vodotokova s izlaznom električnom snagom od 10 kW do 10MW. Male hidroelektrane se često dalje kategoriziraju u male, mini i micro hidroelektrane. Male hidroelektrane predstavljaju kombinaciju prednosti proizvodnje električne energije iz energije hidropotencijala i decentralizirane proizvodnje električne energije, dok istovremeno ne pokazuju negativan utjecaj na okoliš kao velike hidroelektrane. 59 U usporedbi sa velikim neke od prednosti malih hidroelektrana su sljedeće: - gotovo da nemaju nedostataka - nema troška distribucije električne energije - nema negativnog utjecaja na ekosustav kao kod velikih hidroelektrana - jeftino održavanje 4.2. Male hidroelektrane u Hrvatskoj i stanje korištenja U strukturi elektroenergetskog sustava Hrvatske, više od polovice izvora čine hidroelektrane, što je i vidljivo iz priložene karte. Razvoj energetskog korištenja vodnih snaga u Hrvatskoj započinje još 1895. godine s prvom hidroelektranom izgrañenom na Skradinskom buku na rijeci Krki - današnjom HE Jaruga. Godine 1904. izgrañena je nova HE Jaruga
instalirane snage 5,4 MW. Potom slijede HE Miljacka izgrañena 1906. godine (Manojlovac) na rijeci Krki, HE Ozalj (1908. godine) na rijeci Kupi, HE Kraljevac (1912. godine) na rijeci Cetini, ''Munjara'' na rijeci Kupi, iako je bila namijenjena za razvoj i opskrbu ozaljske industrije, njome se je potpomogla karlovačka industrija. Neorenesansna zgrada hidroelektrane kulturni je spomenik. Jedan od vodotokova na kojem postoje brojne mogućnosti za izgradnju malih hidroelektrana pregradnjom postojećih ili napuštenih mlinova (vodenica) je rijeka Mrežnica. Njezina ukupna duljina iznosi 64 km, visinska razlika 148 m, a prosječni godišnji protok 34 m3/s. Ono po čemu je Mrežnica najpoznatija su čak 93 sedrena slapa izmeñu kojih su stvoreni jezerni dijelovi rijeke. Na čak tih 49 slapova tijekom povijesti ljudi su izgradili vodenice za pogon mlinova, a kako je danas najveći dio tih mlinova napušten ili zapušten, postoje velike mogućnosti za njihovu pregradnju u male hidroelektrane. Prve hidroelektrane koje su povećale snagu elektroenergetskog sustava, izgrañene iza Drugog svjetskog rata, bile su HE Vinodol, HE Zavrelje kod Dubrovnika i HE Ozalj 2. Danas je u pogonu 25 hidroelektrana u Hrvatskoj. 60 Slika 3.9: Prostorni razmještaj hidroelektrana u Hrvatskoj
Postojeći modeli i programi za planiranje i izgradnju EES-a podcjenjuju ulogu malih hidroelektrana u sustavu i gospodarstvu prvenstveno zbog toga što njihovu ulogu vrednuju prvenstveno kroz snagu objekta. Postojeća metodologija planiranja izgradnje MHE pokazala se neosjetljivom na suvremene zahtjeve za zaštitom prirode i okoliša te kulturne baštine. Važeća zakonska regulativa ne prepoznaje objekte MHE na adekvatan način, pa su procedure za dobivanje dozvola i suglasnosti dugotrajne i složene, kao da se radi o znatno većim i opsežnijim projektima. U našoj zemlji vrlo mali broj MHE je u pogonu, pogotovo ako se vrši usporedba sa susjednim zemljama (Slovenija, Austrija, ...). Problemi vezani za projektiranje i puštanje u rad male hidroelektrane leže u ekonomskim 61 i zakonodavnim izvorima. Istraživanje potencijalnih lokacija za MHE u Hrvatskoj uključuje: mjerenje protoka tijekom godina, odreñivanje krivulje trajanja protoka, ispitivanje izvedivosti i cijene projekta, princip diskvalificiranja lokacije uz minimiziranje ulaganja, hidrologija, ekologija, prostorni planovi, utjecaj na kulturnu baštinu i život... U Hrvatskoj od 77 lokacija isključene su 52: 33 (prostorno planska ograničenja), 18 (zaštita okoliša i kulturna baština), dvije lokacije su spojene u jednu novim rješenjem. Preostalo 25 lokacija (77 -> 32 MW - 25 -> 7,8 MW). 4.3. Male hidroelektrane u svijetu Azija, osobito Kina je postala predvodnik u proizvodnji hidroelektrične energije. Današnji razvoj u Australiji i Novom Zelandu se fokusira na male hidroelektrane. Kanada, zemlja sa dugom tradicijom korištenja hidroenergije, razvija male hidroelektrane kao zamjenu za dizel elektrane u udaljenim sredinama bez razvedene električne mreže. Tržišta kao što su Južna Amerika, bivši Sovjetski savez i Afrika takoñer imaju veliki, netaknuti potencijal. 2000. svjetska instalirana snaga MHE je bila oko 37 GW. Samo 2005. porast od 8 % u odnosu na 2004. i tada je iznosila 66 GW, što je porast u odnosu na 2000. za čak 78%!. Više od 50 % u Kini (38.5 GW), slijedi Japan s 3.5 GW, te SAD s 3 GW. Ipak, to je u odnosu na svjetsku potrošnju primarne snage (15 TW) samo oko 0,5%, a u svjetskoj proizvodnji električne energije (2006.) oko 5,12 %. Europa je druga u svjetskom doprinosu u proizvodnji električne energije iz malih hidroelektrana, odmah iza Azije. Hidroenergija ima oko 84% udjela u ukupnoj proizvodnji električne energije iz obnovljivih izvora u EU-27 i oko 13% ukupne proizvodnje električne energije u EU-15. 2001. Male hidroelektrane su u EU-15 doprinijele oko 2% u ukupnoj proizvodnji električne energije, te oko 9% u ukupnoj proizvodnji električne energije iz obnovljivih izvora energije. MHE broje oko približno 4.6% ukupne hidroenergetske proizvodnje
u novim članicama Europske unije i Turskoj. Niti jedan od drugih obnovljivih oblika energije (vjetar, biomasa, fotonaponske ćelije i sl.), u tim zemljama, se ne može mjeriti s malim hidroelektranama. EU-15: u pogonu oko 14000 MHE s prosječnom instaliranom snagom od 0.7 MW. Nove članice: EU-10 imaju oko 2800 MHE, prosječne snage 0.3 MW, Rumunjska, Bugarska i Turska oko 400 MHE, prosječne snage 1.6 MW. 4.4. Velike hidroelektrane Velike hidroelektrane, tj. hidroelektrane su takoñer kao i male hidroelektrane energetska postrojenja u kojima se potencijalna energija vode pomoću turbine pretvara u mehaničku (kinetičku) energiju, te dalje u električnom generatoru u električnu energiju. Iskorištavanje energije vodnog potencijala ekonomski je konkurentno proizvodnji električne energije iz fosilnog i nuklearnog goriva, zato je hidroenergija najznačajniji obnovljivi izvor energije. Velike hidroelektrane su mega grañevine i zaslužuju svaku pažnju. Grañevine koje se nalaze i meñu 10 najvećih na svijetu svakako treba upoznati. 62 Učinci koje hidroelektrana može imati na ekosustav zavise o ova 4 čimbenika: - veličina i brzina protoka rijeke na kojoj je hidroelektrana locirana; - klimatski uvjeti i oblik sredine prije gradnje elektrane; - vrsta, veličina i konstrukcija elektrane i način na koji je pogonski voñena; - ako postoji više od jedne elektrane na istoj rijeci, i ako nisu relativno blizu jedna drugoj, moguće je da učinci na ekosustav jedne elektrane budu zavisni o učincima druge elektrane. 4.4.1. Značajke hidroelektrana Hidroelektrane u energetskom pogledu karakteriziraju s mogućom proizvodnjom, koja se obično izražava kao srednja godišnja proizvodnja u (GWh) a dobije se kao aritmetička sredina mogućih godišnjih proizvodnji u promatranom dužem nizu godina za koje se raspolaže s podacima o ostvarenim dotocima. Pod pojmom „moguća proizvodnja“ podrazumijeva se maksimalna proizvodnja koja bi se mogla ostvariti korištenjem najveće količine raspoložive vode pod najpovoljnijim uvjetima, uzimajući u obzir veličinu izgradnje svake od hidroelektrana. Iskoristivi volumen Vi ovisan je o veličini izgradnje Qi (maksimalni protok koji HE može propustiti kroz postrojenje) i odreñuje se iz krivulje trajanja protoka Q=f(t).
Srednji iskoristivi protok je onaj konstantni protok u kojem bi za isto razdoblje na 63 promatranom profilu toka protekla količina vode Vi . 4.4.2. Neto snaga hidroelektrane Snaga postrojenja i proizvedena energija ovise o: - raspoloživom vodenom padu; - visina pada ovisi o visini brane, što je pad veći, postoji veći energetski potencijal. Energetski potencijal je direktno proporcionalan visini pada, tako da ista količina vode, ukoliko pada sa dva puta veće visine proizvodi duplo više električne energije; - raspoloživom protoku vode. Električna snaga i energija takoñer su direktno proporcionalni količini vode koja prolazi kroz turbinu. Dva puta veća količina vode proizvest će dva puta više električne energije kod iste visine vodenog pada. Tehnički iskoristiva energija vodotoka smanjena je zbog trenja u dovodima (tunel,tlačni cjevovod), te gubitaka protoka, što se definira kroz neto pad Hn (neto pad = bruto pad(prirodni) - gubici). Srednja iskoristiva snaga (neto snaga) koju hidroelektrana daje na priključcima generatora, može se odrediti iz jednadžbe: P = g . ηt . ηg . Qsi . Hn (kW) Pri tome su: g - gravitaciona konstanta (9,80665 m/s2) ηt - stupanj korisnog djelovanja turbine ηg - stupanj korisnog djelovanja generatora Qsi - srednji iskoristivi protok Hn - raspoloživi neto pad [m] Jednadžba za stupanj djelovanja glasi: η = ηt . ηg Ukupni stupanj djelovanja pri normalnom opterećenju u modernim hidroelektranama iznosi i do 90%. Prosječno za veća postrojenja iznosi približno 80%, a za manja postrojenja približno 75%.
4.4.3. Uloga hidroelektrana u suvremenom svijetu Kao što je već spomenuto električna energija je jedan od najčišćih oblika energije. A jedan on najraširenijih načina njene proizvodnje, pomoću obnovljivih izvora su hidroelektrane njihov udio meñu obnovljivim izvorima energije je oko 97%. U zadnjih trideset godina proizvodnja u hidroelektranama je utrostručena, a njen udio povećan je za 50 %. Ti podaci pokazuju da se proizvodnja u hidroelektranama brzo povećava iz više razloga: za razliku od vjetra ili sunca, čiji intenzitet je nepredvidljiv te ovisi o meteorološkim prilikama, voda, odnosno njen volumni protok, je puno stabilniji i permanentniji tokom godine. To znači da je i opskrba električnom energijom pouzdanija, hidroenergija je čista, nema otpada; nema troškova goriva (voda je besplatna) pod uvjetom da je ima u dovoljnoj količini; moderne hidroelektrane mogu do 90% energije vode pretvoriti u električnu energiju; puštanje hidroelektrane u pogon vrlo je brzo te se koriste za pokrivanje naglih povećanja potrošnje; umjetna jezera nastala izgradnjom hidroelektrana lokalno doprinose ekonomiji i omogućavaju navodnjavanje, vodoopskrbu, turizam i rekreaciju. Takoñer, vrlo zanimljiva skupina hidroelektrana su reverzibilne hidroelektrane, koje omogućavaju dva režima rada, te kao takve su vrlo isplative i poželjne za izgradnju. Procjenjuje se da je 2005. godine 20% ukupne svjetske potrošnje električne energije bilo opskrbljeno upravo energijom iz hidroelektrana, što je približno 816 GW. Danas se za tehnologiju vezanu za hidroenergiju, koja se smatra obnovljivim izvorom energije, može reći da je tehnički najpoznatija i najrazvijenija na svjetskoj razini, sa iznimno visokim stupnjem učinkovitosti. 22% svjetske proizvodnje električne energije dolazi iz malih i velikih hidroelektrana. 64 5. PREDNOSTI HIDROELEKTRANA Najvažnija prednost obnovljivih izvora energije, pa tako i hidroelektrana, je smanjena ili u potpunosti eliminirana emisija stakleničkih plinova. Glavni razlog tomu je što ne koriste fosilna goriva kao pokretač turbine, odnosno električnog generatora. Time električna energija nastala u hidroelektranama postaje rentabilnija, te neovisna o cijeni i ponudi fosilnih goriva na tržištu. Hidroelektrane takoñer imaju predviñen dulji životni vijek nego elektrane na fosilna goriva. Ono što je bitno, u razmatranju hidroelektrana s ekonomskog aspekta, jest da današnje, moderne, hidroelektrane zahtijevaju vrlo malen broj osoblja, zbog velikog stupnja
automatiziranosti. Nadalje, cijena investicije u izgradnju hidroelektrane se povrati u periodu do desetak godina. Emisija stakleničkih plinova je u potpunosti eliminirana, ako se isključivo promatra samo proces proizvodnje električne energije. Isto se ne može reći za cijelu hidroelektranu, kao sustav sačinjen od brane, turbine i električnog generatora te hidro akumulacijskog jezera. Meñutim, zanimljiva je studija koja je provedena u suradnji Paul Scherrer Institut-a i Sveučilišta u Stuttgartu. Ona je pokazala da su, meñu svim izvorima energije, hidroelektrane najmanji proizvoñači stakleničkih plinova. Slijede redom vjetroelektrane, nuklearne elektrane, energija dobivena foto naponskim ćelijama. Važno je napomenuti da je ta studija rañena za klimatske prilike u Europi te se može primijeniti i na područja Sjeverne Amerike i Sjeverne Azije. Hidro-akumulacijska jezera hidroelektrana mogu osim svoje primarne funkcije imati još nekoliko pozitivnih aspekata. Svojom grandioznošću mogu privlačiti turiste, te se na njihovoj površini mogu odvijati razni vodeni sportovi. Takoñer velike brane mogu igrati značajnu ulogu u navodnjavanju, te u regulaciji toka rijeka. 65 6. NEDOSTACI HIDROELEKTRANA Ključni dio hidroelektrane je njena brana. Urušavanje brane može dovesti do velikih katastrofa za cijeli ekosustav nizvodno od brane. Sama kvaliteta gradnje, konstrukcije i održavanja brane nije dovoljna garancija da je brana osigurana od oštećivanja. Brane su vrlo primamljiv cilj tijekom vojnih operacija, terorističkih činova i tomu sličnih situacija. Takoñer jedan primjer koji svjedoči opasnosti ljudskim životima je hidroelektrana Brana tri kanjona (engl. Three Gorges Dam) u Kini. Rijeka svojim tokom nosi vodeni materijal u obliku pijeska i mulja. To s vremenom dovodi do taloženja toga materijala u vodenom bazenu, a posljedica toga je smanjivanje dubine vodenog bazena. Zahvaljujući tome vodeni bazen gubi svoju ulogu. Akumulaciju vodene mase tijekom kišnih perioda, a korištenja iste tijekom suhih perioda godine. To se može izbjeći gradnjom raznoraznih kanala koji imaju ulogu premosnice, te se tako odvodi taj sediment. Rezultat je da svaka hidroelektrana ima svoj životni vijek, nakon kojeg postaje neekonomična. Takoñer uočeni, negativni, aspekt prilikom gradnje brana je nužnost uništavanja gospodarskih, kulturoloških i prirodnih dobara. Prilikom punjenja hidro akumulacijskog jezera dolazi do nužnog potapanja svega onoga što se našlo ispod površine samoga jezera. Fauna toga
područja je primorana na preseljenje, takoñer kao i ljudi. Što se flore tiče situacija je malo drugačija, prvenstveno u tropskim područjima. U tim područjima, gdje je temperatura viša, prilikom truljenja, raspadanja, biljnih ostataka zarobljenih pod vodom, u anaerobnim uvjetima, dolazi do stvaranja stakleničkih plinova. U prvom redu nastaju ugljični dioksid, (CO2) i metan. Stvaranje ugljičnog dioksida zapravo nije zabrinjavajuće. On je ionako već kružio u atmosferi te ga je bilje tokom svoga rasta, u procesu fotosinteze implementiralo u svoje tkivo. To nije novo osloboñeni CO2, kao što nastaje prilikom izgaranja fosilnih goriva. Zanimljivo je kazati da je emisija CO2, osloboñena u hidro akumulacijskim jezerima, veća nego u elektranama u kojima izgara fosilno gorivo, ukoliko prije punjenja bazena vodom šuma nije bila porušena i očišćena. Puno veći problem je stvaranje metana, koji odlazeći u atmosferu pridonosi efektu staklenika. 66 7. DRŽAVE S NAJVEĆOM PROIZVODNJOM HIDRO-ELEKTRIČNE ENERGIJE Kada se promatra količina hidro-energije, tj. električne energije proizvedene u hidroelektranama, tijekom nekog perioda, valja razlikovati dva pojma. Nominalnu snagu koju ta hidroelektrana može ostvariti kada bi cijeli promatrani period radila punim kapacitetom te stvarnu proizvedenu snagu u promatranom periodu. Omjer godišnje, stvarno proizvedene, snage te instalirane snage je faktor kapacitivnosti. Instalirana snaga je zbroj svih generatora neke države kada bi radili pri nominalnoj snazi tijekom cijele godine. U sljedećoj tablici dani su podaci o godišnjoj proizvodnji električne energije koju je objavio BP Statistical Review –Full Report 2009
67 Tablica 3.1: Godišnja proizvodnja električne energije u hidroelektranama Država Godišnja proizvodnja hidro-električne energije (TWh) Instalirana snaga (GW) Faktor kapacitivnosti Postotak od ukupne proizvodnje el. energ. Kina 585.2 171.52 0.37 17.18 Kanada 369.5 88.974 0.59 61.12 Brazil 363.8 69.080 0.56 85.56 SAD 250.6 79.511 0.42 5.74 Rusija 167.0 45.000 0.42 17.64 Norveška 140.5 27.528 0.49 98.25 Indija 115.6 33.600 0.43 15.80 Venecuela 86.8 - - 67.17 Japan 69.2 27.229 0.37 7.21 Švedska 65.5 16.209 0.46 44.34 Paragvaj 64.0 - - - (2006.) Francuska 64.4 25.335 0.25 11.23 Jedine zemlje koje većinu električne energije osiguravaju pomoću hidroelektrana su Brazil, Paragvaj, Kanada, Norveška, Švicarska i Venezuela. Meñutim, Paragvaj ne samo da proizvodi dovoljno električne energije, putem hidroelektrana, za domaće potrebe, već on i izvozi svoju električnu energiju Brazilu i Argentini. 8. PRIMJERI HIDROELEKTRANA 8.1. Tri klanca (Kina) – najveća hidroelektrana Kina ima izuzetan gospodarski rast i konstantno je rastuća potreba za energijom, pa to zahtjeva konstantan razvoj izvora energije stoga Kina traži alternativne izvore energije koji bi smanjili upotrebu trenutno dominantnog ugljena. Ova inicijativa nije samo rezultat povećane potražnje za energijom, nego i zbog sve ozbiljnijih ekoloških problema Brana tri kanjona je najveća hidroelektrana na svijetu, nalazi se na rijeci Jangce. Jangce je najveća Kineska rijeka pa tako i rijeka najbogatija vodom što opravdava izgradnju hidroelektrane na njoj. Meñutim hidro akumulacijsko jezero te brane, je toliko veliko da svojom težinom opterećuje zemljinu koru. Ako se uzme u obzir da je to područje geološki nestabilno, tj. da se nalazi na spoju litosfernih ploča, jasno je da postoji opravdani rizik od potresa. Dok znanstvenici strahuju od potresa i urušavanja brane, političari tvrde da takav rizik ne postoji.
Najveća hidroelektrana svijeta trebala bi 2009. biti puštena u pogon. Završila je evakuacija posljednjeg grada koji će biti potopljen zbog projekta brane Tri klanca, jer će omogućiti da se razina vode u rezervoaru podigne na konačnih 175 metara iznad razine mora. Tih 26 divovskih turbina proizvoditi će 85 milijardi kilovatsati struje godišnje (18.200MW) (približno 18 osrednjih nuklearki), te će time biti zadovoljeno deset posto kineskih potreba. Obuzdat će se treća najduža rijeka svijeta (iza Amazone i Nila) i smanjiti katastrofalne poplave u kojima je samo u 20. stoljeću stradalo više od pola milijuna ljudi. Visina brane bit će visoka 185 i duga 2309 metara, na vrhu široka 18 metara, a uz dno 124 metra. Nastat će jezero dugo 630 kilometara, te će svojom veličinom prestići najveću brazilsku hidrolelektranu, Itiapu. Povećat će se plovnost Jangce, čista hidroenergija smanjit će uporabu najprljavijeg fosilnog goriva, ugljena, kojim se truju šume i stanovništvo ne samo u Kini nego i u susjednim državama, olakšat će se slanje vode s juga na sušni srednji i sjeverni dio Kine. Iako sve ovo zvuči kao dobra vijest za Kinu u borbi protiv ekoloških problema, postoji mnogo ekologa i pobornika zaštite okoliša koji su zabrinuti zbog mogućih posljedica koje bi velike brane mogle imati na okoliš, a neki od njih tvrde da će te brane čak i pogoršati problem globalnog zagrijavanja. Poplavljeno je 29 milijuna četvornih metara zemlje, dva velika i 116 manjih gradova su se potopila, raseljeno je više od milijun stanovnika (1,4 milijuna ljudi). U umjetnom jezeru završit će sva prljavština potopljenih gradova, tvornica i bolnica. Više od tri tisuće industrijskih i rudarskih poduzeća. 68 Slika 3.10: Brana tri klanca
8.2. Hidroelektrana Itaipu (Brazil/Paragvaj) Itapu je (zasad) najveća hidroelektrana na svijetu. To je zajednički poduhvat Brazila i Paragvaja na rijeci Parana, oko 15 kilometara sjeverno od „Mosta prijateljstva“. Instalirana snaga hidroelektrane je 14 GW, sa 20 generatora od po 700 MW. Rekord u proizvodnji struje je postignut 2000. kada je proizvedeno 93,4 milijarde kilovat-sati energije (93% ukupne potrošnje u Paragvaju i 20% ukupne potrošnje u Brazilu). Sporazum o izgradnji brane i hidroelektrane je zaključen 1973. Umjetno jezero je formirano 1982. Prvi generatori s radom su počeli 1984., a posljednji rujna 2006. i ožujka 2007. Ukupno ih sada ima 20. Time je instalirani kapacitet podignut na 14.000 MW. Po meñudržavnom ugovoru, nije dozvoljeno puštati u rad više od 18 turbina istovremeno. Američko udruženje grañevinskih inženjera je 1994. proglasilo branu Itaipu za jedno od Sedam čuda modernog svijeta. 69 Statistika: - za izgradnju brane upotrijebljeno je 50 milijuna tona zemlje i kamena; - od betona upotrijebljenog za izradu brane bilo bi moguće izgraditi 210 - nogometnih stadiona veličine Marakane u Brazilu; - od čelika upotrebljenog za izgradnju, moglo bi se napraviti 380 Eiffelovih tornjeva; - iskopana količina zemlje u ovom projektu je 8,5 puta veća od one iskopane pri gradnji Eurotunela; - na izgradnji je radilo oko 40.000 ljudi; - dužina brane je 7235 metara, a maksimalna 225 metara; - maksimalni protok je 62,2 tisuće kubnih metara vode u sekundi. Slika 3.11: Itaipu brana
8.3. Hidroelektrana Hoover (SAD) Sedamdesetpet godina je prošlo otkako je izgrañena; nije vise najviša, nije najveća i nije najsnažnija (u smislu energije koju daje njena elektrana); to su danas druge, u svijetu i u Sjedinjenim Državama, ali i ona sama još uvijek je “strašna”, nakon svih ovih godina. Hoover Dam, u Crnom kanjonu – Black Canyon, na granici izmeñu Nevade i Arizone, oko 50 km jugoistočno od Las Vegasa. Hidroelektrana ispod Hooverove brane iako više nije najveća, sa svojih 17 generatora, proizvodi još uvijek energije koju bi, općenito govoreći, dale dvije nuklearne elektrane – oko 2.078 MW. Akumulacijsko jezero Lake Mead najveće je umjetno jezero u Sjedinjenim Državama, dugo 177 km, maksimalne dubine 152 m, kapaciteta 35,200.000.000 kubičnih metara – ekvivalent dvogodišnjeg prosječnog protoka čitave rijeke Colorado. Ove godine, nažalost, nivo vode u jezeru Mead najniži je u 39 godina i južnoj Nevadi prijeti izvanredno stanje – rijeka Colorado, odnosno jezero Mead snabdjeva Las Vegas sa 90 posto vode, ali količina vode koju akumulacijsko jezero može primiti dovoljna je da preplavi državu veličine Pennsylvanije. 70 Slika 3.12: Hooverova brana
71 9. ENERGIJA MORA Okruglo dvije trećine zemlje prekriveno je morima - izvorom energije s izvanrednim potencijalom. Valovi, plima i oseka i morska strujanja obećavaju neograničenu raspoloživost električne struje. Da se u valovim krije ogromna snaga saznali smo nažalost nakon tsunami katastrofe u Južnoj Aziji. Dakle nije čudo da i naučnici, i istraživači i poduzeća žele iskoristiti taj dosada neiskorišten spremnik energije za proizvodnju struje. Meñutim taj alternativni oblik dobivanja energije se još uvije nalazi u stadiju ispitivanja Pod pojmom energija mora smatraju se različiti oblici mehaničke, termičke i fizikalno-kemijske energije sadržane u vodenoj masi svjetskih mora. Hidroelektrane na pogon strujanjem, na pogon valovima i plimne elektrane pretvaraju energiju mora u tehnički zahtjevnom procesu u struju, koju onda transportiraju do kućanstava na kopnu. Ali elektrane moraju biti u stanju da se same zaštite u slučaju opasnosti. Tehničko znanje je neophodno da zajedno s robusnim postrojenjima obuzda tu silnu energiju u obično olujnom okruženju. 9.1. Elektrana na pogon valovima Elektrane na pogon valovima su slične hidroelektranama. One za proizvodnju struje koriste snagu vodenih valova. Za razliku od plimnih elektrana ovdje se podizanje plime ne koristi za uporabu energetske razlike izmeñu plime i oseke, već se koristi kontinuirano kretanje valova. Snaga koju valovi oslobañaju prilikom udara u strmu obalu iznosi otprilike prosječno 15 do 30 kW po metru obalne linije. Kako bi se energija valova mogla energetski iskoristiti, neophodan je konvertor energije valova, koji proizvodi rotirajuće kretanje, kako bi se dobila energija. Prema izračunima internacionalnog savjeta za svjetsku energiju u Londonu,elektrane na pogon valovima bi mogle pokrivati oko 15 % potrebe za strujom širom svijeta. Pogodne lokacije u Europi su obale Velike Britanije, Španjolske, Portugala, Irske i Norveške. Elektrana radi prema načelu 'oscilirajućeg stupca vode' (unutar odgovarajuće izvedenog cilindra pod djelovanjem valova dolazi do pada i spuštanja stupca vode čime se stvara zračna struja koja pokreće vjetroturbinu i potom generator koji proizvodi elektrićnu energiju).
72 Slika 8.4: Elektrana na valove 9.2. Plimne elektrane Plimna elektrana predstavlja hidroelektranu, koja koristi energiju izmjenjive razine morske vode, dakle snagu izmeñu plime i oseke, za proizvodnju struje. Prva plimna elektrana izgrañena je 1667. godine na obali Atlantika , na ušću rijeke Rance kod mjesta Sant-Malo u Francuskoj. Voda struji u usporni bazen, u čiju su branu ugrañene turbine, koje pretavraju energiju u struju u generatoru. Kako bi se to moglo realizirati kako u dolaznoj , tako i u odlaznoj vodi neophodno je podizanje plime (razlika u razini morske vode izmeñu plime i oseke) od najmanje 8 metara. Obale s malom razlikom plime i oseke nisu pogodne za gradnju plimnih elektrana. Sveukupno postoji oko 100 zaljeva, koji bi uopće mogli doći u obzir za gradnju takvih elektrana. Istovremeno su takve elektrane problematične s aspekta ekologije, jer utječu na floru i faunu obalnih voda. Smatra se da će plimne elektrane u budućnosti pokrivati veoma mali udio u pokrivanju potreba za strujom, upravo zbog ograničenih mogućih lokacija. Slika 8.5: Plimna elektrana
73 9.3. Hidroelektrana na podmorske struje Slika 8.6: HE podmorske struje Britanska tvrtka Lunar Energy i njemačka energetska skupina E.ON udružili su se na razvoju hidroelektrane na podmorske struje na zapadnim obalama Velike Britanije u sljedeće dvije godine. Postrojenje će se sastojati od niza od osam turbina visine 20 m postavljenih 120 m ispod površine mora koje će iskorištavati podmorske struje uzrokovane promjenom morskih mijena. Snaga elektrane iznosit će 8 MW čime će se omogućiti opskrba strujom oko 5000 britanskih kućanstava.
74 POGLAVLJE 4. NUKLEARNE ELEKTRANE
75 1. UVOD Nuklearne elektrane su objekti u kojima je čovjek prvi put u povijesti neposredno iskoristio energiju atomskih jezgara za proizvodnju toplinske i električne energije. Posredno korištenje nuklearne energije, odnosno energije fuzije atoma vodika na suncu, osnov je gotovo cjelokupne energije koja je kroz povijest bila dostupna čovječanstvu (mala iznimka je geotermalna energije iz Zemljine kore). Nuklearne elektrane su u proteklih 50 godina prešle dugi put od prototipnih postrojenja do zrelih elektroenergetskih objekata. U svijetu je danas u pogonu 441 nuklearnih elektrana ukupne snage 356 GW koje godišnje proizvode oko 2600 TWh električne energije (što je 173 puta više od potrošnje električne energije u Hrvatskoj u prošloj godini). Nakon zastoja u gradnji nuklearnih elektrana u proteklom razdoblju, sve analize eksperata i meñunarodnih organizacija upućuju na neophodnost nastavka razvoja i gradnje nuklearnih elektrana u velikom broju zemalja. Iscrpljenje zaliha i sve izrazitije poskupljenje fosilnih goriva (pogotovo plina) s jedne i nemogućnost udovoljenja zahtjevu sigurne opskrbe potrošača s obnovljivim izvorima energije s druge strane daju u narednim desetljećima nuklearnoj energetici posebni značaj. Posebna je vrijednost nuklearnih elektrana u činjenici što proizvode energiju bez emisija ugljičnog dioksida čime bi mogle omogućiti Hrvatskoj da ispuni preuzete obveze iz Kyoto protokola. Za Hrvatsku je potencijalno korištenje nuklearne energije već u bližoj budućnosti od posebnog značaja zbog manjka vlastitih energetskih resursa, nesigurnoj dobavi i nepredvidljivoj cijeni prirodnog plina, ograničenja gradnje termoelektrana na ugljen zbog emisija stakleničkih plinova kao i zbog činjenice da su mogućnosti podmirenja porasta konzuma (potrošnje) gradnjom elektrana na obnovljive izvore energije vrlo ograničene. 2. PRVE NUKLEARNE ELEKTRANE U SVIJETU Osnova prve nuklearne elektrane u Obninsku je reaktor sa termičkim neutronima, s grafitnim moderatorom i hlañenjem s pomoću vode pod tlakom. Reaktor ima nazivnu toplinsku snagu 30 MW. Gorivo je obogaćeni uran, koji sadrži 5% U-235. Ukupno punjenje urana je iznosilo oko 550 kg. Rashladno sredstvo primarnog kruga je voda koja cirkulira kroz reaktor i nalazi se pod tlakom 100 bara. Voda prolazeći kroz sustav izmjenjivača topline - generatora pare predaje svoju toplinu vodi sekundarnog kruga. Čitav primarni krug izveden je od nehrñajućeg čelika i smješten je iza biološke zaštite. Voda primarnog kruga zagrijana u kanalima reaktora do
temperature 260 - 280°C odlazi u generatore pare. Osam generatora pare (4 para) smješteni su u zaštitnim komorama. Svaki se generator pare sastoji od predgrijača vode, isparivača i pregrijača pare. Voda primarnog kruga iz generatora pare s temperaturom 190°C dolazi u usisni priključak glavne cirkulacijske pumpe, koja osigurava protok vode kroz reaktor od 300 t/h. Voda sekundarnog kruga (kondenzat) dovodi se pojnim pumpama u predgrijač generatora pare i zatim dolazi u isparivač. Para iz isparivača dolazi u pregrijač pare. Kod pune snage elektrane generatori pare proizvode 42 t/h pare s tlakom 12,5 bara, i temperaturom 250 - 260°C. Para se vodi u turbinu. Iz kondenzatora turbine voda ponovo dolazi u generatore pare. Cijelo upravljanje opremom elektrane se vrši s središnjeg pulta. Elektrana je bila projektirana proizvoditi 5 MW električne snage. 76 Slika 4.: Kontrolna soba Obninsk Nedugo potom u pogon ulaze i prve nuklearne elektrane u drugim zemljama. U Velikoj Britaniji je to bila nuklearna elektrana Callder Hall na lokaciji Sellafield (1957). Njena četiri reaktora tipa Magnox bila su hlañena plinom CO2.
77 Slika 4.2: Callder Hall U SAD prva je komercijalna nuklearna elektrana Shippingport (1957) u blizini Pittsburgha u pogon ušla točno petnaest godina nakon demonstracije samoodržavajuće lančane reakcije u Chicagu. Pored toga od početka pedesetih godina u pogonu je i eksperimentalni oplodni reaktor u američkoj saveznoj državi Idaho. U Francuskoj početkom 1956. ulazi u komercijalni pogon nuklearna elektrana G-1 Marcoule s plinom hlañenim reaktorom. Svi navedeni objekti danas su van pogona, a većina njih razgrañena je. Kroz razdoblje od trenutka puštanja u pogon prve nuklearne elektrane u svijetu do danas nuklearna energetika se pretvorila u veliku samostalnu granu energetike, stvoreni su različiti tipovi reaktora, a nuklearno gorivo igra sve veću ulogu u energetskoj bilanci mnogih zemalja u svijetu. Specifičnost je nuklearne elektrane u odnosu na klasičnu termoelektranu iskorištavanje reaktora kao izvora toplinske energije. Kod nuklearnih elektrana razlikuju se primarno postrojenje, koje se odnosi na reaktor, elemente primarnog kruga i na pomoćne sustave reaktora, te sekundarno postrojenje, kojemu pripada turbinsko i električno postrojenje elektrane.
78 3. POVIJEST NUKLEARNIH NESREĆA Radi boljeg uvida u opasnost od kvarova na nuklearnim energetskim postrojenjima korisno je razmotriti uzroke i posljedice do danas najvećih nesreća na tim postrojenjima. Na nuklearnim elektranama u svijetu su se do danas dogodile dvije velike nesreće koje su rezultirale oštećenjem jezgre i ispuštanjem radioaktivnih tvari u okoliš. To su kvarovi na nuklearnim elektranama u Otok tri milje u SAD i Černobilj u Ukrajini. Za generaciju modernih nuklearnih elektrana moderiranih vodom relevantan je samo kvar na elektrani Otok tri milje. Slika 4.3: Otok tri milje Elektrana Otok tri milje u Harrisburgu u SAD ima tlakovodni reaktor s dvije rashladne petlje. Oštećenje jezgre 1979. godine rezultiralo je iz niza nesretnih okolnosti u kojima su se dogañale pogreške na opremi i pogreške operatera. Posljedica nesreće bila je parcijalno oštećenje jezgre (rastalila se približno trećina jezgre). Doza zračenja izvan elektrane tijekom nesreće nije prelazila razinu koja bi ugrožavala lokalno stanovništvo. Rezultati brojnih zdravstvenih studija pokazali su da dugoročnih posljedica po zdravlje stanovništva u okolici elektrane nema. Kako bi se ubuduće spriječili ovakvi neželjeni dogañaji, u nuklearnim elektranama širom svijeta uvedena
su značajna poboljšanja. Radovi na uklanjanju rastaljene i teško oštećene jezgre započeli su u listopadu 1985. nakon gotovo šest godina priprema i trajali su nešto više od četiri godine. Posebno projektirani spremnici s ostacima jezgre otpremljeni su specijalnim vlakom u istraživački centar u Idaho radi proučavanja i konačnog odlaganja. Projekt čišćenja elektrane proglašen je za jedno od najznačajnijih inženjerskih dostignuća tijekom 1990. u SAD. 79 Slika 4.4: Černobil Katastrofa koja se 1986. godine dogodila u nuklearnoj elektrani Černobilj imala je ogroman negativni utjecaj na razvoj nuklearne energetike. Primarni je uzrok nesreće ljudska pogreška - niz narušavanja propisanih instrukcija i operativnih postupaka. Sekundarni se uzroci mogu sažeti u kategoriju nedostataka u projektu i izvedbi elektrane. Nuklearne elektrane tipa RBMK karakterizira pozitivan koeficijent reaktivnosti šupljina (isparavanje, odnosno gubitak rashladne vode dovodi do porasta snage reaktora - s povećanjem temperature broj novih fisija se povećava), nedovoljna je margina za sigurnosnu obustavu reaktora, ne postoji učinkoviti sustava za hlañenje grafita, i jako važno, ne postoji zaštitna zgrada.
Mehanizam nesreće je takav da je zbog povećanog isparavanja pare u rashladnim kanalima došlo do naglog povećanja snage (pozitivni moderatorski koeficijent plus neodgovarajući dizajn kontrolnih absorbera rezultirao je u promptnoj kritičnosti). Toplinska snaga je u jednoj sekundi porasla na vrijednost koja je stotinu puta veća od normalne što je dovelo do trenutnog isparavanja ostatka vode u jezgri i nastanka parne eksplozije. Treba naglasiti da se nije radilo o nuklearnoj eksploziji. Nuklearna elektrana ne može eksplodirati kao nuklearna bomba zbog premalog obogaćenja fisibilnog materijala. Druga značajna reakcija koja je uslijedila bila je kemijska eksplozija - eksplozija vodika i ugljičnog monoksida te gorenje grafitnog moderatora. 80 Slika 4.5: Černobil danas Katastrofa u NE Černobilj uzrokovala je 31 žrtvu neposredno nakon nesreće, više od 100.000 ljudi evakuirano je, uništena je infrastruktura, pojavio se manjak električne energije i smanjena je poljoprivredna proizvodnja. U deset godina nakon nesreće došlo je do značajnog porasta učestalosti raka štitne žlijezde za djecu koja žive na kontaminiranim područjima bivšeg SSSR. Znanstvena i medicinska istraživanja nisu otkrila porast broja ostalih vrsta karcinoma (leukemije), uroñenih anomalija, prekida trudnoće, kao ni ostalih bolesti koje bi se mogle smatrati posljedicom izloženosti ionizirajućem zračenju.
Reaktori u elektrani Černobilu ne mogu biti mjerodavni za procjenu sigurnosti ostalih tipova nuklearnih elektrana, jer nisu grañeni uz poštivanje opće prihvaćenih kriterija sigurnosti, ali nisu ni temelj nuklearne energetike ni u jednoj zemlji izvan zemalja bivšeg SSSR. 81 4. NUKLEARNE ELEKTRANE U SVIJETU Sredinom 2007. godine, prema podacima Meñunarodne agencije za atomsku energiju, u 31 državi radila je 437 nuklearna elektrana. Njihova ukupna snaga na pragu iznosila je 370.708 MW. Raspoloživa snaga nuklearnih elektrana u 2004. se godini povećala približno 5000 MW, u godini 2005. za 4000 MW i u godini 2006. za 1500 Mw. U razdoblju od 2004.-2006. godine devet nuklearnih elektrana prestalo je raditi, a u dvanaest država svijeta gradi se 30 novih nuklearnih elektrana. Slika 4.6: Broj nuklearnih elektrana u svijetu
82 Slika 4.7: Nuklearne elektrane u Europi 5. TIPOVI NUKLEARNIH ELEKTRANA Pod raznim tipovima nuklearnih elektrana smatraju se različiti tipovi primarnog (reaktorskog) postrojenja. Osnovni materijali prema kojima se nuklearni reaktori razlikuju su nuklearno gorivo, moderator i rashladni fluid. Svrha je nuklearnog goriva proizvodnja toplinske energije procesom fisije. Nuklearno gorivo mogu biti prirodni ili obogaćeni uran u formi metalnog urana ili uran dioksida. Moderator je medij za usporavanje neutrona, a svrha mu je usporiti neutrone kako bi se povećala vjerojatnost nastanka reakcije fisije u izotopu U-235. Moderatori mogu biti obična voda, teška voda i grafit. Rashladni fluid odvodi toplinsku energiju nastalu raspadom urana i fisijskih produkata. Korišteni rashladni fluidi su obična voda, teška voda, ugljični dioksid, helij i tekući metal. Tlakovodni reaktor koristi za gorivo oksid obogaćenog urana, a hlañen je i moderiran običnom vodom pod tlakom. U zapadnim zemljama označava se kraticom PWR (engl. Pressurized Water Reactor) te u bivšem Sovjetskom Savezu kraticom VVER (rus. vodo-vodnoj
energetičeskij reaktor). Otprilike 60 posto svih nuklearnih energetskih reaktora u svijeu su ovog tipa. 83 Slika 4.8: Shematski prikaz nuklearne elektrane-PWR Kipući reaktor takoñer koristi isto gorivo, moderator i rashladno sredstvo, ali voda ključa. Danas je udio ove vrste u broju energetskih reaktora oko 20 posto. Teškovodni reaktor koristi oksid prirodnog ili obogaćenog urana, hlañen je i moderiran teškom vodom s tlakom vode višim od tlaka zasićenja (nema ključanja). Kratica za reaktor je HWR (engl. Heawy Water Reactor). Slika 4.9: Shematski prikaz nuklearne elektrane-HWR
Plinom hlañeni reaktor poznat je u dvije generacije. Prvi, poznat još pod nazivom Magnox (ime prema leguri magnezija koja se rabi kao materijal za oblogu gorivne šipke), moderiran je grafitom, hlañen ugljičnim dioksidom, a gorivo je metalni prirodni uran. Kratica mu je GCR (engl. Gas Cooloed Reactor). Druga, naprednija generacija, obilježena kraticom AGR (engl. Advanced Gas Reactor) bitno se razlikuje od prve po izvedbi, obloge gorivnih šipki su od nehrñajućeg čelika, a gorivo je oksid obogaćenog urana. 84 Slika 4.10: Shematski prikaz nuklearne elektrane-GCR Reaktor moderiran grafitom i hlañen kipućom vodom, oznake RBMK (rus. reaktor boljšoi močnosti kipjaščij), grañen je samo u bivšem SSSR. Gorivo mu je oksid obogaćenog urana. Visokotemperaturni reaktor, za koji je uvedena kratica HTGR (engl. High Temperature Gas Reactor) posljednji je korak u razvoju grafitom moderiranih reaktora. Hlañen je helijem, a koristi oksid obogaćenog urana. Svi spomenuti reaktori pripadaju skupini termalnih reaktora što znači da uporabljaju moderator za termalizaciju neutrona.
85 Slika 4.11: Shematski prikaz nuklearne elektrane-HTGR Brzi oplodni reaktor nema moderatora, a hlañen je tekućim metalom. Kao gorivo koristi oksid urana višeg obogaćenja ili oksid plutonija, a kao oplodni materijal prirodni uran. Oplodni materijal je U-238 pri čemu nakon reakcije uhvata neutrona te nakon dva uzastopna beta-raspada nastaje izotop Pu-239 koji je fisibilan s termičkim neutronima na sličan način kao i U-235. Ova vrsta reaktora omogućuje daleko ekonomičnije korištenje urana u odnosu na termičke reaktore. Njihova uporaba trenutno je manje isplativa, ali će postajati sve aktualnija i konkurentnija sa smanjenjem raspoloživih količina urana i rastom cijena energenata na svjetskom tržištu. Slika 4.12: Udjeli pojedinih tipova reaktora u ukupnom broju 6. NUKLEARNA ENERGIJA U ODNOSU NA OSTALE ENERGENTE Prirodni plin, nafta i naftni derivati sve se manje rabe za proizvodnju električne energije zbog sve izraženije nestabilnosti cijena i sve manje mogućnosti osiguravanja količina dostatnih za neprekinutu proizvodnju električne energije. Dostupnost ovih energenata dodatno je dragocjena za uporabu u drugim sektorima - prirodnog plina u domaćinstvima te nafte i naftnih
derivata u prometu. Stoga ih je neracionalno izgarati za proizvodnju električne energije. Ugljen se najviše rabi za proizvodnju električne energije (39 posto električne energije proizvedeno je iz ugljena), ali je izuzetno nepopularan iz ekoloških razloga. Hidroenergija se već rabi na većini ekonomski isplativih i ekološki prihvatljivih mjesta te je hidropotencijal gotovo iskorišten. Od samih početaka proizvodnja električne energije u nuklearnim elektranama raste. Nakon nesreće u Černobilju izraženo se usporila izgradnja novih nuklearnih elektrana, ali su se postojeće unapreñivale i proizvodile sve više energije. 86 Slika 4.13: Odnos potrošnje goriva Ako se usporede različite vrste elektrana prema vrsti goriva koje koriste za proizvodnju toplinske energije uočava se veliki nesrazmjer. Za godišnji rad elektrane od 1.000 MW potrebno je 2,3 milijuna tona ugljena (23 transportna broda) za termoelektranu na ugljen, 1,4 milijuna tona nafte (7 tankera) za termoelektranu na naftu (mazut), 1,1 milijuna tona prirodnog plina (16 brodova na ukapljeni plin) za termoelektranu na prirodni plin odnosno 30 tona nuklearnog goriva (3 kamiona) za proizvodnju u nuklearnoj elektrani s termičkim reaktorom. Očigledna je činjenica kako se za proizvodnju električne energije u elektrani iste snage potrebna najmanja masa, a pogotovo volumen, goriva u slučaju nuklearne elektrane.
87 Slika 4.14: Usporedba količine potrebnog goriva za 1000 MW električne energije Drugi važan čimbenik je veličina površine terena koju zauzimaju elektrane s pratećim objektima. Za elektranu snage 1.000 MW na biomasu potrebna je površina od 300.000 km2, za bioulje 24.000 km2, za vjetar 100-200 km2, za fotonaponske ćelije 20-100 km2, a za nuklearne elektrane do 1 km2. Kod biomase, bioplina i sl. potreban je velik prostor za plantaže goriva. Nuklearne elektrane zauzimaju mnogo manje prostora nego elektrane koje rabe obnovljive izvore energije. Ovo ne znači da zbog toga obnovljive izvore ne treba rabiti. Zapravo njihova uporaba bit će sve veća i treba ih rabiti kao nadopunu postojećim konvencionalnim tehnologijama za proizvodnju električne energije. U osnovi to se u Hrvatskoj odnosi najviše na korištenje vjetroelektrana, malih hidroelektrana te termoelektrana na otpad u drvoprerañivačkoj industriji i šumarstvu. Proizvodnja električne energije u nuklearnim elektranama sigurnija je nego proizvodnja u ostalim tipovima elektrana. U studiji švicarskog instituta Paul Sherrer iz 2001. analizirane su 4290 nesreće povezane s proizvodnjom električne energije. Za ilustraciju dan je broj smrtnih slučajeva po milijardi proizvedenih kWh električne energije. Najveća je smrtnost kod hidroelektrana (101 slučaj po TWh), potom slijede termoelektrane na ugljen (39 slučajeva po TWh) i plin (10 slučajeva po TWh) te nuklearne elektrane (1 slučaj po TWh - uključujući i černobilsku nesreću).
Danas se nuklearne elektrane opet počinju graditi, primjerice u Finskoj. U Europi samo Francuska nije prekidala svoj energetski program zasnovan na nuklearnim elektranama. Rusija i Ukrajina takoñer imaju u izgradnji ili u planu nekoliko novih reaktora. U sljedeća dva desetljeća predvodnici gradnje nuklearnih elektrana bit će azijske zemlje - razvijene (Japan i Južna Koreja) te one u razvoju (Kina, Indija, Pakistan). U Hrvatskoj ne postoji niti načelna odluka o gradnji nuklearne elektrane u bližoj budućnosti. 88 7. RADIOAKTIVNI OTPAD Radioaktivni otpad iz postrojenja nuklearne energetike sačinjavaju sve radioaktivne otpadne tvari koji nastaju u procesima nuklearnog gorivnog ciklusa i tijekom pogona nuklearnih elektrana. Radioaktivni se otpad dijeli u tri osnovne kategorije. Niskoaktivni otpad karakterizira niska specifična gama i beta aktivnost (ispod 5 milijardi Bq/m3) i sa zanemarivim sadržajem aktinida. Aktinidi su alfa-emiteri i teški elementi s rednim brojem većim od 89. Srednjeaktivni otpad sadrži samo gama- i beta-emitere, uz zanemariv sadržaj aktinida, ali s većom aktivnošću nego kod niskoaktivnog otpada (do 5.000 milijardi Bq/m3). Visokoaktivni otpad karakteriziraju više specifične aktivnosti od navedenih i sadržaj aktinida. Prve dvije vrste potječu iz pogona nuklearnih elektrana, dok treća vrsta dolazi iz postrojenja za preradu istrošenog nuklearnog goriva. Slika 4.15: Nuklearni spremnici
Radioaktivni otpad koji nastaje tijekom pogona nuklearnih elektrana potječe iz dva osnovna izvora: aktivacije materijala u reaktoru i fisija. Aktivacijski proizvodi nastaju aktivacijom neaktivnih izotopa željeza, nikla, bora i litija prolazom kroz jezgru reaktora. Dio fisijskih proizvoda dospijeva u rashladni krug reaktora zbog propuštanja oblogi gorivnih šipki. Najveći doprinos daju plemeniti plinovi, te tricij i cezij. Meñu otpadnim radioaktivnim plinovima dominantnu ulogu imaju plemeniti plinovi, posebno izotop kriptona Kr-85. Izotop cezija Cs-137 fisijski je proizvod koji daje najveći doprinos radioaktivnosti reaktorskog rashladnog sredstva. Kod NE Krško izotop Cs-137 pridonosi aktivnosti primarnog rashladnog sredstva s 40%, a izotop Co-60 otprilike s 30%. Ostatak aktivnost uglavnom je doprinos drugih aktivacijskih proizvoda i tricija. Strategija rukovanja radioaktivnim otpadom u nuklearnoj elektrani svodi se u osnovi na sljedeće: (1) ispust iz elektrane količina radioaktivnih tvari u plinovitom i tekućem obliku do granice dopuštene propisima, uvažavajući pri tome načelo "toliko malo koliko je racionalno moguće postići"; i (2) prerada preostalih radioaktivnih tvari u što koncentriraniji i što stabilniji oblik, poštujući pri tome dopuštene doze zračenja na površini spremnika koji te tvari sadržavaju. Čvrsti radioaktivni otpaci su otpadni materijali i alati tijekom održavanja aktivnog dijela postrojenja kao i radioaktivni materijali koncentrirani prilikom procesa prerade radioaktivnih tekućina (ionoizmjenjivačke smole, talozi isparivača, filtri tekućina) i čišćenja radioaktivnih plinova. Vodu ispuštenu iz primarnog kruga (tzv. normalna curenja: propuštanje prirubnica, drenaže, uzimanje uzoraka) karakterizira sadržaj tricija. Ta se voda obično reciklira u unutrašnjem sustavu za preradu. Kruti otpad normalno se sprema u bačve standardnih dimenzija (205 litara). Pretežni dio radioaktivnog otpada nastalog tijekom pogona nuklearne elektrane spada u kategoriju srednjeaktivnog otpada. Istrošene izmjenjivače smole i filtri ulažu se u bačve u koje je s unutrašnje strane ugrañen betonski biološki štit. Stlačivi otpad (kontaminirana odjeća, krpe, plastika) smješta se u metalne bačve koje dopuštaju naknadnu kompresiju. 89
90 Slika 4.16: Odlagalište nuklearnog otpada Visokoaktivni otpad izvor je ne samo radioaktivnog zračenja nego i toplinske energije. Volumen krutog visokoaktivnog otpada po toni prerañenog urana kod lakovodnih reaktora iznosi 70 do 80 litara. Iz toga se može izračunati, primjerice, da preradu nuklearnog goriva potrebnog za proizvodnu 1.000 MW električne energije u nuklearnoj elektrani s lakovodnim reaktorom prati stvaranje svega 2,5 do 3 m3 čvrstog viskoaktivnog otpada. Osnovni problem koji se mora riješiti pri spremanju radioaktivnog otpada je dugoročna stabilnost skladišta radi onemogućenja kontakta radioaktivnih nuklida s životnom sredinom i podzemnim vodama. U načelu se primjenjuju dva tipa skladištenja radioaktivnog otpada: plitko (primjenjivo za niskoaktivni i srednjeaktivni otpad) te duboko (primjenjivo za sve vrste radioaktivnog otpada). Kod plitkog odlaganja djelovanje inženjerskih zapreka osigurava se ulaganjem bačava u armiranobetonske posude i ispunjenje prostora izmeñu bačava betonom, čime se dobiva monolitni betonski blok. Blokovi se ulažu u široke rovove od nepropusne gline s betonskom oplatom.Duboko skladištenje radioaktivnog otpada obavlja se u geološki stabilnim formacijama u granitu ili glini.
91 8. ZAŠTITA OKOLIŠA I SIGURNOST KOD NUKLEARNIH POSTROJENJA Nemoguće je proizvoditi energiju, uključivši sve faze od izgradnje, preko pogona i konačno do razgradnje energetskog objekta bez utjecaj na okoliš i čovjeka. U nuklearnim elektranama toplinska se energija oslobaña fisijama za koje nije potreban kisik. Kisik je potreban kod procesa izgaranja - spajanja s kiskom - kod termoelektrana na fosilna goriva. Stoga je jedna od najvažnijih prednosti nuklearnih elektrana u odnosu na elektrane na fosilna goriva izostanak emisija velikih količina ugljičnog dioksida (stakleničkog plina koji doprinosi globalnom zagrijavanja Zemljine atmosfere), sumpornog dioksida (atmosfera ga izlučuje kao kiselu kišu), dušičnih oksida (uzrokuju nastanak kiselih kiša, stvaranje prizemnog ozona, razgradnju stratosferskog ozona) te ostalih čestica prisutnim u dimnim plinovima kao posljedica procesa izgaranja fosilnih goriva. Kod korištenja hidropotencijala negativan utjecaj očituje se kroz zauzeće velike površine (akumulacije vode), promjene ekosustava i vodotokova, preseljenje ljudi, promjene mikroklime, gubitak biološke raznolikosti, postojanje rizika od pucanja brane (najčešći uzrok smrti vezan uz proizvodnju električne energije). Elektrane koje rabe obnovljive izvore energije karakterizira zauzeće velikih površina (sunčeve elektrane), promjene ekosustava, buka (vjetroelektrane), opasne kemikalije (izradba fotonaponskih ćelija). Nuklearne elektrane mogu negativno utjecati na okoliš ispuštanjima radioaktivnog materijala iz elektrane slučaju nesreće a njihovim radom nastaje i radioaktivni otpad. Sigurnost nuklearnih elektrana jedan je od najbitnijih uvjeta za njezinu prihvatljivost kao energetskog objekta. Osnovno načelo projektiranja nuklearne elektrane sa stajališta sigurnosti je tzv. obrana po dubini. Sastoji se u poduzimanju sustavnih mjera za očuvanje funkcija opreme i sustava za sigurnost nuklearne elektrane, i to tako da oni u pogledu zaštite okoliša djeluju serijski, jedan iza drugog. Fizičke su zapreke (barijere) matrica nuklearnog goriva, obloga gorivnog elementa, primarni rashladni krug i zaštitna zgrada. Djelotvornost navedenih barijera znatno bi bila umanjena kada ne bi postojali tehnički sustavi koji osiguravaju njihovu funkciju. To su sustav za zaštitno hlañenje jezgre reaktora i sustav za štićenje zaštitne posude. Sustavi i komponente u pravilu su višestruki. Grañevinski objekti nuklearne elektrane se projektiraju za pouzdanu izdržljivost na najnepovoljnije vanjske utjecaje koji se mogu pojaviti na lokaciji elektrane (npr. seizmička aktivnost). Višestruki mjerni i regulacijski kanali trebaju osigurati nadzor i upravljanje i u uvjetima otkaza pojedinih mjernih i regulacijskih sustava. Posebno se to odnosi na sustav za obustavu pogona i odvoñenje topline iz reaktora. Sustav kontrole i osiguranja kvalitete svodi na najmanju mjeru mogućnost pogrešaka u gradnji i pogonu
elektrane, posebno onih koje bi mogle negativno utjecati na sigurnost. Djelovanje sustava nuklearne elektrane stalno se prati, pri čemu se sustavno i pravovremeno otklanjaju svi uočeni nedostaci i preventivno djeluje da se uočeni nedostaci ne ponavljaju. Spoznaja o veličini nekog rizika i odluka o njegovoj prihvatljivosti mora se zasnivati na usporedbi tog rizika s ostalim rizicima kojim je čovjek izložen. Rizik je definiran kao produkt vjerojatnosti nastanka neželjenog dogañaja i njegovih posljedica. Rizik stanovništva koji žive u okolici nuklearnih elektrana neusporedivo manji zbog rada tih nuklearnih elektrana nego zbog drugih uzroka (posebno od automobilskih nesreća). Apsolutne sigurnosti nema. Opći zaključci sveobuhvatne studije (WASH-1400) kojom su kvantificirani rizici zbog rada nuklearnih postrojenja daju se sažeti u sljedeće konstatacije. Nesreće koje dovode do oštećenja jezgre bez gubitaka integriteta zaštitne zgrade vrlo malo utječu na okoliš. Rizici od reaktorskih nesreća kojima je izloženo stanovništvo manji su od rizika koji nastaju zbog drugih uzroka u svakodnevnom životu. Vjerojatnost nastanka reaktorskih nesreća mnogo je manja od vjerojatnosti nastanka drugih nezgoda koje daju slične posljedice. Nuklearna energija omogućuje da se izgrade energetska postrojenja čiji će utjecaj na zdravlje ljudi i životnu sredinu biti osjetno povoljniji od utjecaja koje možemo postići uporabom konvencionalnih (obnovljivih i neobnovljivih) izvora energije. 92
93 POGLAVLJE 5. VJETROELEKTRANE
94 1. UVOD U svijetu se danas koriste različiti energenti za dobivanje energije koja je potrebna. Vodeći energenti u svijetu su fosilna goriva (nafta, plin i ugljen) i nuklearna energija. Fosilna goriva i nuklearna energija imaju svoje prednosti zbog koji su trenutno vodeći energenti u svijetu, ali imaju i svoje nedostatke. Osnovni nedostatci fosilnih goriva su zagañenje okoliša i njihove ograničene rezerve. Rezerve nafte kao vodećeg energenta u svijetu, su sve manje. Upravo zbog toga se danas u svijetu sve više razmišlja o obnovljivim izvorima energije, te se sve više novaca ulaže u obnovljive izvore energije. Neki od obnovljivih izvora energije su sunčeva energija, vodeni tokovi, geotermalna energija, plima i oseka, biomasa te vjetar. Vjetroelektrane su jedan od oblika obnovljivih izvora energije pokretan snagom vjetra. Pojam vjetroelektrana označava niz blisko smještenih vjetroturbina. Energija vjetra se pomoću vjetroturbina može pretvoritit u električnu energiju. Vjetroelektrana se sastoji od noseće konstrukcije u obliku stupa, vjetroturbine, generatora električne struje te automatske regulacije broja okretaja i napona generatora, eventualno uz priključak na neki sustav akumuliranja energije ili na regionalnu električnu mrežu. U ovom seminaru su detaljno objašnjeni način rada, vrste postrojenja, vjetropotencijal i vrste vjetroturbina i generatora vjetroelektrana. 2. ENERGIJA VJETRA Vjetar je bogat, obnovljiv, lako dostupan i čist izvor energije. Nastanak vjetra je složen proces. Kako sunce neravnomjerno grije Zemlju, polovi primaju manje sunčeve energije nego ekvator. Pored toga, kopno se brže grije i brže hladi od mora. Takvo zagrijavanje tjera globalni atmosferski sustav prijenosa topline sa površine Zemlje prema stratosferi koja se ponaša kao virtualni strop. Većina energije takvog strujanja vjetra je na velikim visinama gdje brzina vjetra prelazi i 160 km/h. Dio energije vjetra trenjem prelazi u difuznu toplinu kroz atmosferu i Zemljinu površinu. Predviñanja govore da je 72 TW energije vjetra iskoristivo u komercijalne svrhe. Treba napomenuti ni da teoretski ni praktično nije iskoristiva sva snaga vjetra. Vjetar jako varira i srednja vrijednost brzine za danu lokaciju nam ne može reći koju količinu energije naš vjetroturbina može proizvesti. Ipak, kod predviñanja ponašanja vjetra na odreñenom mjestu, držimo se podataka koje su nam dala mjerenja. Dovoljna je i manja promjena lokacije da bi imali velike promjene u brzini vjetra. Brzinu vjetra mjerimo i aproksimiramo Rayleigh raspodjelom.
Kako se velika količina energije dobiva pri većim brzinama vjetra, dosta nam energije dolazi u kraćim intervalima, odnosno na mahove, kao i vjetar. Posljedica toga je da vjetroelektrane nemaju stalnu snagu na izlazu kao sto to imaju npr. termoelektrane, te postrojenja koja napajaju vjetroagregati moraju imati osiguranu proizvodnju električne energije i iz nekog drugog izvora. Stalnost snage kod vjetroelektrana bi nam mogao osigurati napredak u tehnologijama koje se bave spremanjem energije tako da možemo koristiti energiju koju smo dobili za jačeg vjetra onda kada ga nema. Nedostatak vjetra rijetko uzrokuje nesavladive probleme kada u malom udjelu sudjeluje u 95 opskrbi električnom energijom, ali pri većem oslanjanju na vjetar dovodi do većih gubitaka. 3. VJETROTURBINE Današnji sustavi za iskorištavanje energije vjetra su pretežito vjetroturbine. Vjetroturbina je još poznata pod nazivima vjetroagragat i vjetrogenerator. Vjetroturbina je rotirajući stroj koji pretvara kinetičku energiju vjetra prvo u mehaničku, a zatim preko električnih generatora u električnu energiju. Pri tome se rotor vjetroturbine i rotor električnog generatora nalaze na istom vratilu. Slika 5.1: Temeljni dijelovi vjetroturbine Temeljni dijelovi vjetroturbine: 1. vitlo 2. spona za vitlo 3. lopatica
96 4. navoji za regulaciju kuta zakreta lopatice (pitch regulacija) 5. glavčina rotora 6. glavni navoji 7. glavna osovina 8. mijenjačka kutija 9. diskovi kočnice 10. spojke 11. servisna dizalica 12. generator 13. meteorološki senzori 14. ležaj za zakretanje turbine 15. prsten za zakretanje turbine 16. toranj 17. nosiva platforma kučišta 18. krovna platforma 19. uljni filter 20. ventilator generatora 21. hladnjak ulja 3.1. Princip rada Kao što je već rečeno, vjetroturbine koriste energiju vjetra. Promatrajmo stupac zraka koji ima neku brzinu v i masu m. Kinetička energija u ovom slučaju iznosi: Masa zraka je odreñena sa gustoćom ρ ,površinom kroz koju struji A , brzinom v i vremenom t, dakle vrijedi: Snaga vjetra je derivacija kinetičke energije po vremenu, pa time dobijemo izraz za raspoloživu snagu vjetra:
Dakle, snaga vjetra je proporcionalna brzini vjetra na treću potenciju. Zato je bitno precizno poznavati iznos brzine vjetra, jer se svako odstupanje multiplicira pri izračunu snage vjetra.Važan alat pri analizi učinkovitosti vjetroturbina je takozvana krivulja snage. 97 Slika 5.2: Dijagram snaga raznih vjetroagregata Na vertikalnoj osi smješta se [snaga] u vjetru, a na horizontalnu os brzina vjetra. Nešto kompliciranija analiza je potrebna da bi se odredila maksimalna snaga koju vjetroelektrana može preuzeti, zato što lopatice vjetroturbine obavezno utječu na vjetar da bi izvukle njegovu snagu. Promatrajmo ponovo isti stupac zraka. On "putuje" do rotora vjetroturbine početnom brzinom v, te usporava do brzine v1 kad dosegne rotor (to se dogaña zbog promjena u tlaku). Rotor preuzima dio energije vjetra, tako da se zrak koji struji iza rotora kreće još sporije brzinom v2. Naravno, ista masa zraka koja je putovala prema rotoru i napušta rotor. Volumen stupca zraka iza turbine se povećava, zbog toga što se masa zraka giba sporije, što prisiljava zrak da se proširi, tako omogućujući kontinuirano strujanje.
98 Slika 5.3: Stupac zraka s označenim brzinama pri prolasku kroz turbinu Algebarskim proračunom dobije se da je snaga dobivena iz vjetra jednaka: gdje je a faktor aksijalne indukcije koji se definira sa: Tada se može definirati koeficijent snage Cp kao omjer snage preuzete od strane rotora i snage vjetra: Cp = 4a(a − 1)2 Koeficijent snage ukazuje na efikasnost turbine baziranu isključivo na konceptu stupca zraka, zanemarujući stvarne uvjete, te neizbježne mehaničke i elektroničke gubitke. Ako deriviramo koeficijent snage i izjednačimo ga s nulom (odnosno tražimo njegov maksimum) dobijemo da je maksimalna vrijednost faktora a jednaka 1/3 , odnosno pri toj vrijednosti od a Cp iznosi 16/27 , odnosno 0.59. Ovo ograničenje je poznato pod nazivom Betzov zakon , odnosno Betzov koeficijent. Dakle, on označava maskimalnu teoretsku iskoristivost vjetropotencijala. Maksimalna praktična iskoristivost se kreće od 35% do 45%. Svaka vjetroturbina je dizajnirana za odreñenu brzinu vjetra pri kojoj ima najbolju iskoristivost. Na jako malim brzinama vjetra rad vjetroturbina nije isplativ. Pri slabom vjetru ne može se generirati ili se može generirati jako malo struje iz energije vjetra, pa tako sama vjetroturbina može postati potrošač. Zbog toga bi rotorska kočnica trebala zaustaviti rotor vjetroturbine ako je brzina vjetra manja od predefinirane brzine upogonjenja te vjetroturbine.
Brzina vjetra za koju je dizajnirana vjetroturbina i nominalna brzina vjetra vjetroturbine uobičajeno su različite vrijednosti. Nominalna brzina vjetra je uobičajeno veća od brzine za koju je ta vjetroturbina dizajnirana. Iznad nominalne brzine vjetra, snaga generatora vjetroturbine mora biti limitirana, te zbog toga svaka vjetroturbina iznad nominalne vrijednosti brzine vjetra daje konstantnu izlaznu snagu zbog limitacije i pada iskoristivosti. Ta izlazna snaga je konstantna sve do brzine isključenja. Ako brzina postane previsoka, vjetroelektrana može biti preopterećena i može doći do oštećenja. Zbog toga vjetroturbine imaju predefiniranu brzinu isključenja, pri kojoj rotorska kočnica zaustavlja vjetroturbinu i rotor se okreče od vjetra koliko je to moguće. 99 Predefinirane brzine vjetra uobičajeno imaju sljedeće iznose: o Brzina uključenja vcut-in = 2.5 – 4.5 m/s o Brzina vjetra za koju je dizajnirana vjetroturbina vD = 6 – 10 m/s o Nominalna brzina vjetra vN = 10 - 16 m/s o Brzina isključenja vcut-out = 20 – 30 m/s o Brzina preživljavanja vlife = 50 – 70 m/s Svaki proizvoñač vjetroturbine za svaki svoj proizvod ima napravljen dijagram iskoristivosti u ovisnosti o brzini vjetra. Na tom dijagramu su ucrtane i gore navedene predefinirane vrijednosti za tu vjetroturbinu. Ovime je pojašnjeno kako vjetroturbina preuzima energiju vjetra, a dalje je pojašnjeno kako ju pretvara u električnu energiju. 3.1.1. Generatori vjetroturbina Generatori su turbinski dio vjetroturbine s rotorom, kočnicama i prijenosnikom snage te predstavljaju važan dio cjelokupnog sustava. Nakon što vjetroturbina preuzme energiju vjetra, uz pomoć generatora ju pretvara u električnu energiju. Za pravilno i sigurno funkcioniranje vjetroturbina, generator mora ispunjavati odreñene zahtjeve kao što su: · visok stupanj iskoristivosti u širokom krugu opterećenja i brzine okretanja; · izdržljivost rotora na povećanim brojevima okretaja u slučaju otkazivanja svih zaštitnih sustava; · izdržljivost, odnosno postojanost konstrukcija na visokim dinamičkim opterećenjima prilikom kratkih spojeva, te pri uključivanju i isključivanju generatora;
100 · uležištenje generatora na način da jamče dugotrajnost. Uzimajući u obzir nepogodne i promjenjive uvijete rada (povećane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost na krute čestice, povišenu temperaturu i dr.) pred generatore se takoñer postavlja zahtjev pouzdanosti sa što je moguće manje održavanja. Razni su kriteriji prema kojima se može izvršiti podjela generatora. Tako se prema načinu rada generatori mogu podijeliti na generatore za: · paralelni rad s postojećom distributivnom mrežom · samostalni rad · spregnuti rad s drugim izvorima Prema vrsti struje koju generatori generiraju, generatori mogu biti: · generatori istosmjerne struje (generatori istosmjerne struje se zbog problema s pouzdanosti rijetko primjenjuju). · generatori izmjenične struje Prema načinu okretanja generatori mogu biti: · generatori s promjenjivom brzinom okretanja · generatori s nepromjenjivom brzinom okretanja Naime, na osovinu vjetroturbine je vezan električni generator direktno ili indirektno preko prijenosnika. Mogu se koristiti i asinkroni i sinkroni generatori. Asinkroni su jeftiniji izvedbom pa se i češće koriste. Sinkroni imaju bolje pogonske karakteristike, pa se i oni nerijetko koriste unatoć većoj cijeni. Dakle, vjetroturbina preko lopatica energiju vjetra pretvara u okretni moment vratila koji preko zupčastog mjenjača okretni moment predaje električnom generatoru koji ga pretvara u električnu energiju. Zakretni mehanizam postavlja lopaticu na optimalni kut. Vjetroturbine posjeduju mehanizam koji u suradnji s anemometrom preko nazubljenog prstena cijeli ustroj turbine postavlja okomito na pravac vjetra. Glavno vratilo ima disk kočnicu koja zaustavlja turbinu u slučaju prevelike brzine vjetra. Rad cijelog sustava nadzire elektronički kontrolni sklop.
101 a) Generatori s promjenjivom brzinom okretanja: Vrste generatora s promjenjivom brzinom okretanja: 1. sinkroni ili asinkroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu 2. asinkroni generator s upravljivim promjenljivim klizanjem 3. asinkroni generator s nadsinkronom ili podsinkronom pretvaračkom kaskadom b) Generatori s nepromjenjivom brzinom okretanja: 1. Vjetroturbina s asinkronim generatorom. Asinkroni generatori se najčešće priključuju na krute električne mreže. Krutu mrežu karakterizira velika naponska i frekvencijska stabilnost. Osnovna prednost im je jednostavnija i jeftinija konstrukcija, iako s druge strane moraju imati kompenzacijski ureñaj (uglavnom uklopive kondenzatorske baterije) i priključni ureñaj kako bi se omogućilo početnu sinkronizaciju s mrežom. 2. Vjetroturbina sa sinkronim generatorom Upotrebljevaju se za spajanje na ne tako krute električne mreže, npr. kod spajanja na otočni električni sustav. Ovdje su potrebni uzbudni sustav i regulator brzine koji će održavati napon i frekvenciju. Ovakvi generatori ne mogu se pronaći u komercijalnim izvedbama sa stalnom brzinom u pogonu na krutu mrežu. Kod vjetroturbina nazivnih snaga većih od 500 kW naročito je izražena potreba za uključivanjem sustava za regulaciju kuta zakretanja elise propelera, što inače nije slučaj, pa tako da se spomenuti sustav ne izvodi u svim jedinicama.
102 Slika 5.3: Prikaz vjetroturbine s asinkronim generatorom Slika 5.4: Prikaz vjetroturbine sa sinkronim generatorom 3.1.2. Ograničavanje izlazne snage i zaštita od oluja Energija koja može biti preuzeta od vjetra ovisi o brzini vjetra. Poslje dostizanja nominalne snage, snaga vjetrogeneratora bi trebala ostati konstantna kod svih brzina vjetra večih od nominalne brzine zbog toga jer turbina i generator ne mogu podnjeti više energije. Zbog toga, vjetroelektrana mora limitirati snagu pomoću jedne od dvaju sljedećih metoda: · metoda zavjetrine (Stall control) · metoda promjene kuta lopatica rotora (Pitch control)
a) Metoda zavjetrine (Stall control) Metoda zavjetrine se bazira na efektu stvaranja vrtložnih struja, a sa time i zavjetrine kod velikih upadnih kutova koji se sami povećavaju pri povećanju brzine vjetra. Ovaj efekt uništava uzgon na površini zahvaćenoj ovim efektom te na taj način limitira snagu koju vjetar prenosi na lopatice rotora. Kod ovoga načina zaštite vjetroturbina lopatice rotora se ne pomiču, te kut pod kojim su postavljene uvijek ostaje konstantan. Ovakav način zaštite vjetroturbina se realizira samom konstrukcijom rotora te ne zahtijeva napredne tehničke sustave za njezin rad. Negativna strana ovakvog načina zaštite vjetroturbina je u tome što ne omogućava nikakvo naknadno upravljanje zbog toga što je ovaj način zaštite isključivo pasivan. Maksimalnu snagu novodizajniranog rotora nije lako procijeniti zbog kompliciranog matematičkog proračuna strujanja fluida. Nakon dostizanja maksimalne snage, izlazna snaga generatora zaštićenog ovom metodom opada. Ovako zaštićeni sustavi moraju imati još dodatne aerodinamičke kočnice koje pomažu vjetroturbinama sa ovakvim načinom zaštite da prežive oluje. b) Metoda promjene kuta lopatica rotora (Pitch control) Mnogi proizvoñači vjetroturbina preferiraju metodu zaštite svojih vjetroturbina pomoću promijenjivog kuta lopatica rotora, iako je ovu metodu zaštite tehnički puno teže izvesti. Meñutim, pošto je ova metoda zaštite aktivna metoda, ona se može prilagoditi različitim uvjetima. Zaštita metodom promjene kuta lopatica rotora automatski prilagoñava kut lopatica rotora, a samim time i upadni kut, smanjujući ga ili povećavajući, ovisno o prilikama. Lopatice rotora se okreću u vjetar prilikom većih brzina vjetra, smanjujući upadni kut i tako se aktivno smanjuje ulazna snaga na lopaticama rotora. Izrada ovako zaštićenih i kontroliranih vjetroturbina je kompliciranija, zato jer lopatice rotora moraju biti pomično učvršćene na vrh osovine, i mora postojati još dodatni motor koji mi upravljao nagibom lopatica. Manji sustavi uobičajeno upotrebljavaju mehanički kontroliran mehanizam promjene kuta lopatica rotora oslanjajući se na centrifugalnu silu. Ako se vjetroturbina kompletno isključi zbog zaštite od oluje i ako ima mogućnost zakretanja kuta lopatica rotora, mogu joj se lopatice rotora okrenuti u položaj pera (najmanja moguća silueta koja stoji na putu vjetra), te se tako smanjuje njen otpor vjetru i mogućnost oštećenja. c) Sustav za praćenje vjetra (Yawing) Sustav za praćenje vjetra može se svrstati u u sustave za povećanje iskoristivosti vjetroturbina i u sustave za zaštitu vjetroturbina sa vodoravnom (horizontalnom) osi. Ovaj sustav radi na principu horizontalnog zakretanja vjetroturbina. Vjetroturbine sa vodoravnom (horizontalnom) osi, za razliku od vjetroturbina sa vertikalnom osi, moraju uvijek svojom 103
orijentacijom pratiti smjer vjetra. Orijentacija lopatica rotora uvijek mora biti tako namještena da su lopatice rotora okrenute prema vjetru pod optimalnim kutom. Ovo može biti problem za vjetroturbine sa promjenjivim kutom lopatica rotora ako su postavljene na mjestu gdje dolazi do vrlo brze promjene smjera vjetra zbog toga jer može doći do velikih fluktacija u snazi o čemu se mora voditi računa prilikom horizontalnog zakretanja vjetroturbina i prema tome se korigirati brzina rotora. Za zakretanje vjetroturbina u horizontalnom smjeru cijelo kućište vjetroturbine sa rotorom, prijenosom i generatorom mora biti pomično postavljeno na vrhu stupa. Sustav za mjerenje vjetra smješten na kućištu mjeri i izračunava brzinu i smjer vjetra i prema tim podatcima upravljački sustav odlučuje kada, za koliko i u kojem smjeru zaokrenuti kućište i rotor vjetroturbine. Kada kućište i rotor doñu u optimalni položaj pokreče se horizontalna kočnica koja drži vjetroturbinu u tom položaju. U stvarnosti postoji uvijek malo odstupanje od smjera vjetra i optimalnog položaja rotora. To odstupanje se zove "yaw angle" i uobičajno iznosi oko 5%. 3.2. Vrste vjetroturbina U daljnjem tekstu biti će nabrojane podjele i izvedbe suvremeni vjetroturbina te će biti ukratko opisane. U osnovi, vjetroturbine mogu raditi na dva principa iskorištavanje energije vjetra, pa se zato i osnovna podjela svodi na podjelu prema tim principima. Tako imamo: 1. Vjetroturbine koje rade na principu otpornog dijelovanja (drag devices) 2. Vjetroturbine koje rade na principu potiska (lift devices) 3. Vjetroturbine koje rade na kombiniranju obaju principa. Vjetroturbine koje rade na principu otpornog dijelovanja imaju manju iskoristivost od vjetrenjača koje rade na principu potiska, zbog toga danas pretežito koriste vjetroturbine koje rade na principu potiska ili koje rade na principu kombiniranja obaju principa. Osim ove glavne podjele postoji još niz podjela vjetroturbina, pa ih tako u ovisnosti 104 prema nekim konstrukcijskim i radnim značajkama razvrstavamo po: · položaju osi turbinskog kola: vjetroturbine s vodoravnom osi i okomitom osi. · omjeru brzine najudaljenije točke rotora i brzine vjetra: brzohodne i sporohodne. · broju lopatica: višelopatične, s nekoliko lopatica i s jednom lopaticom. · veličini zakretnog momenta: visokomomentne i niskomomentne. · načinu pokretanja: samokretne i nesamokretne. · efikasnosti pretvorbe energije vjetra u zakretni moment: nisko i visoko efikasne.
105 · načinu okretanja rotora prema brzini vjetra: promjenjive i nepromjenjive. 3.2.1. Vjetroturbine s horizontalnom osi vrtnje (HAWT) Turbine sa horizontalnom osi vrtnje su one čija je os vrtnje paralelna sa smjerom struje vjetra i tlom. Većina komercijalnih turbina je ovog tipa. Najčešće su izvedbe sa 3 lopatice, a ponekad se mogu vidjeti i izvedbe sa 2 lopatice. One imaju rotor, vratilo i električni generator smještene u kabini na vrhu visokog stupa , te moraju biti okrenute direktno prema vjetru, za što se koristi senzor uparen sa servo motorom. HAWT turbine se mogu podijeliti na one koje gledaju prema vjetru i na one koje gledaju od vjetra. Velika većina gleda prema vjetru, jer na taj način izbjegava utjecaj turbulencija koje nastaju iza turbine. Osnovna prednost HAWT turbina koje gledaju od vjetra je ta što se u njih ne moraju ugrañivati mehanizmi za zakretanje turbine, ali nisu toliko pouzdane i trajne kao "obične" HAWT turbine. Kao što je već napomenuto, većina modernih vjetroturbina ima 3 lopatice i elektronički sustav koji ih usmjerava prema vjetru. One imaju veliku obodnu brzinu (nekoliko puta veću od brzine vjetra), visok stupanj iskoristivosti, te dobru pouzdanost. Loaptice se najčešće boje u sivu boju kako bi se stopile sa okolnim oblacima. Lopatice mogu biti duge od 20 pa sve do 50 i više metara. Prognoze kažu da će se do 2010. pojaviti vjetroturbine sa promjerom lopatica od 180 metara, koje će imati snagu izmeñu 8 i 12 kW. Čelični tornjevi variraju visinom od 60-ak pa sve do 100 i više metara visine.Općenito je dizajn tornja važan faktor kod vjetroturbina sa horizontalnom osi. To je zato što na višoj nadmorskoj visini vjetar struji brže. Ilustracije radi, sa dvostrukim povećanjem nadmorske visine, brzina vjetra se povećava 10% po danu te čak izmeñu 20% i 60% po noći. Za vjetroturbine sa horizontalnom osi vrtnje najčešće se uzima da je visina tornja 2 do 3 puta veća od duljine lopatica. Lopatice se vrte brzinom od 10 do 22 okretaja po minuti. Ta brzina se pomoću prijenosnog sustava (reduktor) uvećava i predaje električnom generatoru. Prednosti vjetroturbina sa horizontalnom osi vrtnje · Glavna prednost je dosta veća učinkovitost u proizvodnji električne energije · Postavljanje na visoke tornjeve omogućava pristup većim brzinama vjetra · Lopatice se nalaze sa strane, ako se gleda iz centra mase vjetroturbina, što poboljšava stabilnost · Mogućnost zakreta lopatica, što daje veću kontrolu, omogućuje namještanje optimalnog kuta, tako da vjetroturbina iskoristi maksimum energije vjetra · Mogućnost fiksacije lopatica u oluji, što minimizira potencijalnu štetu
106 Nedostaci vjetroturbina sa horizontalnom osi vrtnje · Većina ovakvih vjetroturbina zahtjeva sustav za zakretanje turbine, što dodatno poskupljuje izvedbu. · Problematičan rad u vjetrovima na malim nadmorskim visinama koji su često turbulentni · Visoki tornjevi i duge lopatice rotora turbine su problematične za transport i na moru i na kopnu. Transportni troškovi mogu zauzimati do 20% od ukupnih troškova opreme. · HAWT turbine su problematične za postavljanje, jer zahtjevaju vrlo visoke i skupe kranove. · Izvedbe koje gledaju od vjetra pate od smanjene trajnosti i pouzdanosti zbog turbulencija kojima su izložene. Slika 5.5: Vjetroturbina s horizontalnom osi vrtnje
3.2.2. Vjetroturbine s vertikalnom osi vrtnje (VAWT) Njihova glavna značajka je što im je os vrtnje postavljena vertikalno. Glavna prednost ovakve konfiguracije je da turbina ne treba biti uperena direktno u vjetar da bi bila učinkovita. To je prednost na lokacijama gdje je smjer vjetra dosta promjenjiv. Dakle VAWT turbina može iskoristiti energiju iz različitih smjerova vjetra. Vjetroturbine sa vertikalnom osi mogu biti postavljene bliže tlu i ne trebaju im visoki tornjevi, zbog čega su pristupačnije za održavanje. Loša strana toga je ta da su brzine vjetra na manjim nadmorskim visinama dosta manje, što za sobom povlači činjenicu da je manje energije raspoloživo za transformaciju. Uz to, strujanje zraka blizu tla i drugih objekata je često turbulentno što sa sobom nosi nezgodne pojave kao što su vibracije, te brže trošenje ležajeva i kraći životni vijek kao njihovu posljedicu. Meñutim, ako se vjetroturbina postavi na krov zgrade, ona preusmjerava strujanje vjetra što značajno povećava (ponekad i udvostručuje) brzinu strujanja. VAWT turbine se mogu grubo podjeliti na Darrieusove i Savoniusove turbine. Nijedna 107 od njih danas nije u široj komercijalnoj upotrebi. a) Darrieusova turbina Darrieusova turbina ima duge tanke lopatice u obliku slova C , koje su spojene pri vrhu i dnu vertikalne osi.Takve lopatice joj daju pomalo jajast izgled (eng. nadimak Eggbeater turbine). Najčešće se izrañuje sa 2 ili 3 lopatice. One imaju dobru efikasnost, ali takoñer proizvode značajna ciklička naprezanja koja dovode do slabije pouzdanosti. Takoñer, one zahtijevaju eksterni izvor struje, koji će im pomoći pri pokretanju jer je njihov početni okretni moment slab. Radi slabije stabilnosti moraju ih pridržavati metalni kablovi, što nije uvijek praktično. Kod novijih izvedbi to nije uvijek slučaj, jer imaju eksternu substrukturu pričvršćenu na gornji ležaj. a-1) Spiralna Gorlov turbina Gorlov turbina je nastala kao dizajnersko unapreñenje Darrieusove turbine. Ona koristi spiralne lopatice. Ona rješava neke probleme Darrieusove turbine, kao prvo, može se sama pokrenuti, odnosno ne treba joj vanjski električni izvor, te su smanjene vibracije i buka. Po efikasnosti (do 35%) je usporediva sa najboljim VAWT turbinama. a-2) Giromill Ovo je još jedan podtip Darrieusove turbine koji koriste ravne lopatice, a ne zakrivljene. Navodno su ruski znanstvenici uspjeli unaprijediti efikasnost ove turbine na čak 38 %.
108 Slika 5.6: Vjetroturbina s vertikalnom osi vrtnje (Darrieusova turbina) b) Savoniusova turbina Savoniusova turbina izumljena je u Finskoj. Karakterizira ju oblik slova S ako se gleda odozgora. Ova turbina se okreće poprilično sporo, ali stvara značajan okretni moment. Zbog svoje male okretne brzine nije pogodna za proizvodnju električne energije u većim količinama. Meñutim, proizvedene su male Savoniusove turbine pretežno za kućnu upotrebu. Slika 5.7: Vjetroturbina s vertikalnom osi vrtnje (Savoniusova turbina)
109 Prednosti turbina sa vertikalnom osi vrtnje · Lakše za održavanje, jer su načelno svi rotacijski dijelovi smješteni bliže tlu · Nije im potreban mehanizam za zakretanje, što pojeftinjuje izvedbu · Dobre za korištenje na mjestima gdje je brzina vjetra visoka blizu tla (npr. razni prolazi i kanjoni) · Ne treba im visoki toranj, što bitno pojeftinjuje izvedbu · Ne moraju se okretati prema smjeru puhanja vjetra, što ih čini jako dobrima u uvjetima turbulentnog vjetra · Teoretski mogu biti mnogo veće od HAWT turbina, primjerice plutajuće turbine sa vertikalnom osi sa promjerom od više stotina metara, kod kojih se cijela struktura rotira, bi eliminirale potrebu za velikim i skupim ležajevima Nedostatci turbina sa vertikalnom osi vrtnje · Većina VAWT turbina ima iskoristivost u rangu 50% iskoristivosti turbina sa horizontalnom osi vrtnje. To je većinom zbog dodatnog otpora koji nastupa zbog toga što se lopatice rotiraju u vjetar · Većina VAWT turbina mora biti postavljena na relativno ravan dio tla, tako da su im mnoge lokacije koje mogu iskoristiti HAWT turbine jednostavno prestrme · Većina VAWT turbina ima jako malen početni okretni moment, pa trebaju vanjski izvor energije da započnu okretanje · Iako je većina njihovih dijelova smještena na tlu, što je svakako prednost, oni su ipak opterećeni velikom težinom strukture iznad njih, što u slučaju nedovoljno dobrog dizajna znatno otežava izmjenu dijelova 3.3. Lokacije vjetroturbina Vjetroturbine su iskoristive na lokacijama gdje je prosječna brzina vjetra veća od 4.5 m/s. Idealna lokacija bi trebala imati konstantno strujanje vjetra bez turbulencija i sa minimalnom vjerojatnosti naglih olujnih udara vjetra. Lokacije se prvo selektiraju na osnovi karte vjetra, te se onda potvrñuju praktičnim mjerenjima. Možemo ih podijeliti na kopnene , priobalne i lokacije na moru. Prosječna brzina vjetra jedan je od glavnih faktora za odabir lokacije vjetroturbina.
3.3.1. Lokacije na kopnu Kopnene instalacije vjetroturbina najčešće se nalaze u brdovitim područjima barem 3 kilometra udaljene od obale. One se najčešće smještaju na vrh brda ili padine, jer na taj način iskorištavaju takozvanu topografsku akceleraciju koju vjetar dobije prelazeći preko uzvisine. Ta dodatna brzina vjetra radi značajnu razliku po pitanju proizvodnje električne energije. Posebna pažnja se mora posvetiti točnom postavljanju turbina, jer ponekad mala visinska razlika može imati značajan utjecaj na proizvodnju električne energije. Često je instalacija vjetroturbina dosta kontroverzno pitanje, zbog toga što neke lokacije koje su pogodne za instalaciju vjetroturbine imaju veliku prirodnu ljepotu ili su ekološki značajne (primjerice stanište različitih vrsta ptica. 110 3.3.2. Priobalne lokacije Primjer vjetroelektrane smještene na moru: Slika 5.8: Vjetroelektrana blizu Kopenhagena u Danskoj. Priobalne lokacije nalaze se unutar radijusa od 3 km od mora ili na moru unutar 10 km od kopna. Ove lokacije su jako pogodne za instalaciju vjetroturbina, zbog vjetra proizvedenog zbog različitog zagrijavanja kopna i mora. Najčešća pitanja vezana uz ovakve instalacije vjetroelektrana vezana su uz migraciju ptica, utjecaj na morski život, troškove i mogućnosti transporta i vizualnu estetiku. 3.3.3. Lokacije na moru To su one lokacije koje su udaljene više od 10 km od kopna. Vjetroinstalacije na tim lokacijama su manje napadne i izgledom i bukom. Činjenica da voda (a posebice duboka voda) ima manju površinsku "hrapavost" od kopna jako utječe na brzine vjetra, koje su mnogo veće na moru. Faktori snage Cp su mnogo veći kod takvih instalacija. Kod lokacija sa produženim
plićinama (kao primjerice u Danskoj), vjetroelektrane je lako instalirati, meñutim to baš i nije slučaj kod lokacija koje nemaju takve karakteristike. Opčenito govoreći, morske instalacije vjetroagregata su načelno skuplje od kopnenih. To je zbog toga što su im tornjevi viši kada se uračuna dio ispod vode i što je sama izgradnja skuplja. Proizvedena električna energija se do kopna prenosi putem podmorskog kabela. Održavnje je takoñer skuplje, a mora se paziti i na zaštitu od korozije, zbog čega se često dodaju dodatni premazi i katodna zaštita. Takve turbine su najveće turbine u pogonu i predviña se da će njihova veličina (i insalirana snaga) i dalje rasti. Vjetroelektrane smještene na moru znaju imati i više od 100 vjetroagregata. 111 Slika 5.9: Off-shore vjetroelektrana 4. PRIMJENA VJETROELEKTRANA U SVIJETU Vjetroelektrane su imale najbrži rast od svih alternativnih izvora energije na početku 21. stoljeća, kapacitet im se više nego učetverostručio od 2000. do 2006. Vjetroelektrane proizvode više od 1% ukupne proizvedene električne energije. U 2007. godini dodano je 19,7 MW snage iz vjetroelektrana. Sa tim dodanim kapacitetima ukupan kapacitet vjetroelektrana u svijetu iznosi 93.849 MW na kraju 2007. godine. Stopa porasta instalirane snage vjetroagretgata za 2007. godinu iznosi 26.6%, a u 2006. instalirani kapacitet je porastao za 25.6%. Ta instalirana snaga proizvodi oko 200 TWh električne energije godišnje, što je otprilike 1.3% ukupne proizvodnje. U nekim zemljama i regijama vjetroelektrane sudjeluju sa više od 40% proizvedene električne energije. Na području vjetroenergetike zaposleno je 350.000 ljudi diljem svijeta. U razdoblju izmeñu 1998. i 2007.
ukupna instalirana snaga vjetroelektrana povećala se deseterostruko. Europa vodi sa 61% od ukupne instalirane snage, slijede Amerika sa 20% i Azija sa 17%. Od pojedinih zemalja vodeće su Njemačka (22 GW), SAD (16 GW) i Španjolska (15 GW). Procjene su da će do 2010. biti instalirano 160 GW snage vjetroagregata s porastom od 21 % godišnje. Prema WWEA-u (World Wind Energy Association), očekuje se 170.000 MW Instalirane snage do 2010. Za 2020. se predviña ukupna instlirana snaga vjetroelektrana od 1240 GW , koja bi rezultirala godišnjom proizvodnjom od 3000 TWh električne energije, odnosno 12% ukupne svijetske proizvodnje u vrijednosti od 80 milijardi Eura.Prema GWEC-u (Global Wind Energy Council) predviña se oko 2 300 000 zaposlenih u području vjetroenergetike do 2020. Oko 30 do 35 posto investicija u nove elektrane trebalo bi odlaziti u vjetroelektrane. S ekološkog aspekta i Kyoto protokola te s pozicije prihvatljivosti od strane lokalne zajednice, vjetroenergetika ima velike potencijalne mogućnosti daljnjeg razvoja. Osim toga, u prilog razvoju vjetroenergetike takoñer ide činjenica da je potrebno vrijeme izgradnje vrlo kratko, zatim smanjivanje troškova izgradnje te zakonski definirani poticaji koji zapravo podrazumijevaju fiksne tarife, obveze otkupa, niže kamatne stope, porezne olakšice i slično. Takoñer, rast cijena fosilnih goriva ide u prilog svim drugim oblicima dobivanja energije, pa tako i vjetroelektranama. 112 5. PRIMJENA VJETROELEKTRANA U HRVATSKOJ Ako se promatraju karakteristike vjetra na prostoru Hrvatske, može se zaključiti da naša domovina ima dobar vjetropotencijal. To ne znači da je cijeli prostor Hrvatske izuzetno pogodan za gradnju vjetroelektrana. Naime, Hrvatska ima mnogo vjetrovitih područja, ali je problem u tome što vjetar u njima ne puše stalno, preslab je ili prejak. Bura u Senju primjer je vrlo neredovitog i često prejakog vjetra. Takav vjetar nije pogodan za energetsko iskorištavanje. Na sreću, Hrvatska ima puno više lokacija koje imaju zadovoljavajući vjetropotencijal. Mjerenja odreñenih karakteristika vjetra (brzina, smjer, učestalost) pokazala su kako je za iskorištavanje energije vjetra povoljnije područje Jadrana od kontinentalnog dijela Hrvatske. Stoga su prve hrvatske vjetroelektrane izgradene upravo na tom području. Riječ je o vjetroelektranama Ravna – Pag (7 vjetroturbina snage 0.85 MW, odnosno ukupne snage 5,95 MW) i Trtar Krtolin – Šibenik (14 vjtroturbina snage 0.8 MW, odnosno ukupne snage 11.2 MW). S obzirom da je do sada u Hrvatskoj identificirano stotinjak potencijalnih lokacija za izgradnju vjetroelektrana, može se očekivati kako će broj vjetroturbina
u narednim godinama rasti sve više. Vjetroelektrane na Ćićariji, iznad Senja, pokraj Stona i Klisa, koje su u različitim fazama izgradnje, govore tome u prilog. 113 Slika 5.10: Vjetroelektrana Ravna na otoku Pagu Slika 5.11: Vjetroelektrana Trtar-Krtolin kod Šibenika Strategija energetskog razvoja uključuje 2 scenarija: · business as usual scenarij, koji predviña izgradnju 30 MW vjetroagregata bez aktivne uloge države. · izrazito ekološki scenarij koji podrazumijeva izgradnju 73 MW vjetroelektrana do 2010. uz aktivnu ulogu države.
Takoñer, Hrvatska se meñunarodno obavezala preuzevši Direktivu EU o obnovljivim izvorima energije 2001/77/EC koja nalaže izgradnju 300 do 400 MW u obnovljivim izvorima energije, odnosno 4.5 % ukupne snage. Većina izgrañenih trebala bi se odnositi na vjetroelektrane. 114 6. PREDNOSTI I NEDOSTATCI KORIŠTENJA VJETROELEKTRANA Prednosti Jedna od osnovnih prednosti vjetroelektrana je da ne troše nikakvo gorivo, nego energiju vjetra koja je uvjetno rečeno ”besplatna”. Vjetroelektrane su poželjan oblik alternativnog izvora nasuprot elektranama na fosilna goriva, jer kemijski i biološki ne zagañuju okolinu. Farma vjetroelektrana ili vjetropark može imati umjeren pozitivan utjecaj na smanjenje snage vjetra u područjima koja su inače izložena suviše jakim vjetrovima. Nedostatci Glavni nedostatak vjetroelektrana je povremenost pogona, zavisno o meterološkim karakteristikama područja primjene. Nije rješeno efikasno akumuliranje većih količina energije za razdoblje bez vjetra, pa bi se stoga vjetroelektrane trebale vezati na elektroenergetski sustav regije i s njim razmjenjivati energiju. Prikladnim se čini kombinacija hidroelektrana i vjetroelektrana, koja u razdoblju jačeg vjetra štedi hidro-akumulaciju, a u razdoblju bez vjetra energiju daje hidroelektrana. Kod sitnih vjetroelektrana akumulaciju mogu osiguravati jedino akumulatori, koji ne mogu zadovoljiti potrebe u područjima s manje vjetrovitih dana, ali mogu štediti klasičnu energiju u vjetrovitom razdoblju. Jake varijacije u snazi vjetra relativno su teže tehnički savladive. Tehnička rješenja moraju spriječiti oštećenje vjetrenjače pri olujnoj snazi i izvlačiti maksimalnu snagu pri slabom vjetru, što komplicira, dakle i poskupljuje ta rješenja. Za usklañivanje broja okretaja vjetroturbine sa brojem okretaja ugrañenog generatora potreban je multiplikator s automatskom regulacijom brzina generatora, što takoñer poskupljuje tehničku izvedbu. Buka koju proizvode vjetroturbine nalaže da se vjtroelektrane moraju graditi na odreñenim lokacijama u ne naseljenim područjima. Zaštićeni prostori u prirodi takoñer odreñuju položaj vjetroelektrana. Troškovi održavanja znaju činiti značajnu stavku u cijeni dobivene energije vjetra, budući da je u slučaju "farme vjetroelektrana" broj ureñaja relativno velik, tj. snaga po jednom ureñaju je daleko manja nego kod klasičnih elektrana na fosilna goriva. Prisutno je izvjesno "estetsko zagañenje" u slučaju tzv. "farmi vjetroturbina", što meñutim nema većeg značaja ako se takva farma (skup velikog broja vjetroturbina na relativno malom prostoru) instalira na nenapučenim prostorima.
115 POGLAVLJE 6. SOLARNI UREðAJI I FOTONAPONSKE ĆELIJE
116 1. UVOD Sunčeva energija potječe od nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gdje temperatura doseže 15 milijuna °C. Radi se o fuziji, kod koje spajanjem vodikovih atoma nastaje helij, uz oslobañanje velike količine energije. Svake sekunde na ovaj način u helij prelazi oko 600 milijuna tona vodika, pri čemu se masa od nekih 4 milijuna tona vodika pretvori u energiju. Ova se energija u vidu svjetlosti i topline širi u svemir pa tako jedan njezin mali dio dolazi i do Zemlje. Nuklearna fuzija odvija se na Suncu već oko 5 milijardi godina, kolika je njegova procijenjena starost, a prema raspoloživim zalihama vodika može se izračunati da će se nastaviti još otprilike 5 milijardi godina. Sunčeva energija je uzročnik većine izvora energije. Pod optimalnim uvjetima, na površini Zemlje može se dobiti 1 kW/m2, a stvarna vrijednost ovisi o lokaciji, godišnjem dobu, dobu dana, vremenskim uvjetima itd. U Hrvatskoj je prosječna vrijednost dnevne insolacije na horizontalnu plohu 3-4,5 kWh/m2. Na karti koja prikazuje insolacijski nivo vidi se da Europa nije na vrlo pogodnom području za eksploataciju, ali unatoč tome u Europi je direktno iskorištavanje sunčeve energije u velikom porastu. Većinom je to rezultat politike pojedinih država koje subvencioniraju instaliranje elemenata za pretvorbu sunčeve energije u iskoristivi oblik energije. Osnovni problemi iskorištavanja su mala gustoća energetskog toka, velike oscilacije intenziteta zračenja i veliki investicijski troškovi. Osnovni principi direktnog iskorištavanja energije Sunca su: · solarni ureñaji- pripremanje vruće vode i zagrijavanje prostorija · fotonaponske ćelije - direktna pretvorba sunčeve energije u električnu energiju · fokusiranje sunčeve energije - upotreba u velikim energetskim postrojenjima Slika 6.1: Karta insolacijskog nivoa
Solarna energija je oduvijek obećavala da će postati idealni izvor energije jer je energija Sunca čista, pouzdana, neiscrpna i besplatna. Nažalost tehnika fotovoltaika (prevoñenje sunčeve energije u električnu energiju) je uvijek bila skupa. Fotonaponski sustavi su rješenje za mnoge korisnike koji moraju osigurati dugoročni izvor električne energije na mjestima dalje od električne mreže. Tisuće fotonaponskih sustava se svake godine instaliraju u ruralnim krajevima, nacionalnim parkovima, otocima. Različite primjene fotonaponskih sustava obuhvaćaju osvjetljenje, manje aplikacije ( kućanski aparati i sl.), vodene pumpe i komunikacijsku opremu. 117 Slika 6.2: Iskorištavanje sunčevog zračenja na primjeru kućanstva 2. RAZVOJ FOTONAPONSKE TEHNOLOGIJE I TRŽIŠTA Pod razvojem fotonaponske tehnologije podrazumjeva se razvoj tržišta sunčeve fotonaponske energije i razvoj same tehnologije. Kada govorimo o tržištu fotonaponske energije mislimo na instalirane kapacitete solarnih ćelija u nekoj regiji ili svijetu. Unazad desetak godina, tržište fotonaponske tehnologije raste praktički eksponencijalno. Države u kojima je proizvedeno najviše fotonaponskih solarnih ćelija su Japan, Njemačka, zatim SAD, te Taiwan i Kina.
118 Slika 6.3: Tržište fotonaponskih solarnih ćelija U 2007. godini svijetska proizvodnja fotonaponskih solarnih ćelija iznosila je oko 3800 MW, dok je porast proizvodnje u odnosu na 2006. godinu iznosio 50%. Ovakav drastičan porast može se objasniti državnim poticajima za obnovljive izvore energije, sve većom brigom za okoliš unazad nekoliko godina (Kyoto protokol), te rastom cijena nafte. Zbog komplicirane političke situacije u Europi i različite politike svake od država članica, ne postoji usuglašen pristup obnovljivim izvorima energije. Unatoč tome, Europska unija je postavila cilj da do 2010. godine 12% ukupne i 22% električne energije bude proizvedeno iz obnovljivih izvora energije. Postavljen je cilj da se ukupno izgradi 3000 MW fotonaponskih sustava do 2010. godine, što je povećanje od sto puta u odnosu na 1995. godinu. Pripadajuća godišnja proizvodnja električne energije je izmeñu 2,4 i 3,5 TWh, ovisno o lokaciji na kojoj je sustav ugrañen. 3. SOLARNI KOLEKTORI Solarni sistemi rade na principu pretvaranja dnevne svijetlosti u električnu energiju. Oni pretvaraju sunčeve zrake u termičku energiju pomoću solarnih kolektora. Solarni kolektori pretvaraju sunčevu energiju u toplinsku energiju vode (ili neke druge tekućine). Sistemi za grijanje vode mogu biti ili otvoreni, u kojima voda koju treba zagrijati prolazi direktno kroz
kolektor na krovu, ili zatvoreni, u kojima su kolektori popunjeni tekućinom koja se ne smrzava (npr. antifriz). Zatvoreni sustavi mogu se koristiti bilo gdje, čak i kod vanjskih temperatura ispod nule. Tijekom dana, ako je lijepo vrijeme, voda može biti grijana samo u kolektorima. Ako vrijeme nije lijepo, kolektori pomažu u grijanju vode i time smanjuju potrošnju struje. Solarni kolektori su vrlo korisni i kod grijanja bazena. U tom slučaju temperatura vode je niska i jednostavnije je održavati temperaturu pomoću otvorenih sistema grijanja. Na takav način optimalna temperatura bazena održava se nekoliko tjedana više u godini nego bez sistema grijanja vode. Solarni kolektori se najčešće montiraju na krov kuće. Vrlo su pogodni za grijanje vode po sunčanim vremenu. Kad je vrijeme loše mogu se koristiti u kombinaciji s električnim grijačem vode. Postoje i kolektori koji direktno griju zrak. Ti sustavi cirkuliraju zrak kroz kolektore i na taj način prenose velik dio energije na zrak. Taj se zrak kasnije vrača u grijanu prostoriju i na taj način se održava temperatura u prostoriji. Kombinacijom grijanja zraka i grijanja vode može se postići vrlo velika ušteda. U Europskoj Uniji znatno se povećava količina ugrañenih sustava za grijanje vode i prostorija. U 2000. godini prvi put se premašila granica od milijun m2 novo instaliranih sunčevih kolektora (instalirano je 1046140 m2 sunčevih kolektora). Njemačka i Austrija su lideri u iskorištavanju energije sunca za grijanje. Njemačka kampanja za promociju toplinske energije sunca "Solar Na Klar", pokazuje veliku efikasnost. U 2001. je instalirano 900 000 m2, a u 2000. 615 000 m2 (+46.3%). U odnosu na cijelu Europu u Njemačkoj je 2000. godine instalirano više od 60% sustava. Plan Europske Unije je instalirati 100 milijuna m2 do 2010. godine. Trenutni pokazatelji su da će biti instalirano oko 80 milijuna m2 do 2010. 119 Slika 6.4: Solarni kolektor postavljen na krov kuće
120 3.1. Način rada solarnih kolektora Sistem korištenja solarne energije se obično sastoji od: · kolektora · bojlera · pumpe · automatike · sistema cijevi Potrebe potrošača i karakteristike objekta direktno utječu na sastav sistema. Slikovito, specijalni selektivni sloj apsorbira energiju Sunca i prenosi je zagrijavajući radni fluid koji, voñen cirkulacijskom pumpom, struji kroz sistem cijevi do izmjenjivača unutar solarnog bojlera ili nekog drugog rezervoara tople vode. Automatika podrazumijeva diferencijalni termostat koji upravlja sklopkama-ventilima i prilagoñava aktivnost solarnog kruga aktualnoj situaciji u sistemu. Slika 6.4: Sistem zagrijavanja vode
121 4. FOTONAPONSKE ĆELIJE Fotonaponske ćelije se sastoje od dva različito nabijena poluvodiča izmeñu kojih, kada su izloženi svijetlu, teče elektricitet. Zatvorimo li strujni krug izmeñu solarnog kolektora i nekog potrošača, npr. svijetiljke, struja će poteći i potrošač će biti opskrbljen el.energijom, odosno naša svijetiljka će zasvijetliti. Slika 6.5: Prncip rada fotonaponske ćelije Fotonaponske ćelije su zapravo poluvodički elementi koji direktno pretvaraju energiju sunčeva zračenja u električnu energiju. Efikasnost im je od 10% za jeftinije izvedbe s amorfnim silicijem, do 25% za skuplje izvedbe. Za sada su još uvijek ekonomski nerentabilni jer im je cijena oko 6000 $/kW. Na slici 4-2. je prikazan princip izrade fotonaponskih ćelija. Fotonaponske ćelije mogu se koristiti kao samostalni izvori energije ili kao dodatni izvor energije. Kao samostalni izvor energije koristi se npr. na satelitima, cestovnim znakovima, kalkulatorima i udaljenim objektima koji zahtijevaju dugotrajni izvor energije. U svemiru je i snaga sunčeva zračenja puno veća jer Zemljina atmosfera apsorbira veliki dio zračenja pa je i dobivena energija veća. Kao dodatni izvori energije fotonaponske ćelije mogu se na primjer priključiti na električnu mrežu, ali za sada je to neisplativo. Fotonaponski efekt počeo je 1839. godine promatrati Henri Becquerel i na početku dvadesetog stoljeća bio je predmetom mnogih istraživanja. Jedina Nobelova nagrada koju je
dobio Albert Einstein bila je za istraživanje solarne energije. 1954. su Bell Labs u SAD-u predstavili prvi fotonaponski članak koji je generirao upotrebljivu količinu električne energije, a do 1958. počelo je ugrañivanje u komercijalne aplikacije (osobito za svemirski program). U Europskoj Uniji trenutno je 40% godišnji rast instalirane snage fotonaponskih ćelija. To se naizgled čini kao velik rast, ali u biti radi se o vrlo malim količinama, pa rast od 40% ne utječe posebno na ukupnu zastupljenost takvih izvora energije. U 2000. godini u Europskoj Uniji bilo je instalirano 183.5 MWp, a to je 43.6% povećanja u odnosu na 1999. I u tom području Njemačka je sa 113.8 MWp (uključujući 100 MWp priključenih na električnu mrežu) vodeća država u Europi. Tako velik udio može se zahvaliti Njemačkom zakonu o obnovljivim izvorima energije. Po tom zakonu otkupna cijena energije iz fotonaponskih ćelija je 0.5 € po kWh za prvih 350 MWp. Plan Europske Unije je instaliranje 3000 MWp do 2010. godine, ali sadašnji pokazatelji su da će do onda biti instalirano oko 1780 MWp. 122 Slika 6.6: Princip izrade fotonaponskih ćelija 4.1 Način rada fotonaponskih ćelija Fotonaponska ćelija napravljena je tako da se, kada je osvijetlimo, na njezinim krajevima javlja elektromotorna sila (napon). Kada se fotonaponska ćelija (PN-spoj) osvijetli, apsorbirani fotoni proizvode parove elektron-šupljina. Ako apsorpcija nastane daleko od PN-spoja, nastali par ubrzo se rekombinira. Meñutim, nastane li apsorpcija unutar ili u blizini PN-spoja, unutrašnje električno polje, koje postoji u osiromašenom području, odvaja nastali elektron i šupljinu – elektron se giba prema N-strani, šupljina prema P-strani. Takvo skupljanje elektrona i šupljina na odgovarajućim stranama PN-spoja uzrokuje elektromotornu silu na krajevima ćelije. Kada se
ćelija osvijetli, kontakt na P-dijelu postaje pozitivan, a na N-dijelu negativan. Ako su kontakti ćelije spojeni s vanjskim trošilom, poteći će električna struja. Kada je fotonaponska ćelija spojena s vanjskim trošilom i osvijetljena, u ćeliji će zbog fotonapona nastajati fotostruja Is, te će vanjskim trošilom teći struja I, jednaka razlici struje diode Id i fotostruje Is. 123 Slika 6.7: Graña fotonaponske ćelije Slika 6.8: Način rada fotonaponske ćelije
4.2 Graña Si - PV ćelije Pomoću fotonaponskog efekta može se sunčeva energija izravno pretvoriti u električnu u fotonaponskim ćelijama. Kada fotonaponska ćelija apsorbira sunčevo zračenje, fotonaponskim efektom se na njezinim krajevima proizvede elektromotorna sila i fotonaponska ćelija postaje izvor električne energije. Fotonaponska ćelija je PN-spoj (dioda). U silicijskoj fotonaponskoj ćeliji na površini pločice P-tipa silicija difundirane su primjese npr. fosfor, tako da na tankom površinskom sloju nastane područje N-tipa poluvodiča. Da bi se skupili naboji nastali apsorpcijom fotona iz sunčeva zračenja, na prednjoj površini nalazi se metalna rešetka, a stražnja strana je prekrivena metalnim kontaktom. Rešetkasti kontakt na prednjoj strani načinjen je tako da ne prekrije više od 5 % površine, te on gotovo i ne utječe na apsorpciju sunčeva zračenja. Prednja površina ćelije može biti prekrivena i prozirnim antirefleksijskim slojem koji smanjuje refleksiju sunčeve svjetlosti i tako povećava djelotvornost ćelije. 4.3. Karakteristike ćelija PV ćelije iz silicija se izvode u više morfoloških oblika kao monokristalne, polikristalne i 124 amorfne. Monokristalne Si ćelije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 140 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Za proizvodnju monokristalnih Si ćelija potreban je apsolutno čisti poluvodički materijal. Monokristalni štapići se izvade iz rastaljenog silicija i režu na tanke pločice. Takav način izrade omogućuje relativno visoki stupanj iskoristivosti. Polikristalne Si ćelije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 130 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Proizvodnja ovih ćelija je ekonomski efikasnija u odnosu na monokristalne. Tekući silicij se ulijeva u blokove koji se zatim režu u ploče. Tijekom skrućivanja materijala stvaraju se kristalne strukture različitih veličina na čijim granicama se pojavljuju greške pa zbog tog razloga solarna ćelija ima manju iskoristivost. Amorfne Si ćelije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 50 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Ukoliko se tanki film silicija stavi na staklo ili neku drugu podlogu to se naziva amorfna ili tankoslojna ćelija. Debljina sloja iznosi manje od 1 μm, stoga su troškovi
proizvodnje manji u skladu sa niskom cijenom materijala. Meñutim iskoristivost amorfnih ćelija je puno niža u usporedbi s drugim tipovima ćelija. Prvenstveno se koristi u opremi gdje je potrebna mala snaga (satovi, džepna računala) ili kao element fasade. 125 Galij arsenidne GaAs ćelije. Galij arsenid je poluvodič napravljen iz mješavine galija Ga i arsena As. Pogodan je za upotrebu u višeslojnim i visoko učinkovitim ćelijama. Širina zabranjene vrpce (band gap) je pogodna za jednoslojne solarne ćelije. Ima visoku apsorpciju pa je potrebna debljina od samo nekoliko mikrona da bi apsorbirao sunčeve zrake. Relativno je neosjetljiv na toplinu u usporedbi sa Si ćelijama te na zračenja. Zbog visoke cijene koristi se u svemirskim programima i u sustavima s koncentriranim zračenjem gdje se štedi na ćelijama. Projekti koncentriranog zračenja su još u fazi istraživanja. Galij indijum fosfidna/galij arsenid (GaInP)/GaAs dvoslojna ćelija ima iskoristivost od 30% i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 300 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2. Kadmij telurijeve CdTe ćelije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 160 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2 u labaratorijskim uvjetima. Kadmij teleurid je spoj elementa: metala kadmija i polumetala telurija. Pogodan za upotrebu u tankim PV modulima zbog fizikalnih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Usprkos navedenim prednostima zbog kadmijeve otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi. 4.4. Primjena fotonaponskih solarnih ćelija Područje primjene solarnih panela je ograničeno s relativno malom snagom po metru kvadratnom panela. Tehničkim rješenjima možemo oblikovati panel s naglaskom na naponu ili jakosti struje po metru kvadratnom. S obzirom na meñusobnu zavisnost P = U * I postoji idealna radna točka kada je taj umnožak najveći odnosno Pmax za zadano osvjetljenje, tako da postoje sustavi regulacije koji osiguravaju Pmax. Svoju trenutačno najrašireniju primjenu ostvaruje kao izvor napajanja za elektroničku opremu, prvenstveno pri svemirskim istraživanjima. PV sa baterijom za skladištenje energije je jednostavan i pouzdan “Stand-Alone” sistem često najprikladniji kada su ostali izvori električne energije nepristupačni, nepoželjni ili preskupi.
126 Tipične aplikacije su: · opskrba energijom udaljenih domova i gospodarstava · aplikacije u komunikaciji – udaljene repetitorske instalacije · katodna zaštita cjevovoda · navodnjavanja Veličine ovakvih sistema su 10 W do 10 kW vršne snage. Za ruralne sisteme od 100 W do 10 kW vršne snage. Sistem od 10 kW vršne snage obično se sastoji od 100 m² modula. Slika 6.9: Prikaz postavljanja fotonaponskih ćelija Slika 6.10: Prikaz Stand-Alone sistema sa jednom od mogućih aplikacija u napajanju komunikacijskih i senzorskih ureñaja
4.5. Prednosti upotrebe solarnih fotonaponskih sustava Tehnologija solarnih fotonaponskih sustava je dokazana u komercijalnim svrhama a 127 prednosti su joj: · visoka pouzdanost · niski troškovi rada i najekonomičniji izvor energije · minimalna potreba za održavanjem i bez potrebe za nadolijevanjem bilo kakvog goriva · najbolji urbani obnovljiv izvor energije · jednostavna mehanika, nema pokretnih dijelova koji su potrebni za rad sustava · primjenjivost sustava praktički bilo gdje na Zemlji · ne buče i ne zagañuju okoliš · pružaju mogućnost uvoñenja električne energije na mjestima gdje bi to inače bilo preskupo ili čak neizvodivo 4.6. Utjecaj na okoliš Sami rad fotonaponskih solarnih ćelija praktički ne opterećuje okoliš. Pri radu fotonaponskih ćelija ne proizvode se staklenički plinovi. Da se električna energija nije proizvela u fotonaponskim ćelijama, morala bi se proizvesti iz nekog od konvencionalnog izvora električne energije (npr. u termoelektrani) koja pritom proizvodi stakleničke plinove. Zbog toga fotonaponske solarne ćelije imaju pozitivan utjecaj na okoliš, a njihovom upotrebom smanjuju se emisije stakleničkih plinova. Ono što u fotonaponskoj tehnologiji opterećuje okoliš jest proizvodnja fotonaponskih ćelija, te uporaba toksičnih materijala poput kadmija. Proces dobivanja silicija, kao najčešćeg materijala od kojega se izrañuju fotonaponske ćelije, energetski je vrlo zahtjevan. O tome najbolje govori činjenica da vrijeme povrata uložene energije za proizvodnju fotonaponskih ćelija od kristalnog silicija iznosi oko 3 godine. To se može ublažiti upotrebom drugačijih tehnologija, poput tehnologije tankog filma. Loša strana, što se tiče utjecaja na okoliš, je to što je potrebno zauzeti vrlo veliku površinu za instalaciju kapaciteta kako bi se osigurala dovoljna količina električne energije. Primjerice, da bi se iz fotonaponskih ćelija proizvelo tokom jedne godine jednako energije koliko je iznosila godišnja potrošnja elektične energije 2006. godine u Hrvatskoj, potrebno bi bilo zauzeti parcelu od oko 70 km2. Radi ilustracije, toliku površinu imala bi parcela koja bi se protezala od Zagreba do Osijeka i bila široka oko 250 metara. Za izradu tako velikih kapaciteta
bilo bi potrebno vrlo mnogo materijala. Pošto su neki od materijala za izradu fotonaponskih ćelija toksični, to bi predstavljalo rizik za okoliš. Osim toga površina ispod fotonaponskih ćelija ne može se obrañivati, tako da je bolje da se fotonaponska postrojenja grade na neobradivim područjima kao što su pustinje i sl. Ovi negativni utjecaji na okoliš nikako se ne bi trebali podcjenjivati i zanemarivati. Prednosti fotonaponske tehnologije su da je to relativno čista tehnologija. Tijekom rada 128 ne opterećuje, u prevelikoj mjeri, okoliš i ne proizvodi stakleničke plinove 5. SUNČANI BOJLER Solarni toplinski kolektor sa spremnikom, komercijalno nazvan “SUNČANI BOJLER” suvremeni je ureñaj koji štedi konvencionalne izvore energije i čuva okoliš, a namijenjen je za zagrijavanje sanitarne vode za potrebe korisnika obiteljskih kuća i vikendica te za direktnu vanjsku upotrebu. Produkt je Hrvatskog inovatorstva i višegodišnjih primijenjenih istraživanja s ciljem stvaranja novog inovativnog proizvoda namijenjenog Hrvatskom, ali i inozemnom tržištu. U samoj izradi primijenjeni su novi tehnološki postupci. Proizvod je stvaran za zadovoljenje potreba najveće ciljne skupine kupaca sa idejom naglašene korisnosti i efikasnosti, uz kvalitetan dizajn (ukras prostora) kao i mogućnosti iskazivanja ekološke osviješćenosti i osobnosti kupca. Nakon kupnje i instaliranja ureñaja energija sunca je za potrošača besplatna. Neupitna je povezanost cijene energije, hrane i ekologije što podrazumijeva da je pametno gospodarenje izvorima energije ključ opstanka civilizacije. Rast cijena energije i zaštita okoliša potiču razvoj solarne tehnike i tehnologije. Svaki novi solarni ureñaj štedi novac, smanjuje emisiju stakleničkih plinova i čuva okoliš. Ureñaj se postavlja na čvrstoj ravnoj podlozi bez većih financijskih i tehničkih zahtjeva. Uz visok stupanj djelovanja koristi direktan protočni sistem bez izmjenjivača topline i antifriza koji jamči higijenski ispravnu pripremu tople vode. Korištenjem visokovrijednih materijala u izradi (inox, polikarbonat, selektivni apsorberski premazi, termo- akumulacijski materijali) dobivamo na dugotrajnosti.
129 Slika 6.11: Sunčani bojler
130 POGLAVLJE 7. KOGENERACIJA, MIKROKOGENERACIJA, TRIGENERACIJA
131 1. UVOD Već gotovo 100 godina, a u današnje vrijeme i mnogo intenzivnije, traga se za najefikasnijim rješenjima koji će omogućiti djelotvornu opskrbu i racionalnu uporabu energije. To su bitne pretpostavke za gospodarski razvoj neke zemlje. Zahtjevi za što manjim utjecajem na okoliš, spoznaja o sve siromašnijim izvorima energije, energetske krize te sve viša cijena energije bitno su utjecali na razvoj energetskih tehnologija, a time i uporabu kogeneracijskih postrojenja. Sa stajališta nacionalno – energetske politike kogeneracijska postrojenja gospodarski su vrlo prihvatljiva u odnosu na druge slične energetske procese iz više razloga. Kogeneracijska postrojenja puno su djelotvornija od rada postojećih termoelektrana, smanjuju zahtjeve za izgradnjom novih elektroenergetskih i toplinskih objekata, omogućuju postupno i ravnomjernije ulaganje novca, te potpomažu zakonsku regulativu o manjem utjecaju na okoliš. Svako kogeneracijsko postrojenje smanjuje potrošnju primarne energije. 2. KOGENERACIJA Kogeneracija (CHP) je proces kombinirane proizvodnje dva korisna oblika energije iz jednog energetskog izvora. U većini kogeneracijskih sustava kemijska energija se pretvara u mehaničku i toplinsku. Mehanička energija koristi se za proizvodnju električne struje, dok se toplinska energija koristi za proizvodnju pare, zagrijavanje vode ili zraka. Osnovna prednost kogeneracije je veća iskoristivost energenta u odnosu na standardne elektrane koje služe samo za proizvodnju struje, te industrijske sustave koji služe samo za proizvodnju pare ili vruće vode za tehničke procese. Glavni razlozi gradnje kogeneracijskih postrojenja je mogućnost proizvodnje jeftinije struje u odnosu na cijenu struje u električnoj mreži, čime kogeneracijska postrojenja sama sebe isplaćuju. Osim toga, industrijskim postrojenjima kogeneracijski sustavi pružaju autonomiju u slučaju ispada glavne mreže. Za neke industrijske procese, ekonomski gubici u slučaju zaustavljanja procesa zbog nestanka električne energije su iznimno veliki. Kao gorivo može se koristiti prirodni plin, biomasa, drvna graña ili vodik (u slučaju gorivnih ćelija), a izbor tehnologije za kogeneraciju ovisi o raspoloživosti i cijeni goriva. Velika raspoloživost plina metana potakla je mnoge industrije da same proizvode električnu energiju pomoću benzinskih Otto motora ili turbo motora, od kojih je moguće nadoknaditi dio toplinske energije veće od 50%. U zadnje vrijeme osjeća se velika potreba za razhladnom energijom koja je povezana sa kogeneracijom s krugom bromura od litija.
132 Slika 7.1: Kogenerativni proces Toplinska energija koja se upotrebljava u sustavu: · Zasićena para 10 bar · Topli zrak · Diatermičko ulje · Električna energija 2.1. Prednost i efikasnost kogeneracije Osnovna prednost kogeneracije je povećana učinkovitost energenta u odnosu na konvencionalne elektrane koje služe samo za proizvodnju električne energije te industrijske sustave koji služe samo za proizvodnju pare ili vruće vode za tehničke procese. Kod odvojenog postupka gdje se toplina proizvodi u kotlu sa stupnjem iskoristivosti η = 90% koristi se 53% topline u odnosu na 59% kemijske energije goriva, dok su toplinski gubici zračenja 6%. Električna energija proizvodi se u klasičnoj elektrani sa stupnjem iskoristivosti 36% i dobiva se 34% električne energije, u odnosu na 100% kemijske energije goriva, gubitak u razvodu električne energije je 2%. Od 159% kemijske energije goriva, kod odvojenog se procesa koristi 53% za toplinu, 34% za električnu energiju, a ukupni je gubitak 66 %. Kod kogeneracijskih postrojenja od 100% kemijske energije goriva za toplinu se koristi 53%, za električnu energiju 34%, a ukupni je gubitak oko 13%. Dakle, stupanj iskoristivosti goriva kod kogeneracije 87%, a gubitak 13%, dok za spojeni proces, ako se želi ostvariti isti učinak, treba uz gubitak od 72% utrošiti čak 59% (ukupni indeks dakle 159%) više goriva. Toplina koje se dobiva hlañenjem motora, ulja za podmazivanje, plinske smjese i ispušnih plinova, koristi se za
grijanje objekata ili za tehnološke potrebe. Isplativost rada kogeneracijskog postrojenja prema dosadašnjim iskustvima iznosi 4.000 sati godišnje ili više. Kogeneracije imaju značajnu ulogu kao distribuirani izvor energije zbog pozitivnih učinaka: manji gubici u mreži, smanjenje zagušenja u prijenosu, povećanje kvalitete napona i povećanje pouzdanosti opskrbe električnom energijom. Uz sve navedeno, smanjen je i štetan učinak na okoliš. Komercijalno dostupne CHP tehnologije su parne i plinske turbine, mikroturbine, motori s unutrašnjim sagorijevanjem, Stirlingov stroj i gorivne ćelije, u širokom rasponu snage od 1 kW za Stirlingov stroj do 250 MW za plinske turbine. Dana 11. veljače 2004.godine donesen je važan dokument europskog energetskog zakonodavstva - Direktiva 2004/8/EC Europskog parlamenta i Vijeća o promicanju kogeneracije na temelju potrošnje korisne energije na unutarnjem tržištu energije. Svrha ove Direktive je: · promocija visokoučinkovite kogeneracije temeljene na učinkovitoj toplinskoj potrošnji (ušteda primarne energije najmanje 10% u odnosu na odvojenu proizvodnju toplinske i električne energije), 133 · smanjenje gubitaka u mreži, · smanjenje emisije stakleničkih plinova. U skladu s tim, Ministarstvo gospodarstva, rada i poduzetništva u Uredbi o minimalnom udjelu električne energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije čija se proizvodnja potiče odredilo je cilj da se do 31. prosinca 2010. godine u ukupnoj potrošnji električne energije u Republici Hrvatskoj postigne minimalni udio od 2% proizvedene električne energije u kogeneracijskim postrojenjima. 2.2. Izgradnja kogeneracijskog postrojenja Prilikom gradnje kogeneracijskog postrojenja, ključni kriterij pri dimenzioniranju trebaju biti toplinski zahtjevi procesa za koji se koristi toplina. Predimenzionirani sustavi načelno su skuplji te imaju lošiju iskoristivost. Kao gorivo se uglavnom koristi prirodni plin zbog niskih emisija te široke dostupnosti. Kako bi se omogućila proizvodnja električne energije, potrebno je proizvoditi toplinsku energiju na višoj temperaturi i tlaku nego što to zahtjevaju tehnički procesi za koje se ona koristi. Proizvodnja, a tako i potrošnja topline i električne energije dogañaju se istovremeno. Kao kriterij iskoristivosti, potreba istovremene proizvodnje topline i električne energije treba iznositi barem 4500 sati na godinu. U slučaju visokih cijena električne energije moguć je isplativ rad i sa samo 2200 sati na godinu, no najveću ekonomičnost kogeneracijski sustavi pokazuju u slučaju stalnog rada cijele godine (8760 sati na godinu). Ekonomska
isplativost kogeneracijskog postrojenja usko je vezana uz baznu cijenu, te troškove održavanja. Što su oni veći, to je manja vjerojatnost da će postrojenje biti isplativo. 2.3. Elementi kogeneracijskog postrojenja Kogeneracijsko postrojenje sastoji se od tri osnovna dijela: glavni pokretač, električni generator i komponente za prikupljanje otpadne topline. Glavni pokretač u kogeneracijskom sustavu je parna ili plinska turbina. Njegova je funkcija pretvaranje energije dobivene izgaranjem goriva u mehaničku energiju. Ona se potom uglavnom koristi za pokretanje generatora, no može se koristiti i za pokretanje ostalih rotirajućih strojeva. Drugi pokretač mogu biti gorive ćelije. Iako nisu u mogućnosti predavati energiju na osovinu, njihova prendost je u tome što mogu proizvoditi električnu energiju u procesu bez izgaranja za razliku od klasičnih goriva. Sustav za prikupljanje otpadne topline prikupljaju neiskorištenu toplinu iz glavnih pokretača kako bi se mogla korisno iskoristiti. Jednostavni, tzv. ''negorivi'' sustavi funkcioniraju kao izmjenjivači topline izmeñu dva sustava. Oni nemaju sposobnost samostalne proizvodnje toplinske energije. Složeniji sustavi mogu sagorijevati gorivo te tako proizvedenom toplinom koju dodaju prikupljenoj povećavaju iskoristivost procesa. 134 Slika 7.2: Kogenerator 2.4. Vrste kogeneracijskih postrojenja Općenito postoji više vrsta kogeneracijskih sustava po načinu korištenja topline. Uglavnom se koriste primarno za proizvodnju električne energije, a potom se nakon prolaska kroz turbinu toplina odvodi u tehnološki proces. Moguć je i obrnut postupak, gdje se nakon industrijskog procesa toplina koristi za grijanje pare koju se odvodi u turbinu. Takvi su sustavi pogodni samo za industrije u kojima je dostupna otpadna toplina visoke temperature. Stoga su
sustavi prve vrste puno rasprostranjeniji. Važno je napomenuti kako je moguća i trigeneracija, odnosno korištenje dijela energije za hlañenje. Prilikom gradnje postrojenja važno je odrediti koji će se ciklus izvoditi. Idući korak je odabir glavnog pokretača, prema nekim od slijedećih kriterija: snaga postrojenja, primarni i sekundarni izvori goriva, kvaliteta zraka i zahtjevi na emisiju plinova, ograničenja prostora, razina buke, otočni rad ili spajanje na mrežu. Vrlo je važno uravnotežiti proizvodnju električne energije sa zahtjevima za toplinom, jer će povećana potražnja za jednim uzrokovati povećanu proizvodnju oba proizvoda, te može doći do npr. bacanja viška topline koju ne možemo iskoristiti u tehnološkom procesu. Raspoloživost goriva jedan je od ključnih kriterija za izbor turbine. Ukoliko su dostupna samo kruta goriva, moguć je samo vršni ciklus, no u slučaju korištenja tekućih goriva mogući su vršni, kao i kombinirani ciklusi. U nekakvoj prosječnoj termoelektrani na ugljen iskoristivost postrojenja se kreće od 35- 40%. Dakle više od polovice energije nepovratno trošimo, što kroz hlañenje i kondenzaciju, što kroz gubitke u samom sustavu. Energija koja se gubi u kondenzatoru predstavlja najveći dio ukupne izgubljene energije. Prednosti kogeneracijskih sustava pred klasičnim sustavima s odvojenom opskrbom raznih oblika energije proizlaze prije svega iz visoke efikasnosti kogeneracijskih sustava. Pritom treba istaknuti da je ovakav stupanj iskoristivosti kogeneracijskog postrojenja svojstven režimu rada pri kojem se utroši sva toplinska energija proizvedena u sustavu. Direktna posljedica visoke efikasnosti kogeneracijskih postrojenja niske su vrijednosti emisija CO2 u atmosferu pri njihovom radu. Konvencionalne elektrane emitiraju toplinu kao postprodukt pri generiranju električne struje u okoliš kroz tornjeve za hlañenje, kao ispušne plinove, ili nekim drugim sredstvima. CHP troši toplinsku energiju ili za industrijske potrebe ili za domaćinstva, bilo vrlo blizu elektrani ili osobito kao u Skandinaviji i istočnoj Europi energija se kroz toplovode vodi do lokalnih kućanstava. Toplinska energija dobivena kogeneracijskom tehnikom takoñer može biti korištena i u apsorcijskim hladnjacima za hlañenje. Elektrane koje proizvode struju, toplinu i hlade nazivaju se i trigeneracijama, ili općenito poligeneracijama. Kogeneracija je termodinamički najpovoljnija u iskorištavanju goriva. U odvojenoj proizvodnji el. struje toplina koja se javlja kao nusprodukt mora biti bačena kao toplinski otpad. Termoelektrane (uključujući i nuklearne) i općenito toplinski strojevi ne pretvaraju svu raspoloživu energiju u koristan oblik. CHP je efikasniji ako je mjesto potrošnje bliže mjestu proizvodnje, dok mu korisnost pada sa udaljenošću potrošača. Udaljenost znači da mu trebaju dobro izolirane cijevi, što je skupo, dok se struja može transportirati na daleko veću udaljenost za iste gubitke. Kogeneracijske elektrane se mogu naći u područjima sa centralnim grijanjem ili u velikim gradovima, bolnicama, rafinerijama.. CHP elektrane mogu biti projektirane da rade s obzirom na potražnju za 135
toplinskom energijom ( engl. heat driven operation) ili primarno kao elektrana čiji se toplinski otpad iskorištava. 136 Tipične CHP elektrane su: · postrojenje protutlačne turbine, · postrojenje kondenzacijske turbine s reguliranim oduzimanjem pare, · postrojenje plinske turbine s korištenjem otpadne topline dimnih plinova, · gorive ćelije s rastaljenim karboratima. Manje kogeneracijske jedinice obično koriste Stirling-ov motor, a postoje i bojleri koji služe samo za grijanje tople vode za centralno grijanje. Postrojenje protutlačne turbine Najjednostavniji i najčešći oblik, postrojenje protutlačne turbine je bazični proces gdje imamo paru proizvedenu u generatoru pare, ekspandiranu u turbini i potom dovedenu do razvodnika koji odvodi toplinu dalje u vrelovodni sustav. Turbina je protutlačna i vrši se ekspanzija do protutlaka s temperaturom zasićenja. Ovaj tip postrojenja prisutan je najčešće u industriji kod proizvodnje topline i električne energije. Ova postrojenja su jeftinija, a samim time i jednostavnije za održavanje i upravljanje. Potreba i potrošnja toplinske i električne energije varira tako da u slučaju da imamo preveliku količinu pare, višak uvijek možemo izbacivati u atmosferu. Potreba koju imamo za toplinskom energijom u pogonu odreñivati će režim rada postrojenja. Količina proizvedene električne i toplinske energije ne može se bilancirati što je najveći problem. Naprosto ne možemo zbrajati toplinsku i električnu energiju. Postrojenje kondenzacijske turbine s reguliranim oduzimanjem pare Za ovakav sustav potrebno je imati na raspolaganju turbinu s dva stupnja: visokotlačni i niskotlačni. Nakon ekspanzije u visokotlačnom dijelu turbine vrši se ekspanzija nakon koje dolazi do oduzimanja pare. Sve se to odvija na konstantnom tlaku. Ovaj pogon je povoljniji pošto imamo dva stupnja rada: · čisti kondenzatorski · čisti protutlačni Čisti kondenzatorski pogon znači da ne postoji potreba za toplinom pa se proizvodi samo električna energija. U suprotnom primjeru kod čistog protutlačnog slučaja potreba za toplinskom energijom je toliko velika da uopće nema proizvodnje u niskotlačnom dijelu turbine. Realno
protutlačni (čisti) režim se ne može voditi. Niskotlačni dio turbine ne može ostati bez pare (hlañenje). Postrojenje plinske turbine s korištenjem otpadne topline dimnih plinova Princip rada postrojenja s plinskom turbinom s korištenjem otpadne topline je sljedeći. Na ispuh plinske turbine dodaje se kotao koje služi za proizvodnju pare koja pak služi ili u industrijske svrhe ili za grijanje. Temperature na izlazu iz plinske turbine su izuzetno visoke (do 600°C) tako da mogu poslužiti u daljnjoj proizvodnji pare. Tu vidimo povezanost kombiniranog i kogeneracijskog procesa – proizvodnja pare za grijanje, ali i ponovnu proizvodnju električne energije. Dodatna proizvodnja i električne energije još dodatno povećava iskoristivost procesa. 137 Slika 7.3: Parni kotao na dim motora Gorive ćelije s rastaljenim karbonatima Sastav elektrolita ovih gorivih ćelija ovisi o izvedbi. Elektrolit je najčešće mješavina Li2CO3 i K2CO3. Radna temperatura je oko 650°C. Iskoristivost je, kod sistema koji iskorištavaju otpadnu toplinu, prešla 50%. Potrebna je visoka radna temperatura da bi se postigla zadovoljavajuća vodljivost elektrolita i iskoristivost naglo pada smanjenjem temperature.
138 Slika 7.4: Gorive ćelije s rastaljenim karbonatima Prednosti gorivih ćelija s rastaljenim karbonatioma: · mogućnost proizvodnje pare za izdvajanje vodika iz benzina ili metanola · mogućnost kogeneracije · visoka radna temperatura omogućuje direktnu upotrebu metanola kao goriva · nisu potrebni plemeniti metali kao katalizator Nedostaci gorivih ćelija s rastaljenim karbonatima: · zbog visokih temperatura potrebni su skupi materijali · potrebno je izolirati ćeliju 2.5. Primjer korištenja kogeneracijskog postrojenja Kogeneracija na biomasu u Strizivojni Kogeneracijsko postrojenje koristi biomasu za proizvodnju električne i toplinske energije u indirektnom plinsko turbinskom procesu. Osnova sustava je klasična plinska turbina sa
vanjskom komorom izgaranja čija koncepcija omogućava da se zrak iz kompresora prije uvoñenje u turbinu odvede u vanjski dogrijač zraka sa loženjem biomase, te se tako dogrijan uvodi u turbinu. Ovim se omogućava da plinska turbina umjesto sa plinovima izgaranja radi sa čistim zagrijanim zrakom čime se osigurava njen rad u idealnim radnim uvjetima te se značajno produžava njen radni vijek. HEP je izvijestio kako su 15.10.2008. godine HEP ESCO i Strizivojna Hrast kao investitori te konzorcij tvrtki TPK-EPO Proizvodnja iz Zagreba i KIV Engineering iz Celja potpisali Ugovor za izgradnju kogeneracijskog postrojenja na biomasu snage 3,3 MW. Radi se o projektu koji sinergijski objedinjuje projekt energetske učinkovitosti i obnovljivih izvora. Pri tome se izgradnjom kogeneracijskog postrojenja zamjenjuje rad neučinkovitih i skupih dizelskih agregata za proizvodnju električne energije (3,86 puta skupljih od električna energija iz javne mreže) i ostvaruju uštede u potrošnji energenata jer se za gorivo koristi otpadno drvo iz proizvodnog procesa. Kogeneracijsko postrojenje loženo biomasom sastoji se od parnog kotla (s količinom svježe pare 20 t/h, tlakom 40 bar i temperaturom 400 °C), parnim turbogeneratorom s reguliranim oduzimanjem nazivne električne snage 3,3 MW, zrakom hlañenim kondenzatorom, toplinskom stanicom nazivnog toplinskog učina 6 MW i elektrooprema. U projekt su s udjelom 60% uključene i brojne hrvatske tvrtke, a podržava ga i sufinancira Meñunarodna banka za obnovu i razvoj (IBRD) kao projekt energetske učinkovitosti i obnovljivih izvora energije iz biomase. 139 3. TRIGENERACIJA Trigeneracija (Combined Heat, Cooling and Power production ili CHCP) je proces istodobne proizvodnje električne i toplinske energije i hlañenja u jedinstvenom procesu. Toplina CHP elektrane se u tom slučaju koristi za hlañenje preko apsorpcijskog ciklusa (dodaje se apsorpcijski hladnjak koji koristi "odbačenu" toplinu). U usporedbi s kogeneracijom učinkovitost se povećava za čak 50 %.
140 Slika 7.4: Prikaz glavnih dijelova dizalice topline apsorpcijskog tipa Potreba za korištenjem trigeneracije u razdoblju ljetnih mjeseci uvjetovala je razvijanje nove CHP tehnologije (osobito u južnim državama SAD). Trigeneracija nudi značajno smanjenje opterećenja elektroenergetskog sustava u vrućim ljetnim mjesecima. Prednosti trigeneracije u odnosu na klasične rashladne strojeve su neemitiranje štetnih freona u atmosferu i korištenje otpadne topline iz kogeneracijskih postrojenja. Meñutim, trigeneracija se ne koristi samo za procese grijanja i hlañenja objekata, nego i za proizvodne industrijske procese koji zahtijevaju niske temperature. Trigeneracijsko postrojenje je izvrstan način rješavanja opskrbe električnom energijom bolnica, domova za umirovljenike, rekreacijskih centara s bazenima, hotela, trgovačkih centara i sličnih objekata te industrijskih postrojenja u kojima se uz električnu energiju troši i znatna količina toplinske i rashladne energije. 4. MIKROKOGENERACIJA Mikrokogeneracija je takoñer naziv za distribuirani energijski izvor (engl. Distributed Energy Resource - DER), i reda veličine je kućanstva ili male proizvodne jedinice. Umjesto da se sve gorivo potroši na grijanje dio se koristi i za proizvodnju električne energije. Ta se el.
energija može koristiti unutar domaćinstva (obrta), ili uz dopuštenje mreže prodavati je natrag u istu. Postojeće mikroCHP instalacije koriste četiri različite tehnologije: motore na unutrašnje izgaranje, Stirling-ove motore, kružne procese s vodenom parom i gorive ćelije. 4.1. Motori sa unutrašnjim izgaranjem Motori sa unutrašnjim izgaranjem su toplinski strojevi u kojima se vrši pretvorba energije (kemijska - toplinska - mehanička).Kemijska energija goriva u cilindru se izgaranjem goriva pretvara prvo u toplinsku, a zatim u energiju pritiska plinova na klip. Klip se giba pravocrtno (linijski) a to se gibanje zatim preko klipnjače pretvara u kružno gibanje radilice. 4.2. Stirlingov motor Stirlingov motor je zatvoreni cilindrični sustav s klipom koji koristi inertni radni fluid, najčešće helij ili vodik, a radi prema načelu zatvorenog termodinamičkog ciklusa gdje se temperaturna razlika pretvara u mehaničku i/ili električnu energiju. 141 Slika 7.5: Stirlingov motor
142 LITERATURA
143 CENTRALIZIRANI ENERGETSKI SUSTAVI 1. Klepo, M. i dr., 1998. KUEN-CTS: Program energetske efikasnosti centraliziranih toplinskih sustava, Zagreb; Energetski institut ''Hrvoje Požar'' 2. Požar, H., 1976. Osnove energetike, Zagreb; Školska knjiga 3. www.hep.hr/proizvodnja/osnovni/termoelektrane 4. www.izvorienergije.com/nuklearna_energija.html 5. www.kostrena.hr 6. www.narodne-novine.nn.hr/clanci/sluzbeni/308598.html 7. www.nek.si/hr DECENTRALIZIRANI ENERGETSKI SUSTAVI 1. Vranković, I., 1998., Decentralizirani energetski sustavi u hrvatskoj energetici, izd. EGE: energetika, gospodarstvo, ekologija, etika 2. www.eihp.hr/hrvatski/geoen-kge.htm 3. www.eihp.hr/hrvatski/projekti/revetis/pdf/REVETIS-VJETAR.pdf 4. www.hed.hr/forum_hr2.htm 5. www.izvorienergije.com/obnovljivi_izvori_energije.html 6. www.zitel.hr/sigurnost/Energija vjetra.pdf 7. Zekić, A., Novak, J., 1998., Iskorištavanje vjetrene energije, izd. EGE: energetike, gospodarstvo, ekologija, etika 8. Željko, S., Šunić, M., Rauker, S., 2003., Globalizacija decentralizirane energetske opskrbe s ciljem poboljšanja energetske bilance Republike Hrvatske, izd. Plin: stručni časopis za plinsko gospodarstvo i energetiku HIDROELEKTRANE 1. Velika Ilustrirana enciklopedija, Mozaik knjiga 2006. 2. Požar H., 1987. Osnove energetike, Školska knjiga Zagreb 3. http://hr.wikipedia.org/wiki/Hidroelektrane 4. http://hr.wikipedia.org/wiki/Male_hidroelektrane 5. http://hr.wikipedia.org/wiki/Generator
6. http://hr.wikipedia.org/wiki/Velike_hidroelektrane 7. http://www.hep.hr/proizvodnja/osnovni/hidroelektrane/default.aspx 8. http://www.hep.hr/proizvodnja/osnovni/hidroelektrane/sjever/default.aspx 9. http://www.hep.hr/proizvodnja/osnovni/hidroelektrane/zapad/default.aspx 10. http://www.hep.hr/proizvodnja/osnovni/hidroelektrane/jug/default.aspx 11. http://www.zelena.12.akcija.hr/files/Programi/Vode/ZA_Stav_Koliko_su_hidroel 144 ektrane_zapravo_zelene_0071221.pdf 12. http://www.nek.si/hr/elektricna_energija/izvori/hidroelektrane/ 13. http://www.geog.pmf.hr/e_skola/geo/mini/obnov_izvori_energ/hidroenergija.html 14. http://www.apold.hr/projekt/hidroelektrane.htm 15. http://www.izvorienergije.com/kina_hidroenergija_kao_pravo_rjesenje.html 16. http://www.ekoakcija.com/content/pocinje-izgradnja-hidroelektrane-ulog-na-neretvi 17. http://www.hidroelektra-niskogradnja.hr/Reference/hidroelektrane.html 18. http://metro-portal.hr/vijesti/svijet/zavrsava-gradnja-najvece-hidroelektrane-na-svijetu 19. http://www.jablanica.org/jablanica/index.php?option=com_content&task=view&i d=278&Itemid=94 20. http://energetika-net.hr/skola/oie/energija-vodenih-tokova/hidroelektrane 21. http://www.sajema.hr/vijesti/zanimljivosti/energija-vodenih-tokova-osnove.html NUKLEARNE ELEKTRANE 1. http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power 2. http://en.wikipedia.org/wiki/Economics_of_new_nuclear_power_plants 3. http://www.howstuffworks.com/nuclear-power.htm 4. http://www.animatedsoftware.com/environm/nukequiz/nukequiz_one/nuke_parts/ reactor_parts.swf 5. http://www.fer.hr/_download/repository/NPP_Safety_IEEE-.pdf 6. http://www.izvorienergije.com/energija_i_ekologija.html 7. http://www.mojaenergija.hr/index.php/me/Knjiznica/Teme/Nuklearna-energija 8. http://www.nek.si/hr/ 9. http://hr.wikipedia.org/wiki/Nuklearna_elektrana
145 VJETROELEKTRANE 1. www.powerlab.fsb.hr/osnoveenergetike/wiki/index.php?title=ENERGETSKE_TR ANSFORMACIJE#Vjetroelektrane 2. www.talentfactory.dk/en/tour/wtrb/powerreg.htm 3. Wind directions, the european wind industry magazine, February 2010-12-13 4. www.windpowering.com/featured/the-plus-side-of-large-two-blade-turbines-2/ 5. www.wwindea.org/technology/cho1/en/1_2_1_2.html 6. Modern energy review, volume 2, issue 1, 2010. 7. en.wikipedia.org/wiki/Wind_power 8. klima.hr/klima.php?id=karta_vjetra&param= 9. www.wwindea.org 10. en.wikipedia.org/wiki/Wind_power_in_the_United_States 11. Kulišić, Petar, 1991., Novi izvori energije II dio, Školska knjiga, Zagreb 12. www.newinovationsguide.com/WindEnergyBackground.html 13. www.windpowerinamerica.gov/ne_history_windfarms.asp 14. www.powertechnology.com/projects/roscoe-wind-farm/ 15. en.wikipedia.org/wiki/Horse_Hollow_Wind_Energy_Center 16. www.worldwatch.org/node/57 17. en.wikipedia.org/wiki/Gansu_Wind_Farm 18. en.21cbh.com/HTML/2010-8-31/Huaneng-wind-farm.html 19. www.ewea.org 20. en.wikipedia.org/Wiki/Wind_power_in_Europe#cite_note_17 21. www.wind-energie.de/en/wind_energy_in_germany/ 22. 2.bp.blogspot.com/thanet+wind+farm.jpg 23. Meñimorec, D., Razvoj projekata vjetroelektrana, CIGRE 2010. 24. www.vjetroelektrane.com/aktualno/ 25. www.obnovljivi.com/pdf/ 26. www.geog.pmf.hr/e_skola/geo/mini/vjetar_u_hrvatskoj/ 27. www.em.com.hr/pdf/ 28. www.poslovniplus.com/2010/07/29/siemensove-vjetroturbine-za-vjetroelektranu-pokraj- gracaca/ 29. www.thegreentechnologyblog.com/wp-content/uploads/Savonius-3-Blade-Wind- Turbine.jpg 30. www.windturbine-analysis.netfirms.com/turbine-index/neteole.jpg
31. users.xplornet.com/~řmanzer/windmill/images/h-rotor/solwind_4.jpg 32. www.workingwind.com/wp-content/uploads/2009/06/windtowerparts.bmp 33. www.windenergyplanning.com/wordpress/wp-content/uploads/2009/03/offshore-wind- 146 turbines.jpg 34. www.wind-energy-the-facts.org/images/fig/chap1/3-4.jpg 35. greenenergyreporter.com/wp-content/ uploads/2010/01/0822Nordic+Windpower+N1000+Turbine+2.jpg 36. h3.ggpht.com/_RJgZjpVfwO0/SlD2rkkw_vI/AAAAAAAADa8/3JY3FHM04KM /s800/3%20Blade%20Giant%20Wind%20Turbine.jpg 37. www.newinnovationsguide.com/WindCapacitybyCountry2.jpg SOLARNI UREðAJI I FOTONAPONSKE ĆELIJE 1. http://www.izvorienergije.com/energija_sunca.html 2. http://www.monte-energysun.com/sr/images/wat_img_01.png 3. http://www.solarni-sistemi.co.rs/Toplotni%20sistemi/%20Primena/ 4. http://www.webgradnja.hr/clanci/solarni-toplinski-kolektor-sa-spremnikom/226/ 5. http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija 6. http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_%C4%87elija KOGENERACIJA, MIKROKOGENERACIJA I TRIGENERACIJA 1. Šunić M. : Efikasnost kogeneracijskih postrojenja, Energetika marketing, 1996., Zagreb 2. www.proplin.hr 3. www.hrote.hr 4. www.vaillant.hr 5. www.telosgrupa.com

More Related Content

PPSX
Hidroelektrane osnovno
byOsJob
 
PPTX
Nuklearne elektrane
byGordana Divic
 
PPT
Енергија од биомаса
byNela Najdoska
 
PPTX
Nafta, ugalj i zemni gas 12
byvvlivvli
 
PPT
Energija vjetra
byprof marina
 
PPT
Proizvodnja i prenos električne energije
byMiroslav
 
PPT
Reciklaza i zastita zivotne sredine
byVojka Lazarevic
 
PPT
Obnovljivi izvori energije
bymimanakosanovic
 
Hidroelektrane osnovno
byOsJob
 
Nuklearne elektrane
byGordana Divic
 
Енергија од биомаса
byNela Najdoska
 
Nafta, ugalj i zemni gas 12
byvvlivvli
 
Energija vjetra
byprof marina
 
Proizvodnja i prenos električne energije
byMiroslav
 
Reciklaza i zastita zivotne sredine
byVojka Lazarevic
 
Obnovljivi izvori energije
bymimanakosanovic
 

What's hot

DOCX
пипи дуга чарапа
byos21majpodgorica
 
PPTX
Fosilni goriva Sara,Magdalena,Kiril i Trifun OU,,Slavco Stojmenski,, Vinica
byJovanka Ivanova
 
PPT
Нова научно-технолошка револуција и њене последице
byprijicsolar
 
PPT
Goce Delcev
byOliver Gevgelija
 
PPTX
Reciklaža papira
byVečitiStudent
 
PPT
Alternativni izvori energije
bysvepeli
 
PPTX
Jesne i niječne rečenice
byblaza19
 
PPTX
Mihajlo pupin
byMilan Jovanovic
 
PPT
Obnovljivi izvori-energije-vlada
byvladimir minic
 
PPT
Industrija pojam i podela
byprijicsolar
 
PPTX
Nuklearne elektrane
bydarko01
 
PPTX
Nafta i zemni gas 8
byvvlivvli
 
PPTX
Eg-i-3-22-27-prirodni-uslovi-i-resursi-geografski-omotac-zemlje-i-ekoloski-pr...
byTeacherDN
 
PPTX
Klimatski elementi
byAnaVeljkovic7
 
PPT
Eлектронски уређаји у домаћинству
bytio_marina
 
PPTX
Maketa saobracajne raskrsnice
byAna Todorovic
 
PPT
Drugujemo s rečenicama
byAlenka Orescanin
 
PPTX
Radovan Subotić - Kako štedimo energiju
byValentina Rutovic
 
PPT
6a. energetika
byОШ ''Бранко Радичевић'' Нови Сад
 
DOC
мед
byreyt
 
пипи дуга чарапа
byos21majpodgorica
 
Fosilni goriva Sara,Magdalena,Kiril i Trifun OU,,Slavco Stojmenski,, Vinica
byJovanka Ivanova
 
Нова научно-технолошка револуција и њене последице
byprijicsolar
 
Goce Delcev
byOliver Gevgelija
 
Reciklaža papira
byVečitiStudent
 
Alternativni izvori energije
bysvepeli
 
Jesne i niječne rečenice
byblaza19
 
Mihajlo pupin
byMilan Jovanovic
 
Obnovljivi izvori-energije-vlada
byvladimir minic
 
Industrija pojam i podela
byprijicsolar
 
Nuklearne elektrane
bydarko01
 
Nafta i zemni gas 8
byvvlivvli
 
Eg-i-3-22-27-prirodni-uslovi-i-resursi-geografski-omotac-zemlje-i-ekoloski-pr...
byTeacherDN
 
Klimatski elementi
byAnaVeljkovic7
 
Eлектронски уређаји у домаћинству
bytio_marina
 
Maketa saobracajne raskrsnice
byAna Todorovic
 
Drugujemo s rečenicama
byAlenka Orescanin
 
Radovan Subotić - Kako štedimo energiju
byValentina Rutovic
 
6a. energetika
byОШ ''Бранко Радичевић'' Нови Сад
 
мед
byreyt
 

Similar to Proizvodnja i pretvorba energije skripta

DOCX
Sažetak obnovljivih izvora energije - letci
byGordana Divic
 
PPT
Energija
byDamir Medved
 
PPTX
Hidroelektrična postrojenja prezentacija
byEsmaKlico
 
PPT
Obnovljivi izvori energije
byslavicivan
 
PPTX
Alternativni oblici energije
byMilica Šljivić
 
PPTX
Očuvanje energije
byGordana Divic
 
PDF
Effects of extreme weather conditions on PV systems
byssuserd1c606
 
PPTX
Obnovljivi izvori energije
byŠkola Popovac
 
DOCX
Projekt Obnovljivi izvori energije - SŠ Novska
byGordana Divic
 
PDF
Tehnicki aspekti razvoja otoka sa 100% obnovljivim izvorima energije
byUNDPhr
 
PPT
Energija u permakulturi - predavanje, Zagreb
byVedranRakic
 
PPT
04 Obnovljivi izvori_energije
byMoja Rijeka
 
PDF
Male hidroelektrane
bypaunas
 
PPTX
Način dobivanja električne energije pomoću gorivnih ćelija i
byDiklic
 
PDF
Uradi sam solarni kolektor
bykvobre
 
PPTX
"Economic analysis of the profitability of upgrading the battery system to th...
byssuserd1c606
 
PPT
Zašto energetske zadruge
byUNDPhr
 
PDF
Okvir za izradu Strategije niskougljičnog razvoja Hrvatske
byUNDPhr
 
PPTX
Energija
byŠkola Popovac
 
PPT
Energetska učinkovitost Novske i okolice
byGordana Divic
 
Sažetak obnovljivih izvora energije - letci
byGordana Divic
 
Energija
byDamir Medved
 
Hidroelektrična postrojenja prezentacija
byEsmaKlico
 
Obnovljivi izvori energije
byslavicivan
 
Alternativni oblici energije
byMilica Šljivić
 
Očuvanje energije
byGordana Divic
 
Effects of extreme weather conditions on PV systems
byssuserd1c606
 
Obnovljivi izvori energije
byŠkola Popovac
 
Projekt Obnovljivi izvori energije - SŠ Novska
byGordana Divic
 
Tehnicki aspekti razvoja otoka sa 100% obnovljivim izvorima energije
byUNDPhr
 
Energija u permakulturi - predavanje, Zagreb
byVedranRakic
 
04 Obnovljivi izvori_energije
byMoja Rijeka
 
Male hidroelektrane
bypaunas
 
Način dobivanja električne energije pomoću gorivnih ćelija i
byDiklic
 
Uradi sam solarni kolektor
bykvobre
 
"Economic analysis of the profitability of upgrading the battery system to th...
byssuserd1c606
 
Zašto energetske zadruge
byUNDPhr
 
Okvir za izradu Strategije niskougljičnog razvoja Hrvatske
byUNDPhr
 
Energija
byŠkola Popovac
 
Energetska učinkovitost Novske i okolice
byGordana Divic
 

Proizvodnja i pretvorba energije skripta

  • 1.
    SVEUČILIŠTE U ZAGREBU RUDARSKO-GEOLOŠKO-NAFTNI FAKULTET SKRIPTA IZ KOLEGIJA: PROIZVODNJA I PRETVORBA ENERGIJE Nositelj kolegija: dr. sc. Damir Rajković, redoviti profesor na Rudarsko-geološko-naftnom fakultetu Asistent: Nenad Kukulj, dipl.ing. Zagreb, 2011.
  • 2.
    I SADRŽAJ POGLAVLJE1. CENTRALIZIRANI ENERGETSKI OBJEKTI .................... 1 1. UVOD ................................................................................................................................ 2 2. CENTRALIZIRANI TOPLINSKI SUSTAVI ................................................................... 2 2.1. Obilježja centraliziranih toplinskih sustava .......................................................... 3 2.2. Kuen-CTS .............................................................................................................. 4 3. PODJELA TEHNOLOGIJE CTS-a ................................................................................... 5 3.1. Termoelektrane ...................................................................................................... 5 3.1.1. Plinsko – turbinsko termoelektrane .......................................................... 6 3.1.2. Parno – turbinsko postrojenje ................................................................... 8 3.1.3. Kombinirano (kombi) postrojenje ............................................................. 8 3.2. Nuklearna elektrana ............................................................................................. 11 4. STANJE PRIMJENE U HRVATSKOJ ........................................................................... 16 5. TERMOELEKTRANE U HRVATSKOJ ........................................................................ 18 5.1. Zagreb .................................................................................................................. 18 5.2. Osijek ................................................................................................................... 20 5.3. Sisak .................................................................................................................... 21 5.4. Rijeka ................................................................................................................... 22 POGLAVLJE 2. DECENTRALIZIRANI ENERGETSKI SUSTAVI ............ 25 1. UVOD .............................................................................................................................. 26 2. OSNOVNE ZNAČAJKE DES-a ..................................................................................... 27 3. PODJELA TEHNOLOGIJE DES-A ............................................................................... 28 3.1. Obnovljivi izvori energije ................................................................................... 28 3.1.1. Energija vjetra – vjetroelektrane ............................................................. 28 3.1.2. Energija sunca ......................................................................................... 32
  • 3.
    3.1.3. Energija vode– hidropotencijal .............................................................. 35 3.1.4. Geotermalna energija .............................................................................. 39 3.1.5. Bioenergija .............................................................................................. 41 3.1.6. Zajedničke karakteristike DES-a iz obnovljivih izvora .......................... 42 3.2. Kogeneracijska tehnologija ................................................................................. 42 3.2.1. Važnost korištenja gorivnih ćelija u kogeneracijskim sustavima ........... 42 3.2.2. Mikrokogeneracije .................................................................................. 43 3.2.3. Trigeneracije ........................................................................................... 44 3.2.4. Zajedničke karakteristike DES-a u kogeneraciji..................................... 44 3.3. Toplinske pumpe ................................................................................................. 45 4. DOPRINOS DES-a HRVATSKOJ ENERGETICI ......................................................... 47 POGLAVLJE 3. HIDROELEKTRANE ............................................................. 48 1. UVOD ............................................................................................................................ 49 2. HIDROELEKTRANE ................................................................................................... 49 2.1. Osnovni dijelovi hidroelektrane .......................................................................... 51 3. OSNOVNI TIPOVI HIDROELEKTRANA .................................................................... 54 3.1. Protočne hidroelektrane ....................................................................................... 54 3.2. Akumulacijske hidroelektrane ............................................................................. 55 3.3. Reverzibilne hidroelektrane ................................................................................ 56 4. PODJELA HIDROELEKTRANA PREMA INSTALIRANOJ SNAZI (UČINU) ....... 58 4.1. Male hidroelektrane ............................................................................................. 58 4.2. Male hidroelektrane u Hrvatskoj i stanje korištenja ............................................ 59 4.3. Male hidroelektrane u svijetu .............................................................................. 61 4.4. Velike hidroelektrane .......................................................................................... 62 4.4.1. Značajke hidroelektrana .......................................................................... 62 4.4.2. Neto snaga hidroelektrane ....................................................................... 63 4.4.3. Uloga hidroelektrana u suvremenom svijetu .......................................... 64 5. PREDNOSTI HIDROELEKTRANA .............................................................................. 64 6. NEDOSTACI HIDROELEKTRANA ............................................................................. 65 II
  • 4.
    7. DRŽAVE SNAJVEĆOM PROIZVODNJOM HIDRO-ELEKTRIČNE ENERGIJE .... 66 8. PRIMJERI HIDROELEKTRANA .................................................................................. 67 8.1. Tri klanca (Kina) – najveća hidroelektrana ......................................................... 67 8.2. Hidroelektrana Itaipu (Brazil/Paragvaj) .............................................................. 69 8.3. Hidroelektrana Hoover (SAD) ............................................................................ 70 9. ENERGIJA MORA ....................................................................................................... 71 9.1. Elektrana na pogon valovima .............................................................................. 71 9.2. Plimne elektrane .................................................................................................. 72 9.3. Hidroelektrana na podmorske struje .................................................................... 73 POGLAVLJE 4. NUKLEARNE ELEKTRANE ................................................ 74 1. UVOD .............................................................................................................................. 75 2. PRVE NUKLEARNE ELEKTRANE U SVIJETU ......................................................... 75 3. POVIJEST NUKLEARNIH NESREĆA ......................................................................... 78 4. NUKLEARNE ELEKTRANE U SVIJETU .................................................................... 81 5. TIPOVI NUKLEARNIH ELEKTRANA ........................................................................ 82 6. NUKLEARNA ENERGIJA U ODNOSU NA OSTALE ENERGENTE ....................... 85 7. RADIOAKTIVNI OTPAD .............................................................................................. 88 8. ZAŠTITA OKOLIŠA I SIGURNOST KOD NUKLEARNIH POSTROJENJA ............ 91 POGLAVLJE 5. VJETROELEKTRANE .......................................................... 93 1. UVOD .............................................................................................................................. 94 2. ENERGIJA VJETRA ...................................................................................................... 94 3. VJETROTURBINE ......................................................................................................... 95 3.1. Princip rada .......................................................................................................... 96 3.1.1. Generatori vjetroturbina .......................................................................... 99 3.1.2. Ograničavanje izlazne snage i zaštita od oluja ..................................... 102 3.2. Vrste vjetroturbina ............................................................................................. 104 III
  • 5.
    3.2.1. Vjetroturbine shorizontalnom osi vrtnje (HAWT) .............................. 105 3.2.2. Vjetroturbine s vertikalnom osi vrtnje (VAWT) .................................. 107 3.3. Lokacije vjetroturbina ....................................................................................... 109 3.3.1. Lokacije na kopnu ................................................................................. 110 3.3.2. Priobalne lokacije.................................................................................. 110 3.3.3. Lokacije na moru .................................................................................. 110 4. PRIMJENA VJETROELEKTRANA U SVIJETU ....................................................... 111 5. PRIMJENA VJETROELEKTRANA U HRVATSKOJ ................................................ 112 6. PREDNOSTI I NEDOSTATCI KORIŠTENJA VJETROELEKTRANA .................... 114 POGLAVLJE 6. SOLARNI UREðAJI ............................................................. 115 1. UVOD ............................................................................................................................ 116 2. RAZVOJ FOTONAPONSKE TEHNOLOGIJE I TRŽIŠTA ....................................... 117 3. SOLARNI KOLEKTORI .............................................................................................. 118 3.1. Način rada solarnih kolektora ............................................................................ 120 4. FOTONAPONSKE ĆELIJE .......................................................................................... 121 4.1. Način rada fotonaponskih ćelija ........................................................................ 122 4.2. Graña Si - PV ćelije ........................................................................................... 124 4.3. Karakteristike ćelija ........................................................................................... 124 4.4. Primjena fotonaponskih solarnih ćelija ............................................................. 125 4.5. Prednosti upotrebe solarnih fotonaponskih sustava .......................................... 127 4.6. Utjecaj na okoliš ................................................................................................ 127 5. SUNČANI BOJLER ...................................................................................................... 128 POGLAVLJE 7. KOGENERACIJA, MIKROKOGENERACIJA, TRIGENERACIJA .............................................................................................. 130 1. UVOD ............................................................................................................................ 131 2. KOGENERACIJA ......................................................................................................... 131 2.1. Prednost i efikasnost kogeneracije .................................................................... 132 IV
  • 6.
    2.2. Izgradnja kogeneracijskogpostrojenja .............................................................. 133 2.3. Elementi kogeneracijskog postrojenja ............................................................... 134 2.4. Vrste kogeneracijskih postrojenja ..................................................................... 134 2.5. Primjer korištenja kogeneracijskog postrojenja ................................................ 138 3. TRIGENERACIJA ........................................................................................................ 139 4. MIKROKOGENERACIJA ............................................................................................ 140 4.1. Motori sa unutrašnjim izgaranjem ..................................................................... 141 4.2. Stirlingov motor ................................................................................................ 141 LITERATURA ..................................................................................................... 142 V
  • 7.
    POGLAVLJE 1. CENTRALIZIRANIENERGETSKI OBJEKTI 1
  • 8.
    2 1. UVOD Energetika je privredna djelatnost koja se bavi proučavanjem i iskorištavanjem različitih izvora energije te proizvodnjom električne energije. Elektrana je postrojenje za proizvodnju električne energije koja se istovremeno troši na mjestu proizvodnje ili prenosi preko elektroenergetske mreže do mjesta potrošnje. Podjela elektrana: · Termoelektrane – energetska postrojenja koja energiju dobivaju sagorijevanjem fosilnih goriva (nafta, plin i ugljen); · Nuklearne elektrane – energetska postrojenja koje dobivaju električnu energiju na temelju oslobañanje toplinske energije pri cijepanju jezgre u reaktoru · Vjetroelektrane – proizvode električnu energiju preko vjetrenjača koristeći energiju vjetra · Hidrelektrane – proizvode električnu energiju koristeći energiju vode · Solarne termalne elektrane - izvori električne struje dobivene pretvorbom Sunčeve energije u toplinsku Centralizirani energetski objekti su energetska postrojenja koja proizvode električnu i toplinsku energiju. U centralizirane energetske objekte ubrajaju se termoelektrane (na fosilna goriva) i nuklearne elektrane. Centralizirani energetski objekti se često nazivaju centraliziranim toplinskim sustavim (CTS). 2. CENTRALIZIRANI TOPLINSKI SUSTAVI Centralizirani toplinski sustavi su efikasni sustavi korištenja energije primarnog goriva, tj. prirodnog plina, derivata nafte, ugljena, otpada ili biomase za proizvodnju i opskrbu toplinske energije vrele vode, odnosno vodene pare u većim naseljima, industrijskim centrima i gradovima. Centralizirani toplinski sustav je sustav opskrbe toplinom proizvedenom centralno i distribuiranom putem vrelovodne ili parovodne mreže. Iskorištavanje primarnog goriva u takvim sustavima u slučajevima kada se istovremeno proizvodi toplinska i električna energija dostiže razinu i 90 % uz vrlo nizak negativni utjecaj na okoliš. Centralni toplinski sustavi obuhvaćaju grijanje stambenih, poslovnih i proizvodnih prostora.
  • 9.
    3 Centralizirani toplinskisustavi : a) Topla voda (vrelovodi) za potrebe grijanja i sanitarne vode b) Tehnološka para (parovodi) za potrebe industrije Proizvodnja tople vode i pare: a) Termoelektrane-toplane, u spojnom procesu gdje se istovremeno proizvodi električna energija i toplinska energija b) Autonomne jedinice: vrelovodne i parne kotlovnice c) Kombinacija: TE-TO + nekoliko autonomnih jedinica (koje uglavnom služe za pokrivanje vršne potrošnje) Veliki centralizirani toplinski sustavi, u kojima se redovito nalazi bar jedna TE-TO, su ograničeni na veće gradove. Zbog velikih gubitaka topline, nema mogućnosti transporta topline na veće udaljenosti (izmeñu gradova). Zbog toga se radi isključivo o distributivnoj toplovodnoj i parovodnoj mreži. Ono što treba istaknuti jest da u CTS-ima za opskrbu kućanstava i usluga postoji mogućnost izgradnje suproizvodnih jedinica i akumulatora topline koji bi mogli unaprijediti ekonomsku učinkovitost kako toplinskog tako i cijelog energetskog sustava. 2.1. Obilježja centraliziranih toplinskih sustava Glavne značajke centraliziranih toplinskih sustava su: · jednostavna upotreba, transport, skladištenje i zaštita od opasnih goriva; · mogućnost iskorištavanja odbačene topline iz velikog broja različitih izvora; · visoki stupnjevi djelovanja proizvodnje ogrjevne topline (učinkovitije korištene energije uz manje nepovoljne utjecaje na okoliš) pogotovo uz kogeneracijsku proizvodnju; · značajno smanjenje prostora za kućanske ogrjevne ureñaje; · visoki komfor stanovanja i opća jednostavnost i ugodnost upotrebe topline. Opskrba toplinskom energijom većih dijelova grada obično je putem centraliziranog toplinskog sustava iz elektrana-toplana kao što je to, primjerice, u Zagrebu, Osijeku i Sisku, dok centralizirani toplinski sustav iz lokalnih mini-toplana ili blok kotlovnica opskrbljuje pojedina gradska naselja u gotovo svim većim hrvatskim gradovima.
  • 10.
    U Hrvatskoj kućanstvatroše oko 30% ukupne primarne energije, od čega značajan dio 4 otpada na grijanje i pripremu potrošne tople vode. Ukupna instalirana toplinska snaga proizvodnih jedinica u centraliziranim toplinskim sustavima (CTS) u Republici Hrvatskoj iznosi oko 1,8 GJ/s. Velik dio proizvodnih kapaciteta je zastarjele tehnologije pa zato postoje znatne mogućnosti povećanja energetske učinkovitosti. Oko 10% od ukupnog broja kućanstava u RH priključeno je na CTS, a ukupni broj korisnika je oko 151 000. U ukupnoj neposrednoj potrošnji energije za grijanje i potrošnu toplu vodu kod kućanstava i usluga CTS sudjeluje s 12%. 2.2. Kuen-CTS Program energetske efikasnosti centraliziranih toplinskih sustava - KUEN-CTS je nacionalni energetski program Republike Hrvatske, s kojim se nastoji smanjiti potrošnja i povećati energetska i ekonomska efikasnost korištenja energije u stambenim objektima koji toplinsku energiju tople vode iz centraliziranih toplinskih sustava (CTS) koriste za grijanje prostora i pripremu tople sanitarne vode. KUEN-CTS ima cilj omogućiti smanjenje gubitaka i racionalizaciju proizvodnje, transporta, distribucije i potrošnje toplinske energije. Temeljni ciljevi progama KUEN-CTS su : 1. smanjenje potrošnje i troškova za energiju, odnosno povećanje energetske i ekonomske efikasnosti korištenja energiju u sustavu CTS-a; 2. uvoñenje novih tehnologija izgradnje, nadzora, regulacije, mjerenja i optimiranja proizvodnih postrojenja i procesa proizvodnje, kapaciteta za transport i distribuciju toplinske energije; 3. smanjenje gubitka toplinske energije, korištenje otpadne topline, stabilna, sigurna, kvalitetna i jeftina opskrba toplinskom energijom, viši komfor stanovanja, te zaštita okoliša; 4. uspostavljanje sustava efikasnog marketinga i obrazovanja, kao elemenata strateško odgovornog odnosa proizvoñača (isporučitelja) i potrošača utemeljenog na novom povjerenju izmeñu proizvoñača i potrošača; 5. uspostavljanje sustava uvježbavanja i obrazovanja pogonskog osoblja da bi se osiguralo ispravno i optimalno korištenje i pogon opreme i postrojenja;
  • 11.
    6. uspostavljanje iprovedba informiranja i uvježbavanja krajnjih korisnika da bi im se omogućio nadzor potrošnje, te da bi s razumijevanjem i motivacijom djelatno sudjelovati u štednji energije, a time i novca. 5 3. PODJELA TEHNOLOGIJE CTS-A 3.1. Termoelektrane Termoelektrane su energetska postrojenja koje energiju električnu dobivaju sagorijevanjem fosilnih goriva, kao što su ugljen, plin i nafta, a glavna primjena i svrha termoenergetskih postrojenja je proizvodnja pare koja će pokretati turbinu, a potom i generator električne energije. Osnovna namjena im je proizvodnja i transformacija primarnih oblika energije u koristan rad, koji se kasnije u obliku mehaničke energije dalje iskorištava za proizvodnju električne energije. Mehanička energija je proizvedena uz pomoć toplinskog stroja koji transformira toplinsku energiju. Imamo pretvaranje kemijske energije u toplinsku koja se pak različitim procesima predaje nekom radnom mediju. Radni medij pak služi kao prijenosnik te energije, često izgaranjem goriva, u energiju vrtnje. Slika 1.1: Opći prikaz sastavnih dijelova termoelektrane Opis slike: Pri izgaranju goriva u kotlu nastaje toplina koja pretvara vodu u paru. Para se odvodi na turbinu, ona pokreće generator, koji pretvara mehaničku energiju u električnu. Iz turbine para putuje u kondenzator, gdje se pretvara u tekućinu i vraća se u kotao. Kondenzator se hladi rashladnim tornjevima ili protočno, vodom iz rijeke.
  • 12.
    6 Slika 1.2:Pojednostavljen prikaz rada termoelektrane Podjela termoelektrana prema vrsti pokretača: Prema vrsti pokretača (stroj koji u slijedu energetske transformacije prvi pretvara bilo koji oblik energije u mehaničku energiju) dijelimo ih na: 1. plinsko-turbinsko postrojenje (kružna postrojenja), 2. parna turbinska postrojenja , 3. kombinirana postrojenja. 3.1.1. Plinsko - turbinsko termoelektrane Plinsko-turbinsko postrojenje koristi dinamički pritisak od protoka plinova za direktno upravljanje turbinom. Sam proces koji se dogaña u plinskoj turbini nije toliko različit od parne turbine. Naravno različit je medij koji ekspandira, postupak dobivanja radnog medija je takoñer drugačiji, no sam proces koji se dogaña u turbini je vrlo sličan. Razlika je ta što je pad entalpije u plinskoj turbini mnogo manji te porast volumena veći. Ukoliko želimo povećati stupanj iskoristivosti moramo povećati temperaturu medija koji ulazi u turbinu. Tu se javlja problem hlañenja, pogotovo samihlopatica. Kako bismo ohladili lopatice koristimo komprimirani zrak iz kondenzatora. Naravno dovoñenje zraka za hlañenje će smanjiti i snagu postrojenja. Današnji razvoj materijala nam je omogućio da i izborom materijal povećamo otpornost na temperaturu. Za izradu lopatica se danas koriste visoko legirani materijali na bazi nikala koji uspješno podnose više temperature. Naravno bez obzira na ova dostignuća na području materijala moramo osigurati hlañenje lopatica. U plinskim elektranama se mehanička energija pretvara u električnu pomoću plinskih motora, koji se najčešće grade kao četverotaktni motori. Ove elektrane su obično u sustavu metalurgijskih postrojenja radi iskorištenja plinova iz visokih peći ili u sustavu kosara i
  • 13.
    postrojenja za dobivanjeplinova radi iskorištenja plinova koji nastaju pri dobivanju koksa, zatim za iskorištavanje zemnog plina itd. Ukoliko želimo povećati stupanj iskoristivosti moramo povećati temperaturu medija koji ulazi u turbinu. Svako plinsko-turbinsko postrojenje sastoji se od kompresora, komore za izgaranje i plinske turbine. Princip rada: Kompresor služi za stlačivanje zraka kojeg usisava iz okoliša te ga komprimira do nekog zadanog tlaka, komprimirani zrak dovodi se do komore izgaranja gdje se grije uslijed izgaranja goriva. Smjesa koja nastaje (zagrijani zrak i plinovi izgaranja) ekspandiraju u plinskoj turbini gdje stvaraju moment koji se iskorištava u proizvodnji električne energije i pri radu kompresora. 7 Osnovne razlike izmeñu parnih i plinskih termoelektrana: · parne termoelektrane imaju veći stupanj djelovanja (korisnost): ~40% parne, 25-30% plinske · izgradnja parnih termoelektrana je skuplja (~2:1) i traje duže · troškovi goriva po jedinici proizvedene el. energije redovito su manji za parne termoelektrane, pogotovo ako se radi o termoelektranama na ugljen (~1:2) · plinske termoelektrane imaju manje troškove pokretanja i zaustavljanja · plinske termoelektrane brže ulaze u pogon i fleksibilnije su u radu: moguća je brža promjena snage · plinske termoelektrane su ekološki prihvatljivije: ispuštaju manje količine štetnih plinova · kod plinskih termoelektrana može se javiti problem opskrbe gorivom: - u slučaju da se plin dovodi plinovodom, potrebni su dugoročni ugovori s isporučiteljom (vrlo često samo jednim) - u varijanti kad se koristi ukapljeni plin, ovog problema nema, ali su troškovi (cijena plina) znatno veći Prednost plinskih u odnosu na parne elektrane: · izgradnja parnih termoelektrana ja skuplja i duže traje · plinske elektrane imaju manje troškove pokretanja i zaustavljanja · plinske elektrane brže ulaze u pogon i fleksibilnije su u radu : moguća je brža promjena snage · plinske elektrane su ekološki prihvatljivije
  • 14.
    8 Negativnosti plinskihelektrana : · manji stupanj korisnosti (25-30%) · veći troškovi po jedinici proizvedene električne energije · može se javiti problem opskrbe gorivom 3.1.2. Parno –turbinsko postrojenje Princip rada parnog - turbinskog postrojenja: Proizvedena para uz pomoć topline, dobivena izgaranjem goriva, odvodi se u turbinu gdje na razne načine ekspandira stvarajući moment koji pak služi za proizvodnu električne energije u generatoru. Koristi dinamički pritisak generatora trošenjem vodene pare za okretanje lopatica turbine. Najveći broj velikih termoelektrana je s parnim pogonom, kod kojih se uglavnom koriste parne turbine (oko 80 % električne energije je proizvedeno korištenjem parnih turbina) neposredno spojene sa generatorom (turbo-generator). U ovim elektranama toplina dobivena sagorijevanjem goriva predaje se vodenoj pari koja u parnim turbinama proizvodi mehaničku energiju, a koja se u generatoru pretvara u električnu energiju. Prema drugom zakonu termodinamike sva toplinska energija ne može biti pretvorena u mehaničku energiju, zato je toplina uvijek izgubljena u okolini. Ako je ovaj gubitak primijenjen kao korisna toplina, za industrijske procese ili grijanje okoline, parno postrojenje se odnosi na kogeneraciju parnog postrojenja. Klasično parno-turbinsko postrojenje zasniva se na Rankinovom procesu poznatom iz termodinamike. 3.1.3. Kombinirano (kombi) postrojenje Kombinirano postrojenje ima oboje: plinske turbine ložene prirodnim plinom, parni kotao te parnu turbinu koja koristi iscrpljeni plin iz plinske turbine kako bi se proizveo elektricitet, tj. to je ciklus koji se sastoji od plinsko-turbinskog i parno-turbinskog dijela. Glavne sastavnice su naravno plinska i parna turbina. Osnovna namjena ovakvih postrojenja je da se iskoristi toplina nastala na izlazu iz plinske turbine. Pošto ispušni plinovi koji izlaze iz plinske turbine imaju izuzetno visoke temperature, oko 600°C mogu se iskoristiti kao sredstvo koje će grijati vodu i proizvoditi vodenu paru za parnu turbinu. Time povećavamo iskoristivost samog procesa pošto je toplina koju bi inače izgubili iskorištena za daljnju proizvodnju pare.
  • 15.
    Iskoristivost takvog postrojenjadoseže i do 60%. U kombiniranom postrojenju kompresor komprimira zrak i šalje ga u komoru izgaranja gdje se istovremeno dovodi gorivo za izgaranje. Plinovi izgaranja vrlo visoke temperature vode se iz komore izgaranja u plinsku turbinu, gdje ekspandiraju dajući koristan rad na vratilu spojenom na rotor plinske turbine. Vratilo pokreće generator električne struje i proizvodi električnu energiju koja se šalje u mrežu. Nakon ekspanzije, ispušni se plinovi iz plinske turbine vode u utilizator (generator pare na otpadnu toplinu). Jedna od vrlo dobrih karakteristika plinske turbine je ta što je kod nje prisutan vrlo visok omjer zrak/gorivo budući se dodaje nekoliko puta više zraka zbog hlañenja lopatica plinske turbine. Zbog toga na izlazu iz plinske turbine ostaje još dosta neiskorištenog zraka te se taj višak zraka koristi za izgaranje dodatnog goriva u utilizatoru. U utilizatoru se napojna voda zagrijava do isparavanja i pregrijava na zadane parametre. Pregrijana para odlazi iz generatora pare u parnu turbinu gdje ekspandira i predaje mehanički rad generatoru električne struje. Nakon toga para, sada već niskih parametara, odlazi u kondenzator gdje kondenzira. Nakon kondenzacije, voda se napojnom pumpom vraća u utilizator na ponovno zagrijavanje. Već je napomenuto da ovim principom povećavamo iskoristivost čitavog procesa. Razlog pronalazimo u osnovama termodinamike. Temelje možemo vidjeti u temeljnom Carnotovom procesu (izentropsko-izotermnom). Princip je sljedeći: ukoliko su temperaturne razlike manje, manji je i prijenos topline. Dakle nama je od izuzetne važnosti da je ta razlika temperatura „spremnika“ što veća. Naravno idealni slučaj bi bio ukoliko bi temperatura radne tvari kod dovoñenja topline bila jednaka temperaturi ogrjevnog spremnika, a temperatura radne tvari kod odvoñenja postane jednaka temperaturi rashladnog spremnika. Tada govorimo o idealnom Carnotovom procesu. Znamo da kod Carnotovog procesa iskoristivost ovisi samo o temperaturi, odnosno temperaturi toplinskih spremnika te se nikakvim drugim varijablama ta iskoristivost ne može promijeniti. 9
  • 16.
    10 Slika 1.3: Shematski prikaz kombi-procesa u termoelektrani Dijelovi termoenergetskog postrojenja: Generator pare, turbina, generator električne energije, kondenzator, kondenzatorska pumpa, napojna pumpa, rashladni toranj te spremnik napojne vode te pregrijači pare, meñupregrijači, ekonomajzeri i sl. (kao sastavni dio generatora pare). a) Kompresori Kompresori služe kod plinsko-turbinskih postrojenja, mlaznim motorima i sl. Kompresori mogu biti radijalni ili aksijalni. Kod aksijalnih strujanje zraka vrši se u smjeru vratila, dok kod radijalnih kompresora imamo radijalno strujanje na rotorsko kolo. Radijalni kompresori lakši su i mnogo efikasniji nego aksijalni kompresori za manje kompresijske omjere. Kod većih postrojenja koriste se aksijalni kompresori obzirom da su efikasniji (za veće kompresijske omjere). Isto tako u zrakoplovstvu se koriste aksijalni kompresori zbog viših kompresorskih omjera. Kompresor za rad koristi energiju nastalu zbog rada turbine obzirom da su turbina i kompresor najčešće na istom vratilu. Komprimirani zrak s plinovima izgaranja tvori radni medij koji ekspandira kasnije u turbini. b) Komora izgaranja Komora izgaranja sastoji se od dva cilindra. U prvom se odvija izgaranje prilikom čega se razvijaju visoke temperature te se tako štiti vanjski cilindar od djelovanja zračenja topline.
  • 17.
    Cilindri su meñusobnopovezani te se izmeñu njih odvija prostrujavanje zraka. Za izgaranje se dovodi 3-6 puta više zraka od teoretski potrebnog zbog sniženja maksimalnih temperatura. Komore izgaranja trebaju osigurati: stabilno izgaranje u širokim granicama opterećenja, jednoličnu raspodjelu temperatura dimnih plinova na izlazu iz komore izgaranja, da gubitak tlaka u komori izgaranja bude što manji. U klasičnom plinsko-turbinskom postrojenju možemo imati više komora izgaranja koje se slažu uzdužno, po obodu. Takvo slaganje koristimo kao bismo smanjili dimenzije. c) Kondenzator Kondenzator je klasični izmjenjivač topline koji „vraća“ paru natrag u tekuće stanje, nakon što ekspandira u turbini. Kondenzat se pumpama vraća natrag u proces. Tlak u klasičnom kondenzatoru je izuzetno mali (podtlak – oko 0,045 bara). Pošto je kondenzator izmjenjivač topline potrebno je osigurati i medij kojem će se ta topline predati kako bi se para ohladila do temperature kondenzata. Upravo zbog toga su termoelektrane smještene na rijekama, moru ili uz neki drugi vodeni izvor, kako bi se osigurao medij koji će preuzimati svu tu toplinu. Naravno postoji mogućnost da termoelektrana radi dvofazno, odnosno kao i toplana. Tada se ta para može odvoditi vrelovodima i služiti kao grijanje. d) Generator pare Za generator pare mogli bismo reći da čini središnji dio svake termoelektrane. Ukratko generator pare, što mu i samo ime kaže, služi za proizvodnju pare s odreñenim parametrima (temperature i tlaka) koja će se kasnije u turbini iskoristiti za proizvodnju električne energije. 3.2. Nuklearna elektrana Nuklearne elektrane mogu se smatrati i kao podvrsta termoelektrana, budući da je osnovna funkcionalna razlika jedino u načinu dobivanja vodene pare. Toplinsku energiju osigurava kontrolirana lančana reakcija nuklearnog goriva. Nuklearna elektrana je elektrana koja kao izvor energije koristi toplinu dobivenu u nuklearnom reaktoru, a po svemu ostalom se ne razlikuje bitno od termoelektrane koja koristi fosilno gorivo. Dobivanje električne energije u nuklearnim elektranama temelji se na oslobañanju toplinske energije pri cijepanju jezgre u reaktoru. Osloboñena je energija izvor za proizvodnju pare. Nuklearne se elektrane razlikuju prema tipu nuklearnog reaktora od kojih je najčešći reaktor hlañen i moderiran običnom vodom pod tlakom. Takva je i nuklearna elektrana Krško u čijoj je izgradnji sudjelovala i Hrvatska. 11
  • 18.
    12 Slika 1.4:Okvirni prikaz sastavnih dijelova nuklearne elektrane Princip rada Nuklearne elektrane kao gorivo koriste izotop urana U-235 koji je vrlo pogodan za fisiju. U prirodi se može naći uran sa više od 99% U-238 i svega oko 0.7% U-235. Dok U-238 apsorbira brze neutrone, U-235 se u sudarima sa sporim neutronima raspada na vrlo radioaktivne, fisijske produkte, a pri tom se oslobaña još brzih neutrona (slika). Usporavanjem tih brzih neutrona u sudarima s molekulama teške vode, koja se pri tome zagrijava, ostvaruje se lančana reakcija. Osloboñena toplina jest toliko željena energija. U nuklearnim reaktorima se taj proces dogaña cijelo vrijeme u strogo kontroliranim uvjetima (izuzevši nekoliko trenutaka u Černobilu). Iako urana u prirodi ima relativno puno (sto puta više od srebra) izotopa U-235 ima malo. Zbog toga se provodi postupak obogaćivanja urana. Princip oslobañanja nuklearne energije. Nekontrolirani proces se zove atomska bomba, a kontrolirani proces je nuklearni reaktor. U konačnoj upotrebljivoj fazi, nuklearno gorivo biti će u formi tableta dugih oko dva i pol centimetra. Jedna takva tableta može dati otprilike istu količinu energije kao i jedna tona ugljena. Energija koja se oslobaña sudaranjem neutrona sa uranom koristi se za zagrijavanje vode. Ta voda (para) tada pokreče generator, a nakon toga treba je rashladiti i ponovo vratiti u
  • 19.
    reaktor. Za toje potreban stalan i veliki protok vode oko jezgre reaktora. Na primjer nuklearna elektrana Krško koristi rijeku Savu za hlañenje. 13 Slika 1.5: Shema osnovnih dijelova nuklearne elektrane Osnovni dijelovi nuklearne elektrane su: · Nuklearni reaktor – ureñaj u kojemu se održava kontrolirana nuklearna reakcija, a proizvedena toplina se odgovarajućim prijenosnim medijem izvodi iz reaktora; · Parogenerator – izmjenjivač topline u kojem rashladno sredstvo reaktora predaje dio svoje toplinske energije vodi odnosno pari u sekundarnom krugu nuklearne elektrane; · Cirkulaciona crpka rashladnog sredstva reaktora omogućava cirkulaciju rashladnog sredstva u primarnom krugu reaktora · Tlačnik – održava potreban tlak i kompenzira promjene volumena rashladnog sredstva uslijed promjene temperature · Zaštitna posuda – služi za smještaj i zaštitu primarnog kruga NE i dijela reaktorskog pomoćnog postrojenja
  • 20.
    14 Jezgru reaktora(tip PWR) čine: · Gorivi elementi: cijevi od specijalnih legura ispunjene UO2 · Regulacijske i zaustavne šipke · Moderator: ima funkciju usporavanja procesa fisije (neutrone) · Rashladni fluid · Konstrukcijski elementi Nuklearne elektrane se obično dijele s obzirom na vrstu rashladnog sredstva reaktora: 1. Reaktori hlañeni i moderirani običnom vodom pod tlakom, PWR (Pressurized Water Reactor) – npr. NE Krško 2. Reaktori hlañeni i moderirani kipućom vodom, BWR (Boiling Water Reactor) 3. Reaktori hlañeni i moderirani teškom vodom, HWR (Heavy Water Reactor) 4. Reaktori hlañeni plinom i moderirani grafitom, GCR (Gas Cooled Reactor), AGR (Advanced Gas Reaktor), HTGR (High Temperature Gas Reaktor) 5. Brzi oplodni reaktori hlañeni tekućim metalima, nemaju moderatora, LMFBR (Liquid Metal Fast Breeder Reactor) Značajke uporabe nuklearne energije: · Električna energija proizvedena u nuklearnim elektranama jedna je od najjeftinijih proizvedenih u nisko-ugljičnim tehnologijama; · Pouzdanost proizvodnje električne energije iz nuklearnih elektrana vrlo je visoka, primjerice za moderne nuklearne elektrane faktor nazivnog opterećenja iznad je 90%; · Sigurnost rada modernih nuklearnih elektrana, uz primjenu sveobuhvatnog i efikasnog regulatornog okvira, iznimno je visoka. Komparacija smrtnih slučajeva po TWh proizvedene električne energije: · broj najveća je smrtnost kod hidroelektrana (101 slučaj po TWh) · termoelektrane na ugljen (39 slučajeva po TWh) · termoelektrane na plin (10 slučajeva po TWh) · NE (1 slučaj po TWh - uključujući i Černobilsku nesreću)
  • 21.
    Reaktori u Černobilune mogu biti mjerodavni za procjenu sigurnosti ostalih tipova NE – nisu grañeni uz poštivanje opće prihvaćenih kriterija sigurnosti, ali nisu ni temelj nuklearne energetike ni u jednoj zemlji izvan zemalja bivšeg SSSR. Slika 1.6: Usporedba neophodnih količina primarnih oblika energije za godišnju proizvodnju 15 električne energije u postrojenju snage 1 GW Prednosti: · PWR reaktori su vrlo stabilni zbog njihove tendencije proizvodnje manje snage kako temperatura raste; ovo čini rad sa PWR reaktorima lakšim sa gledišta stabilnosti; · PWR reaktori mogu raditi sa jezgrom sa manje fisijskog nego što je potrebno za kritičnu reakciju. Ovo svojstvo uvelike smanjuje šansu da će reaktor izmaći kontroli, što ih čini relativno sigurnim od kritičnih nesreća. Zbog toga što koriste obogaćeni uran kao gorivo PWR reaktori mogu raditi sa običnom vodom kao moderatorom umjesto znatno skuplje teške vode; · Primarni i sekundarni krug su odvojeni pa voda u sekundarnom krugu nije onečišćena radioaktivnim tvar.
  • 22.
    16 Nedostatci: ·Visoki tlak rashladne vode zahtjeva čvršće cijevi i kućište reaktora, što povećava troškove same konstrukcije; · Visoki tlak može povećati posljedice curenja rashladne vode; · Većina PWR reaktora ne mogu biti dopunjeni za vrijeme rada što smanjuje vrijeme upotrebe reaktora a samim time i financijske gubitke; · Prirodni uran sadrži samo 0.7% U-235 izotopa potrebnog za nuklearnu reakciju. Zbog toga je potrebno umjetno obogaćivati uran, što poskupljuje samo gorivo. Zbog toga što se koristi voda kao neutronski moderator nije moguće sagraditi brzi neutronski reaktor u PWR izvedbi. 4. STANJE PRIMJENE U HRVATSKOJ HEP Proizvodnja d.o.o. je društvo s ograničenom odgovornošću s ishoñenim dozvolama za obavljanje dvije energetske djelatnosti: proizvodnju električne energije za tarifne kupce i proizvodnju toplinske energije za centralne toplinske sustave gradova Zagreb, Osijek i Sisak. HEP Proizvodnja proizvodi električnu energiju u 25 hidroelektrana organiziranih u tri proizvodna područja (sjever,zapad i jug), u samostalnom pogonu HE Dubrovnik, te u 4 termoelektrane, a u tri termoelektrane-toplane se u spojenim proizvodnim procesima proizvodi električna i toplinska energija.
  • 23.
    17 Tablica 1.1:Prikaz proizvodnje energije u Hrvatskoj Raspoloživa snaga za proizvodnju: Akumulacijske HE 1 308 MW Protočne HE 421 MW Reverzibilna HE 276/240 MW Kondenzacijske TE 878 MW Termoelektrane toplane 492 MW el + 788 MW t pare + 570 t/h tople vode Ukupna snaga za: proizvodnju električne energije 2 465 MWe proizvodnu toplinske energije 788 MW t pare+ 570 t/h tople vode Ukupna proizvodnja u 2007; električna energija toplina u vlastitim objektima HEP-a u RH 9 801 GWh 2 255 GWh u TE Plomin 2 1 401 GWh Prosječna ostvarena raspoloživost elektrana: 94 % U 2007. godini, hidroelektrane HEP Proizvodnje d.o.o. proizvele su 5.979 GWh, a termoelektrane 3.860 GWh. HEP Proizvodnja d.o.o. u ime ispred HEP grupe ugovor o voñenju i održavanju postrojenja TE Plomin 2, u kojem je proizvedeno 1.403 GWh. Tablica 1.2: Prikaz TE u Hrvatskoj, njihovih snaga i pogonskih goriva Termoelektrane Raspoloživa snaga na pragu (MW) Gorivo TE Sisak 396 loživo ulje / prirodni plin TE-TO Zagreb 337 prirodni plin / loživo ulje TE Rijeka 303 loživo ulje TE Plomin 1 98 ugljen EL-TO Zagreb 90 prirodni plin / loživo ulje KTE Jertovac 83 prirodni plin / ekstralako ulje TE-TO Osijek 90 loživo ulje / prirodni plin TE Plomin 2* 192 ugljen Ukupno: 1589
  • 24.
    18 Slika 1.7:Prikaz današnjih udjela pojedinih izvora za proizvodnju električne energije 5. TERMOELEKTRANE U HRVATSKOJ 5.1. Zagreb Proizvodni kapaciteti toplinske energije u Zagrebu, u vlasništvu Hrvatske elektroprivrede (HEP), smješteni su u dvije kogeneracijske elektrane, u Termoelektrani-toplani Zagreb (TE-TO Zagreb) i u Elektrani-toplani Zagreb (EL-TO Zagreb), te u 61 kotlovnici. Jedinice za proizvodnju topline u kogeneracijskim elektranama sastoje se od kogeneracijskih blokova, te parnih i vrelovodnih kotlova. Pogon Posebne toplane proizvodi, prenosi i distribuira toplinu potrošačima pomoću tople vode. Proizvodne jedinice nalaze se u 61 kotlovnici, s instaliranim toplovodnim kotlovima, koji rade na 110/70°C ili 90/70°C temperaturnom režimu, a transport i distribucija se vrši kroz 50 zasebnih toplovodnih mreža.
  • 25.
    19 a) TE-TOZagreb Opći podaci: · položaj: Zagreb, Žitnjak · tip elektrane: kogeneracijska (spojena) proizvodnja električne i toplinske energije · vrsta goriva: o g1: prirodni plin ili spec. lako ulje za loženje o g2: teško loživo ulje / plin · ukupna snaga: 328 MWe / 740 MW t · proizvod: električna i toplinska energija Tablica 1.3: Prikaz proizvodnje TE-TO Zagreb Godišnja proizvodnja Prosjek od 2002. u 2007. Toplinska energija 3 213 060 GJ 3 452 964 GJ Tehnološka para 248 872 t 233 775 t Električna energija - prag 1 279 GWh 1577 GWh b) EL-TO Zagreb Opći podaci: · položaj: Zagreb, Trešnjevka · tip elektrane: kogeneracijska · proizvodnja: električne i toplinske energije · vrsta goriva: o g1: prirodni plin o g2: teško lož ulje / plin · ukupne snaga: 86.8 MWe / 342,34 MW t +180 t/h
  • 26.
    20 Tablica 1.4:Prikaz proizvodnje EL-TO Zagreb Godišnja proizvodnja prosječna 2001.-05. u 2007. Toplinska energija 2.406.354 GJ 2.875.256 GJ Tehnološka para 495.407 t 475.560 t Električna energija - prag 382 GWh 357 GWh 5.2. Osijek Proizvodne jedinice Pogona Osijek smještene su u jednoj kogeneracijskoj elektrani - Termoelektrani-toplani Osijek (TE-TO Osijek) i jednoj toplani (Toplana). U pogon Osijek takoñer ulazi i sistem od 3 blok kotlovnice. Kogeneracijski blokovi smješteni su u TE-TO Osijek, dok se u Toplani nalaze parni i vrelovodni kotlovi za pokrivanje vršnih opterećenja. Svi kotlovi u blok kotlovnicama su toplovodni (110/70°C). Vrelovodni i parni potrošači koriste toplinu samo za grijanje, a potrošači priključeni na blok kotlovnice i za pripremu potrošne tople vode. TE-TO Osijek Opći podaci: · položaj: Osijek · tip elektrane: kogeneracijska · proizvodnja: električne i toplinske energije · vrsta goriva: o g1: prirodni plin / l.ulje o g2: teško lož ulje / plin · ukupna snaga: 89 MWe / 139 MW t +50 t/h Tablica 1.5: Prikaz proizvodnje TE-TO Osijek Godišnja proizvodnja prosječna od 1991. u 2007. Toplinska energija 657 492 GJ 657 778 GJ Tehnološka para 170 500 t 161 809 t Električna energija - prag 192 GWh 124 GWh
  • 27.
    21 5.3. Sisak Toplinarstvo Sisak d.o.o u vlastitoj energani na lokaciji Željezare Sisak proizvodi toplinsku energiju u obliku vodene pare, a ostatak kupuje od INA Rafinerije Sisak. Prijenos topline do naselja Caprag obavlja se parom koja se u tri glavne izmjenjivačke stanice unutar naselja Caprag transformira u izmjenjivačima topline para/topla voda i distribuira do potrošača u obliku tople vode. Isti princip koristi se za opskrbu potrošača u naselju Brzaj samo što se toplina od glavne toplinske stanice do potrošača distribuira pomoću vrele vode. Vezano uz poslovanje sektora toplinarstva u Hrvatskoj, polovica od ukupnih troškova poslovanja otpada na troškove goriva. Rast cijena energetskog goriva rezultirao je negativnim poslovnim rezultatom, jer nije bilo automatizma u porastu cijena topline uzrokovanih porastom cijena goriva za proizvodnju te topline. TE Sisak Opći podaci:. · položaj: Sisak, Čret, četiri kilometra nizvodno od Siska na desnoj obali Save · tip elektrane: kondenzacijska termoelektrana s dva bloka : svaki blok ima dva parna kotla i po jednu parnu turbinu · vrsta goriva: teško lož ulje, plin · ukupna snaga: 420 MW (2x210 MW) · vrste proizvoda: električna energija, tehnološka para Tablica 1.6: Prikaz proizvodnje TE Sisak Godišnja proizvodnja prosječna u 2007. Tehnološka para (15 bar, 300°C) 105 305 t Električna energija - prag 1197 GWh 1206 GWh
  • 28.
    22 5.4. Rijeka Termoelektrana Rijeka I najveći je pogon u elektro-gospodarstvu Primorsko goranske županije. S instaliranim 320 MW snage (303 MW na izlazu), čini 62% ukupnog potencijala Županije. Locirana na području Urinja u općini Kostrena, termoelektrana je iskoristila niz lokacijskih prednosti, kao što su: - jednostavno i ekonomično pretvaranje tekućeg goriva u električnu energiju te prijenos te energije dalekovodima, - blizina rafinerije osigurava opskrbu gorivom kratkim cjevovodom, pa su izbjegnute poteškoće i troškovi transporta goriva, - neograničene su količine morske vode za hlañenje, a mala visina pumapanja vode smanjuje vlastitu potrošnju energije. Po svojoj opremi i tehnologiji Termoelektrana Rijeka I je vodeća u Hrvatskoj. Zbog relativno visoke cijene tekućih goriva i razvoja hrvatskog elektroenergetskog sistema, Termoelektrana Rijeka I je koncipirana kao fleksibilan blok, s ulogom zadovoljavanja temeljne energije i pokrivanja tzv. "srednjeg dijela dijagrama" u dnevnoj potrošnji elektroenergetskog sistema. Budući rad termoelektrane moguće je sagledati jedino kroz jedinstveni integralni elektroenergetski sustav Hrvatske. Glavni pravci razvoja usmjereni su na revitalizaciju i dogradnju kapaciteta. U tu svrhu unutar lokacije na Urinju pored dva postojeća rezervoara za mazut kapaciteta 20. 000 tona izgrañen je i jedan novi kapaciteta 60.000 tona. Aktualni planovi razvoja HEP-a ne sadrže povećenje kapaciteta ovog pogona niti njegovo širenje izvan granica postojeće lokacije.
  • 29.
    23 Slika 1.8:Shema rashladnog sustava TE Rijeka Opis rashladnog sustava: Termoelektrana spada u kondenzacione i koristi morsku vodu kao rashladni medij. Glavni rashladni sustav TE Rijeka spada u grupu jedno-prolaznih rashladnih sustava kod kojeg je rashladni medij morska voda. Njegova osnovna uloga je ukapljivanje vodene pare u kondenzatoru. Uz to, služi i za hlañenje ostalih postrojenja u termoelektrani. Rashladni sustav sastoji se od usisnih cjevovoda, usisnog bazena sa ureñajima za pročišćavanje, dvije glavne pumpe morske vode, tlačnog cjevovoda do kondenzatora, kondenzatora, odvodnog cjevovoda od kondenzatora do ispusta i izlazne grañevine. Morska voda kroz dvije usisne cijevi ulazi u usisni bazen u kojem se iz vode filtriranjem odstranjuju krupna onečišćenja. Zatim se pomoću dvije pumpe tlači kroz zajednički vod do kondenzatora pare i nakon prolaska kroz kondenzator vodi do vodoispusnog bazena gdje se ispušta u more. Manji dio vode iz tlačnog dijela rashladnog sustava prolazi kroz rashladnike zatvorenog ciklusa koji je sekundarni sustav hlañenja. Na rashladni sustav priključen je vakuum sustav koji pored osnovne funkcije održanja niskog apsolutnog tlaka na parnoj strani kondenzatora ima zadatak održavanje nužne piezometričke visine, odnosno sifonskog efekta u rashladnom sustav.
  • 30.
    24 TE Rijeka Opći podaci: · položaj: jugoistočno od Rijeke, na morskoj obali · tip elektrane: regulacijska kondenzacijska, kotao i jedna parna turbina · vrsta goriva: teško loživo ulje · ukupna snaga: 320 MW · vrste proizvoda: električna energija · godina izgradnje: 1974.-1978
  • 31.
    25 POGLAVLJE 2. DECENTRALIZIRANI ENERGETSKI SUSTAVI
  • 32.
    26 1. UVOD Energetika kao bitna infrastrukturna djelatnost osnovna je pretpostavka razvitka gospodarstva. Decentraliziranim energetskim sustavima ( DES) s uporabom fosilnih i obnovljivih izvora energije, te planiranju optimalne dobave toplinske i rashladne energije posvetit će se posebna pozornost, a sve radi smanjenja potrošnje fosilnih goriva i poticanja gospodarskog razvitka uz potpunu i održivu primjenu lokalnih resursa. Pod širokim pojmom decentralizirani energetski sustavi (DESi) obuhvaćeni su svi sustavi, postrojenja i ureñaji za konverziju energije, koji nisu pod izravnom kontrolom Centralnog energetskog sustav, već predstavljaju nezavisne izvore energije za individualne i lokalne, stambene i gospodarske potrebe. Kod decentraliziranog energetskog sustava transformacija energije je decentralizirana: približena grupi potrošača ili locirana kod potrošača, te točno usklañena s dinamikom njihovih potreba. Tu energetsku transformaciju obavlja sam potrošač pa transport energije nije potreban. Decentralizirani energetski sustavi (DESi) s uporabom fosilnih i obnovljivih izvora zadovoljavaju sve aspekte općenito prihvaćenog civiliziranog odnosa prema energiji, a komplementarni su Centralnom energetskom sustavu, nadopunjavajući ga i olakšavajući mu izvršenje njegova osnovnog zadatka, a to je sigurna dobava jeftinije energije na svakom dijelu državnog teritorija. Male kogeneracije u industriji, javnim zgradama, hotelijersko-rekreacijskim kompleksima, komunalnim energanama i sl. tipični su primjer decentraliziranih energetskih sustava, koji koriste kvalitetna fosilna goriva. Spalionice komunalnog i industrijskog otpada, te biomase, vjetroelektrane, geotermalne energane, male hidroelektrane, sunčevi apsorberi za proizvodnju tople vode, krovni fotonaponski paneli i sl. tipični su primjer DES-a s uporabom obnovljivih energetskih izvora. Proces decentralizacije energetske opskrbe, intenzivno primjenjivan i aktualan u svijetu posljednjih desetak godina, nije nipošto novi koncept energetske opskrbe, već predstavlja povratak počecima proizvodnje električne energije i svih drugih potrebnih oblika energije na jednom mjestu, odnosno početku dvadesetog stoljeća. Tada je decentralizirana istodobna proizvodnja električne, toplinske i rashladne energije - kogeneracija i trigeneracija bila široko zastupljena u industriji, no zakonska regulativa i niže cijene kupljene negoli proizvedene električne energije intenzivirale su proces centralizacije proizvodnje električne energije. Unatoč tome, zbog primjena u elektroindustriji te temeljem zbog napretka tehnologije, tržište malih kogeneracijskih postrojenja evoluira i to naročito u procesnoj industriji, gdje su prosječne instalirane snage postrojenje veće od 10-30 MW, u šumarstvu i industriji gdje se kao pogonsko gorivo koristi biomasa, energetskom sustavima koji osiguravaju toplinsku i rashladnu
  • 33.
    energiju za mrežuod više objekata, malim industrijskim sustavima gdje se kogeneracijom poboljšava stupanj iskorištavanja u odnosu na samu proizvodnju tehnološke pare i postiže povećanje kapaciteta, rezidencijalnim sustavima za jedno ili više domaćinstava potrebne instalirane snage od 10 kW do 300 kW ( primjena u rezidencijalnom sektoru, mikrokogeneracije, najraširenija je u Japanu i SAD-u uz primjenu mikroturbina i malih plinskih motora). 27 2. OSNOVNE ZNAČAJKE DES-a · transformacija energije je decentralizirana: približena grupi potrošača ili locirana kod potrošača i usklañena s njihovim potrebama (industrijski pogoni, javni objekti, rekreacijski i turistički kompleksi, otočne i komunalne energane); · koriste se visokokvalitetna fosilna goriva (prirodni ukapljeni plin, dizelsko gorivo), ali i obnovljivi izvori energije (sunce, vjetar, biomasa, geotermalni izvori, bioplin, tehnološki plinovi); · otpadaju ili se bitno smanjuju gubici i troškovi prijenosa energije do mjesta potrošnje; · u mnogim slučajevima (uglavnom kod obnovljivih izvora) otpadaju i troškovi dobave primarnih energenata; · zahvaljujući usavršenosti opreme za konverziju energije postiže se visoki stupanj djelovanja i ekonomičnosti i kod jedinica malih snaga; · ne zahtijevanju velika kapitalna ulaganja, a vrlo često je i povrat kapitala iznimno brz, što je vrlo povoljno i za domače ulagače i za ulaganja hrvatske dijaspore; · omogućuju disperziju visokostručnih kadrova (lokalno izvan glavnih centara); · prikladni su za zajednička ulaganja privatnog i javnog sektora (Public Private Partnershop- PPP); · odgovaraju energetskoj i prostornoj strategiji razvitka primjerice Hrvatske, integralnom planiranju regionalnih resursa, nacionalnom ekološkom programu, malom i obiteljskom gospodarstvu, te programu energetske efikasnosti; · nadomještavaju i podupiru CES u teško pristupačnim i energetski ekstenzivnim područjima (udaljeni otoci, nepristupačna planinska područja); · prihvatljivi su za potrošače, uglavnom otpada problem lokacije, ali znatno ovisi o umreženom plinu, distributivnom lancu tekućih goriva i ukapljenom plinu, ali i o potpori centralnog EES-a;
  • 34.
    · u područjimaveće energetske gustoće prikladni su za centralizirano grijanje odnosno hlañenje i opskrbu električnom energijom uz procesorsko upravljanje i individualno mjerenje potrošnje. 28 3. PODJELA TEHNOLOGIJE DES-A 3.1. Obnovljivi izvori energije Obnovljive izvore energije možemo podijeliti u dvije glavne kategorije: tradicionalne obnovljive izvore energije poput biomase i velikih hidroelektrana, te na takozvane "nove obnovljive izvore energije" poput energije Sunca, energije vjetra, geotermalne energije itd. Iz obnovljivih izvora energije dobiva se 18% ukupne svjetske energije (2006), ali je većina od toga energija dobivena tradicionalnim iskorištavanjem biomase za kuhanje i grijanje - 13 od 18%. Od velikih hidroelektrana dobiva se dodatnih 3% energije. Prema tome, kad izuzmemo tradicionalne obnovljive izvore energije jednostavno je uračunati da takozvani "novi izvori energije" proizvode samo 2,4% ukupne svjetske energije. 1,3% otpada na instalacije za grijanje vode, 0,8% na proizvodnju električne energije i 0,3% na biogoriva (www.izvorienergije.com/obnovljivi_izvori_energije.html). Taj udio u budućnosti treba znatno povećati jer neobnovljivih izvora energije ima sve manje, a i njihov štetni utjecaj sve je izraženiji u zadnjih nekoliko desetljeća. Sunce isporučuje Zemlji 15 tisuća puta više energije nego što čovječanstvo u sadašnjoj fazi uspijeva potrošiti, ali usprkos tome neki ljudi na Zemlji se smrzavaju. Iz toga se vidi da se obnovljivi izvori mogu i moraju početi bolje iskorištavati i da ne trebamo brinuti za energiju nakon fosilnih goriva. 3.1.1. Energija vjetra - vjetroelektrane Iskorištavanje energije vjetra je najbrže rastući segment proizvodnje energije iz obnovljivih izvora. U zadnjih nekoliko godina turbine na vjetar znatno su poboljšane. Najbolji primjer je njemačko tržište turbina na kojemu se prosječna snaga od 470 kW (1995.) povećala na 1280 kW (2001.). Ovo povećanje snage postiglo se odgovarajućim povećanjem veličine turbina gonjenih vjetrom. Trenutno su u razvoju turbine koje će moći generirati snagu izmeñu 3 i 5 MW. Neki proizvoñači već su predstavili svoje prototipove u tom razredu snage. Osim naziva vjetroelektrane, koristimo i nazive vjetrenjače, vjetrogenerator, električne turbine na vjetar i slično.
  • 35.
    Zbog početne ekonomskeneisplativosti i nestalnosti vjetra, instalacija vjetrenjača je privilegija koju si mogu priuštiti samo bogate zemlje. Trenutno je cijena vjetrenjače veća od cijene termoelektrana po MW instalirane snage, ali razvojem tehnologije ta cijena je sve manja. 29 Slika 2.1: Trenutni trend instaliranja vjetroelektrana u svijetu Njemačka je trenutni lider u proizvodnji električne energije iz vjetra i predstavlja više od jedne trećine ukupno instalirane snage vjetroelektrana u svijetu. U Španjolskoj, Danskoj i Italiji takoñer raste instalirani kapacitet. U Hrvatskoj za sada nema većih dosega na tom području. Studije su pokazale da kod nas instaliranje generatora na vjetar ne bi bilo isplativo čak ni na nekim otocima gdje vjetar puše skoro cijelu godinu. Unatoč tome izgrañeno je polje vjetrenjača na otoku Pagu, Pag-Ravna1 (2005.) snage 5,95 MW, te polje vjetrenjača kod Šibenika, Trtar-Krtolin (2006.) snage 11,2 MW. Naizgled, pozicija je idealna za vjetrenjače jer većina ljudi odmah pomisli na senjsku buru u podvelebitskom kanalu, ali ta bura koja kadkada puše i preko 150 km/h nije dobra za generiranje struje jer takav vjetar može jedino razbiti vjetrenjaču. Povaljan vjetar je onaj koji je umjeren i stalan, a takav je npr. mestral koji puše ljeti s mora na kopno. Energija vjetra je transformirani oblik sunčeve energije. Sunce neravnomjerno zagrijava različite dijelove Zemlje i to rezultira različitim tlakovima zraka, a vjetar nastaje zbog težnje za izjednačavanjem tlakova zraka. Postoje djelovi Zemlje na kojima puše tzv. stalni (planetarni) vjetrovi i na tim područjima je iskorištavanje energije vjetra najisplativije. Dobre pozicije su obale oceana i pučina mora. Pučina se ističe kao najbolja pozicija zbog stalnosti vjetrova, ali cijene instalacije i transporta energije koče takvu eksplotaciju.
  • 36.
    Kod pretvorbe kinetičkeenergije vjetra u mehaničku energiju (okretanje osovine generatora) iskorištava se samo razlika brzine vjetra na ulazu i na izlazu. Albert Betz, njemački fizičar dao je još davne 1919. godine zakon energije vjetra. Njime je dan kvalitetan aspekt znanja iz mogućnosti iskorištavanja energije vjetra i turbina na vjetar. Njegov zakon kaže da možemo pretvoriti manje od 16/27 ili 59% kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju pomoću turbine na vjetar. 59% predstavlja teoretski maksimum, ali u praksi se može pretvoriti izmeñu 35% i 45% energije vjetra. 30 Slika 2.2: Princip pretvorbe i način priključivanja vjetrenjače na električnu mreži Za mjeru ove energije upotrebljavamo termin kilovat sat (kWh) ili megavat sat (MWh) tokom odreñenog vremena: jednog sata, jedne godine. Vjetrovne turbine maksimalno rade 75% sati od ukupnog broja sati tokom godine: 8760 sati. Meñutim, koliko električne energije turbine mogu proizvesti ovisno o distribuciji brzine vjetra za svaku turbinu posebno. Vjetroelektrane povećavaju pouzdanost opskrbe električnom energijom decentraliziranih energetskih sustava te se na taj način smanjuje ovisnost o centraliziranim energetskim sustavima, a ujedno se povećava postotak korištenja energije iz obnovljivih izvora. Kao dobre strane iskorištavanja energije vjetra ističu se: · borba protiv globalnog zagrijavanja, Kyoto protokol; · vjetroelektrane su energetska postrojenja bez štetnih emisija; · smanjuje se nacionalna ovisnost o uvozu fosilnih goriva;
  • 37.
    · vjetar jeobnovljivi izvor energije s velikim potencijalom, besplatan je, dostupan 31 je svima i ne može se potrošiti; · pridonosi ukupnom gospodarskom rastu, razvojudomaće industrije i uključivanje domaćih tvrtki u razvoj i zapošljavanje; · brza i lagana montaža/demontaža cijelog postrojenja beznegativnog utjecaja na kvalitetu okoliša. Loše strane su visoki troškovi izgradnje i promjenjivost brzine vjetra (ne može se garantirati isporučivanje energije). Buka koju stvaraju predstavlja jedan od ključnih problema, te zbog toga dolazi do promjene u životinjskom svijetu toga područja. U cilju stvaranja uvjeta za gospodarsko korištenje energije vjetra Vlada Republike Hrvatske pokrenula je nacionalni energetski program ENWIND. Odabrani su demonstracijski pilot-projekti koji trebaju potvrditi opravdanost ulaganja te pridonijeti stvaranju slike tipičnog hodograma kroz projekte u specifično hrvatskim okolnostima. Temeljem dostupnih meteoroloških podloga, prostorne raspoloživosti, zaštite okoliša te niza drugih kriterija odabrano je 29 makro-područja pogodnih za korištenje energije vjetra, unutar kojih su preliminarno izdvojene mikro-lokacije te je za odabrane vjetroelektrane, raspoložive na komercijalnom tržištu, simulacijom ocijenjena moguća proizvodnja električne energije iz energije vjetra. Za 29 lokacija hrvatske obale i otoka procijenjeno je da je moguće instalirati minimalno oko 370 MW vjetroelektrana s godišnjom proizvodnjom od oko 800 GWh/god., ako se koriste vjetroelektrane klase 750 kW. Za domaćinstva vrlo su interesantne male vjetrenjače snage do nekoliko desetaka kW. One se mogu koristiti kao dodatni izvor energije ili kao primarni izvor energije u udaljenim područjima. Kada se koriste kao primarni izvor energije nužno im se dodaju baterije (akumulatori) u kojima se energija sprema kada se generira više od potrošnje. Velike vjetrenjače često se instaliraju u park vjetrenjača i preko transformatora spajaju na električnu mrežu.
  • 38.
    32 Slika 2.3:Shema postrojenja za iskorištavanje energije vjetra s vodoravnom osi vrtnje Osnovni dijelovi vjetroturbine: rotor vjetroturbine, vratila s prijenosnikom, električni generator i ostali dijelovi električnog sustava (spoj na mrežu, nužno napajanje i sl), regulacijski sustavi (aerodinamičko i zračno kočenje, zakretanje kućišta, nadzor i komunikacije itd), stup, temelj. 3.1.2. Energija sunca Sunce je nama najbliža zvijezda te, neposredno i posredno, izvor gotovo sve raspoložive energije na Zemlji. Sunčeva energija potječe od nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gdje temperatura doseže 15 milijuna °C. Radi se o fuziji, kod koje spajanjem vodikavih atoma nastaje helij, uz oslobañanje velike količine energije. Svake sekunde na ovaj način u helij prelazi oko 600 milijuna tona vodika, pri čemu se masa od nekih 4 milijuna tona vodika pretvori u energiju. Ova se energija u vidu svjetlosti i topline širi u svemir pa tako jedan njezin mali dio dolazi i do Zemlje. Iako je sunčeva energija uzročnik većine izvora energije, u nastavki ću se koncentrirati na direktno iskorištavanje sunčeve energije.
  • 39.
    Pod optimalnim uvjetima,na površini Zemlje može se dobiti 1 kW/m2, a stvarana 33 vrijednost ovisi o lokaciji, godišnjem dobu, dobu dana, vremenskim uvjetima itd. U Hrvatskoj je prosječna vrijednost dnevne insolacije na horizontalnu plohu 3-4.5 kWh/m2. Osnovni problemi iskorištavanja su mala gustoća energetskog toka, velike oscilacije intenziteta zračenja i veliki investicijski troškovi. Dobre strane korištenja sunčeve energije: · značajno smanjenje ovisnosti o uvoznoj energiji te «preusmjerenje» energije, koja bi bila potrošena na zagrijavanje PTV, u druge korisne oblike pretvorbe, · OIE su klasično decentralizirani izvori energije koji doprinose sigurnosti elektroenergetskog sustava, · analize i iskustva iz prakse zemalja s uspješnim razvojem OIE (Španjolska, Njemačka, Danska) pokazuju da OIE pridonose bržem razvoju lokalnih područja i većem zapošljavanju nego u slučaju neobnovljivih izvora i manjem ekološkom onečišćenju, · zadovoljenje uvjeta EU i Kyoto protokola. Osnovni principi direktnog iskorištavanja energije Sunca su: · solarni kolektori- pripremanje vruče vode i zagrijavanje prostorija · fotonaponske čelije- direktna pretvorba sunčeve energije u električnu energiju · fokusiranje sunčeve energije- upotreba u velikim energetskim postrojenjima Solarni kolektori U njima se sunčeva energija pretvara u toplinsku energiju vode (ili neke druge tekućine). Sistemi za grijanje vode mogu biti ili otvoreni, u kojima voda koju treba zagrijati prolazi direktno kroz kolektor na krovu ili zatvoreni, u kojima su kolektori popunjeni tekućinom koja se ne smrzava. Zatvoreni sustavi mogu se koristiti bilo gdje, čak i kod vanjskih temperatura ispod nule. Fotonaponske ćelije Predstavljaju poluvodičke elemente koji direktno pretvaraju električnu energiju sunčeva zračenja u električnu energiju. Efikasnost im je od 10% za jeftinije izvedbe s amorfnim silicijem, do 25% za skuplje izvedbe. Za sada su još uvijek nerentabilni zbog previsoke cijene.
  • 40.
    Fotonaponske ćelije moguse koristiti kao samostalni izvor energije ili kao dodatni izvor energije. Kao samostalni izvor energije koristi se npr. na satelitima, cestovnim znakovima, kalkulatorima i udaljenim objektima koji zahtijevaju dugotrajni izvor energije. U svemiru je i snaga sunčeva zračenja puno veća jer Zemljina atmosfera apsorbira veliki dio zračenja pa je i dobivena energija veća. Kao dodatni izvori energije fotonaponske ćelije mogu se na primjer priključiti na električnu mrežu, ali za sada je to neisplativo. 34 Slika 2.4: Shema fotonaponskih čelija Fotonaponski efekt počeo je 1839. godine promatrati Henri Becquerel i na početku dvadesetog stoljeća bio je predmetom mnogih istraživanja. U Europskoj Uniji trenutno je 40% godišnji rast instalirane snage fotonaponskih ćelija. To se naizgled čini kao velik rast, ali u biti radi se o vrlo malim količinama, pa rast od 40% ne utječe posebno na ukupnu zastupljenost takvih izvora energije. Fokusiranje sunčeve energije Fokusiranje sunčeve energije upotrebljava se za pogon velikih generatora ili toplinskih pogona. Fokusiranje se postiže pomoći mnogo leća ili češće pomoću zrcala složenih u tanjur ili konfiguraciju tornja. "Power tower" konfiguracije koriste kompjuterski kontrolirano polje zrcala za fokusiranje sunčevog zračenja na centralni toranj, koji onda pokreče glavni generator. Do sada su napravljeni demonstracijski sistemi koji imaju izlaznu snagu i iznad 10 MW. Ti novi sustavi imaju i mogućnost rada preko noći i u lošem vremenu tako da spremaju vruću tekućinu u vrlo efikasni spremnik (neka vrsta termo boce).
  • 41.
    "Dish" sistemi pratekretanje Sunca i na taj način fokusiraju sunčevo zračenje. Postoji još i "Trough" sistem fokusiranja sunčeva zračenja, koji može biti vrlo efikasan. Takve elektrane mogu biti vrlo jake: u Kaliforniji je instalirana elektrana snage 354 MW. Kada nema dovoljno energije od Sunca, sistemi koji fokusiraju sunčevo zračenje mogu se bez većih problema prebaciti na prirodni plin ili neki drugi izvor energije. To je moguće jer Sunce koristimo za grijanje tekućine, a kad nema sunca zagrijemo tekućinu ne neki drugi način. Problem kod fokusiranja je veliki potrebni prostor za elektranu, ali to se rješava tako da se elektrana radi npr. u pustinji. U pustinjama je ionako snaga sunčeva zračenja najizraženija. Veliki problem je i cijena zrcala i sustava za fokusiranje. 35 Slika 2.5: "Power Tower" konfiguracija Slika 2.6: "Dish" sistem fokusiranja 3.1.3. Energija vode - hidropotencijal Energija vode (hidroenergija) je najznačajniji obnovljivi izvor energije, a ujedno i jedini koji je ekonomski konkurentan fosilnim gorivima i nuklearnoj energiji. U posljednjih 30-ak godina proizvodnja energije u hidroelektranama je utrostručena, ali je time udio hidroenergije povećan za samo 50% (sa 2.2% na 3.3%). Korištenje hidroenergije ima svoja ograničenja. Ne može se koristiti posvuda jer podrazumijeva obilje brzo tekuće vode, a poželjno je i da je ima dovoljno cijele godine, jer se električna struja ne može jeftino uskladištiti. Da bi se poništio utjecaj oscilacija vodostaja grade se brane i akumulacijska jezera. To znatno diže cijenu cijele elektrane, a i diže se razina podzemnih voda u okolici akumulacije. Razina podzemnih voda ima dosta utjecaja na biljni i životinjski svijet, pa prema tome hidroenergija nije sasvim bezopasna za okoliš. Veliki problem kod akumuliranja vode je i zaštita od potresa. Procjenjuje se da je iskorišteno oko 25 % svjetskog hidroenergetskog potencijala. Većina neiskorištenog potencijala nalazi se u nerazvijenim zemljama, što je povoljno jer se u njima
  • 42.
    očekuje znatan porastpotrošnje energije. Najveći projekti, planirani ili započeti, odnose se na Kinu, Indiju, Maleziju, Vijetnam, Brazil, Peru... Rastuća potreba za energijom pri tome često preteže nad brigom o utjecajima na okoliš, a dimenzije nekih zahvata nameću dojam da je njihovo izvoñenje ne samo stvar energije nego i prestiža. Postoje tri osnovne vrste hidroelektrana: protočne, akumulacijske i reverzibilne 36 hidroelektrane. Po definiciji protočne hidroelektrane su one koje nemaju uzvodnu akumulaciju ili se njihova akumulacija može isprazniti za manje od dva sata rada kod nazivne snage. To znači da se skoro direktno koristi kinetička energije vode za pokretanje turbina. Takve hidroelektrane je najjednostavnije izvesti, ali su vrlo ovisne o trenutnom protoku vode. Prednost takve izvedbe je vrlo mali utjecaj na okoliš i nema dizanja razine podzemnih voda. Glavni dijelovi akumulacijske elektrane su: akumulacija, brana, zahvat, gravitacijski dovod, vodna komora, zasunska komora, tlačni cjevovod, strojarnica i odvod vode. Postoje dvije izvedbe akumulacijskih hidroelektrana: pribranska i derivacijska. Pribranska se nalazi ispod same brane, a derivacijska je smještena puno niže od brane i cjevovodima je spojena na akumulaciju. Akumulacijske hidroelektrane su najčešći način dobivanja električne energije iz energije vode. Problemi nastaju u ljetnim mjesecima kad prirodni dotok postane premali za funkcioniranje elektrane. U tom slučaju se brana mora zatvoriti i potrebno je održavati bar razinu vode koja je biološki minimum. a) Energija valova Oblik je kinetičke energije koja postoji u kretanju valova u oceanu, a kretanje valova uzrokuje puhanje vjetrova po površini oceana. Ta energija može biti iskorištena da pokrene turbine, te postoji dosta mjesta gdje su vjetrovi dovoljno snažni da proizvedu stalno kretanje valova. Ogromne količine energije kriju se u energiji valova te joj to daje ogromni energetski potencijal. Energija valova se direktno hvata ispod površine valova ili iz raznih fluktuacija pritisaka ispod površine. Tada ta energija može pogoniti turbinu, a najjednostavniji i najčešći način funkcioniranja je sljedeći: Val se diže u komori, a rastuće sile vode tjeraju zrak iz komore te tako pokretljivi zrak zatim pogoni turbinu, a koja onda pokreće generator.
  • 43.
    37 Slika 2.7:Oscillating water column Većina tehnologija za iskorištavanje energije valova još uvijek je orijentirana blizu obale, ili na samoj obali, a razlika meñu njima je u njihovoj orijentaciji prema valovima s kojima su u interakciji, te sa radnim principom uz pomoć kojega se energija valova pretvara u željeni oblik energije. Meñu najpopularnijom metodom je terminator devices kao što su oscilating water columns uobičajeno se nalaze na obali ili blizu same obale, a imaju princip rada gdje se šire perpendikularno s obzirom na smjer putovanja vala i gdje nakon što se snaga vala uhvati i reflektira, oscilating water column se nakon toga giba poput klipa gore-dolje, tjerajući zrak kroz otvor povezan s turbinom. b) Konverzija termalne energije oceana Metoda za stvaranje elektriciteta koja se služi temperaturnom razlikom koja postoji izmeñu duboke i plitke vode, jer je voda na većoj dubini hladnija. Ukoliko postoji veća temperaturna razlika, veća je i efikasnost čitave metode, a minimalna temperaturna razlika treba biti 38 stupnjeva Fahrenheita. Ova metoda ima dugu povijest funkcioniranja, te datira s početka 19. stoljeća. Većina stručnjaka smatra kako bi ova metoda dala dobar omjer ulaganja i koristi već sa postojećim tehnologijama bi se mogao proizvoditi gigawat električne energije. No to ipak nije slučaj danas jer OTEC zahtijeva ogromne, skupe cijevi velikih promjera koje se moraju postaviti barem kilometar duboko u more, a kako bi mogle dovoditi hladniju vodu sa većih dubina, a što je naravno vrlo skupo.
  • 44.
    38 Tipovi OTECsistema su sljedeći: · sistemi zatvorenog kruga · sistemi otvorenog kruga · hibridni sistemi Sistemi zatvorenog kruga koriste tekućinu sa niskim stupnjem vrelišta, najčešće amonijak, te na taj način pokreću turbinu, a koja onda stvara električnu energiju. Topla površinska morska voda se pumpa kroz izmjenjivač topline i tu se zahvaljujući niskoj točki vrelišta isparava, te takva novonastala para zatim pokreće turbo generator. Hladnija dublja voda se zatim upumpava kroz drugi izmjenjivač topline gdje zahvaljujući kondenzaciji prelazi natrag iz pare u tekućinu, a ta se tekućina zatim reciklira kroz sistem. Slika 2.8: Zatvoreni OTEC sistem Sistemi otvorenog kruga koriste tople površine tropskih oceana za dobivanje elektriciteta zahvaljujući činjenici što topla voda nakon što se stavi u kontejner sa niskim pritiskom, proključa. Nakon toga para koja se širi počinje tjerati turbinu sa niskim pritiskom spojenu na električni generator, te se na kraju kondenzira natrag u tekućinu zbog izloženosti hladnim temperaturama iz dubine oceana. Hibridni sistemi su dizajnirani na način koji kombinira pozitivne značajke, kako otvorenih, tako i zatvorenih sistema. Način rada kod hibridnih sistema uključuje toplu morsku vodu koja ulazi u vakuumsku komoru gdje se pretvara u paru (proces sličan kod sistema
  • 45.
    otvorenog tipa). Nakontoga para se vaporizira u tekućinu niskog vrelišta (kao kod zatvorenih sistema), a koja zatim pokreće turbinu te stvara električnu energiju. 3.1.4. Geotermalna energija Toplina u unutrašnjosti Zemlje rezultat je formiranja planeta iz prašine i plinova prije više od četiri milijarde godina, a radioaktivno raspadanje elemenata u stijenama kontinuirano regenerira tu toplinu, pa je prema tome geotermalna energija obnovljivi izvor energije. Ova energija se uglavnom generira iz Zemljine jezgre odnosno Zemljina središta budući da temperatura u središtu zemlje doseže i temperaturu preko 6000 °C što je dovoljno čak i za otapanje kamenja. Manji dio te energije generira se iz ljuske zemlje, odnosno zemljinog vanjskog sloja raspadom radioaktivnih elemenata koji se nalaze u svom kamenju (stijenama). Kako se spuštamo u dublje u Zemljinu unutrašnjost tako otprilike svakih 36 metara temperatura poraste za 1 °C. U prirodi se ta energija najčešće pojavljuje u formi vulkana, izvora vruće vode (toplica) i gejzira, odnosno na područjima gdje se toplina koncentrira blizu površine zemlje. Geotermalna energija se u nekim zemljama iskorištavala tisućama godina u formi toplica, odnosno rekreacijsko-ljekovitog kupanja te su već u prošlosti bili dobro poznati pozitivni terapeutsko-zdravstveni 39 učinci izvora vruće vode odnosna toplica. Glavna prednost geotermalne energije je u činjenici da se radi o obnovljivom izvoru energije, odnosno toplina unutrašnjosti zemlje neprestano izvire iz zemljine unutrašnjosti, a glavni nedostatak u činjenici da su najpodobnija područja za iskorištavanje geotermalne energije u područjima izražene vulkanske aktivnosti što znači da rasprostranjenost podobnih područja nije velika. Prednost takvih izvora energije je takoñer i u činjenici što geotermalne elektrane nemaju gotovo nikakav negativan učinak na okoliš i uspješno se daju implementirati u najrazličitijim okruženjima, od farma, osjetljivih pustinjskih površina pa sve do šumsko-rekreacijskih područja, a riječ je i o prilično jeftinom izvoru energije.
  • 46.
    40 Slika 2.9:Princip upotrebe geotermalne energije za proizvodnju električne energije Prvo je potrebno ekstrahirati geotermalnu energiju iz pare, vruće vode, odnosno iz vrućih kamenih slojeva zemljine unutrašnjosti. Uspjeh tog procesa ovisi o tome koliko će se voda zagrijati, a što ovisi o tome koliko je vruće kamenje bilo u startu te o tome koliko vode ispumpamo prema tom kamenju. Nakon toga se voda pumpa, odnosno ispušta kroz otvor za ubrizgavanje, te na taj način prolazi kroz pukotine vrućih slojeva zemljine unutrašnjosti te se zatim kroz povratni otvor vraća natrag na površinu pod velikim pritiskom te se pritom pretvara u paru kada doñe do površine. Tako dobivenu paru potrebno je odvojiti od slane vode što se obično odvija u centralnom postrojenju za odvajanje. Kada proces odvajanje slane vode od pare bude dovršen para se provodi do transferatora topline koji se nalaze u unutrašnjosti elektrane. Kada se para provede do transferatora topline moguće ju je provesti do parnih turbina gdje se može generirati u struju, a istovremeno se kroz ispušne ventile oslobaña neiskorištena energija. U transferatorima topline para se pod pritiskom hladi u kondenzate da bi se nakon toga toplina transferirala u hladnu vodu u kondenzacijskim transferatorima topline. Tako dobivena hladna voda pumpa se se iz izvora u skladišne spremnike iz kojih se provodi u transferatore topline gdje se vodi podiže temperatura za 85-90 stupnjeva Celzijusa. Tako zagrijana voda prolazi kroz deaeratore te se ključanjem vode odvaja otpušten kisik i ostali plinovi koji bi mogli uzrokovati koroziju nakon što se zagriju te je zbog toga potrebno rashladiti vodu na 82-85 stupnjeva Celzijusa. Dakle u biti se radi o procesu zagrijavanja vode, te njenom pretvaranju u paru koja se kasnije može koristiti bilo na način da se pomoću turbogeneratora proizvodi struja ili da ista prolazeći kroz transferatore topline grije vodu stvarajući tako potrebnu toplinu za grijanje kućanstava i industrijskih postrojenja.
  • 47.
    Efikasnost geotermalnog grijanjaje znatno veća od standardnih oblika grijanja. Geotermalna energija je 48% efikasnija od plinskih peći i više od 75% efikasnija od uljnih peći. Iskorištavanjem geotermalne energije ispušta se vrlo malo (katkad ništa) štetnih plinova i stakleničkih plinova u atmosferu, pa je prema tome geotermalno grijanje ekološki vrlo prihvatljiv oblik grijanja. 3.1.5. Bioenergija Biomasa je obnovljiv izvor energije, a čine ju brojni proizvodi biljnog i životinjskog svijeta. Može se izravno pretvarati u energiju izgaranjem te tako proizvesti vodena para za grijanje u industriji i kućanstvima te dobivati električna energija u malim termoelektranama. Fermentacija u alkohol zasad je najrazvijenija metoda kemijske konverzije biomase. Bioplin nastao fermentacijom bez prisutnosti kisika sadrži metan i ugljik te se može upotrebljavati kao gorivo, a ostali suvremeni postupci korištenja energije biomase uključuju i pirolizu, rasplinjavanje te dobivanje vodika. Oblici korištenja bioenergije su: energija od drva, bioplin, biogorivo i sl. Glavna je prednost biomase u odnosu na fosilna goriva manja emisija štetnih plinova i otpadnih voda. Dodatne su prednosti zbrinjavanje i iskorištavanje otpada i ostataka iz poljoprivrede, šumarstva i drvne industrije, smanjenje uvoza energenta, ulaganje u poljoprivredu i nerazvijena područja i povećanje sigurnosti opskrbe energijom. Predviña se da će do sredine stoljeća u svijetu udjel biomase u potrošnji energije iznositi izmeñu 30 i 40 posto. 41 Slika 2.10: Potencijal bioenergije po regijama
  • 48.
    42 3.1.6. Zajedničkekarakteristike DES-a iz obnovljivih izvora · zanemariva emisija štetnih plinova i otuda vrlo mali vanjski troškovi energije; · to su lokalni izvori energije koji smanjuju uvoz energenata, povećavaju energetsku sigurnost i doprinos lokalnom razvoju i zapošljavanju; · cijene obnovljivih izvora gotovo ne ovise o varijacijama cijena i poremećajima opskrbe fosilnih goriva na svjetskom i regionalnim tržištima; · obnovljivi izvori energije osobito su povoljni za države u razvoju koje ne obiluju fosilnim gorivima. 3.2. Kogeneracijska tehnologija Kogeneracija (CHP) je proces kombinirane proizvodnje dva korisna oblika energije iz jednog energetskog izvora. U većini kogeneracijskih sustava kemijska energija se pretvara u mehaničku i toplinsku. Mehanička energija koristi se za proizvodnju električne struje, dok se toplinska energija koristi za proizvodnju pare, zagrijavanje vode ili zraka. Osnovna prednost kogeneracije je veća iskoristivost energenta u odnosu na standardne elektrane koje služe samo za proizvodnju struje, te industrijske sustave koji služe samo za proizvodnju pare ili vruće vode za tehničke procese. Glavni razlozi gradnje kogeneracijskih postrojenja je mogućnost proizvodnje jeftinije struje u odnosu cijenu struje u električnoj mreži, čime kogeneracijska postrojenja sama sebe isplaćuju. Osim toga, industrijskim postrojenjima kogeneracijski sustavi pružaju autonomiju u slučaju ispada glavne mreže. Za neke industrijske procese, ekonomski gubici u slučaju zaustavljanja procesa zbog nestanka električne struje su iznimno veliki. 3.2.1. Važnost korištenja gorivnih ćelija u kogeneracijskim sustavima Elektrokemijski pretvarači energije koji iz kemijske energije goriva izravno, bez pokretnih djelova i izgaranja, proizvode električnu (i toplinsku) energiju. Sam naziv ‘gorive' pri tome pomalo zavarava jer u njima ništa ne gori. Valja još spomenuti kako se kod nas nazivaju i gorivnim ćelijama (člancima ili elementima). Po svome su načelu rada gorivne ćelije slične baterijima, ali za razliku od njih, gorivne ćelije zahtijevaju stalan dovod goriva i kisika. Pri tome gorivo može biti vodik, sintetski plin (smjesa vodika i ugljičnog dioksida), prirodni plin ili metanol, a produkti njihove reakcije s kisikom su voda, električna struja i toplina, pri čemu je cijeli proces, zapravo, suprotan procesu elektrolize vode.
  • 49.
    43 Ovisno izvedbi,odnosno o primijenjenom elektrolitu, postoji više vrsta gorivih ćelija: · alkalijske gorivne ćelije; · ćelije s polimernom membranom; · gorivne ćelije s fosfornom kiselinom; · gorive ćelije s rastopljenim karbonatom i krutim oksidom. U glavne prednosti gorivih ćelija ubrajaju se visoki stupnjevi djelovanja (teoretski i do 90%, a stvarni oko 50%), pretvorba energije bez pokretnih djelova, mala razina buke te nikakve ili vrlo male količine štetnih ispušnih plinova. Zbog tih razloga gorive ćelije privlače sve veću pozornost za primjenu u vozilima i za proizvodnju električne energije. Izuzetno je poželjno takvu tehnologiju koristiti u mikrokogeneracijama i kogeneracijama radi vrlo visoke učinkovitosti, malih gubitaka energije te smanjenog utjecaja na okoliš. Od svih drugih izvedbi, za primjenu se najprikladnijima smatraju gorivne ćelije s polimernom membranom, prije svega za pogon automobila. Razlog tome su visoki stupnjevi djelovanja, rad pri razmjerno niskim temperaturama zbog čega se vrlo brzo može doseći puna snaga, vrlo povoljan omjer postignute snage i mase te kruti elektrolit (polimerna membrana) zbog čega nema problema s održavanjem njegove čistoće i korozijom. 3.2.2. Mikrokogeneracije Poznate pod nazivom mikroCHP. Mikrokogeneracija je takoñer naziv za distribuirani energijski izvor i reda veličine je kućanstva ili male proizvodne jedinice. Umjesto da se sve gorivo potroši na grijanje dio se koristi i za proizvodnju električne energije. Ta se električna energija može koristiti unutar domaćinstva (obrta), ili uz dopuštenje mreže prodavati je natrag u istu. Postojeće mikroCHP instalacije koriste četiri različite tehnologije: motore na unutrašnje izgaranje, Stirling-ove motore, kružne procese s vodenom parom i gorive ćelije. MikroCHP hvata odbačenu toplinu i time omogućava veću iskoristivost od oko 70%. To znači da se manje goriva mora potrošiti za isti iznos korisne energije. MikroCHP je efikasniji ako je mjesto potrošnje bliže mjestu proizvodnje, dok mu korisnost pada sa udaljenošću potrošača. MikroCHP elektrane mogu biti dizajnirane da rade s obzirom na potražnju za toplinskom energijom (heat driven operation) ili primarno kao elektrana čiji se toplinski otpad iskorištava. Tipične CHP elektrane su: · postrojenje protutlačne turbine;
  • 50.
    44 · postrojenjekondenzacijske turbine s reguliranim oduzimanjem pare; · postrojenje plinske turbine s korištenjem otpadne topline dimnih plinova; · gorive ćelije s rastaljenim karboratima. 3.2.3. Trigeneracije Trigeneracije je proces istodobne proizvodnje električne i toplinske energije i hlañenja u jedinstvenom procesu. Toplina CHP elektrane se u tom slučaju koristi za hlañenje preko apsorpcijskog ciklusa (dodaje se apsorpcijski hladnjak koji koristi "odbačenu" toplinu). U usporedbi s kogeneracijom učinkovitost se povećava za čak 50 posto. Trigeneracijsko postrojenje je izvrstan način rješavanja opskrbe električnom energijom bolnica, domova za umirovljenike, rekreacijskih centara s bazenima, hotela, trgovačkih centara i sličnih objekata te industrijskih postrojenja u kojima se uz električnu energiju troši i znatna količina toplinske i rashladne energije. Pomoću ovog koncepta moguće je dobiti ukupnu efikasnost od 75% (električna energija i hlañenje). Prednosti apsorpcijskih rashladnih ureñaja u odnosu na klasične kompresorske su sljedeće: · apsorpcijski rashladni ureñaji zahtijevaju veoma mala financijska sredstva za održavanje; · troškovi rada po satu su gotovo 10 puta manji od apsorpcijskih ureñaja; · potrošnja električne energije za pogon pripadajućih pumpi je oko 1% proizvedene rashladne energije, a kod kompresorskih izmeñu 25-40% rashladne snage; · ne emitiraju freone u atmosferu, što je značajan ekološki efekt; · koristi otpadnu toplinu kogeneracijskog postrojenja, što značajno povećava ekonomično; 3.2.4. Zajedničke karakteristike DES-a u kogeneraciji · efikasnija potrošnja fosilnih goriva nego kod termoelektrana, a mogu raditi na obnovljive energenete (biomasa i otpad, bioplin, i sl.) · zbog veće energetske efikasnosti od termoelektrana troše manje goriva i time smanjuju emisije štetnih tvari i energetsku ovisnost države
  • 51.
    · radi manjepotrošnje goriva država je manje izložena varijacijama cijena i poremećajima opskrbe na svjetskom tržištu, što povećava sigurnost opskrbe energijom · pretjerana ovisnost o uvozu fosilnih goriva ugrožava ne samo energetsku, 45 ekonomsku i ekološku sigurnost, nego i opću stabilnost države 3.3. Toplinske pumpe Posebni oblik direktnog korištenja geotermalne energije. Geotermalne toplinske pumpe, u svijetu poznate pod skraćenicom GHP (Geothermal heat pumps), imaju široku primjenu u mnogim zemljama Europe i u SAD-u. Toplinske pumpe troše električnu energiju za cirkulaciju geotermalnog (otvoreni krug) ili drugog sekundarnog fluida koji preuzima toplinu zemlje (zatvoreni krug) kroz cijevi. Na taj način geotermalna toplina dovodi se domaćinstvima, gdje se većim dijelom koristi za grijanje, zatim za hlañenje i pripremu tople vode. Upotrebom geotermalnih pumpi uvelike se smanjuje potrošnja električne energije. Slika 2.11: Geotermalna toplinska pumpa (zatvoreni krug )
  • 52.
    Postoje dva osnovnasustava iskorištavanja geotermalne energije sustavom s toplinskim 46 pumpama: · prvi sustav ne koristi izravno geotermalni fluid nego sustavom s ukopanim izmjenjivačem topline preuzima toplinu zemljine kore ili geotermalnog fluida iz bušotine takozvanim bušotinskim izmjenjivačem topline; · drugi sustav iskorištava geotermalnu vodu koja se proizvodi iz bušotine, a nakon predaje topline sekundarnom krugu ili se utiskuje nazad u sloj, ili ispušta u vodotoke ili kanalizacijske sustave. Za sve sisteme s toplinskim pumpama vrijedi sljedeće: · ako se geotermalna toplinska pumpa koristi za grijanje, tada se dovedena toplina iz "podzemlja" provodi kroz položene cijevi, prenosi na fluid u njima i dovodi do korisnika; · za hlañenje se toplinske pumpe koriste tako da cirkulirajući fluid u cijevima zgrade ili stana, odvodi tj. “kupi” toplinu koja je na njega prenesena u prostoriji, te se utiskuje u zemlju. Prednosti korištenja geotermalnih toplinskih pumpi: · smanjeni troškovi grijanja i hlañenja u stambenim i poslovnim objektima za 50%; · trajnost geotermalnih toplinskih pumpi je duža u odnosu na konvencionalne sisteme, zbog zadovoljavajuće zaštite od vremenskih nepogoda. Mehanički dio sistema nalazi se u zatvorenom prostoru, a cijevi za dovod geotermalne energije su pod zemljom; · sustav sa geotermalnim toplinskim pumpama ima nekoliko mehaničkih komponenata, koje povećavaju pouzdanost sustava. Podzemne cijevi imaju predviñen rok trajanja bez održavanja od 50 godina; · geotermalne pumpe gotovo ne zagañuju okolinu, pa su važan čimbenik u smanjenju onečišćenja atmosfere, za razliku od fosilnih goriva; · kod ovakvih sustava nema dijelova koji proizvode buku, pa su zbog toga vrlo pogodni za upotrebu u domaćinstvima ili u poslovnim prostorima. · koriste se i u toplim i u hladnim razdobljima. Ljeti za hlañenje, a zimi za grijanje;
  • 53.
    · ovakvi geotermalnisustavi mogu snabdijevati toplinskom energijom razne vrste potrošača. To mogu biti privatni ili poslovni objekti povezani u jedinstvenu mrežu. 47 4. DOPRINOS DES-a HRVATSKOJ ENERGETICI Trenutačno decentralizirana proizvodnja električne energije postoji samo kod ograničenog broja malih hidroelektrana (2,5 MWe)i industrijskih energenata na fosilna goriva (275 MWe), dok je decentralizirana proizvodnja topline u nešto većem opsegu zastupljena kod javnih i industrijskih kotlovnica, uglavnom u gradskim i industrijskim zonama. Potrošače se u nedostatku pristupačnijih energenata za toplinske potrebe, često oslanja na električnu energiju, što je energetski neopravdano, ali često jedino moguće rješenje. Time se pravi vrlo velik, ali često neravnomjeran, pritisak na centralni elektroenergetski sustav. Evidentno je da u sljedećem razdoblju hrvatska Vlada mora posvetiti dužnu pozornost decentraliziranim energetskim sustavima s uporabom fosilnih i obnovljivih izvora energije posebno za toplinske i rashladne potrebe, ali i za potrebe opskrbe pouzdanom energijom teško pristupačnih i energetski ekstenzivnih regija. Pritom energetsku infrastrukturu treba uskladiti s regionalnim potrebama i mogućnostima gospodarskog razvitka. Ekološki i ekonomski prihvatljiva energetska infrastruktura mora se uklopiti u programe potpune i održive uporabe regionalnih resursa. Prema tomu, iako globalno gledajući DES-i ne predstavlja apsolutno rješenje svih naših energetskih teškoća, ipak oni u svakom slučaju smanjuju pritisak na EES, omogućuju smanjenje uvoza fosilnih goriva, podupiru razvitak poduzetništva, ali često predstavljaju cjeloviti rješenje za pojedine teško dostupne i nerazvijene regije, ali takoñer omogućuju gospodarski razvitak te potpunu i održivu uporabu lokalnih resursa.
  • 54.
    48 POGLAVLJE 3. HIDROELEKTRANE
  • 55.
    49 1. UVOD Prva hidroelektrana izrañena je u gornjoj Bavarskoj 1876. proizvedena energija se koristila za rasvjetu spilje pokraj dvorca Linderhof. Prva javna hidroelektrana izgrañena je u Švicarskoj 1883. imala je snagu od 135 kW. Daljnji razvoj hidroelektrana bio je omogućen budući dao se proširila upotreba viših napona za prijenos el. energije (dalekovod -prvi prijenos 1891. godine na udaljenost od 177km Lauffen-Frankfurt) i razvojem turbina i generatora. Najstarija Francisova turbina sagrañena je 1849. godine, a prva Peltonova 1890. godine. Najpoznatija hidroelektrana jest ona na slapovima Niagare , koju je dizajnirao naš Nikola Tesla. Energija rijeka i potoka u Hrvatskoj koristila tisućama godina (za pogon mlinova i sl.). Slika 3.1: Stari mlin korišten kao hidro postrojenje 2. HIDROELEKTRANE Hidroelektrane su energetska postrojenja u kojima se potencijalna energija vode pomoću turbine pretvara u mehaničku (kinetičku) energiju, koja se u električnom generatoru koristi za proizvodnju električne energije. Hidroelektranu u širem smislu čine i sve grañevine i postrojenja koje služe za prikupljanje (akumuliranje), dovoñenje i odvoñenje vode (brana, zahvati, dovodni i odvodni kanali, cjevovodi itd), pretvorbu energije (turbine, generatori), transformaciju i razvod električne energije (rasklopna postrojenja, dalekovodi) te za smještaj i upravljanje cijelim sustavom (strojarnica i sl). Iskorištavanje energije vodnog potencijala ekonomski je konkurentno proizvodnji električne energije iz fosilnih i nuklearnog goriva, zato je hidroenergija najznačajniji obnovljivi izvor energije (predstavlja 97% energije proizvedene svim obnovljim izvorima).
  • 56.
    U zadnjih tridesetgodina proizvodnja u hidroelektranama je utrostručena, a njen udio povećan je za 50 %. Ti podaci pokazuju da se proizvodnja u hidroelektranama brzo povećava iz više razloga: hidroenergija je čista, nema otpada, nema troškova goriva (voda je besplatna) pod uvjetom da je ima u dovoljnoj količini, moderne hidroelektrane mogu i do 90% energije vode pretvoriti u električnu energiju, puštanje hidroelektrane u pogon vrlo je brzo te se koriste za pokrivanje naglih povećanja potrošnje; umjetna jezera nastala izgradnjom hidroelektrana lokalno doprinose ekonomiji i omogućavaju navodnjavanje, vodoopskrbu, turizam i rekreaciju. Hidroenergija ipak značajno zaostaje za proizvodnjom u nuklearnim ali i termoelektranama. Razlog takvom stanju leži u činjenici da iskorištavanje hidroenergije ima, takoñer bitna tehnička i prirodna ograničenja. Glavno ograničenje jest zahtjev za postojanjem obilnog izvora vode kroz cijelu godinu jer je skladištenje el. energije skupo i vrlo štetno za okoliš. Kako bi se izbjegle oscilacije vodostaja na odreñenim je lokacijama potrebno izgraditi brane i akumulacijska jezera. Izgradnja akumulacijskih jezera često zahtijeva potapanje velikih dijelova dolina a ponekad i cijelih naselja. Osim što se na taj način povećava cijena izgradnje, javlja se i problem podizanja razine podzemnih voda oko akumulacije. Razina vode naime utječe na biljni i životinjski svijet. Dolazi i do promjena odnosa sedimentacije i erozije unutar rječnog korita. To sve ukazuje na to, da niti hidroenergija nije potpuno bezopasna za okoliš. Veliku opasnot mogu predstavljati i potresi pa je u nekim zonama potrebna i dodatna protupotresna zaštita. Hidroenergija, za razliku od ostalih načina iskorištavanja obnovljivih izvora energije, nema problema s nedostatkom potrebne tehnologije već nedostatkom potrebnih lokacija. Mnoge od najboljih lokacija širom svijeta su već iskorištene. Za razliku od kapitalnih projekata kojih je sve manje, još uvijek je dovoljno projekata malih hidroelektrana, kod kojih su rizici lošeg utjecaja na okoliš mnogo manji, a energetske potrebe i sigurnost investicije mnogo veće. 50
  • 57.
    51 Slika 3.2:Shema hidroelektrane 2.1. Osnovni dijelovi hidroelektrane Svi dijelovi hidroelektrane koji su u neposrednom doticaju s vodom, odnosno služe za njezino prikupljanje, dovoñenje i odvoñenje te pretvorbu njezine energije nazivaju se zajedničkim imenom hidrotehnički sustav. U osnovne dijelove hidroelektrane ubrajaju se: a) Brana ili pregrada Osnovni je dio hidrotehničkog sustava pa i cijelog postrojenja HE (nerijetko se cijelo hidroenergetsko postrojenje jednostavno naziva ‘branom') i ima trostruku ulogu: - skretanje vode s njezinog prirodnog toka prema zahvatu hidroelektrane; - povišenje razine vode kako bi se povećao pad; - ostvarivanje akumulacije. Brane se ubrajaju u najveće grañevine na zemlji. Osim što se pomoću njih dobiva gotovo petina ukupne proizvodnje električne struje, znatno smanjuju opasnost od poplava i suša. Meñutim, u industrijaliziranim dijelovima svijeta u posljednje vrijeme usporena je izgradnja
  • 58.
    brana, razlog tomeje što su najpogodnije lokacije već zauzete. S obzirom na visinu, brane mogu biti: visoke i niske. S obzirom na izradu: masivne (npr. betonske) ili nasute (npr. zemljane, kamene). Niske se brane nazivaju i pragovima, što je čest slučaj kod malih vodotokova, odnosno kod malih hidroelektrana. b) Zahvat vode Prima i usmjerava vodu zadržanu u akumulaciji prema dovodu, odnosno turbini. Postoje dva tipa zahvata, zahvat na površini vode ili ispod površine. Kada je pregrada niska i razina vode gotovo konstantna izvodi se na površini, dok se ispod površine i to na najnižoj mogućoj razini izvodi u slučaju kada se razina vode tijekom godine značajno mijenja. Prolaz vode kroz zahvat se regulira zapornicama. c) Dovod vode Je dio hidrotehničkog sustava koji spaja zahvat s vodostanom odnosno s vodenom 52 komorom. Ovisno o izgledu okolnog tla i pogonskim zahtjevima, može biti: - otvoren (kanal) - zatvoren (tunel), koji može biti gravitacijski ili tlačni. Gravitacijski tunel nije posve ispunjen vodom pa za promjenu protoka vode valja regulirati zahvat, dok kod tlačnog tunela voda ispunjava cijeli poprečni presjek i za promjenu protoka ne treba utjecati na zahvat. S gledišta elastičnosti pogona (mogućnosti odgovaranja na promjene u elektroenergetskom sustavu) tlačni su kanali povoljniji,puno elastičniji u pogonu jer bez ikakvih djelovanja mogu pratiti promjenu opterećenja. d) Vodostan ili vodena komora Predstavlja zadnji dio dovoda, a služi za odgovaranje na promjene opterećenja. Dimenzioniranje vodne komore ima velik utjecaj na pravilno funkcioniranje hidroelektrane, kada je dovod izveden kao gravitacijski tunel, mora imati odgovarajući volumen kako bi se u njemu mogle pohraniti veće količine vode, a kada je tunel tlačni, njegove dimenzije moraju biti takve da tlak u dovodu ne poraste preko dopuštene granice ili da razina vode ne padne ispod visine ulaza u tlačni cjevovod. e) Tlačni cjevovod Dovodi vodu od vodostana do turbina. Izrañuje se o čelika ili betona (kod manjih padova), a prema smještaju može biti na površini ili u tunelu. Na ulazu u tlačni cjevovod
  • 59.
    obvezno se nalazizaporni ureñaj koji ima sigurnosnu ulogu. Zapornim ureñajem se sprječava daljnje dotok vode u cjevovod u slučaju pucanja cijevi. Ispred glavnog zapornog ureñaja redovito se postavlja i pomoćni, koji omogućava bilo kakve radove na glavnom bez potrebe za pražnjenjem sustava. Obilazni cjevovod je smješten na početku tlačnog i služi za njegovo postupno punjenje te za izjednačavanje tlaka ispred i iza zapornog organa. Postavljanje zapornih ureñaja na dnu tlačnog cjevovoda ovisi o broju turbina koje su spojene na jedan cjevovod. f) Vodene turbine ili hidroturbine Predstavljaju središnji dio sustava jer služe za pretvaranje potencijalne energije strujanja vode u kinetičku energiju a zatim promjenom količine gibanja u radnom kolu u mehaničku energiju vrtnje vratila turbine, koje je u pravilu spojeno s generatorom u kojem se mehanička energija vrtnje pretvara u električnu energiju. Turbina se sastoji uglavnom od jednog provodnog dijela koji vodi daje dovoljno veliku brzinu i preko jednog obrtnog kotača oduzima energiju od vode. Ovisno o načinu prijenosa energije vodotoka na njih, tj. prema promjeni tlaka vode pri 53 strujanju kroz radno kolo, vodne turbine mogu biti: - turbine slobodnog mlaza (akcijske,impulsne); - pretlačne (reakcijske) koje mogu biti radijalne i aksijalne. Turbine se često dijele i prema izvedbi, u pravilu prema imenu konstruktora ili proizvoñača pa postoje Francisove, Peltonove, Kaplanove, Bankijeve, Ossbergerove itd., a koriste se ovisno o količini protoka vode i visini vodenog pada. g) Sustav zaštite od hidrauličkog udara Služi za sprječavanje povećanja tlaka preko dopuštene granice, odnosno vodenog (hidrauličkog) udara u tlačnom cjevovodu. Visina tlaka pri tome ovisi o vremenu potrebnom za zatvaranje zapora na dnu cjevovoda. h) Generator Je ureñaj u kojem se mehanička energija vrtnje vratila pretvara u električnu. Može biti postavljen okomito (kod velikih hidroelektrana) ili vodoravno (kod manjih ili kada su dvije turbine spojene na jedan generator). Kod crpno-akumulacijskih hidroelektrana uz turbinu i generator se na istom vratilu nalazi i crpka pa generator može raditi i kao motor.
  • 60.
    i) Strojarnica Grañevinau kojoj su smještene turbine, vratila, generatori te svi potrebni upravljački i razni pomoćni ureñaji. Može biti izgrañena na otvorenom, kao samostojeća zgrada ili ukopana, u tunelu. j) Rasklopno postrojenje Predstavlja vezu hidroelektrane i elektroenergetskog sustava. Izvodi se u neposrednoj 54 blizini strojarnice, a tek iznimno (ako je to uvjetovano okolnim tlom) dalje od nje. k) Odvod vode Je završni dio hidrotehničkog sustava, a može biti izveden kao kanal ili kao tunel. Služi za vraćanje vode iskorištene u turbini natrag u korito vodotoka ili za dovod vode do zahvata sljedeće elektrane. 3. OSNOVNI TIPOVI HIDROELEKTRANA 3.1. Protočne hidroelektrane U protočnim hidroelektranama voda iz akumulacijskog jezera protječe kroz postrojenje i nastavlja dalje svojim prirodnim tokom. Znači protočne hidroelektrane su one koje nemaju uzvodnu akumulaciju ili se njihova akumulacija može isprazniti za manje od dva sata rada kod nazivne snage. To znači da se skoro direktno koristi kinetička energije vode za pokretanje turbina. Protočne hidroelektrane je najjednostavnije izvesti, meñutim one su vrlo ovisne o trenutnom protoku vode. Prednost protočne hidroelektrane je vrlo mali utjecaj na okoliš i nema dizanja razine podzemnih voda. Slika 3.3: Protočna HE ðale na rijeci Cetini
  • 61.
    55 Slika 3.4:Shema protočne hidroelektrane 3.2. Akumulacijske hidroelektrane Akumulacijske hidroelektrane su najčešći način dobivanja električne energije iz energije vode. Problemi nastaju u ljetnim mjesecima kad prirodni dotok postane premali za funkcioniranje elektrane. U tom slučaju se brana mora zatvoriti i potrebno je održavati bar razinu vode koja je biološki minimum. Veliki problem je i dizanje razine podzemnih voda. Potrošnja električne energije ovisi o dobu dana, danu u tjednu, godišnjem dobu itd. U ponedjeljak je špica potrošnje, vrlo velika potrošnja je i svim ostalim radnim danima. Vikendom obično pada potrošnja električne energije. Za popunjavanje dnevnih špica potrošnje grade se reverzibilne hidroelektrane. Postoje dvije izvedbe akumulacijskih hidroelektrana: pribranska i derivacijska. Pribranska se nalazi ispod same brane, a derivacijska je smještena puno niže od brane i cjevovodima je spojena na akumulaciju. Glavni dijelovi akumulacijske elektrane su akumulacija, brana, zahvat, gravitacijski dovod, vodna komora, zasunska komora, tlačni cjevovod, strojarnica i odvod vode. Slika 3.5: Akumulacijska HE Lešće na Dobri
  • 62.
    3.3. Reverzibilne hidroelektrane Za popunjavanje dnevnih špica potrošnje grade se reverzibilne hidroelektrane. Reverzibilne hidroelektrane slične su derivacijskim, ali protok vode je u oba smjera kroz derivacijski kanal. Reverzibilna hidroelektrana ima dva skladišta vodene mase. 56 To su: - gornja akumulacija – istovjetna je akumulacijskom jezeru klasičnih hidroelektrana. Gradnjom brane osigurava se akumulacija vode, koja protiče kroz postrojenje i rezultira proizvodnjom električne energije. - donja akumulacija - voda koja izlazi iz hidroelektrane ulijeva se u drugo, donje, akumulacijsko jezero, umjesto da se vraća u osnovni tok rijeke. Kad je potrošnja električne energije mala voda se pumpa iz donjeg jezera tj. iz nižeg spremnika u gornju akumulaciju tj. u viši spremnik vode. To se obično radi noću, jer je tada potrošnja energije najmanja. Reverzibilna turbina/generator može se ponašati i kao pumpa i kao turbina (obično kao Francis turbina). Danju se prebacuje na proizvodnju električne energije i tada se prazni gornja akumulacija, voda se propušta kroz turbinu, natrag u niži rezervoar i pritom se generira električna struja. To nije baš energetski najbolje rješenje, ali je bolje nego napraviti još nekoliko termoelektrana za pokrivanje dnevnih špica potrošnje. Slika 3.6: Shema reverzibilne elektrane
  • 63.
    RHE Velebit jejedina reverzibilna hidroelektrana u Hrvatskoj. Nalazi se na rijeci Zrmanji 57 10 km uzvodno od Obrovca. Slika 3.7: Reverzibilna HE Velebit na rijeci Zrmanji Postoje postrojenja koja koriste napuštene rudnike kao niže spremnike, ali u većini slučajeva su to prirodni spremnici ili čak "umjetni" (iskopani) spremnici. Čiste reverzibilne hidroelektrane izmjenjuju vodu izmeñu dvaju spremnika, ali kombinirane reverzibilne hidroelektrane ujedno generiraju električnu energiju kao konvencionalne hidroelektrane kroz energiju toka vode. Za elektrane koje ne koriste tzv. sustav napumpanog spremnika možemo reći da su konvencionalne hidroelektrane. Konvencionalne hidroelektrane koje koriste akumulaciju vode mogu imati sličnu ulogu u električnoj mreži kao one sa sustavom napumpanog spremnika, tako da odgañaju proizvodnju električne energije sve dok to nije potrebno. Uzimajući u obzir gubitke uslijed isparavanja akumulirane vode i gubitke uslijed pretvorbe, približno 70% do 85% električne energije koja se koristi za napumpavanje vode u viši spremnik može biti povraćeno! Ova tehnologija je trenutno najisplativija u smislu spremanja velike količine električne energije, ali investicijski troškovi i prisutnost problema primjerenog geografskog položaja (razlika u visini izmeñu spremnika) su kritični faktori u odluci o izgradnji. Relativno niska gustoća energije napumpanog spremnika iziskuje ili veliku količinu vode ili veliku razliku u visini izmeñu dvaju spremnika. Na primjer, 1000 kilograma vode (1 kubični metar) na vrhu sto metara visokog tornja ima potencijalnu energiju od oko 0,272 KWh. Jedini način da stvorimo značajniju količinu električne energije je taj da imamo veliku količinu vode na što višem brdu iznad donjeg spremnika. Na
  • 64.
    nekim područjima ovose pojavljuje prirodno, a na nekim je čovjek svojim djelovanjem to omogućio. Sustav može biti vrlo ekonomičan jer poravnava razlike u opterećenju mreže, dozvoljavajući termoelektranama (npr. termoelektrana na ugljen), nuklearnim elektranama i obnovljivim izvorima energije da opskrbljuju sustav energijom. Ovo omogućuje da sustav radi sa vršnom iskoristivošću, a pritom se izbjegava rad na maksimalnoj efikasnosti gore navedenih elektrana. To za sobom povlači velike uštede na sve skupljim gorivima. No, investicijski troškovi za izgradnju spremnika s vodom su poprilično visoki. Zajedno sa gospodarenjem i upravljanjem energijom, sustavi sa napumpanim spremnikom pomažu kontrolirati frekvenciju električne mreže i omogućuju stvaranje zaliha. Termoelektrane puno teže podnose iznenadne promjene električne potražnje, a ujedno mogu uzrokovati nestabilnost frekvencije i napona mreže. Elektrane sa sustavom napumpanog spremnika kao i ostale hidroelektrane, jako se dobro nose sa promjenama opterećenja. 4. PODJELA HIDROELEKTRANA PREMA INSTALIRANOJ SNAZI (UČINU) 58 4.1. Male hidroelektrane Slika 3.8: Mala hidroelektrana Svjetski energetski trend posljednjih godina sve više teži ka obnovljivim izvorima energije. Za male hidroelektrane se smatra da nemaju nikakav štetan utjecaj na okoliš te se tu krije njihova prednost, za razliku od velikih čija se štetnost opisuje kroz velike promjene
  • 65.
    ekosustava (gradnja velikihbrana), utjecaja na tlo, poplavljivanje, utjecaj na slatkovodni živi svijet, povećana emisija metana i postojanje štetnih emisija u čitavom životnom ciklusu hidroelektrane koje su uglavnom vezane za period izgradnje elektrane, proizvodnje materijala i transport. Pojam male hidroelektrane se može promatrati sa različitih točaka gledišta i razlikuje se od zemlje do zemlje, zavisno o njezinom standardu, hidrološkim, meteorološkim, topografskim i morfološkim karakteristikama lokacije, te o stupnju tehnološkog razvoja i ekonomskom standardu zemlje. Razlika izmeñu hidroelektrana i malih hidroelektrana je u instaliranoj snazi. Granična snaga koja dijeli hidroelektrane na male hidroelektrane razlikuje se od zemlje do zemlje. Neke zamlje poput Portugala, Španjolske, Irske, Grčke i Belgije su prihvatila 10 MW kao gornju granicu instalirane snage za male hidroelektrane. U Italiji je granica 3 MW, u Švedskoj 1.5 MW, u Francuskoj 8 MW, u Indiji 15 MW, u Kini 25 MW. Meñutim u Europi se sve više prihvaća kapacitet od 10 MW instalirane snage kao gornja granica i tu granicu je podržala Europska udruga malih hidroelektrana (ESHA), te Europska komisija. U Hrvatskoj prema postojećim propisima, mala hidroelektrana, odreñena je kao postrojenje za iskorištavanje energije vodotokova s izlaznom električnom snagom od 10 kW do 10MW. Male hidroelektrane se često dalje kategoriziraju u male, mini i micro hidroelektrane. Male hidroelektrane predstavljaju kombinaciju prednosti proizvodnje električne energije iz energije hidropotencijala i decentralizirane proizvodnje električne energije, dok istovremeno ne pokazuju negativan utjecaj na okoliš kao velike hidroelektrane. 59 U usporedbi sa velikim neke od prednosti malih hidroelektrana su sljedeće: - gotovo da nemaju nedostataka - nema troška distribucije električne energije - nema negativnog utjecaja na ekosustav kao kod velikih hidroelektrana - jeftino održavanje 4.2. Male hidroelektrane u Hrvatskoj i stanje korištenja U strukturi elektroenergetskog sustava Hrvatske, više od polovice izvora čine hidroelektrane, što je i vidljivo iz priložene karte. Razvoj energetskog korištenja vodnih snaga u Hrvatskoj započinje još 1895. godine s prvom hidroelektranom izgrañenom na Skradinskom buku na rijeci Krki - današnjom HE Jaruga. Godine 1904. izgrañena je nova HE Jaruga
  • 66.
    instalirane snage 5,4MW. Potom slijede HE Miljacka izgrañena 1906. godine (Manojlovac) na rijeci Krki, HE Ozalj (1908. godine) na rijeci Kupi, HE Kraljevac (1912. godine) na rijeci Cetini, ''Munjara'' na rijeci Kupi, iako je bila namijenjena za razvoj i opskrbu ozaljske industrije, njome se je potpomogla karlovačka industrija. Neorenesansna zgrada hidroelektrane kulturni je spomenik. Jedan od vodotokova na kojem postoje brojne mogućnosti za izgradnju malih hidroelektrana pregradnjom postojećih ili napuštenih mlinova (vodenica) je rijeka Mrežnica. Njezina ukupna duljina iznosi 64 km, visinska razlika 148 m, a prosječni godišnji protok 34 m3/s. Ono po čemu je Mrežnica najpoznatija su čak 93 sedrena slapa izmeñu kojih su stvoreni jezerni dijelovi rijeke. Na čak tih 49 slapova tijekom povijesti ljudi su izgradili vodenice za pogon mlinova, a kako je danas najveći dio tih mlinova napušten ili zapušten, postoje velike mogućnosti za njihovu pregradnju u male hidroelektrane. Prve hidroelektrane koje su povećale snagu elektroenergetskog sustava, izgrañene iza Drugog svjetskog rata, bile su HE Vinodol, HE Zavrelje kod Dubrovnika i HE Ozalj 2. Danas je u pogonu 25 hidroelektrana u Hrvatskoj. 60 Slika 3.9: Prostorni razmještaj hidroelektrana u Hrvatskoj
  • 67.
    Postojeći modeli iprogrami za planiranje i izgradnju EES-a podcjenjuju ulogu malih hidroelektrana u sustavu i gospodarstvu prvenstveno zbog toga što njihovu ulogu vrednuju prvenstveno kroz snagu objekta. Postojeća metodologija planiranja izgradnje MHE pokazala se neosjetljivom na suvremene zahtjeve za zaštitom prirode i okoliša te kulturne baštine. Važeća zakonska regulativa ne prepoznaje objekte MHE na adekvatan način, pa su procedure za dobivanje dozvola i suglasnosti dugotrajne i složene, kao da se radi o znatno većim i opsežnijim projektima. U našoj zemlji vrlo mali broj MHE je u pogonu, pogotovo ako se vrši usporedba sa susjednim zemljama (Slovenija, Austrija, ...). Problemi vezani za projektiranje i puštanje u rad male hidroelektrane leže u ekonomskim 61 i zakonodavnim izvorima. Istraživanje potencijalnih lokacija za MHE u Hrvatskoj uključuje: mjerenje protoka tijekom godina, odreñivanje krivulje trajanja protoka, ispitivanje izvedivosti i cijene projekta, princip diskvalificiranja lokacije uz minimiziranje ulaganja, hidrologija, ekologija, prostorni planovi, utjecaj na kulturnu baštinu i život... U Hrvatskoj od 77 lokacija isključene su 52: 33 (prostorno planska ograničenja), 18 (zaštita okoliša i kulturna baština), dvije lokacije su spojene u jednu novim rješenjem. Preostalo 25 lokacija (77 -> 32 MW - 25 -> 7,8 MW). 4.3. Male hidroelektrane u svijetu Azija, osobito Kina je postala predvodnik u proizvodnji hidroelektrične energije. Današnji razvoj u Australiji i Novom Zelandu se fokusira na male hidroelektrane. Kanada, zemlja sa dugom tradicijom korištenja hidroenergije, razvija male hidroelektrane kao zamjenu za dizel elektrane u udaljenim sredinama bez razvedene električne mreže. Tržišta kao što su Južna Amerika, bivši Sovjetski savez i Afrika takoñer imaju veliki, netaknuti potencijal. 2000. svjetska instalirana snaga MHE je bila oko 37 GW. Samo 2005. porast od 8 % u odnosu na 2004. i tada je iznosila 66 GW, što je porast u odnosu na 2000. za čak 78%!. Više od 50 % u Kini (38.5 GW), slijedi Japan s 3.5 GW, te SAD s 3 GW. Ipak, to je u odnosu na svjetsku potrošnju primarne snage (15 TW) samo oko 0,5%, a u svjetskoj proizvodnji električne energije (2006.) oko 5,12 %. Europa je druga u svjetskom doprinosu u proizvodnji električne energije iz malih hidroelektrana, odmah iza Azije. Hidroenergija ima oko 84% udjela u ukupnoj proizvodnji električne energije iz obnovljivih izvora u EU-27 i oko 13% ukupne proizvodnje električne energije u EU-15. 2001. Male hidroelektrane su u EU-15 doprinijele oko 2% u ukupnoj proizvodnji električne energije, te oko 9% u ukupnoj proizvodnji električne energije iz obnovljivih izvora energije. MHE broje oko približno 4.6% ukupne hidroenergetske proizvodnje
  • 68.
    u novim članicamaEuropske unije i Turskoj. Niti jedan od drugih obnovljivih oblika energije (vjetar, biomasa, fotonaponske ćelije i sl.), u tim zemljama, se ne može mjeriti s malim hidroelektranama. EU-15: u pogonu oko 14000 MHE s prosječnom instaliranom snagom od 0.7 MW. Nove članice: EU-10 imaju oko 2800 MHE, prosječne snage 0.3 MW, Rumunjska, Bugarska i Turska oko 400 MHE, prosječne snage 1.6 MW. 4.4. Velike hidroelektrane Velike hidroelektrane, tj. hidroelektrane su takoñer kao i male hidroelektrane energetska postrojenja u kojima se potencijalna energija vode pomoću turbine pretvara u mehaničku (kinetičku) energiju, te dalje u električnom generatoru u električnu energiju. Iskorištavanje energije vodnog potencijala ekonomski je konkurentno proizvodnji električne energije iz fosilnog i nuklearnog goriva, zato je hidroenergija najznačajniji obnovljivi izvor energije. Velike hidroelektrane su mega grañevine i zaslužuju svaku pažnju. Grañevine koje se nalaze i meñu 10 najvećih na svijetu svakako treba upoznati. 62 Učinci koje hidroelektrana može imati na ekosustav zavise o ova 4 čimbenika: - veličina i brzina protoka rijeke na kojoj je hidroelektrana locirana; - klimatski uvjeti i oblik sredine prije gradnje elektrane; - vrsta, veličina i konstrukcija elektrane i način na koji je pogonski voñena; - ako postoji više od jedne elektrane na istoj rijeci, i ako nisu relativno blizu jedna drugoj, moguće je da učinci na ekosustav jedne elektrane budu zavisni o učincima druge elektrane. 4.4.1. Značajke hidroelektrana Hidroelektrane u energetskom pogledu karakteriziraju s mogućom proizvodnjom, koja se obično izražava kao srednja godišnja proizvodnja u (GWh) a dobije se kao aritmetička sredina mogućih godišnjih proizvodnji u promatranom dužem nizu godina za koje se raspolaže s podacima o ostvarenim dotocima. Pod pojmom „moguća proizvodnja“ podrazumijeva se maksimalna proizvodnja koja bi se mogla ostvariti korištenjem najveće količine raspoložive vode pod najpovoljnijim uvjetima, uzimajući u obzir veličinu izgradnje svake od hidroelektrana. Iskoristivi volumen Vi ovisan je o veličini izgradnje Qi (maksimalni protok koji HE može propustiti kroz postrojenje) i odreñuje se iz krivulje trajanja protoka Q=f(t).
  • 69.
    Srednji iskoristivi protokje onaj konstantni protok u kojem bi za isto razdoblje na 63 promatranom profilu toka protekla količina vode Vi . 4.4.2. Neto snaga hidroelektrane Snaga postrojenja i proizvedena energija ovise o: - raspoloživom vodenom padu; - visina pada ovisi o visini brane, što je pad veći, postoji veći energetski potencijal. Energetski potencijal je direktno proporcionalan visini pada, tako da ista količina vode, ukoliko pada sa dva puta veće visine proizvodi duplo više električne energije; - raspoloživom protoku vode. Električna snaga i energija takoñer su direktno proporcionalni količini vode koja prolazi kroz turbinu. Dva puta veća količina vode proizvest će dva puta više električne energije kod iste visine vodenog pada. Tehnički iskoristiva energija vodotoka smanjena je zbog trenja u dovodima (tunel,tlačni cjevovod), te gubitaka protoka, što se definira kroz neto pad Hn (neto pad = bruto pad(prirodni) - gubici). Srednja iskoristiva snaga (neto snaga) koju hidroelektrana daje na priključcima generatora, može se odrediti iz jednadžbe: P = g . ηt . ηg . Qsi . Hn (kW) Pri tome su: g - gravitaciona konstanta (9,80665 m/s2) ηt - stupanj korisnog djelovanja turbine ηg - stupanj korisnog djelovanja generatora Qsi - srednji iskoristivi protok Hn - raspoloživi neto pad [m] Jednadžba za stupanj djelovanja glasi: η = ηt . ηg Ukupni stupanj djelovanja pri normalnom opterećenju u modernim hidroelektranama iznosi i do 90%. Prosječno za veća postrojenja iznosi približno 80%, a za manja postrojenja približno 75%.
  • 70.
    4.4.3. Uloga hidroelektranau suvremenom svijetu Kao što je već spomenuto električna energija je jedan od najčišćih oblika energije. A jedan on najraširenijih načina njene proizvodnje, pomoću obnovljivih izvora su hidroelektrane njihov udio meñu obnovljivim izvorima energije je oko 97%. U zadnjih trideset godina proizvodnja u hidroelektranama je utrostručena, a njen udio povećan je za 50 %. Ti podaci pokazuju da se proizvodnja u hidroelektranama brzo povećava iz više razloga: za razliku od vjetra ili sunca, čiji intenzitet je nepredvidljiv te ovisi o meteorološkim prilikama, voda, odnosno njen volumni protok, je puno stabilniji i permanentniji tokom godine. To znači da je i opskrba električnom energijom pouzdanija, hidroenergija je čista, nema otpada; nema troškova goriva (voda je besplatna) pod uvjetom da je ima u dovoljnoj količini; moderne hidroelektrane mogu do 90% energije vode pretvoriti u električnu energiju; puštanje hidroelektrane u pogon vrlo je brzo te se koriste za pokrivanje naglih povećanja potrošnje; umjetna jezera nastala izgradnjom hidroelektrana lokalno doprinose ekonomiji i omogućavaju navodnjavanje, vodoopskrbu, turizam i rekreaciju. Takoñer, vrlo zanimljiva skupina hidroelektrana su reverzibilne hidroelektrane, koje omogućavaju dva režima rada, te kao takve su vrlo isplative i poželjne za izgradnju. Procjenjuje se da je 2005. godine 20% ukupne svjetske potrošnje električne energije bilo opskrbljeno upravo energijom iz hidroelektrana, što je približno 816 GW. Danas se za tehnologiju vezanu za hidroenergiju, koja se smatra obnovljivim izvorom energije, može reći da je tehnički najpoznatija i najrazvijenija na svjetskoj razini, sa iznimno visokim stupnjem učinkovitosti. 22% svjetske proizvodnje električne energije dolazi iz malih i velikih hidroelektrana. 64 5. PREDNOSTI HIDROELEKTRANA Najvažnija prednost obnovljivih izvora energije, pa tako i hidroelektrana, je smanjena ili u potpunosti eliminirana emisija stakleničkih plinova. Glavni razlog tomu je što ne koriste fosilna goriva kao pokretač turbine, odnosno električnog generatora. Time električna energija nastala u hidroelektranama postaje rentabilnija, te neovisna o cijeni i ponudi fosilnih goriva na tržištu. Hidroelektrane takoñer imaju predviñen dulji životni vijek nego elektrane na fosilna goriva. Ono što je bitno, u razmatranju hidroelektrana s ekonomskog aspekta, jest da današnje, moderne, hidroelektrane zahtijevaju vrlo malen broj osoblja, zbog velikog stupnja
  • 71.
    automatiziranosti. Nadalje, cijenainvesticije u izgradnju hidroelektrane se povrati u periodu do desetak godina. Emisija stakleničkih plinova je u potpunosti eliminirana, ako se isključivo promatra samo proces proizvodnje električne energije. Isto se ne može reći za cijelu hidroelektranu, kao sustav sačinjen od brane, turbine i električnog generatora te hidro akumulacijskog jezera. Meñutim, zanimljiva je studija koja je provedena u suradnji Paul Scherrer Institut-a i Sveučilišta u Stuttgartu. Ona je pokazala da su, meñu svim izvorima energije, hidroelektrane najmanji proizvoñači stakleničkih plinova. Slijede redom vjetroelektrane, nuklearne elektrane, energija dobivena foto naponskim ćelijama. Važno je napomenuti da je ta studija rañena za klimatske prilike u Europi te se može primijeniti i na područja Sjeverne Amerike i Sjeverne Azije. Hidro-akumulacijska jezera hidroelektrana mogu osim svoje primarne funkcije imati još nekoliko pozitivnih aspekata. Svojom grandioznošću mogu privlačiti turiste, te se na njihovoj površini mogu odvijati razni vodeni sportovi. Takoñer velike brane mogu igrati značajnu ulogu u navodnjavanju, te u regulaciji toka rijeka. 65 6. NEDOSTACI HIDROELEKTRANA Ključni dio hidroelektrane je njena brana. Urušavanje brane može dovesti do velikih katastrofa za cijeli ekosustav nizvodno od brane. Sama kvaliteta gradnje, konstrukcije i održavanja brane nije dovoljna garancija da je brana osigurana od oštećivanja. Brane su vrlo primamljiv cilj tijekom vojnih operacija, terorističkih činova i tomu sličnih situacija. Takoñer jedan primjer koji svjedoči opasnosti ljudskim životima je hidroelektrana Brana tri kanjona (engl. Three Gorges Dam) u Kini. Rijeka svojim tokom nosi vodeni materijal u obliku pijeska i mulja. To s vremenom dovodi do taloženja toga materijala u vodenom bazenu, a posljedica toga je smanjivanje dubine vodenog bazena. Zahvaljujući tome vodeni bazen gubi svoju ulogu. Akumulaciju vodene mase tijekom kišnih perioda, a korištenja iste tijekom suhih perioda godine. To se može izbjeći gradnjom raznoraznih kanala koji imaju ulogu premosnice, te se tako odvodi taj sediment. Rezultat je da svaka hidroelektrana ima svoj životni vijek, nakon kojeg postaje neekonomična. Takoñer uočeni, negativni, aspekt prilikom gradnje brana je nužnost uništavanja gospodarskih, kulturoloških i prirodnih dobara. Prilikom punjenja hidro akumulacijskog jezera dolazi do nužnog potapanja svega onoga što se našlo ispod površine samoga jezera. Fauna toga
  • 72.
    područja je primoranana preseljenje, takoñer kao i ljudi. Što se flore tiče situacija je malo drugačija, prvenstveno u tropskim područjima. U tim područjima, gdje je temperatura viša, prilikom truljenja, raspadanja, biljnih ostataka zarobljenih pod vodom, u anaerobnim uvjetima, dolazi do stvaranja stakleničkih plinova. U prvom redu nastaju ugljični dioksid, (CO2) i metan. Stvaranje ugljičnog dioksida zapravo nije zabrinjavajuće. On je ionako već kružio u atmosferi te ga je bilje tokom svoga rasta, u procesu fotosinteze implementiralo u svoje tkivo. To nije novo osloboñeni CO2, kao što nastaje prilikom izgaranja fosilnih goriva. Zanimljivo je kazati da je emisija CO2, osloboñena u hidro akumulacijskim jezerima, veća nego u elektranama u kojima izgara fosilno gorivo, ukoliko prije punjenja bazena vodom šuma nije bila porušena i očišćena. Puno veći problem je stvaranje metana, koji odlazeći u atmosferu pridonosi efektu staklenika. 66 7. DRŽAVE S NAJVEĆOM PROIZVODNJOM HIDRO-ELEKTRIČNE ENERGIJE Kada se promatra količina hidro-energije, tj. električne energije proizvedene u hidroelektranama, tijekom nekog perioda, valja razlikovati dva pojma. Nominalnu snagu koju ta hidroelektrana može ostvariti kada bi cijeli promatrani period radila punim kapacitetom te stvarnu proizvedenu snagu u promatranom periodu. Omjer godišnje, stvarno proizvedene, snage te instalirane snage je faktor kapacitivnosti. Instalirana snaga je zbroj svih generatora neke države kada bi radili pri nominalnoj snazi tijekom cijele godine. U sljedećoj tablici dani su podaci o godišnjoj proizvodnji električne energije koju je objavio BP Statistical Review –Full Report 2009
  • 73.
    67 Tablica 3.1:Godišnja proizvodnja električne energije u hidroelektranama Država Godišnja proizvodnja hidro-električne energije (TWh) Instalirana snaga (GW) Faktor kapacitivnosti Postotak od ukupne proizvodnje el. energ. Kina 585.2 171.52 0.37 17.18 Kanada 369.5 88.974 0.59 61.12 Brazil 363.8 69.080 0.56 85.56 SAD 250.6 79.511 0.42 5.74 Rusija 167.0 45.000 0.42 17.64 Norveška 140.5 27.528 0.49 98.25 Indija 115.6 33.600 0.43 15.80 Venecuela 86.8 - - 67.17 Japan 69.2 27.229 0.37 7.21 Švedska 65.5 16.209 0.46 44.34 Paragvaj 64.0 - - - (2006.) Francuska 64.4 25.335 0.25 11.23 Jedine zemlje koje većinu električne energije osiguravaju pomoću hidroelektrana su Brazil, Paragvaj, Kanada, Norveška, Švicarska i Venezuela. Meñutim, Paragvaj ne samo da proizvodi dovoljno električne energije, putem hidroelektrana, za domaće potrebe, već on i izvozi svoju električnu energiju Brazilu i Argentini. 8. PRIMJERI HIDROELEKTRANA 8.1. Tri klanca (Kina) – najveća hidroelektrana Kina ima izuzetan gospodarski rast i konstantno je rastuća potreba za energijom, pa to zahtjeva konstantan razvoj izvora energije stoga Kina traži alternativne izvore energije koji bi smanjili upotrebu trenutno dominantnog ugljena. Ova inicijativa nije samo rezultat povećane potražnje za energijom, nego i zbog sve ozbiljnijih ekoloških problema Brana tri kanjona je najveća hidroelektrana na svijetu, nalazi se na rijeci Jangce. Jangce je najveća Kineska rijeka pa tako i rijeka najbogatija vodom što opravdava izgradnju hidroelektrane na njoj. Meñutim hidro akumulacijsko jezero te brane, je toliko veliko da svojom težinom opterećuje zemljinu koru. Ako se uzme u obzir da je to područje geološki nestabilno, tj. da se nalazi na spoju litosfernih ploča, jasno je da postoji opravdani rizik od potresa. Dok znanstvenici strahuju od potresa i urušavanja brane, političari tvrde da takav rizik ne postoji.
  • 74.
    Najveća hidroelektrana svijetatrebala bi 2009. biti puštena u pogon. Završila je evakuacija posljednjeg grada koji će biti potopljen zbog projekta brane Tri klanca, jer će omogućiti da se razina vode u rezervoaru podigne na konačnih 175 metara iznad razine mora. Tih 26 divovskih turbina proizvoditi će 85 milijardi kilovatsati struje godišnje (18.200MW) (približno 18 osrednjih nuklearki), te će time biti zadovoljeno deset posto kineskih potreba. Obuzdat će se treća najduža rijeka svijeta (iza Amazone i Nila) i smanjiti katastrofalne poplave u kojima je samo u 20. stoljeću stradalo više od pola milijuna ljudi. Visina brane bit će visoka 185 i duga 2309 metara, na vrhu široka 18 metara, a uz dno 124 metra. Nastat će jezero dugo 630 kilometara, te će svojom veličinom prestići najveću brazilsku hidrolelektranu, Itiapu. Povećat će se plovnost Jangce, čista hidroenergija smanjit će uporabu najprljavijeg fosilnog goriva, ugljena, kojim se truju šume i stanovništvo ne samo u Kini nego i u susjednim državama, olakšat će se slanje vode s juga na sušni srednji i sjeverni dio Kine. Iako sve ovo zvuči kao dobra vijest za Kinu u borbi protiv ekoloških problema, postoji mnogo ekologa i pobornika zaštite okoliša koji su zabrinuti zbog mogućih posljedica koje bi velike brane mogle imati na okoliš, a neki od njih tvrde da će te brane čak i pogoršati problem globalnog zagrijavanja. Poplavljeno je 29 milijuna četvornih metara zemlje, dva velika i 116 manjih gradova su se potopila, raseljeno je više od milijun stanovnika (1,4 milijuna ljudi). U umjetnom jezeru završit će sva prljavština potopljenih gradova, tvornica i bolnica. Više od tri tisuće industrijskih i rudarskih poduzeća. 68 Slika 3.10: Brana tri klanca
  • 75.
    8.2. Hidroelektrana Itaipu(Brazil/Paragvaj) Itapu je (zasad) najveća hidroelektrana na svijetu. To je zajednički poduhvat Brazila i Paragvaja na rijeci Parana, oko 15 kilometara sjeverno od „Mosta prijateljstva“. Instalirana snaga hidroelektrane je 14 GW, sa 20 generatora od po 700 MW. Rekord u proizvodnji struje je postignut 2000. kada je proizvedeno 93,4 milijarde kilovat-sati energije (93% ukupne potrošnje u Paragvaju i 20% ukupne potrošnje u Brazilu). Sporazum o izgradnji brane i hidroelektrane je zaključen 1973. Umjetno jezero je formirano 1982. Prvi generatori s radom su počeli 1984., a posljednji rujna 2006. i ožujka 2007. Ukupno ih sada ima 20. Time je instalirani kapacitet podignut na 14.000 MW. Po meñudržavnom ugovoru, nije dozvoljeno puštati u rad više od 18 turbina istovremeno. Američko udruženje grañevinskih inženjera je 1994. proglasilo branu Itaipu za jedno od Sedam čuda modernog svijeta. 69 Statistika: - za izgradnju brane upotrijebljeno je 50 milijuna tona zemlje i kamena; - od betona upotrijebljenog za izradu brane bilo bi moguće izgraditi 210 - nogometnih stadiona veličine Marakane u Brazilu; - od čelika upotrebljenog za izgradnju, moglo bi se napraviti 380 Eiffelovih tornjeva; - iskopana količina zemlje u ovom projektu je 8,5 puta veća od one iskopane pri gradnji Eurotunela; - na izgradnji je radilo oko 40.000 ljudi; - dužina brane je 7235 metara, a maksimalna 225 metara; - maksimalni protok je 62,2 tisuće kubnih metara vode u sekundi. Slika 3.11: Itaipu brana
  • 76.
    8.3. Hidroelektrana Hoover(SAD) Sedamdesetpet godina je prošlo otkako je izgrañena; nije vise najviša, nije najveća i nije najsnažnija (u smislu energije koju daje njena elektrana); to su danas druge, u svijetu i u Sjedinjenim Državama, ali i ona sama još uvijek je “strašna”, nakon svih ovih godina. Hoover Dam, u Crnom kanjonu – Black Canyon, na granici izmeñu Nevade i Arizone, oko 50 km jugoistočno od Las Vegasa. Hidroelektrana ispod Hooverove brane iako više nije najveća, sa svojih 17 generatora, proizvodi još uvijek energije koju bi, općenito govoreći, dale dvije nuklearne elektrane – oko 2.078 MW. Akumulacijsko jezero Lake Mead najveće je umjetno jezero u Sjedinjenim Državama, dugo 177 km, maksimalne dubine 152 m, kapaciteta 35,200.000.000 kubičnih metara – ekvivalent dvogodišnjeg prosječnog protoka čitave rijeke Colorado. Ove godine, nažalost, nivo vode u jezeru Mead najniži je u 39 godina i južnoj Nevadi prijeti izvanredno stanje – rijeka Colorado, odnosno jezero Mead snabdjeva Las Vegas sa 90 posto vode, ali količina vode koju akumulacijsko jezero može primiti dovoljna je da preplavi državu veličine Pennsylvanije. 70 Slika 3.12: Hooverova brana
  • 77.
    71 9. ENERGIJAMORA Okruglo dvije trećine zemlje prekriveno je morima - izvorom energije s izvanrednim potencijalom. Valovi, plima i oseka i morska strujanja obećavaju neograničenu raspoloživost električne struje. Da se u valovim krije ogromna snaga saznali smo nažalost nakon tsunami katastrofe u Južnoj Aziji. Dakle nije čudo da i naučnici, i istraživači i poduzeća žele iskoristiti taj dosada neiskorišten spremnik energije za proizvodnju struje. Meñutim taj alternativni oblik dobivanja energije se još uvije nalazi u stadiju ispitivanja Pod pojmom energija mora smatraju se različiti oblici mehaničke, termičke i fizikalno-kemijske energije sadržane u vodenoj masi svjetskih mora. Hidroelektrane na pogon strujanjem, na pogon valovima i plimne elektrane pretvaraju energiju mora u tehnički zahtjevnom procesu u struju, koju onda transportiraju do kućanstava na kopnu. Ali elektrane moraju biti u stanju da se same zaštite u slučaju opasnosti. Tehničko znanje je neophodno da zajedno s robusnim postrojenjima obuzda tu silnu energiju u obično olujnom okruženju. 9.1. Elektrana na pogon valovima Elektrane na pogon valovima su slične hidroelektranama. One za proizvodnju struje koriste snagu vodenih valova. Za razliku od plimnih elektrana ovdje se podizanje plime ne koristi za uporabu energetske razlike izmeñu plime i oseke, već se koristi kontinuirano kretanje valova. Snaga koju valovi oslobañaju prilikom udara u strmu obalu iznosi otprilike prosječno 15 do 30 kW po metru obalne linije. Kako bi se energija valova mogla energetski iskoristiti, neophodan je konvertor energije valova, koji proizvodi rotirajuće kretanje, kako bi se dobila energija. Prema izračunima internacionalnog savjeta za svjetsku energiju u Londonu,elektrane na pogon valovima bi mogle pokrivati oko 15 % potrebe za strujom širom svijeta. Pogodne lokacije u Europi su obale Velike Britanije, Španjolske, Portugala, Irske i Norveške. Elektrana radi prema načelu 'oscilirajućeg stupca vode' (unutar odgovarajuće izvedenog cilindra pod djelovanjem valova dolazi do pada i spuštanja stupca vode čime se stvara zračna struja koja pokreće vjetroturbinu i potom generator koji proizvodi elektrićnu energiju).
  • 78.
    72 Slika 8.4:Elektrana na valove 9.2. Plimne elektrane Plimna elektrana predstavlja hidroelektranu, koja koristi energiju izmjenjive razine morske vode, dakle snagu izmeñu plime i oseke, za proizvodnju struje. Prva plimna elektrana izgrañena je 1667. godine na obali Atlantika , na ušću rijeke Rance kod mjesta Sant-Malo u Francuskoj. Voda struji u usporni bazen, u čiju su branu ugrañene turbine, koje pretavraju energiju u struju u generatoru. Kako bi se to moglo realizirati kako u dolaznoj , tako i u odlaznoj vodi neophodno je podizanje plime (razlika u razini morske vode izmeñu plime i oseke) od najmanje 8 metara. Obale s malom razlikom plime i oseke nisu pogodne za gradnju plimnih elektrana. Sveukupno postoji oko 100 zaljeva, koji bi uopće mogli doći u obzir za gradnju takvih elektrana. Istovremeno su takve elektrane problematične s aspekta ekologije, jer utječu na floru i faunu obalnih voda. Smatra se da će plimne elektrane u budućnosti pokrivati veoma mali udio u pokrivanju potreba za strujom, upravo zbog ograničenih mogućih lokacija. Slika 8.5: Plimna elektrana
  • 79.
    73 9.3. Hidroelektranana podmorske struje Slika 8.6: HE podmorske struje Britanska tvrtka Lunar Energy i njemačka energetska skupina E.ON udružili su se na razvoju hidroelektrane na podmorske struje na zapadnim obalama Velike Britanije u sljedeće dvije godine. Postrojenje će se sastojati od niza od osam turbina visine 20 m postavljenih 120 m ispod površine mora koje će iskorištavati podmorske struje uzrokovane promjenom morskih mijena. Snaga elektrane iznosit će 8 MW čime će se omogućiti opskrba strujom oko 5000 britanskih kućanstava.
  • 80.
    74 POGLAVLJE 4. NUKLEARNE ELEKTRANE
  • 81.
    75 1. UVOD Nuklearne elektrane su objekti u kojima je čovjek prvi put u povijesti neposredno iskoristio energiju atomskih jezgara za proizvodnju toplinske i električne energije. Posredno korištenje nuklearne energije, odnosno energije fuzije atoma vodika na suncu, osnov je gotovo cjelokupne energije koja je kroz povijest bila dostupna čovječanstvu (mala iznimka je geotermalna energije iz Zemljine kore). Nuklearne elektrane su u proteklih 50 godina prešle dugi put od prototipnih postrojenja do zrelih elektroenergetskih objekata. U svijetu je danas u pogonu 441 nuklearnih elektrana ukupne snage 356 GW koje godišnje proizvode oko 2600 TWh električne energije (što je 173 puta više od potrošnje električne energije u Hrvatskoj u prošloj godini). Nakon zastoja u gradnji nuklearnih elektrana u proteklom razdoblju, sve analize eksperata i meñunarodnih organizacija upućuju na neophodnost nastavka razvoja i gradnje nuklearnih elektrana u velikom broju zemalja. Iscrpljenje zaliha i sve izrazitije poskupljenje fosilnih goriva (pogotovo plina) s jedne i nemogućnost udovoljenja zahtjevu sigurne opskrbe potrošača s obnovljivim izvorima energije s druge strane daju u narednim desetljećima nuklearnoj energetici posebni značaj. Posebna je vrijednost nuklearnih elektrana u činjenici što proizvode energiju bez emisija ugljičnog dioksida čime bi mogle omogućiti Hrvatskoj da ispuni preuzete obveze iz Kyoto protokola. Za Hrvatsku je potencijalno korištenje nuklearne energije već u bližoj budućnosti od posebnog značaja zbog manjka vlastitih energetskih resursa, nesigurnoj dobavi i nepredvidljivoj cijeni prirodnog plina, ograničenja gradnje termoelektrana na ugljen zbog emisija stakleničkih plinova kao i zbog činjenice da su mogućnosti podmirenja porasta konzuma (potrošnje) gradnjom elektrana na obnovljive izvore energije vrlo ograničene. 2. PRVE NUKLEARNE ELEKTRANE U SVIJETU Osnova prve nuklearne elektrane u Obninsku je reaktor sa termičkim neutronima, s grafitnim moderatorom i hlañenjem s pomoću vode pod tlakom. Reaktor ima nazivnu toplinsku snagu 30 MW. Gorivo je obogaćeni uran, koji sadrži 5% U-235. Ukupno punjenje urana je iznosilo oko 550 kg. Rashladno sredstvo primarnog kruga je voda koja cirkulira kroz reaktor i nalazi se pod tlakom 100 bara. Voda prolazeći kroz sustav izmjenjivača topline - generatora pare predaje svoju toplinu vodi sekundarnog kruga. Čitav primarni krug izveden je od nehrñajućeg čelika i smješten je iza biološke zaštite. Voda primarnog kruga zagrijana u kanalima reaktora do
  • 82.
    temperature 260 -280°C odlazi u generatore pare. Osam generatora pare (4 para) smješteni su u zaštitnim komorama. Svaki se generator pare sastoji od predgrijača vode, isparivača i pregrijača pare. Voda primarnog kruga iz generatora pare s temperaturom 190°C dolazi u usisni priključak glavne cirkulacijske pumpe, koja osigurava protok vode kroz reaktor od 300 t/h. Voda sekundarnog kruga (kondenzat) dovodi se pojnim pumpama u predgrijač generatora pare i zatim dolazi u isparivač. Para iz isparivača dolazi u pregrijač pare. Kod pune snage elektrane generatori pare proizvode 42 t/h pare s tlakom 12,5 bara, i temperaturom 250 - 260°C. Para se vodi u turbinu. Iz kondenzatora turbine voda ponovo dolazi u generatore pare. Cijelo upravljanje opremom elektrane se vrši s središnjeg pulta. Elektrana je bila projektirana proizvoditi 5 MW električne snage. 76 Slika 4.: Kontrolna soba Obninsk Nedugo potom u pogon ulaze i prve nuklearne elektrane u drugim zemljama. U Velikoj Britaniji je to bila nuklearna elektrana Callder Hall na lokaciji Sellafield (1957). Njena četiri reaktora tipa Magnox bila su hlañena plinom CO2.
  • 83.
    77 Slika 4.2:Callder Hall U SAD prva je komercijalna nuklearna elektrana Shippingport (1957) u blizini Pittsburgha u pogon ušla točno petnaest godina nakon demonstracije samoodržavajuće lančane reakcije u Chicagu. Pored toga od početka pedesetih godina u pogonu je i eksperimentalni oplodni reaktor u američkoj saveznoj državi Idaho. U Francuskoj početkom 1956. ulazi u komercijalni pogon nuklearna elektrana G-1 Marcoule s plinom hlañenim reaktorom. Svi navedeni objekti danas su van pogona, a većina njih razgrañena je. Kroz razdoblje od trenutka puštanja u pogon prve nuklearne elektrane u svijetu do danas nuklearna energetika se pretvorila u veliku samostalnu granu energetike, stvoreni su različiti tipovi reaktora, a nuklearno gorivo igra sve veću ulogu u energetskoj bilanci mnogih zemalja u svijetu. Specifičnost je nuklearne elektrane u odnosu na klasičnu termoelektranu iskorištavanje reaktora kao izvora toplinske energije. Kod nuklearnih elektrana razlikuju se primarno postrojenje, koje se odnosi na reaktor, elemente primarnog kruga i na pomoćne sustave reaktora, te sekundarno postrojenje, kojemu pripada turbinsko i električno postrojenje elektrane.
  • 84.
    78 3. POVIJESTNUKLEARNIH NESREĆA Radi boljeg uvida u opasnost od kvarova na nuklearnim energetskim postrojenjima korisno je razmotriti uzroke i posljedice do danas najvećih nesreća na tim postrojenjima. Na nuklearnim elektranama u svijetu su se do danas dogodile dvije velike nesreće koje su rezultirale oštećenjem jezgre i ispuštanjem radioaktivnih tvari u okoliš. To su kvarovi na nuklearnim elektranama u Otok tri milje u SAD i Černobilj u Ukrajini. Za generaciju modernih nuklearnih elektrana moderiranih vodom relevantan je samo kvar na elektrani Otok tri milje. Slika 4.3: Otok tri milje Elektrana Otok tri milje u Harrisburgu u SAD ima tlakovodni reaktor s dvije rashladne petlje. Oštećenje jezgre 1979. godine rezultiralo je iz niza nesretnih okolnosti u kojima su se dogañale pogreške na opremi i pogreške operatera. Posljedica nesreće bila je parcijalno oštećenje jezgre (rastalila se približno trećina jezgre). Doza zračenja izvan elektrane tijekom nesreće nije prelazila razinu koja bi ugrožavala lokalno stanovništvo. Rezultati brojnih zdravstvenih studija pokazali su da dugoročnih posljedica po zdravlje stanovništva u okolici elektrane nema. Kako bi se ubuduće spriječili ovakvi neželjeni dogañaji, u nuklearnim elektranama širom svijeta uvedena
  • 85.
    su značajna poboljšanja.Radovi na uklanjanju rastaljene i teško oštećene jezgre započeli su u listopadu 1985. nakon gotovo šest godina priprema i trajali su nešto više od četiri godine. Posebno projektirani spremnici s ostacima jezgre otpremljeni su specijalnim vlakom u istraživački centar u Idaho radi proučavanja i konačnog odlaganja. Projekt čišćenja elektrane proglašen je za jedno od najznačajnijih inženjerskih dostignuća tijekom 1990. u SAD. 79 Slika 4.4: Černobil Katastrofa koja se 1986. godine dogodila u nuklearnoj elektrani Černobilj imala je ogroman negativni utjecaj na razvoj nuklearne energetike. Primarni je uzrok nesreće ljudska pogreška - niz narušavanja propisanih instrukcija i operativnih postupaka. Sekundarni se uzroci mogu sažeti u kategoriju nedostataka u projektu i izvedbi elektrane. Nuklearne elektrane tipa RBMK karakterizira pozitivan koeficijent reaktivnosti šupljina (isparavanje, odnosno gubitak rashladne vode dovodi do porasta snage reaktora - s povećanjem temperature broj novih fisija se povećava), nedovoljna je margina za sigurnosnu obustavu reaktora, ne postoji učinkoviti sustava za hlañenje grafita, i jako važno, ne postoji zaštitna zgrada.
  • 86.
    Mehanizam nesreće jetakav da je zbog povećanog isparavanja pare u rashladnim kanalima došlo do naglog povećanja snage (pozitivni moderatorski koeficijent plus neodgovarajući dizajn kontrolnih absorbera rezultirao je u promptnoj kritičnosti). Toplinska snaga je u jednoj sekundi porasla na vrijednost koja je stotinu puta veća od normalne što je dovelo do trenutnog isparavanja ostatka vode u jezgri i nastanka parne eksplozije. Treba naglasiti da se nije radilo o nuklearnoj eksploziji. Nuklearna elektrana ne može eksplodirati kao nuklearna bomba zbog premalog obogaćenja fisibilnog materijala. Druga značajna reakcija koja je uslijedila bila je kemijska eksplozija - eksplozija vodika i ugljičnog monoksida te gorenje grafitnog moderatora. 80 Slika 4.5: Černobil danas Katastrofa u NE Černobilj uzrokovala je 31 žrtvu neposredno nakon nesreće, više od 100.000 ljudi evakuirano je, uništena je infrastruktura, pojavio se manjak električne energije i smanjena je poljoprivredna proizvodnja. U deset godina nakon nesreće došlo je do značajnog porasta učestalosti raka štitne žlijezde za djecu koja žive na kontaminiranim područjima bivšeg SSSR. Znanstvena i medicinska istraživanja nisu otkrila porast broja ostalih vrsta karcinoma (leukemije), uroñenih anomalija, prekida trudnoće, kao ni ostalih bolesti koje bi se mogle smatrati posljedicom izloženosti ionizirajućem zračenju.
  • 87.
    Reaktori u elektraniČernobilu ne mogu biti mjerodavni za procjenu sigurnosti ostalih tipova nuklearnih elektrana, jer nisu grañeni uz poštivanje opće prihvaćenih kriterija sigurnosti, ali nisu ni temelj nuklearne energetike ni u jednoj zemlji izvan zemalja bivšeg SSSR. 81 4. NUKLEARNE ELEKTRANE U SVIJETU Sredinom 2007. godine, prema podacima Meñunarodne agencije za atomsku energiju, u 31 državi radila je 437 nuklearna elektrana. Njihova ukupna snaga na pragu iznosila je 370.708 MW. Raspoloživa snaga nuklearnih elektrana u 2004. se godini povećala približno 5000 MW, u godini 2005. za 4000 MW i u godini 2006. za 1500 Mw. U razdoblju od 2004.-2006. godine devet nuklearnih elektrana prestalo je raditi, a u dvanaest država svijeta gradi se 30 novih nuklearnih elektrana. Slika 4.6: Broj nuklearnih elektrana u svijetu
  • 88.
    82 Slika 4.7:Nuklearne elektrane u Europi 5. TIPOVI NUKLEARNIH ELEKTRANA Pod raznim tipovima nuklearnih elektrana smatraju se različiti tipovi primarnog (reaktorskog) postrojenja. Osnovni materijali prema kojima se nuklearni reaktori razlikuju su nuklearno gorivo, moderator i rashladni fluid. Svrha je nuklearnog goriva proizvodnja toplinske energije procesom fisije. Nuklearno gorivo mogu biti prirodni ili obogaćeni uran u formi metalnog urana ili uran dioksida. Moderator je medij za usporavanje neutrona, a svrha mu je usporiti neutrone kako bi se povećala vjerojatnost nastanka reakcije fisije u izotopu U-235. Moderatori mogu biti obična voda, teška voda i grafit. Rashladni fluid odvodi toplinsku energiju nastalu raspadom urana i fisijskih produkata. Korišteni rashladni fluidi su obična voda, teška voda, ugljični dioksid, helij i tekući metal. Tlakovodni reaktor koristi za gorivo oksid obogaćenog urana, a hlañen je i moderiran običnom vodom pod tlakom. U zapadnim zemljama označava se kraticom PWR (engl. Pressurized Water Reactor) te u bivšem Sovjetskom Savezu kraticom VVER (rus. vodo-vodnoj
  • 89.
    energetičeskij reaktor). Otprilike60 posto svih nuklearnih energetskih reaktora u svijeu su ovog tipa. 83 Slika 4.8: Shematski prikaz nuklearne elektrane-PWR Kipući reaktor takoñer koristi isto gorivo, moderator i rashladno sredstvo, ali voda ključa. Danas je udio ove vrste u broju energetskih reaktora oko 20 posto. Teškovodni reaktor koristi oksid prirodnog ili obogaćenog urana, hlañen je i moderiran teškom vodom s tlakom vode višim od tlaka zasićenja (nema ključanja). Kratica za reaktor je HWR (engl. Heawy Water Reactor). Slika 4.9: Shematski prikaz nuklearne elektrane-HWR
  • 90.
    Plinom hlañeni reaktorpoznat je u dvije generacije. Prvi, poznat još pod nazivom Magnox (ime prema leguri magnezija koja se rabi kao materijal za oblogu gorivne šipke), moderiran je grafitom, hlañen ugljičnim dioksidom, a gorivo je metalni prirodni uran. Kratica mu je GCR (engl. Gas Cooloed Reactor). Druga, naprednija generacija, obilježena kraticom AGR (engl. Advanced Gas Reactor) bitno se razlikuje od prve po izvedbi, obloge gorivnih šipki su od nehrñajućeg čelika, a gorivo je oksid obogaćenog urana. 84 Slika 4.10: Shematski prikaz nuklearne elektrane-GCR Reaktor moderiran grafitom i hlañen kipućom vodom, oznake RBMK (rus. reaktor boljšoi močnosti kipjaščij), grañen je samo u bivšem SSSR. Gorivo mu je oksid obogaćenog urana. Visokotemperaturni reaktor, za koji je uvedena kratica HTGR (engl. High Temperature Gas Reactor) posljednji je korak u razvoju grafitom moderiranih reaktora. Hlañen je helijem, a koristi oksid obogaćenog urana. Svi spomenuti reaktori pripadaju skupini termalnih reaktora što znači da uporabljaju moderator za termalizaciju neutrona.
  • 91.
    85 Slika 4.11:Shematski prikaz nuklearne elektrane-HTGR Brzi oplodni reaktor nema moderatora, a hlañen je tekućim metalom. Kao gorivo koristi oksid urana višeg obogaćenja ili oksid plutonija, a kao oplodni materijal prirodni uran. Oplodni materijal je U-238 pri čemu nakon reakcije uhvata neutrona te nakon dva uzastopna beta-raspada nastaje izotop Pu-239 koji je fisibilan s termičkim neutronima na sličan način kao i U-235. Ova vrsta reaktora omogućuje daleko ekonomičnije korištenje urana u odnosu na termičke reaktore. Njihova uporaba trenutno je manje isplativa, ali će postajati sve aktualnija i konkurentnija sa smanjenjem raspoloživih količina urana i rastom cijena energenata na svjetskom tržištu. Slika 4.12: Udjeli pojedinih tipova reaktora u ukupnom broju 6. NUKLEARNA ENERGIJA U ODNOSU NA OSTALE ENERGENTE Prirodni plin, nafta i naftni derivati sve se manje rabe za proizvodnju električne energije zbog sve izraženije nestabilnosti cijena i sve manje mogućnosti osiguravanja količina dostatnih za neprekinutu proizvodnju električne energije. Dostupnost ovih energenata dodatno je dragocjena za uporabu u drugim sektorima - prirodnog plina u domaćinstvima te nafte i naftnih
  • 92.
    derivata u prometu.Stoga ih je neracionalno izgarati za proizvodnju električne energije. Ugljen se najviše rabi za proizvodnju električne energije (39 posto električne energije proizvedeno je iz ugljena), ali je izuzetno nepopularan iz ekoloških razloga. Hidroenergija se već rabi na većini ekonomski isplativih i ekološki prihvatljivih mjesta te je hidropotencijal gotovo iskorišten. Od samih početaka proizvodnja električne energije u nuklearnim elektranama raste. Nakon nesreće u Černobilju izraženo se usporila izgradnja novih nuklearnih elektrana, ali su se postojeće unapreñivale i proizvodile sve više energije. 86 Slika 4.13: Odnos potrošnje goriva Ako se usporede različite vrste elektrana prema vrsti goriva koje koriste za proizvodnju toplinske energije uočava se veliki nesrazmjer. Za godišnji rad elektrane od 1.000 MW potrebno je 2,3 milijuna tona ugljena (23 transportna broda) za termoelektranu na ugljen, 1,4 milijuna tona nafte (7 tankera) za termoelektranu na naftu (mazut), 1,1 milijuna tona prirodnog plina (16 brodova na ukapljeni plin) za termoelektranu na prirodni plin odnosno 30 tona nuklearnog goriva (3 kamiona) za proizvodnju u nuklearnoj elektrani s termičkim reaktorom. Očigledna je činjenica kako se za proizvodnju električne energije u elektrani iste snage potrebna najmanja masa, a pogotovo volumen, goriva u slučaju nuklearne elektrane.
  • 93.
    87 Slika 4.14:Usporedba količine potrebnog goriva za 1000 MW električne energije Drugi važan čimbenik je veličina površine terena koju zauzimaju elektrane s pratećim objektima. Za elektranu snage 1.000 MW na biomasu potrebna je površina od 300.000 km2, za bioulje 24.000 km2, za vjetar 100-200 km2, za fotonaponske ćelije 20-100 km2, a za nuklearne elektrane do 1 km2. Kod biomase, bioplina i sl. potreban je velik prostor za plantaže goriva. Nuklearne elektrane zauzimaju mnogo manje prostora nego elektrane koje rabe obnovljive izvore energije. Ovo ne znači da zbog toga obnovljive izvore ne treba rabiti. Zapravo njihova uporaba bit će sve veća i treba ih rabiti kao nadopunu postojećim konvencionalnim tehnologijama za proizvodnju električne energije. U osnovi to se u Hrvatskoj odnosi najviše na korištenje vjetroelektrana, malih hidroelektrana te termoelektrana na otpad u drvoprerañivačkoj industriji i šumarstvu. Proizvodnja električne energije u nuklearnim elektranama sigurnija je nego proizvodnja u ostalim tipovima elektrana. U studiji švicarskog instituta Paul Sherrer iz 2001. analizirane su 4290 nesreće povezane s proizvodnjom električne energije. Za ilustraciju dan je broj smrtnih slučajeva po milijardi proizvedenih kWh električne energije. Najveća je smrtnost kod hidroelektrana (101 slučaj po TWh), potom slijede termoelektrane na ugljen (39 slučajeva po TWh) i plin (10 slučajeva po TWh) te nuklearne elektrane (1 slučaj po TWh - uključujući i černobilsku nesreću).
  • 94.
    Danas se nuklearneelektrane opet počinju graditi, primjerice u Finskoj. U Europi samo Francuska nije prekidala svoj energetski program zasnovan na nuklearnim elektranama. Rusija i Ukrajina takoñer imaju u izgradnji ili u planu nekoliko novih reaktora. U sljedeća dva desetljeća predvodnici gradnje nuklearnih elektrana bit će azijske zemlje - razvijene (Japan i Južna Koreja) te one u razvoju (Kina, Indija, Pakistan). U Hrvatskoj ne postoji niti načelna odluka o gradnji nuklearne elektrane u bližoj budućnosti. 88 7. RADIOAKTIVNI OTPAD Radioaktivni otpad iz postrojenja nuklearne energetike sačinjavaju sve radioaktivne otpadne tvari koji nastaju u procesima nuklearnog gorivnog ciklusa i tijekom pogona nuklearnih elektrana. Radioaktivni se otpad dijeli u tri osnovne kategorije. Niskoaktivni otpad karakterizira niska specifična gama i beta aktivnost (ispod 5 milijardi Bq/m3) i sa zanemarivim sadržajem aktinida. Aktinidi su alfa-emiteri i teški elementi s rednim brojem većim od 89. Srednjeaktivni otpad sadrži samo gama- i beta-emitere, uz zanemariv sadržaj aktinida, ali s većom aktivnošću nego kod niskoaktivnog otpada (do 5.000 milijardi Bq/m3). Visokoaktivni otpad karakteriziraju više specifične aktivnosti od navedenih i sadržaj aktinida. Prve dvije vrste potječu iz pogona nuklearnih elektrana, dok treća vrsta dolazi iz postrojenja za preradu istrošenog nuklearnog goriva. Slika 4.15: Nuklearni spremnici
  • 95.
    Radioaktivni otpad kojinastaje tijekom pogona nuklearnih elektrana potječe iz dva osnovna izvora: aktivacije materijala u reaktoru i fisija. Aktivacijski proizvodi nastaju aktivacijom neaktivnih izotopa željeza, nikla, bora i litija prolazom kroz jezgru reaktora. Dio fisijskih proizvoda dospijeva u rashladni krug reaktora zbog propuštanja oblogi gorivnih šipki. Najveći doprinos daju plemeniti plinovi, te tricij i cezij. Meñu otpadnim radioaktivnim plinovima dominantnu ulogu imaju plemeniti plinovi, posebno izotop kriptona Kr-85. Izotop cezija Cs-137 fisijski je proizvod koji daje najveći doprinos radioaktivnosti reaktorskog rashladnog sredstva. Kod NE Krško izotop Cs-137 pridonosi aktivnosti primarnog rashladnog sredstva s 40%, a izotop Co-60 otprilike s 30%. Ostatak aktivnost uglavnom je doprinos drugih aktivacijskih proizvoda i tricija. Strategija rukovanja radioaktivnim otpadom u nuklearnoj elektrani svodi se u osnovi na sljedeće: (1) ispust iz elektrane količina radioaktivnih tvari u plinovitom i tekućem obliku do granice dopuštene propisima, uvažavajući pri tome načelo "toliko malo koliko je racionalno moguće postići"; i (2) prerada preostalih radioaktivnih tvari u što koncentriraniji i što stabilniji oblik, poštujući pri tome dopuštene doze zračenja na površini spremnika koji te tvari sadržavaju. Čvrsti radioaktivni otpaci su otpadni materijali i alati tijekom održavanja aktivnog dijela postrojenja kao i radioaktivni materijali koncentrirani prilikom procesa prerade radioaktivnih tekućina (ionoizmjenjivačke smole, talozi isparivača, filtri tekućina) i čišćenja radioaktivnih plinova. Vodu ispuštenu iz primarnog kruga (tzv. normalna curenja: propuštanje prirubnica, drenaže, uzimanje uzoraka) karakterizira sadržaj tricija. Ta se voda obično reciklira u unutrašnjem sustavu za preradu. Kruti otpad normalno se sprema u bačve standardnih dimenzija (205 litara). Pretežni dio radioaktivnog otpada nastalog tijekom pogona nuklearne elektrane spada u kategoriju srednjeaktivnog otpada. Istrošene izmjenjivače smole i filtri ulažu se u bačve u koje je s unutrašnje strane ugrañen betonski biološki štit. Stlačivi otpad (kontaminirana odjeća, krpe, plastika) smješta se u metalne bačve koje dopuštaju naknadnu kompresiju. 89
  • 96.
    90 Slika 4.16:Odlagalište nuklearnog otpada Visokoaktivni otpad izvor je ne samo radioaktivnog zračenja nego i toplinske energije. Volumen krutog visokoaktivnog otpada po toni prerañenog urana kod lakovodnih reaktora iznosi 70 do 80 litara. Iz toga se može izračunati, primjerice, da preradu nuklearnog goriva potrebnog za proizvodnu 1.000 MW električne energije u nuklearnoj elektrani s lakovodnim reaktorom prati stvaranje svega 2,5 do 3 m3 čvrstog viskoaktivnog otpada. Osnovni problem koji se mora riješiti pri spremanju radioaktivnog otpada je dugoročna stabilnost skladišta radi onemogućenja kontakta radioaktivnih nuklida s životnom sredinom i podzemnim vodama. U načelu se primjenjuju dva tipa skladištenja radioaktivnog otpada: plitko (primjenjivo za niskoaktivni i srednjeaktivni otpad) te duboko (primjenjivo za sve vrste radioaktivnog otpada). Kod plitkog odlaganja djelovanje inženjerskih zapreka osigurava se ulaganjem bačava u armiranobetonske posude i ispunjenje prostora izmeñu bačava betonom, čime se dobiva monolitni betonski blok. Blokovi se ulažu u široke rovove od nepropusne gline s betonskom oplatom.Duboko skladištenje radioaktivnog otpada obavlja se u geološki stabilnim formacijama u granitu ili glini.
  • 97.
    91 8. ZAŠTITAOKOLIŠA I SIGURNOST KOD NUKLEARNIH POSTROJENJA Nemoguće je proizvoditi energiju, uključivši sve faze od izgradnje, preko pogona i konačno do razgradnje energetskog objekta bez utjecaj na okoliš i čovjeka. U nuklearnim elektranama toplinska se energija oslobaña fisijama za koje nije potreban kisik. Kisik je potreban kod procesa izgaranja - spajanja s kiskom - kod termoelektrana na fosilna goriva. Stoga je jedna od najvažnijih prednosti nuklearnih elektrana u odnosu na elektrane na fosilna goriva izostanak emisija velikih količina ugljičnog dioksida (stakleničkog plina koji doprinosi globalnom zagrijavanja Zemljine atmosfere), sumpornog dioksida (atmosfera ga izlučuje kao kiselu kišu), dušičnih oksida (uzrokuju nastanak kiselih kiša, stvaranje prizemnog ozona, razgradnju stratosferskog ozona) te ostalih čestica prisutnim u dimnim plinovima kao posljedica procesa izgaranja fosilnih goriva. Kod korištenja hidropotencijala negativan utjecaj očituje se kroz zauzeće velike površine (akumulacije vode), promjene ekosustava i vodotokova, preseljenje ljudi, promjene mikroklime, gubitak biološke raznolikosti, postojanje rizika od pucanja brane (najčešći uzrok smrti vezan uz proizvodnju električne energije). Elektrane koje rabe obnovljive izvore energije karakterizira zauzeće velikih površina (sunčeve elektrane), promjene ekosustava, buka (vjetroelektrane), opasne kemikalije (izradba fotonaponskih ćelija). Nuklearne elektrane mogu negativno utjecati na okoliš ispuštanjima radioaktivnog materijala iz elektrane slučaju nesreće a njihovim radom nastaje i radioaktivni otpad. Sigurnost nuklearnih elektrana jedan je od najbitnijih uvjeta za njezinu prihvatljivost kao energetskog objekta. Osnovno načelo projektiranja nuklearne elektrane sa stajališta sigurnosti je tzv. obrana po dubini. Sastoji se u poduzimanju sustavnih mjera za očuvanje funkcija opreme i sustava za sigurnost nuklearne elektrane, i to tako da oni u pogledu zaštite okoliša djeluju serijski, jedan iza drugog. Fizičke su zapreke (barijere) matrica nuklearnog goriva, obloga gorivnog elementa, primarni rashladni krug i zaštitna zgrada. Djelotvornost navedenih barijera znatno bi bila umanjena kada ne bi postojali tehnički sustavi koji osiguravaju njihovu funkciju. To su sustav za zaštitno hlañenje jezgre reaktora i sustav za štićenje zaštitne posude. Sustavi i komponente u pravilu su višestruki. Grañevinski objekti nuklearne elektrane se projektiraju za pouzdanu izdržljivost na najnepovoljnije vanjske utjecaje koji se mogu pojaviti na lokaciji elektrane (npr. seizmička aktivnost). Višestruki mjerni i regulacijski kanali trebaju osigurati nadzor i upravljanje i u uvjetima otkaza pojedinih mjernih i regulacijskih sustava. Posebno se to odnosi na sustav za obustavu pogona i odvoñenje topline iz reaktora. Sustav kontrole i osiguranja kvalitete svodi na najmanju mjeru mogućnost pogrešaka u gradnji i pogonu
  • 98.
    elektrane, posebno onihkoje bi mogle negativno utjecati na sigurnost. Djelovanje sustava nuklearne elektrane stalno se prati, pri čemu se sustavno i pravovremeno otklanjaju svi uočeni nedostaci i preventivno djeluje da se uočeni nedostaci ne ponavljaju. Spoznaja o veličini nekog rizika i odluka o njegovoj prihvatljivosti mora se zasnivati na usporedbi tog rizika s ostalim rizicima kojim je čovjek izložen. Rizik je definiran kao produkt vjerojatnosti nastanka neželjenog dogañaja i njegovih posljedica. Rizik stanovništva koji žive u okolici nuklearnih elektrana neusporedivo manji zbog rada tih nuklearnih elektrana nego zbog drugih uzroka (posebno od automobilskih nesreća). Apsolutne sigurnosti nema. Opći zaključci sveobuhvatne studije (WASH-1400) kojom su kvantificirani rizici zbog rada nuklearnih postrojenja daju se sažeti u sljedeće konstatacije. Nesreće koje dovode do oštećenja jezgre bez gubitaka integriteta zaštitne zgrade vrlo malo utječu na okoliš. Rizici od reaktorskih nesreća kojima je izloženo stanovništvo manji su od rizika koji nastaju zbog drugih uzroka u svakodnevnom životu. Vjerojatnost nastanka reaktorskih nesreća mnogo je manja od vjerojatnosti nastanka drugih nezgoda koje daju slične posljedice. Nuklearna energija omogućuje da se izgrade energetska postrojenja čiji će utjecaj na zdravlje ljudi i životnu sredinu biti osjetno povoljniji od utjecaja koje možemo postići uporabom konvencionalnih (obnovljivih i neobnovljivih) izvora energije. 92
  • 99.
    93 POGLAVLJE 5. VJETROELEKTRANE
  • 100.
    94 1. UVOD U svijetu se danas koriste različiti energenti za dobivanje energije koja je potrebna. Vodeći energenti u svijetu su fosilna goriva (nafta, plin i ugljen) i nuklearna energija. Fosilna goriva i nuklearna energija imaju svoje prednosti zbog koji su trenutno vodeći energenti u svijetu, ali imaju i svoje nedostatke. Osnovni nedostatci fosilnih goriva su zagañenje okoliša i njihove ograničene rezerve. Rezerve nafte kao vodećeg energenta u svijetu, su sve manje. Upravo zbog toga se danas u svijetu sve više razmišlja o obnovljivim izvorima energije, te se sve više novaca ulaže u obnovljive izvore energije. Neki od obnovljivih izvora energije su sunčeva energija, vodeni tokovi, geotermalna energija, plima i oseka, biomasa te vjetar. Vjetroelektrane su jedan od oblika obnovljivih izvora energije pokretan snagom vjetra. Pojam vjetroelektrana označava niz blisko smještenih vjetroturbina. Energija vjetra se pomoću vjetroturbina može pretvoritit u električnu energiju. Vjetroelektrana se sastoji od noseće konstrukcije u obliku stupa, vjetroturbine, generatora električne struje te automatske regulacije broja okretaja i napona generatora, eventualno uz priključak na neki sustav akumuliranja energije ili na regionalnu električnu mrežu. U ovom seminaru su detaljno objašnjeni način rada, vrste postrojenja, vjetropotencijal i vrste vjetroturbina i generatora vjetroelektrana. 2. ENERGIJA VJETRA Vjetar je bogat, obnovljiv, lako dostupan i čist izvor energije. Nastanak vjetra je složen proces. Kako sunce neravnomjerno grije Zemlju, polovi primaju manje sunčeve energije nego ekvator. Pored toga, kopno se brže grije i brže hladi od mora. Takvo zagrijavanje tjera globalni atmosferski sustav prijenosa topline sa površine Zemlje prema stratosferi koja se ponaša kao virtualni strop. Većina energije takvog strujanja vjetra je na velikim visinama gdje brzina vjetra prelazi i 160 km/h. Dio energije vjetra trenjem prelazi u difuznu toplinu kroz atmosferu i Zemljinu površinu. Predviñanja govore da je 72 TW energije vjetra iskoristivo u komercijalne svrhe. Treba napomenuti ni da teoretski ni praktično nije iskoristiva sva snaga vjetra. Vjetar jako varira i srednja vrijednost brzine za danu lokaciju nam ne može reći koju količinu energije naš vjetroturbina može proizvesti. Ipak, kod predviñanja ponašanja vjetra na odreñenom mjestu, držimo se podataka koje su nam dala mjerenja. Dovoljna je i manja promjena lokacije da bi imali velike promjene u brzini vjetra. Brzinu vjetra mjerimo i aproksimiramo Rayleigh raspodjelom.
  • 101.
    Kako se velikakoličina energije dobiva pri većim brzinama vjetra, dosta nam energije dolazi u kraćim intervalima, odnosno na mahove, kao i vjetar. Posljedica toga je da vjetroelektrane nemaju stalnu snagu na izlazu kao sto to imaju npr. termoelektrane, te postrojenja koja napajaju vjetroagregati moraju imati osiguranu proizvodnju električne energije i iz nekog drugog izvora. Stalnost snage kod vjetroelektrana bi nam mogao osigurati napredak u tehnologijama koje se bave spremanjem energije tako da možemo koristiti energiju koju smo dobili za jačeg vjetra onda kada ga nema. Nedostatak vjetra rijetko uzrokuje nesavladive probleme kada u malom udjelu sudjeluje u 95 opskrbi električnom energijom, ali pri većem oslanjanju na vjetar dovodi do većih gubitaka. 3. VJETROTURBINE Današnji sustavi za iskorištavanje energije vjetra su pretežito vjetroturbine. Vjetroturbina je još poznata pod nazivima vjetroagragat i vjetrogenerator. Vjetroturbina je rotirajući stroj koji pretvara kinetičku energiju vjetra prvo u mehaničku, a zatim preko električnih generatora u električnu energiju. Pri tome se rotor vjetroturbine i rotor električnog generatora nalaze na istom vratilu. Slika 5.1: Temeljni dijelovi vjetroturbine Temeljni dijelovi vjetroturbine: 1. vitlo 2. spona za vitlo 3. lopatica
  • 102.
    96 4. navojiza regulaciju kuta zakreta lopatice (pitch regulacija) 5. glavčina rotora 6. glavni navoji 7. glavna osovina 8. mijenjačka kutija 9. diskovi kočnice 10. spojke 11. servisna dizalica 12. generator 13. meteorološki senzori 14. ležaj za zakretanje turbine 15. prsten za zakretanje turbine 16. toranj 17. nosiva platforma kučišta 18. krovna platforma 19. uljni filter 20. ventilator generatora 21. hladnjak ulja 3.1. Princip rada Kao što je već rečeno, vjetroturbine koriste energiju vjetra. Promatrajmo stupac zraka koji ima neku brzinu v i masu m. Kinetička energija u ovom slučaju iznosi: Masa zraka je odreñena sa gustoćom ρ ,površinom kroz koju struji A , brzinom v i vremenom t, dakle vrijedi: Snaga vjetra je derivacija kinetičke energije po vremenu, pa time dobijemo izraz za raspoloživu snagu vjetra:
  • 103.
    Dakle, snaga vjetraje proporcionalna brzini vjetra na treću potenciju. Zato je bitno precizno poznavati iznos brzine vjetra, jer se svako odstupanje multiplicira pri izračunu snage vjetra.Važan alat pri analizi učinkovitosti vjetroturbina je takozvana krivulja snage. 97 Slika 5.2: Dijagram snaga raznih vjetroagregata Na vertikalnoj osi smješta se [snaga] u vjetru, a na horizontalnu os brzina vjetra. Nešto kompliciranija analiza je potrebna da bi se odredila maksimalna snaga koju vjetroelektrana može preuzeti, zato što lopatice vjetroturbine obavezno utječu na vjetar da bi izvukle njegovu snagu. Promatrajmo ponovo isti stupac zraka. On "putuje" do rotora vjetroturbine početnom brzinom v, te usporava do brzine v1 kad dosegne rotor (to se dogaña zbog promjena u tlaku). Rotor preuzima dio energije vjetra, tako da se zrak koji struji iza rotora kreće još sporije brzinom v2. Naravno, ista masa zraka koja je putovala prema rotoru i napušta rotor. Volumen stupca zraka iza turbine se povećava, zbog toga što se masa zraka giba sporije, što prisiljava zrak da se proširi, tako omogućujući kontinuirano strujanje.
  • 104.
    98 Slika 5.3:Stupac zraka s označenim brzinama pri prolasku kroz turbinu Algebarskim proračunom dobije se da je snaga dobivena iz vjetra jednaka: gdje je a faktor aksijalne indukcije koji se definira sa: Tada se može definirati koeficijent snage Cp kao omjer snage preuzete od strane rotora i snage vjetra: Cp = 4a(a − 1)2 Koeficijent snage ukazuje na efikasnost turbine baziranu isključivo na konceptu stupca zraka, zanemarujući stvarne uvjete, te neizbježne mehaničke i elektroničke gubitke. Ako deriviramo koeficijent snage i izjednačimo ga s nulom (odnosno tražimo njegov maksimum) dobijemo da je maksimalna vrijednost faktora a jednaka 1/3 , odnosno pri toj vrijednosti od a Cp iznosi 16/27 , odnosno 0.59. Ovo ograničenje je poznato pod nazivom Betzov zakon , odnosno Betzov koeficijent. Dakle, on označava maskimalnu teoretsku iskoristivost vjetropotencijala. Maksimalna praktična iskoristivost se kreće od 35% do 45%. Svaka vjetroturbina je dizajnirana za odreñenu brzinu vjetra pri kojoj ima najbolju iskoristivost. Na jako malim brzinama vjetra rad vjetroturbina nije isplativ. Pri slabom vjetru ne može se generirati ili se može generirati jako malo struje iz energije vjetra, pa tako sama vjetroturbina može postati potrošač. Zbog toga bi rotorska kočnica trebala zaustaviti rotor vjetroturbine ako je brzina vjetra manja od predefinirane brzine upogonjenja te vjetroturbine.
  • 105.
    Brzina vjetra zakoju je dizajnirana vjetroturbina i nominalna brzina vjetra vjetroturbine uobičajeno su različite vrijednosti. Nominalna brzina vjetra je uobičajeno veća od brzine za koju je ta vjetroturbina dizajnirana. Iznad nominalne brzine vjetra, snaga generatora vjetroturbine mora biti limitirana, te zbog toga svaka vjetroturbina iznad nominalne vrijednosti brzine vjetra daje konstantnu izlaznu snagu zbog limitacije i pada iskoristivosti. Ta izlazna snaga je konstantna sve do brzine isključenja. Ako brzina postane previsoka, vjetroelektrana može biti preopterećena i može doći do oštećenja. Zbog toga vjetroturbine imaju predefiniranu brzinu isključenja, pri kojoj rotorska kočnica zaustavlja vjetroturbinu i rotor se okreče od vjetra koliko je to moguće. 99 Predefinirane brzine vjetra uobičajeno imaju sljedeće iznose: o Brzina uključenja vcut-in = 2.5 – 4.5 m/s o Brzina vjetra za koju je dizajnirana vjetroturbina vD = 6 – 10 m/s o Nominalna brzina vjetra vN = 10 - 16 m/s o Brzina isključenja vcut-out = 20 – 30 m/s o Brzina preživljavanja vlife = 50 – 70 m/s Svaki proizvoñač vjetroturbine za svaki svoj proizvod ima napravljen dijagram iskoristivosti u ovisnosti o brzini vjetra. Na tom dijagramu su ucrtane i gore navedene predefinirane vrijednosti za tu vjetroturbinu. Ovime je pojašnjeno kako vjetroturbina preuzima energiju vjetra, a dalje je pojašnjeno kako ju pretvara u električnu energiju. 3.1.1. Generatori vjetroturbina Generatori su turbinski dio vjetroturbine s rotorom, kočnicama i prijenosnikom snage te predstavljaju važan dio cjelokupnog sustava. Nakon što vjetroturbina preuzme energiju vjetra, uz pomoć generatora ju pretvara u električnu energiju. Za pravilno i sigurno funkcioniranje vjetroturbina, generator mora ispunjavati odreñene zahtjeve kao što su: · visok stupanj iskoristivosti u širokom krugu opterećenja i brzine okretanja; · izdržljivost rotora na povećanim brojevima okretaja u slučaju otkazivanja svih zaštitnih sustava; · izdržljivost, odnosno postojanost konstrukcija na visokim dinamičkim opterećenjima prilikom kratkih spojeva, te pri uključivanju i isključivanju generatora;
  • 106.
    100 · uležištenjegeneratora na način da jamče dugotrajnost. Uzimajući u obzir nepogodne i promjenjive uvijete rada (povećane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost na krute čestice, povišenu temperaturu i dr.) pred generatore se takoñer postavlja zahtjev pouzdanosti sa što je moguće manje održavanja. Razni su kriteriji prema kojima se može izvršiti podjela generatora. Tako se prema načinu rada generatori mogu podijeliti na generatore za: · paralelni rad s postojećom distributivnom mrežom · samostalni rad · spregnuti rad s drugim izvorima Prema vrsti struje koju generatori generiraju, generatori mogu biti: · generatori istosmjerne struje (generatori istosmjerne struje se zbog problema s pouzdanosti rijetko primjenjuju). · generatori izmjenične struje Prema načinu okretanja generatori mogu biti: · generatori s promjenjivom brzinom okretanja · generatori s nepromjenjivom brzinom okretanja Naime, na osovinu vjetroturbine je vezan električni generator direktno ili indirektno preko prijenosnika. Mogu se koristiti i asinkroni i sinkroni generatori. Asinkroni su jeftiniji izvedbom pa se i češće koriste. Sinkroni imaju bolje pogonske karakteristike, pa se i oni nerijetko koriste unatoć većoj cijeni. Dakle, vjetroturbina preko lopatica energiju vjetra pretvara u okretni moment vratila koji preko zupčastog mjenjača okretni moment predaje električnom generatoru koji ga pretvara u električnu energiju. Zakretni mehanizam postavlja lopaticu na optimalni kut. Vjetroturbine posjeduju mehanizam koji u suradnji s anemometrom preko nazubljenog prstena cijeli ustroj turbine postavlja okomito na pravac vjetra. Glavno vratilo ima disk kočnicu koja zaustavlja turbinu u slučaju prevelike brzine vjetra. Rad cijelog sustava nadzire elektronički kontrolni sklop.
  • 107.
    101 a) Generatoris promjenjivom brzinom okretanja: Vrste generatora s promjenjivom brzinom okretanja: 1. sinkroni ili asinkroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu 2. asinkroni generator s upravljivim promjenljivim klizanjem 3. asinkroni generator s nadsinkronom ili podsinkronom pretvaračkom kaskadom b) Generatori s nepromjenjivom brzinom okretanja: 1. Vjetroturbina s asinkronim generatorom. Asinkroni generatori se najčešće priključuju na krute električne mreže. Krutu mrežu karakterizira velika naponska i frekvencijska stabilnost. Osnovna prednost im je jednostavnija i jeftinija konstrukcija, iako s druge strane moraju imati kompenzacijski ureñaj (uglavnom uklopive kondenzatorske baterije) i priključni ureñaj kako bi se omogućilo početnu sinkronizaciju s mrežom. 2. Vjetroturbina sa sinkronim generatorom Upotrebljevaju se za spajanje na ne tako krute električne mreže, npr. kod spajanja na otočni električni sustav. Ovdje su potrebni uzbudni sustav i regulator brzine koji će održavati napon i frekvenciju. Ovakvi generatori ne mogu se pronaći u komercijalnim izvedbama sa stalnom brzinom u pogonu na krutu mrežu. Kod vjetroturbina nazivnih snaga većih od 500 kW naročito je izražena potreba za uključivanjem sustava za regulaciju kuta zakretanja elise propelera, što inače nije slučaj, pa tako da se spomenuti sustav ne izvodi u svim jedinicama.
  • 108.
    102 Slika 5.3:Prikaz vjetroturbine s asinkronim generatorom Slika 5.4: Prikaz vjetroturbine sa sinkronim generatorom 3.1.2. Ograničavanje izlazne snage i zaštita od oluja Energija koja može biti preuzeta od vjetra ovisi o brzini vjetra. Poslje dostizanja nominalne snage, snaga vjetrogeneratora bi trebala ostati konstantna kod svih brzina vjetra večih od nominalne brzine zbog toga jer turbina i generator ne mogu podnjeti više energije. Zbog toga, vjetroelektrana mora limitirati snagu pomoću jedne od dvaju sljedećih metoda: · metoda zavjetrine (Stall control) · metoda promjene kuta lopatica rotora (Pitch control)
  • 109.
    a) Metoda zavjetrine(Stall control) Metoda zavjetrine se bazira na efektu stvaranja vrtložnih struja, a sa time i zavjetrine kod velikih upadnih kutova koji se sami povećavaju pri povećanju brzine vjetra. Ovaj efekt uništava uzgon na površini zahvaćenoj ovim efektom te na taj način limitira snagu koju vjetar prenosi na lopatice rotora. Kod ovoga načina zaštite vjetroturbina lopatice rotora se ne pomiču, te kut pod kojim su postavljene uvijek ostaje konstantan. Ovakav način zaštite vjetroturbina se realizira samom konstrukcijom rotora te ne zahtijeva napredne tehničke sustave za njezin rad. Negativna strana ovakvog načina zaštite vjetroturbina je u tome što ne omogućava nikakvo naknadno upravljanje zbog toga što je ovaj način zaštite isključivo pasivan. Maksimalnu snagu novodizajniranog rotora nije lako procijeniti zbog kompliciranog matematičkog proračuna strujanja fluida. Nakon dostizanja maksimalne snage, izlazna snaga generatora zaštićenog ovom metodom opada. Ovako zaštićeni sustavi moraju imati još dodatne aerodinamičke kočnice koje pomažu vjetroturbinama sa ovakvim načinom zaštite da prežive oluje. b) Metoda promjene kuta lopatica rotora (Pitch control) Mnogi proizvoñači vjetroturbina preferiraju metodu zaštite svojih vjetroturbina pomoću promijenjivog kuta lopatica rotora, iako je ovu metodu zaštite tehnički puno teže izvesti. Meñutim, pošto je ova metoda zaštite aktivna metoda, ona se može prilagoditi različitim uvjetima. Zaštita metodom promjene kuta lopatica rotora automatski prilagoñava kut lopatica rotora, a samim time i upadni kut, smanjujući ga ili povećavajući, ovisno o prilikama. Lopatice rotora se okreću u vjetar prilikom većih brzina vjetra, smanjujući upadni kut i tako se aktivno smanjuje ulazna snaga na lopaticama rotora. Izrada ovako zaštićenih i kontroliranih vjetroturbina je kompliciranija, zato jer lopatice rotora moraju biti pomično učvršćene na vrh osovine, i mora postojati još dodatni motor koji mi upravljao nagibom lopatica. Manji sustavi uobičajeno upotrebljavaju mehanički kontroliran mehanizam promjene kuta lopatica rotora oslanjajući se na centrifugalnu silu. Ako se vjetroturbina kompletno isključi zbog zaštite od oluje i ako ima mogućnost zakretanja kuta lopatica rotora, mogu joj se lopatice rotora okrenuti u položaj pera (najmanja moguća silueta koja stoji na putu vjetra), te se tako smanjuje njen otpor vjetru i mogućnost oštećenja. c) Sustav za praćenje vjetra (Yawing) Sustav za praćenje vjetra može se svrstati u u sustave za povećanje iskoristivosti vjetroturbina i u sustave za zaštitu vjetroturbina sa vodoravnom (horizontalnom) osi. Ovaj sustav radi na principu horizontalnog zakretanja vjetroturbina. Vjetroturbine sa vodoravnom (horizontalnom) osi, za razliku od vjetroturbina sa vertikalnom osi, moraju uvijek svojom 103
  • 110.
    orijentacijom pratiti smjervjetra. Orijentacija lopatica rotora uvijek mora biti tako namještena da su lopatice rotora okrenute prema vjetru pod optimalnim kutom. Ovo može biti problem za vjetroturbine sa promjenjivim kutom lopatica rotora ako su postavljene na mjestu gdje dolazi do vrlo brze promjene smjera vjetra zbog toga jer može doći do velikih fluktacija u snazi o čemu se mora voditi računa prilikom horizontalnog zakretanja vjetroturbina i prema tome se korigirati brzina rotora. Za zakretanje vjetroturbina u horizontalnom smjeru cijelo kućište vjetroturbine sa rotorom, prijenosom i generatorom mora biti pomično postavljeno na vrhu stupa. Sustav za mjerenje vjetra smješten na kućištu mjeri i izračunava brzinu i smjer vjetra i prema tim podatcima upravljački sustav odlučuje kada, za koliko i u kojem smjeru zaokrenuti kućište i rotor vjetroturbine. Kada kućište i rotor doñu u optimalni položaj pokreče se horizontalna kočnica koja drži vjetroturbinu u tom položaju. U stvarnosti postoji uvijek malo odstupanje od smjera vjetra i optimalnog položaja rotora. To odstupanje se zove "yaw angle" i uobičajno iznosi oko 5%. 3.2. Vrste vjetroturbina U daljnjem tekstu biti će nabrojane podjele i izvedbe suvremeni vjetroturbina te će biti ukratko opisane. U osnovi, vjetroturbine mogu raditi na dva principa iskorištavanje energije vjetra, pa se zato i osnovna podjela svodi na podjelu prema tim principima. Tako imamo: 1. Vjetroturbine koje rade na principu otpornog dijelovanja (drag devices) 2. Vjetroturbine koje rade na principu potiska (lift devices) 3. Vjetroturbine koje rade na kombiniranju obaju principa. Vjetroturbine koje rade na principu otpornog dijelovanja imaju manju iskoristivost od vjetrenjača koje rade na principu potiska, zbog toga danas pretežito koriste vjetroturbine koje rade na principu potiska ili koje rade na principu kombiniranja obaju principa. Osim ove glavne podjele postoji još niz podjela vjetroturbina, pa ih tako u ovisnosti 104 prema nekim konstrukcijskim i radnim značajkama razvrstavamo po: · položaju osi turbinskog kola: vjetroturbine s vodoravnom osi i okomitom osi. · omjeru brzine najudaljenije točke rotora i brzine vjetra: brzohodne i sporohodne. · broju lopatica: višelopatične, s nekoliko lopatica i s jednom lopaticom. · veličini zakretnog momenta: visokomomentne i niskomomentne. · načinu pokretanja: samokretne i nesamokretne. · efikasnosti pretvorbe energije vjetra u zakretni moment: nisko i visoko efikasne.
  • 111.
    105 · načinuokretanja rotora prema brzini vjetra: promjenjive i nepromjenjive. 3.2.1. Vjetroturbine s horizontalnom osi vrtnje (HAWT) Turbine sa horizontalnom osi vrtnje su one čija je os vrtnje paralelna sa smjerom struje vjetra i tlom. Većina komercijalnih turbina je ovog tipa. Najčešće su izvedbe sa 3 lopatice, a ponekad se mogu vidjeti i izvedbe sa 2 lopatice. One imaju rotor, vratilo i električni generator smještene u kabini na vrhu visokog stupa , te moraju biti okrenute direktno prema vjetru, za što se koristi senzor uparen sa servo motorom. HAWT turbine se mogu podijeliti na one koje gledaju prema vjetru i na one koje gledaju od vjetra. Velika većina gleda prema vjetru, jer na taj način izbjegava utjecaj turbulencija koje nastaju iza turbine. Osnovna prednost HAWT turbina koje gledaju od vjetra je ta što se u njih ne moraju ugrañivati mehanizmi za zakretanje turbine, ali nisu toliko pouzdane i trajne kao "obične" HAWT turbine. Kao što je već napomenuto, većina modernih vjetroturbina ima 3 lopatice i elektronički sustav koji ih usmjerava prema vjetru. One imaju veliku obodnu brzinu (nekoliko puta veću od brzine vjetra), visok stupanj iskoristivosti, te dobru pouzdanost. Loaptice se najčešće boje u sivu boju kako bi se stopile sa okolnim oblacima. Lopatice mogu biti duge od 20 pa sve do 50 i više metara. Prognoze kažu da će se do 2010. pojaviti vjetroturbine sa promjerom lopatica od 180 metara, koje će imati snagu izmeñu 8 i 12 kW. Čelični tornjevi variraju visinom od 60-ak pa sve do 100 i više metara visine.Općenito je dizajn tornja važan faktor kod vjetroturbina sa horizontalnom osi. To je zato što na višoj nadmorskoj visini vjetar struji brže. Ilustracije radi, sa dvostrukim povećanjem nadmorske visine, brzina vjetra se povećava 10% po danu te čak izmeñu 20% i 60% po noći. Za vjetroturbine sa horizontalnom osi vrtnje najčešće se uzima da je visina tornja 2 do 3 puta veća od duljine lopatica. Lopatice se vrte brzinom od 10 do 22 okretaja po minuti. Ta brzina se pomoću prijenosnog sustava (reduktor) uvećava i predaje električnom generatoru. Prednosti vjetroturbina sa horizontalnom osi vrtnje · Glavna prednost je dosta veća učinkovitost u proizvodnji električne energije · Postavljanje na visoke tornjeve omogućava pristup većim brzinama vjetra · Lopatice se nalaze sa strane, ako se gleda iz centra mase vjetroturbina, što poboljšava stabilnost · Mogućnost zakreta lopatica, što daje veću kontrolu, omogućuje namještanje optimalnog kuta, tako da vjetroturbina iskoristi maksimum energije vjetra · Mogućnost fiksacije lopatica u oluji, što minimizira potencijalnu štetu
  • 112.
    106 Nedostaci vjetroturbinasa horizontalnom osi vrtnje · Većina ovakvih vjetroturbina zahtjeva sustav za zakretanje turbine, što dodatno poskupljuje izvedbu. · Problematičan rad u vjetrovima na malim nadmorskim visinama koji su često turbulentni · Visoki tornjevi i duge lopatice rotora turbine su problematične za transport i na moru i na kopnu. Transportni troškovi mogu zauzimati do 20% od ukupnih troškova opreme. · HAWT turbine su problematične za postavljanje, jer zahtjevaju vrlo visoke i skupe kranove. · Izvedbe koje gledaju od vjetra pate od smanjene trajnosti i pouzdanosti zbog turbulencija kojima su izložene. Slika 5.5: Vjetroturbina s horizontalnom osi vrtnje
  • 113.
    3.2.2. Vjetroturbine svertikalnom osi vrtnje (VAWT) Njihova glavna značajka je što im je os vrtnje postavljena vertikalno. Glavna prednost ovakve konfiguracije je da turbina ne treba biti uperena direktno u vjetar da bi bila učinkovita. To je prednost na lokacijama gdje je smjer vjetra dosta promjenjiv. Dakle VAWT turbina može iskoristiti energiju iz različitih smjerova vjetra. Vjetroturbine sa vertikalnom osi mogu biti postavljene bliže tlu i ne trebaju im visoki tornjevi, zbog čega su pristupačnije za održavanje. Loša strana toga je ta da su brzine vjetra na manjim nadmorskim visinama dosta manje, što za sobom povlači činjenicu da je manje energije raspoloživo za transformaciju. Uz to, strujanje zraka blizu tla i drugih objekata je često turbulentno što sa sobom nosi nezgodne pojave kao što su vibracije, te brže trošenje ležajeva i kraći životni vijek kao njihovu posljedicu. Meñutim, ako se vjetroturbina postavi na krov zgrade, ona preusmjerava strujanje vjetra što značajno povećava (ponekad i udvostručuje) brzinu strujanja. VAWT turbine se mogu grubo podjeliti na Darrieusove i Savoniusove turbine. Nijedna 107 od njih danas nije u široj komercijalnoj upotrebi. a) Darrieusova turbina Darrieusova turbina ima duge tanke lopatice u obliku slova C , koje su spojene pri vrhu i dnu vertikalne osi.Takve lopatice joj daju pomalo jajast izgled (eng. nadimak Eggbeater turbine). Najčešće se izrañuje sa 2 ili 3 lopatice. One imaju dobru efikasnost, ali takoñer proizvode značajna ciklička naprezanja koja dovode do slabije pouzdanosti. Takoñer, one zahtijevaju eksterni izvor struje, koji će im pomoći pri pokretanju jer je njihov početni okretni moment slab. Radi slabije stabilnosti moraju ih pridržavati metalni kablovi, što nije uvijek praktično. Kod novijih izvedbi to nije uvijek slučaj, jer imaju eksternu substrukturu pričvršćenu na gornji ležaj. a-1) Spiralna Gorlov turbina Gorlov turbina je nastala kao dizajnersko unapreñenje Darrieusove turbine. Ona koristi spiralne lopatice. Ona rješava neke probleme Darrieusove turbine, kao prvo, može se sama pokrenuti, odnosno ne treba joj vanjski električni izvor, te su smanjene vibracije i buka. Po efikasnosti (do 35%) je usporediva sa najboljim VAWT turbinama. a-2) Giromill Ovo je još jedan podtip Darrieusove turbine koji koriste ravne lopatice, a ne zakrivljene. Navodno su ruski znanstvenici uspjeli unaprijediti efikasnost ove turbine na čak 38 %.
  • 114.
    108 Slika 5.6:Vjetroturbina s vertikalnom osi vrtnje (Darrieusova turbina) b) Savoniusova turbina Savoniusova turbina izumljena je u Finskoj. Karakterizira ju oblik slova S ako se gleda odozgora. Ova turbina se okreće poprilično sporo, ali stvara značajan okretni moment. Zbog svoje male okretne brzine nije pogodna za proizvodnju električne energije u većim količinama. Meñutim, proizvedene su male Savoniusove turbine pretežno za kućnu upotrebu. Slika 5.7: Vjetroturbina s vertikalnom osi vrtnje (Savoniusova turbina)
  • 115.
    109 Prednosti turbinasa vertikalnom osi vrtnje · Lakše za održavanje, jer su načelno svi rotacijski dijelovi smješteni bliže tlu · Nije im potreban mehanizam za zakretanje, što pojeftinjuje izvedbu · Dobre za korištenje na mjestima gdje je brzina vjetra visoka blizu tla (npr. razni prolazi i kanjoni) · Ne treba im visoki toranj, što bitno pojeftinjuje izvedbu · Ne moraju se okretati prema smjeru puhanja vjetra, što ih čini jako dobrima u uvjetima turbulentnog vjetra · Teoretski mogu biti mnogo veće od HAWT turbina, primjerice plutajuće turbine sa vertikalnom osi sa promjerom od više stotina metara, kod kojih se cijela struktura rotira, bi eliminirale potrebu za velikim i skupim ležajevima Nedostatci turbina sa vertikalnom osi vrtnje · Većina VAWT turbina ima iskoristivost u rangu 50% iskoristivosti turbina sa horizontalnom osi vrtnje. To je većinom zbog dodatnog otpora koji nastupa zbog toga što se lopatice rotiraju u vjetar · Većina VAWT turbina mora biti postavljena na relativno ravan dio tla, tako da su im mnoge lokacije koje mogu iskoristiti HAWT turbine jednostavno prestrme · Većina VAWT turbina ima jako malen početni okretni moment, pa trebaju vanjski izvor energije da započnu okretanje · Iako je većina njihovih dijelova smještena na tlu, što je svakako prednost, oni su ipak opterećeni velikom težinom strukture iznad njih, što u slučaju nedovoljno dobrog dizajna znatno otežava izmjenu dijelova 3.3. Lokacije vjetroturbina Vjetroturbine su iskoristive na lokacijama gdje je prosječna brzina vjetra veća od 4.5 m/s. Idealna lokacija bi trebala imati konstantno strujanje vjetra bez turbulencija i sa minimalnom vjerojatnosti naglih olujnih udara vjetra. Lokacije se prvo selektiraju na osnovi karte vjetra, te se onda potvrñuju praktičnim mjerenjima. Možemo ih podijeliti na kopnene , priobalne i lokacije na moru. Prosječna brzina vjetra jedan je od glavnih faktora za odabir lokacije vjetroturbina.
  • 116.
    3.3.1. Lokacije nakopnu Kopnene instalacije vjetroturbina najčešće se nalaze u brdovitim područjima barem 3 kilometra udaljene od obale. One se najčešće smještaju na vrh brda ili padine, jer na taj način iskorištavaju takozvanu topografsku akceleraciju koju vjetar dobije prelazeći preko uzvisine. Ta dodatna brzina vjetra radi značajnu razliku po pitanju proizvodnje električne energije. Posebna pažnja se mora posvetiti točnom postavljanju turbina, jer ponekad mala visinska razlika može imati značajan utjecaj na proizvodnju električne energije. Često je instalacija vjetroturbina dosta kontroverzno pitanje, zbog toga što neke lokacije koje su pogodne za instalaciju vjetroturbine imaju veliku prirodnu ljepotu ili su ekološki značajne (primjerice stanište različitih vrsta ptica. 110 3.3.2. Priobalne lokacije Primjer vjetroelektrane smještene na moru: Slika 5.8: Vjetroelektrana blizu Kopenhagena u Danskoj. Priobalne lokacije nalaze se unutar radijusa od 3 km od mora ili na moru unutar 10 km od kopna. Ove lokacije su jako pogodne za instalaciju vjetroturbina, zbog vjetra proizvedenog zbog različitog zagrijavanja kopna i mora. Najčešća pitanja vezana uz ovakve instalacije vjetroelektrana vezana su uz migraciju ptica, utjecaj na morski život, troškove i mogućnosti transporta i vizualnu estetiku. 3.3.3. Lokacije na moru To su one lokacije koje su udaljene više od 10 km od kopna. Vjetroinstalacije na tim lokacijama su manje napadne i izgledom i bukom. Činjenica da voda (a posebice duboka voda) ima manju površinsku "hrapavost" od kopna jako utječe na brzine vjetra, koje su mnogo veće na moru. Faktori snage Cp su mnogo veći kod takvih instalacija. Kod lokacija sa produženim
  • 117.
    plićinama (kao primjericeu Danskoj), vjetroelektrane je lako instalirati, meñutim to baš i nije slučaj kod lokacija koje nemaju takve karakteristike. Opčenito govoreći, morske instalacije vjetroagregata su načelno skuplje od kopnenih. To je zbog toga što su im tornjevi viši kada se uračuna dio ispod vode i što je sama izgradnja skuplja. Proizvedena električna energija se do kopna prenosi putem podmorskog kabela. Održavnje je takoñer skuplje, a mora se paziti i na zaštitu od korozije, zbog čega se često dodaju dodatni premazi i katodna zaštita. Takve turbine su najveće turbine u pogonu i predviña se da će njihova veličina (i insalirana snaga) i dalje rasti. Vjetroelektrane smještene na moru znaju imati i više od 100 vjetroagregata. 111 Slika 5.9: Off-shore vjetroelektrana 4. PRIMJENA VJETROELEKTRANA U SVIJETU Vjetroelektrane su imale najbrži rast od svih alternativnih izvora energije na početku 21. stoljeća, kapacitet im se više nego učetverostručio od 2000. do 2006. Vjetroelektrane proizvode više od 1% ukupne proizvedene električne energije. U 2007. godini dodano je 19,7 MW snage iz vjetroelektrana. Sa tim dodanim kapacitetima ukupan kapacitet vjetroelektrana u svijetu iznosi 93.849 MW na kraju 2007. godine. Stopa porasta instalirane snage vjetroagretgata za 2007. godinu iznosi 26.6%, a u 2006. instalirani kapacitet je porastao za 25.6%. Ta instalirana snaga proizvodi oko 200 TWh električne energije godišnje, što je otprilike 1.3% ukupne proizvodnje. U nekim zemljama i regijama vjetroelektrane sudjeluju sa više od 40% proizvedene električne energije. Na području vjetroenergetike zaposleno je 350.000 ljudi diljem svijeta. U razdoblju izmeñu 1998. i 2007.
  • 118.
    ukupna instalirana snagavjetroelektrana povećala se deseterostruko. Europa vodi sa 61% od ukupne instalirane snage, slijede Amerika sa 20% i Azija sa 17%. Od pojedinih zemalja vodeće su Njemačka (22 GW), SAD (16 GW) i Španjolska (15 GW). Procjene su da će do 2010. biti instalirano 160 GW snage vjetroagregata s porastom od 21 % godišnje. Prema WWEA-u (World Wind Energy Association), očekuje se 170.000 MW Instalirane snage do 2010. Za 2020. se predviña ukupna instlirana snaga vjetroelektrana od 1240 GW , koja bi rezultirala godišnjom proizvodnjom od 3000 TWh električne energije, odnosno 12% ukupne svijetske proizvodnje u vrijednosti od 80 milijardi Eura.Prema GWEC-u (Global Wind Energy Council) predviña se oko 2 300 000 zaposlenih u području vjetroenergetike do 2020. Oko 30 do 35 posto investicija u nove elektrane trebalo bi odlaziti u vjetroelektrane. S ekološkog aspekta i Kyoto protokola te s pozicije prihvatljivosti od strane lokalne zajednice, vjetroenergetika ima velike potencijalne mogućnosti daljnjeg razvoja. Osim toga, u prilog razvoju vjetroenergetike takoñer ide činjenica da je potrebno vrijeme izgradnje vrlo kratko, zatim smanjivanje troškova izgradnje te zakonski definirani poticaji koji zapravo podrazumijevaju fiksne tarife, obveze otkupa, niže kamatne stope, porezne olakšice i slično. Takoñer, rast cijena fosilnih goriva ide u prilog svim drugim oblicima dobivanja energije, pa tako i vjetroelektranama. 112 5. PRIMJENA VJETROELEKTRANA U HRVATSKOJ Ako se promatraju karakteristike vjetra na prostoru Hrvatske, može se zaključiti da naša domovina ima dobar vjetropotencijal. To ne znači da je cijeli prostor Hrvatske izuzetno pogodan za gradnju vjetroelektrana. Naime, Hrvatska ima mnogo vjetrovitih područja, ali je problem u tome što vjetar u njima ne puše stalno, preslab je ili prejak. Bura u Senju primjer je vrlo neredovitog i često prejakog vjetra. Takav vjetar nije pogodan za energetsko iskorištavanje. Na sreću, Hrvatska ima puno više lokacija koje imaju zadovoljavajući vjetropotencijal. Mjerenja odreñenih karakteristika vjetra (brzina, smjer, učestalost) pokazala su kako je za iskorištavanje energije vjetra povoljnije područje Jadrana od kontinentalnog dijela Hrvatske. Stoga su prve hrvatske vjetroelektrane izgradene upravo na tom području. Riječ je o vjetroelektranama Ravna – Pag (7 vjetroturbina snage 0.85 MW, odnosno ukupne snage 5,95 MW) i Trtar Krtolin – Šibenik (14 vjtroturbina snage 0.8 MW, odnosno ukupne snage 11.2 MW). S obzirom da je do sada u Hrvatskoj identificirano stotinjak potencijalnih lokacija za izgradnju vjetroelektrana, može se očekivati kako će broj vjetroturbina
  • 119.
    u narednim godinamarasti sve više. Vjetroelektrane na Ćićariji, iznad Senja, pokraj Stona i Klisa, koje su u različitim fazama izgradnje, govore tome u prilog. 113 Slika 5.10: Vjetroelektrana Ravna na otoku Pagu Slika 5.11: Vjetroelektrana Trtar-Krtolin kod Šibenika Strategija energetskog razvoja uključuje 2 scenarija: · business as usual scenarij, koji predviña izgradnju 30 MW vjetroagregata bez aktivne uloge države. · izrazito ekološki scenarij koji podrazumijeva izgradnju 73 MW vjetroelektrana do 2010. uz aktivnu ulogu države.
  • 120.
    Takoñer, Hrvatska semeñunarodno obavezala preuzevši Direktivu EU o obnovljivim izvorima energije 2001/77/EC koja nalaže izgradnju 300 do 400 MW u obnovljivim izvorima energije, odnosno 4.5 % ukupne snage. Većina izgrañenih trebala bi se odnositi na vjetroelektrane. 114 6. PREDNOSTI I NEDOSTATCI KORIŠTENJA VJETROELEKTRANA Prednosti Jedna od osnovnih prednosti vjetroelektrana je da ne troše nikakvo gorivo, nego energiju vjetra koja je uvjetno rečeno ”besplatna”. Vjetroelektrane su poželjan oblik alternativnog izvora nasuprot elektranama na fosilna goriva, jer kemijski i biološki ne zagañuju okolinu. Farma vjetroelektrana ili vjetropark može imati umjeren pozitivan utjecaj na smanjenje snage vjetra u područjima koja su inače izložena suviše jakim vjetrovima. Nedostatci Glavni nedostatak vjetroelektrana je povremenost pogona, zavisno o meterološkim karakteristikama područja primjene. Nije rješeno efikasno akumuliranje većih količina energije za razdoblje bez vjetra, pa bi se stoga vjetroelektrane trebale vezati na elektroenergetski sustav regije i s njim razmjenjivati energiju. Prikladnim se čini kombinacija hidroelektrana i vjetroelektrana, koja u razdoblju jačeg vjetra štedi hidro-akumulaciju, a u razdoblju bez vjetra energiju daje hidroelektrana. Kod sitnih vjetroelektrana akumulaciju mogu osiguravati jedino akumulatori, koji ne mogu zadovoljiti potrebe u područjima s manje vjetrovitih dana, ali mogu štediti klasičnu energiju u vjetrovitom razdoblju. Jake varijacije u snazi vjetra relativno su teže tehnički savladive. Tehnička rješenja moraju spriječiti oštećenje vjetrenjače pri olujnoj snazi i izvlačiti maksimalnu snagu pri slabom vjetru, što komplicira, dakle i poskupljuje ta rješenja. Za usklañivanje broja okretaja vjetroturbine sa brojem okretaja ugrañenog generatora potreban je multiplikator s automatskom regulacijom brzina generatora, što takoñer poskupljuje tehničku izvedbu. Buka koju proizvode vjetroturbine nalaže da se vjtroelektrane moraju graditi na odreñenim lokacijama u ne naseljenim područjima. Zaštićeni prostori u prirodi takoñer odreñuju položaj vjetroelektrana. Troškovi održavanja znaju činiti značajnu stavku u cijeni dobivene energije vjetra, budući da je u slučaju "farme vjetroelektrana" broj ureñaja relativno velik, tj. snaga po jednom ureñaju je daleko manja nego kod klasičnih elektrana na fosilna goriva. Prisutno je izvjesno "estetsko zagañenje" u slučaju tzv. "farmi vjetroturbina", što meñutim nema većeg značaja ako se takva farma (skup velikog broja vjetroturbina na relativno malom prostoru) instalira na nenapučenim prostorima.
  • 121.
    115 POGLAVLJE 6. SOLARNI UREðAJI I FOTONAPONSKE ĆELIJE
  • 122.
    116 1. UVOD Sunčeva energija potječe od nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gdje temperatura doseže 15 milijuna °C. Radi se o fuziji, kod koje spajanjem vodikovih atoma nastaje helij, uz oslobañanje velike količine energije. Svake sekunde na ovaj način u helij prelazi oko 600 milijuna tona vodika, pri čemu se masa od nekih 4 milijuna tona vodika pretvori u energiju. Ova se energija u vidu svjetlosti i topline širi u svemir pa tako jedan njezin mali dio dolazi i do Zemlje. Nuklearna fuzija odvija se na Suncu već oko 5 milijardi godina, kolika je njegova procijenjena starost, a prema raspoloživim zalihama vodika može se izračunati da će se nastaviti još otprilike 5 milijardi godina. Sunčeva energija je uzročnik većine izvora energije. Pod optimalnim uvjetima, na površini Zemlje može se dobiti 1 kW/m2, a stvarna vrijednost ovisi o lokaciji, godišnjem dobu, dobu dana, vremenskim uvjetima itd. U Hrvatskoj je prosječna vrijednost dnevne insolacije na horizontalnu plohu 3-4,5 kWh/m2. Na karti koja prikazuje insolacijski nivo vidi se da Europa nije na vrlo pogodnom području za eksploataciju, ali unatoč tome u Europi je direktno iskorištavanje sunčeve energije u velikom porastu. Većinom je to rezultat politike pojedinih država koje subvencioniraju instaliranje elemenata za pretvorbu sunčeve energije u iskoristivi oblik energije. Osnovni problemi iskorištavanja su mala gustoća energetskog toka, velike oscilacije intenziteta zračenja i veliki investicijski troškovi. Osnovni principi direktnog iskorištavanja energije Sunca su: · solarni ureñaji- pripremanje vruće vode i zagrijavanje prostorija · fotonaponske ćelije - direktna pretvorba sunčeve energije u električnu energiju · fokusiranje sunčeve energije - upotreba u velikim energetskim postrojenjima Slika 6.1: Karta insolacijskog nivoa
  • 123.
    Solarna energija jeoduvijek obećavala da će postati idealni izvor energije jer je energija Sunca čista, pouzdana, neiscrpna i besplatna. Nažalost tehnika fotovoltaika (prevoñenje sunčeve energije u električnu energiju) je uvijek bila skupa. Fotonaponski sustavi su rješenje za mnoge korisnike koji moraju osigurati dugoročni izvor električne energije na mjestima dalje od električne mreže. Tisuće fotonaponskih sustava se svake godine instaliraju u ruralnim krajevima, nacionalnim parkovima, otocima. Različite primjene fotonaponskih sustava obuhvaćaju osvjetljenje, manje aplikacije ( kućanski aparati i sl.), vodene pumpe i komunikacijsku opremu. 117 Slika 6.2: Iskorištavanje sunčevog zračenja na primjeru kućanstva 2. RAZVOJ FOTONAPONSKE TEHNOLOGIJE I TRŽIŠTA Pod razvojem fotonaponske tehnologije podrazumjeva se razvoj tržišta sunčeve fotonaponske energije i razvoj same tehnologije. Kada govorimo o tržištu fotonaponske energije mislimo na instalirane kapacitete solarnih ćelija u nekoj regiji ili svijetu. Unazad desetak godina, tržište fotonaponske tehnologije raste praktički eksponencijalno. Države u kojima je proizvedeno najviše fotonaponskih solarnih ćelija su Japan, Njemačka, zatim SAD, te Taiwan i Kina.
  • 124.
    118 Slika 6.3:Tržište fotonaponskih solarnih ćelija U 2007. godini svijetska proizvodnja fotonaponskih solarnih ćelija iznosila je oko 3800 MW, dok je porast proizvodnje u odnosu na 2006. godinu iznosio 50%. Ovakav drastičan porast može se objasniti državnim poticajima za obnovljive izvore energije, sve većom brigom za okoliš unazad nekoliko godina (Kyoto protokol), te rastom cijena nafte. Zbog komplicirane političke situacije u Europi i različite politike svake od država članica, ne postoji usuglašen pristup obnovljivim izvorima energije. Unatoč tome, Europska unija je postavila cilj da do 2010. godine 12% ukupne i 22% električne energije bude proizvedeno iz obnovljivih izvora energije. Postavljen je cilj da se ukupno izgradi 3000 MW fotonaponskih sustava do 2010. godine, što je povećanje od sto puta u odnosu na 1995. godinu. Pripadajuća godišnja proizvodnja električne energije je izmeñu 2,4 i 3,5 TWh, ovisno o lokaciji na kojoj je sustav ugrañen. 3. SOLARNI KOLEKTORI Solarni sistemi rade na principu pretvaranja dnevne svijetlosti u električnu energiju. Oni pretvaraju sunčeve zrake u termičku energiju pomoću solarnih kolektora. Solarni kolektori pretvaraju sunčevu energiju u toplinsku energiju vode (ili neke druge tekućine). Sistemi za grijanje vode mogu biti ili otvoreni, u kojima voda koju treba zagrijati prolazi direktno kroz
  • 125.
    kolektor na krovu,ili zatvoreni, u kojima su kolektori popunjeni tekućinom koja se ne smrzava (npr. antifriz). Zatvoreni sustavi mogu se koristiti bilo gdje, čak i kod vanjskih temperatura ispod nule. Tijekom dana, ako je lijepo vrijeme, voda može biti grijana samo u kolektorima. Ako vrijeme nije lijepo, kolektori pomažu u grijanju vode i time smanjuju potrošnju struje. Solarni kolektori su vrlo korisni i kod grijanja bazena. U tom slučaju temperatura vode je niska i jednostavnije je održavati temperaturu pomoću otvorenih sistema grijanja. Na takav način optimalna temperatura bazena održava se nekoliko tjedana više u godini nego bez sistema grijanja vode. Solarni kolektori se najčešće montiraju na krov kuće. Vrlo su pogodni za grijanje vode po sunčanim vremenu. Kad je vrijeme loše mogu se koristiti u kombinaciji s električnim grijačem vode. Postoje i kolektori koji direktno griju zrak. Ti sustavi cirkuliraju zrak kroz kolektore i na taj način prenose velik dio energije na zrak. Taj se zrak kasnije vrača u grijanu prostoriju i na taj način se održava temperatura u prostoriji. Kombinacijom grijanja zraka i grijanja vode može se postići vrlo velika ušteda. U Europskoj Uniji znatno se povećava količina ugrañenih sustava za grijanje vode i prostorija. U 2000. godini prvi put se premašila granica od milijun m2 novo instaliranih sunčevih kolektora (instalirano je 1046140 m2 sunčevih kolektora). Njemačka i Austrija su lideri u iskorištavanju energije sunca za grijanje. Njemačka kampanja za promociju toplinske energije sunca "Solar Na Klar", pokazuje veliku efikasnost. U 2001. je instalirano 900 000 m2, a u 2000. 615 000 m2 (+46.3%). U odnosu na cijelu Europu u Njemačkoj je 2000. godine instalirano više od 60% sustava. Plan Europske Unije je instalirati 100 milijuna m2 do 2010. godine. Trenutni pokazatelji su da će biti instalirano oko 80 milijuna m2 do 2010. 119 Slika 6.4: Solarni kolektor postavljen na krov kuće
  • 126.
    120 3.1. Načinrada solarnih kolektora Sistem korištenja solarne energije se obično sastoji od: · kolektora · bojlera · pumpe · automatike · sistema cijevi Potrebe potrošača i karakteristike objekta direktno utječu na sastav sistema. Slikovito, specijalni selektivni sloj apsorbira energiju Sunca i prenosi je zagrijavajući radni fluid koji, voñen cirkulacijskom pumpom, struji kroz sistem cijevi do izmjenjivača unutar solarnog bojlera ili nekog drugog rezervoara tople vode. Automatika podrazumijeva diferencijalni termostat koji upravlja sklopkama-ventilima i prilagoñava aktivnost solarnog kruga aktualnoj situaciji u sistemu. Slika 6.4: Sistem zagrijavanja vode
  • 127.
    121 4. FOTONAPONSKEĆELIJE Fotonaponske ćelije se sastoje od dva različito nabijena poluvodiča izmeñu kojih, kada su izloženi svijetlu, teče elektricitet. Zatvorimo li strujni krug izmeñu solarnog kolektora i nekog potrošača, npr. svijetiljke, struja će poteći i potrošač će biti opskrbljen el.energijom, odosno naša svijetiljka će zasvijetliti. Slika 6.5: Prncip rada fotonaponske ćelije Fotonaponske ćelije su zapravo poluvodički elementi koji direktno pretvaraju energiju sunčeva zračenja u električnu energiju. Efikasnost im je od 10% za jeftinije izvedbe s amorfnim silicijem, do 25% za skuplje izvedbe. Za sada su još uvijek ekonomski nerentabilni jer im je cijena oko 6000 $/kW. Na slici 4-2. je prikazan princip izrade fotonaponskih ćelija. Fotonaponske ćelije mogu se koristiti kao samostalni izvori energije ili kao dodatni izvor energije. Kao samostalni izvor energije koristi se npr. na satelitima, cestovnim znakovima, kalkulatorima i udaljenim objektima koji zahtijevaju dugotrajni izvor energije. U svemiru je i snaga sunčeva zračenja puno veća jer Zemljina atmosfera apsorbira veliki dio zračenja pa je i dobivena energija veća. Kao dodatni izvori energije fotonaponske ćelije mogu se na primjer priključiti na električnu mrežu, ali za sada je to neisplativo. Fotonaponski efekt počeo je 1839. godine promatrati Henri Becquerel i na početku dvadesetog stoljeća bio je predmetom mnogih istraživanja. Jedina Nobelova nagrada koju je
  • 128.
    dobio Albert Einsteinbila je za istraživanje solarne energije. 1954. su Bell Labs u SAD-u predstavili prvi fotonaponski članak koji je generirao upotrebljivu količinu električne energije, a do 1958. počelo je ugrañivanje u komercijalne aplikacije (osobito za svemirski program). U Europskoj Uniji trenutno je 40% godišnji rast instalirane snage fotonaponskih ćelija. To se naizgled čini kao velik rast, ali u biti radi se o vrlo malim količinama, pa rast od 40% ne utječe posebno na ukupnu zastupljenost takvih izvora energije. U 2000. godini u Europskoj Uniji bilo je instalirano 183.5 MWp, a to je 43.6% povećanja u odnosu na 1999. I u tom području Njemačka je sa 113.8 MWp (uključujući 100 MWp priključenih na električnu mrežu) vodeća država u Europi. Tako velik udio može se zahvaliti Njemačkom zakonu o obnovljivim izvorima energije. Po tom zakonu otkupna cijena energije iz fotonaponskih ćelija je 0.5 € po kWh za prvih 350 MWp. Plan Europske Unije je instaliranje 3000 MWp do 2010. godine, ali sadašnji pokazatelji su da će do onda biti instalirano oko 1780 MWp. 122 Slika 6.6: Princip izrade fotonaponskih ćelija 4.1 Način rada fotonaponskih ćelija Fotonaponska ćelija napravljena je tako da se, kada je osvijetlimo, na njezinim krajevima javlja elektromotorna sila (napon). Kada se fotonaponska ćelija (PN-spoj) osvijetli, apsorbirani fotoni proizvode parove elektron-šupljina. Ako apsorpcija nastane daleko od PN-spoja, nastali par ubrzo se rekombinira. Meñutim, nastane li apsorpcija unutar ili u blizini PN-spoja, unutrašnje električno polje, koje postoji u osiromašenom području, odvaja nastali elektron i šupljinu – elektron se giba prema N-strani, šupljina prema P-strani. Takvo skupljanje elektrona i šupljina na odgovarajućim stranama PN-spoja uzrokuje elektromotornu silu na krajevima ćelije. Kada se
  • 129.
    ćelija osvijetli, kontaktna P-dijelu postaje pozitivan, a na N-dijelu negativan. Ako su kontakti ćelije spojeni s vanjskim trošilom, poteći će električna struja. Kada je fotonaponska ćelija spojena s vanjskim trošilom i osvijetljena, u ćeliji će zbog fotonapona nastajati fotostruja Is, te će vanjskim trošilom teći struja I, jednaka razlici struje diode Id i fotostruje Is. 123 Slika 6.7: Graña fotonaponske ćelije Slika 6.8: Način rada fotonaponske ćelije
  • 130.
    4.2 Graña Si- PV ćelije Pomoću fotonaponskog efekta može se sunčeva energija izravno pretvoriti u električnu u fotonaponskim ćelijama. Kada fotonaponska ćelija apsorbira sunčevo zračenje, fotonaponskim efektom se na njezinim krajevima proizvede elektromotorna sila i fotonaponska ćelija postaje izvor električne energije. Fotonaponska ćelija je PN-spoj (dioda). U silicijskoj fotonaponskoj ćeliji na površini pločice P-tipa silicija difundirane su primjese npr. fosfor, tako da na tankom površinskom sloju nastane područje N-tipa poluvodiča. Da bi se skupili naboji nastali apsorpcijom fotona iz sunčeva zračenja, na prednjoj površini nalazi se metalna rešetka, a stražnja strana je prekrivena metalnim kontaktom. Rešetkasti kontakt na prednjoj strani načinjen je tako da ne prekrije više od 5 % površine, te on gotovo i ne utječe na apsorpciju sunčeva zračenja. Prednja površina ćelije može biti prekrivena i prozirnim antirefleksijskim slojem koji smanjuje refleksiju sunčeve svjetlosti i tako povećava djelotvornost ćelije. 4.3. Karakteristike ćelija PV ćelije iz silicija se izvode u više morfoloških oblika kao monokristalne, polikristalne i 124 amorfne. Monokristalne Si ćelije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 140 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Za proizvodnju monokristalnih Si ćelija potreban je apsolutno čisti poluvodički materijal. Monokristalni štapići se izvade iz rastaljenog silicija i režu na tanke pločice. Takav način izrade omogućuje relativno visoki stupanj iskoristivosti. Polikristalne Si ćelije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 130 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Proizvodnja ovih ćelija je ekonomski efikasnija u odnosu na monokristalne. Tekući silicij se ulijeva u blokove koji se zatim režu u ploče. Tijekom skrućivanja materijala stvaraju se kristalne strukture različitih veličina na čijim granicama se pojavljuju greške pa zbog tog razloga solarna ćelija ima manju iskoristivost. Amorfne Si ćelije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 50 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Ukoliko se tanki film silicija stavi na staklo ili neku drugu podlogu to se naziva amorfna ili tankoslojna ćelija. Debljina sloja iznosi manje od 1 μm, stoga su troškovi
  • 131.
    proizvodnje manji uskladu sa niskom cijenom materijala. Meñutim iskoristivost amorfnih ćelija je puno niža u usporedbi s drugim tipovima ćelija. Prvenstveno se koristi u opremi gdje je potrebna mala snaga (satovi, džepna računala) ili kao element fasade. 125 Galij arsenidne GaAs ćelije. Galij arsenid je poluvodič napravljen iz mješavine galija Ga i arsena As. Pogodan je za upotrebu u višeslojnim i visoko učinkovitim ćelijama. Širina zabranjene vrpce (band gap) je pogodna za jednoslojne solarne ćelije. Ima visoku apsorpciju pa je potrebna debljina od samo nekoliko mikrona da bi apsorbirao sunčeve zrake. Relativno je neosjetljiv na toplinu u usporedbi sa Si ćelijama te na zračenja. Zbog visoke cijene koristi se u svemirskim programima i u sustavima s koncentriranim zračenjem gdje se štedi na ćelijama. Projekti koncentriranog zračenja su još u fazi istraživanja. Galij indijum fosfidna/galij arsenid (GaInP)/GaAs dvoslojna ćelija ima iskoristivost od 30% i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 300 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2. Kadmij telurijeve CdTe ćelije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 160 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2 u labaratorijskim uvjetima. Kadmij teleurid je spoj elementa: metala kadmija i polumetala telurija. Pogodan za upotrebu u tankim PV modulima zbog fizikalnih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Usprkos navedenim prednostima zbog kadmijeve otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi. 4.4. Primjena fotonaponskih solarnih ćelija Područje primjene solarnih panela je ograničeno s relativno malom snagom po metru kvadratnom panela. Tehničkim rješenjima možemo oblikovati panel s naglaskom na naponu ili jakosti struje po metru kvadratnom. S obzirom na meñusobnu zavisnost P = U * I postoji idealna radna točka kada je taj umnožak najveći odnosno Pmax za zadano osvjetljenje, tako da postoje sustavi regulacije koji osiguravaju Pmax. Svoju trenutačno najrašireniju primjenu ostvaruje kao izvor napajanja za elektroničku opremu, prvenstveno pri svemirskim istraživanjima. PV sa baterijom za skladištenje energije je jednostavan i pouzdan “Stand-Alone” sistem često najprikladniji kada su ostali izvori električne energije nepristupačni, nepoželjni ili preskupi.
  • 132.
    126 Tipične aplikacijesu: · opskrba energijom udaljenih domova i gospodarstava · aplikacije u komunikaciji – udaljene repetitorske instalacije · katodna zaštita cjevovoda · navodnjavanja Veličine ovakvih sistema su 10 W do 10 kW vršne snage. Za ruralne sisteme od 100 W do 10 kW vršne snage. Sistem od 10 kW vršne snage obično se sastoji od 100 m² modula. Slika 6.9: Prikaz postavljanja fotonaponskih ćelija Slika 6.10: Prikaz Stand-Alone sistema sa jednom od mogućih aplikacija u napajanju komunikacijskih i senzorskih ureñaja
  • 133.
    4.5. Prednosti upotrebesolarnih fotonaponskih sustava Tehnologija solarnih fotonaponskih sustava je dokazana u komercijalnim svrhama a 127 prednosti su joj: · visoka pouzdanost · niski troškovi rada i najekonomičniji izvor energije · minimalna potreba za održavanjem i bez potrebe za nadolijevanjem bilo kakvog goriva · najbolji urbani obnovljiv izvor energije · jednostavna mehanika, nema pokretnih dijelova koji su potrebni za rad sustava · primjenjivost sustava praktički bilo gdje na Zemlji · ne buče i ne zagañuju okoliš · pružaju mogućnost uvoñenja električne energije na mjestima gdje bi to inače bilo preskupo ili čak neizvodivo 4.6. Utjecaj na okoliš Sami rad fotonaponskih solarnih ćelija praktički ne opterećuje okoliš. Pri radu fotonaponskih ćelija ne proizvode se staklenički plinovi. Da se električna energija nije proizvela u fotonaponskim ćelijama, morala bi se proizvesti iz nekog od konvencionalnog izvora električne energije (npr. u termoelektrani) koja pritom proizvodi stakleničke plinove. Zbog toga fotonaponske solarne ćelije imaju pozitivan utjecaj na okoliš, a njihovom upotrebom smanjuju se emisije stakleničkih plinova. Ono što u fotonaponskoj tehnologiji opterećuje okoliš jest proizvodnja fotonaponskih ćelija, te uporaba toksičnih materijala poput kadmija. Proces dobivanja silicija, kao najčešćeg materijala od kojega se izrañuju fotonaponske ćelije, energetski je vrlo zahtjevan. O tome najbolje govori činjenica da vrijeme povrata uložene energije za proizvodnju fotonaponskih ćelija od kristalnog silicija iznosi oko 3 godine. To se može ublažiti upotrebom drugačijih tehnologija, poput tehnologije tankog filma. Loša strana, što se tiče utjecaja na okoliš, je to što je potrebno zauzeti vrlo veliku površinu za instalaciju kapaciteta kako bi se osigurala dovoljna količina električne energije. Primjerice, da bi se iz fotonaponskih ćelija proizvelo tokom jedne godine jednako energije koliko je iznosila godišnja potrošnja elektične energije 2006. godine u Hrvatskoj, potrebno bi bilo zauzeti parcelu od oko 70 km2. Radi ilustracije, toliku površinu imala bi parcela koja bi se protezala od Zagreba do Osijeka i bila široka oko 250 metara. Za izradu tako velikih kapaciteta
  • 134.
    bilo bi potrebnovrlo mnogo materijala. Pošto su neki od materijala za izradu fotonaponskih ćelija toksični, to bi predstavljalo rizik za okoliš. Osim toga površina ispod fotonaponskih ćelija ne može se obrañivati, tako da je bolje da se fotonaponska postrojenja grade na neobradivim područjima kao što su pustinje i sl. Ovi negativni utjecaji na okoliš nikako se ne bi trebali podcjenjivati i zanemarivati. Prednosti fotonaponske tehnologije su da je to relativno čista tehnologija. Tijekom rada 128 ne opterećuje, u prevelikoj mjeri, okoliš i ne proizvodi stakleničke plinove 5. SUNČANI BOJLER Solarni toplinski kolektor sa spremnikom, komercijalno nazvan “SUNČANI BOJLER” suvremeni je ureñaj koji štedi konvencionalne izvore energije i čuva okoliš, a namijenjen je za zagrijavanje sanitarne vode za potrebe korisnika obiteljskih kuća i vikendica te za direktnu vanjsku upotrebu. Produkt je Hrvatskog inovatorstva i višegodišnjih primijenjenih istraživanja s ciljem stvaranja novog inovativnog proizvoda namijenjenog Hrvatskom, ali i inozemnom tržištu. U samoj izradi primijenjeni su novi tehnološki postupci. Proizvod je stvaran za zadovoljenje potreba najveće ciljne skupine kupaca sa idejom naglašene korisnosti i efikasnosti, uz kvalitetan dizajn (ukras prostora) kao i mogućnosti iskazivanja ekološke osviješćenosti i osobnosti kupca. Nakon kupnje i instaliranja ureñaja energija sunca je za potrošača besplatna. Neupitna je povezanost cijene energije, hrane i ekologije što podrazumijeva da je pametno gospodarenje izvorima energije ključ opstanka civilizacije. Rast cijena energije i zaštita okoliša potiču razvoj solarne tehnike i tehnologije. Svaki novi solarni ureñaj štedi novac, smanjuje emisiju stakleničkih plinova i čuva okoliš. Ureñaj se postavlja na čvrstoj ravnoj podlozi bez većih financijskih i tehničkih zahtjeva. Uz visok stupanj djelovanja koristi direktan protočni sistem bez izmjenjivača topline i antifriza koji jamči higijenski ispravnu pripremu tople vode. Korištenjem visokovrijednih materijala u izradi (inox, polikarbonat, selektivni apsorberski premazi, termo- akumulacijski materijali) dobivamo na dugotrajnosti.
  • 135.
    129 Slika 6.11:Sunčani bojler
  • 136.
    130 POGLAVLJE 7. KOGENERACIJA, MIKROKOGENERACIJA, TRIGENERACIJA
  • 137.
    131 1. UVOD Već gotovo 100 godina, a u današnje vrijeme i mnogo intenzivnije, traga se za najefikasnijim rješenjima koji će omogućiti djelotvornu opskrbu i racionalnu uporabu energije. To su bitne pretpostavke za gospodarski razvoj neke zemlje. Zahtjevi za što manjim utjecajem na okoliš, spoznaja o sve siromašnijim izvorima energije, energetske krize te sve viša cijena energije bitno su utjecali na razvoj energetskih tehnologija, a time i uporabu kogeneracijskih postrojenja. Sa stajališta nacionalno – energetske politike kogeneracijska postrojenja gospodarski su vrlo prihvatljiva u odnosu na druge slične energetske procese iz više razloga. Kogeneracijska postrojenja puno su djelotvornija od rada postojećih termoelektrana, smanjuju zahtjeve za izgradnjom novih elektroenergetskih i toplinskih objekata, omogućuju postupno i ravnomjernije ulaganje novca, te potpomažu zakonsku regulativu o manjem utjecaju na okoliš. Svako kogeneracijsko postrojenje smanjuje potrošnju primarne energije. 2. KOGENERACIJA Kogeneracija (CHP) je proces kombinirane proizvodnje dva korisna oblika energije iz jednog energetskog izvora. U većini kogeneracijskih sustava kemijska energija se pretvara u mehaničku i toplinsku. Mehanička energija koristi se za proizvodnju električne struje, dok se toplinska energija koristi za proizvodnju pare, zagrijavanje vode ili zraka. Osnovna prednost kogeneracije je veća iskoristivost energenta u odnosu na standardne elektrane koje služe samo za proizvodnju struje, te industrijske sustave koji služe samo za proizvodnju pare ili vruće vode za tehničke procese. Glavni razlozi gradnje kogeneracijskih postrojenja je mogućnost proizvodnje jeftinije struje u odnosu na cijenu struje u električnoj mreži, čime kogeneracijska postrojenja sama sebe isplaćuju. Osim toga, industrijskim postrojenjima kogeneracijski sustavi pružaju autonomiju u slučaju ispada glavne mreže. Za neke industrijske procese, ekonomski gubici u slučaju zaustavljanja procesa zbog nestanka električne energije su iznimno veliki. Kao gorivo može se koristiti prirodni plin, biomasa, drvna graña ili vodik (u slučaju gorivnih ćelija), a izbor tehnologije za kogeneraciju ovisi o raspoloživosti i cijeni goriva. Velika raspoloživost plina metana potakla je mnoge industrije da same proizvode električnu energiju pomoću benzinskih Otto motora ili turbo motora, od kojih je moguće nadoknaditi dio toplinske energije veće od 50%. U zadnje vrijeme osjeća se velika potreba za razhladnom energijom koja je povezana sa kogeneracijom s krugom bromura od litija.
  • 138.
    132 Slika 7.1:Kogenerativni proces Toplinska energija koja se upotrebljava u sustavu: · Zasićena para 10 bar · Topli zrak · Diatermičko ulje · Električna energija 2.1. Prednost i efikasnost kogeneracije Osnovna prednost kogeneracije je povećana učinkovitost energenta u odnosu na konvencionalne elektrane koje služe samo za proizvodnju električne energije te industrijske sustave koji služe samo za proizvodnju pare ili vruće vode za tehničke procese. Kod odvojenog postupka gdje se toplina proizvodi u kotlu sa stupnjem iskoristivosti η = 90% koristi se 53% topline u odnosu na 59% kemijske energije goriva, dok su toplinski gubici zračenja 6%. Električna energija proizvodi se u klasičnoj elektrani sa stupnjem iskoristivosti 36% i dobiva se 34% električne energije, u odnosu na 100% kemijske energije goriva, gubitak u razvodu električne energije je 2%. Od 159% kemijske energije goriva, kod odvojenog se procesa koristi 53% za toplinu, 34% za električnu energiju, a ukupni je gubitak 66 %. Kod kogeneracijskih postrojenja od 100% kemijske energije goriva za toplinu se koristi 53%, za električnu energiju 34%, a ukupni je gubitak oko 13%. Dakle, stupanj iskoristivosti goriva kod kogeneracije 87%, a gubitak 13%, dok za spojeni proces, ako se želi ostvariti isti učinak, treba uz gubitak od 72% utrošiti čak 59% (ukupni indeks dakle 159%) više goriva. Toplina koje se dobiva hlañenjem motora, ulja za podmazivanje, plinske smjese i ispušnih plinova, koristi se za
  • 139.
    grijanje objekata iliza tehnološke potrebe. Isplativost rada kogeneracijskog postrojenja prema dosadašnjim iskustvima iznosi 4.000 sati godišnje ili više. Kogeneracije imaju značajnu ulogu kao distribuirani izvor energije zbog pozitivnih učinaka: manji gubici u mreži, smanjenje zagušenja u prijenosu, povećanje kvalitete napona i povećanje pouzdanosti opskrbe električnom energijom. Uz sve navedeno, smanjen je i štetan učinak na okoliš. Komercijalno dostupne CHP tehnologije su parne i plinske turbine, mikroturbine, motori s unutrašnjim sagorijevanjem, Stirlingov stroj i gorivne ćelije, u širokom rasponu snage od 1 kW za Stirlingov stroj do 250 MW za plinske turbine. Dana 11. veljače 2004.godine donesen je važan dokument europskog energetskog zakonodavstva - Direktiva 2004/8/EC Europskog parlamenta i Vijeća o promicanju kogeneracije na temelju potrošnje korisne energije na unutarnjem tržištu energije. Svrha ove Direktive je: · promocija visokoučinkovite kogeneracije temeljene na učinkovitoj toplinskoj potrošnji (ušteda primarne energije najmanje 10% u odnosu na odvojenu proizvodnju toplinske i električne energije), 133 · smanjenje gubitaka u mreži, · smanjenje emisije stakleničkih plinova. U skladu s tim, Ministarstvo gospodarstva, rada i poduzetništva u Uredbi o minimalnom udjelu električne energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije čija se proizvodnja potiče odredilo je cilj da se do 31. prosinca 2010. godine u ukupnoj potrošnji električne energije u Republici Hrvatskoj postigne minimalni udio od 2% proizvedene električne energije u kogeneracijskim postrojenjima. 2.2. Izgradnja kogeneracijskog postrojenja Prilikom gradnje kogeneracijskog postrojenja, ključni kriterij pri dimenzioniranju trebaju biti toplinski zahtjevi procesa za koji se koristi toplina. Predimenzionirani sustavi načelno su skuplji te imaju lošiju iskoristivost. Kao gorivo se uglavnom koristi prirodni plin zbog niskih emisija te široke dostupnosti. Kako bi se omogućila proizvodnja električne energije, potrebno je proizvoditi toplinsku energiju na višoj temperaturi i tlaku nego što to zahtjevaju tehnički procesi za koje se ona koristi. Proizvodnja, a tako i potrošnja topline i električne energije dogañaju se istovremeno. Kao kriterij iskoristivosti, potreba istovremene proizvodnje topline i električne energije treba iznositi barem 4500 sati na godinu. U slučaju visokih cijena električne energije moguć je isplativ rad i sa samo 2200 sati na godinu, no najveću ekonomičnost kogeneracijski sustavi pokazuju u slučaju stalnog rada cijele godine (8760 sati na godinu). Ekonomska
  • 140.
    isplativost kogeneracijskog postrojenjausko je vezana uz baznu cijenu, te troškove održavanja. Što su oni veći, to je manja vjerojatnost da će postrojenje biti isplativo. 2.3. Elementi kogeneracijskog postrojenja Kogeneracijsko postrojenje sastoji se od tri osnovna dijela: glavni pokretač, električni generator i komponente za prikupljanje otpadne topline. Glavni pokretač u kogeneracijskom sustavu je parna ili plinska turbina. Njegova je funkcija pretvaranje energije dobivene izgaranjem goriva u mehaničku energiju. Ona se potom uglavnom koristi za pokretanje generatora, no može se koristiti i za pokretanje ostalih rotirajućih strojeva. Drugi pokretač mogu biti gorive ćelije. Iako nisu u mogućnosti predavati energiju na osovinu, njihova prendost je u tome što mogu proizvoditi električnu energiju u procesu bez izgaranja za razliku od klasičnih goriva. Sustav za prikupljanje otpadne topline prikupljaju neiskorištenu toplinu iz glavnih pokretača kako bi se mogla korisno iskoristiti. Jednostavni, tzv. ''negorivi'' sustavi funkcioniraju kao izmjenjivači topline izmeñu dva sustava. Oni nemaju sposobnost samostalne proizvodnje toplinske energije. Složeniji sustavi mogu sagorijevati gorivo te tako proizvedenom toplinom koju dodaju prikupljenoj povećavaju iskoristivost procesa. 134 Slika 7.2: Kogenerator 2.4. Vrste kogeneracijskih postrojenja Općenito postoji više vrsta kogeneracijskih sustava po načinu korištenja topline. Uglavnom se koriste primarno za proizvodnju električne energije, a potom se nakon prolaska kroz turbinu toplina odvodi u tehnološki proces. Moguć je i obrnut postupak, gdje se nakon industrijskog procesa toplina koristi za grijanje pare koju se odvodi u turbinu. Takvi su sustavi pogodni samo za industrije u kojima je dostupna otpadna toplina visoke temperature. Stoga su
  • 141.
    sustavi prve vrstepuno rasprostranjeniji. Važno je napomenuti kako je moguća i trigeneracija, odnosno korištenje dijela energije za hlañenje. Prilikom gradnje postrojenja važno je odrediti koji će se ciklus izvoditi. Idući korak je odabir glavnog pokretača, prema nekim od slijedećih kriterija: snaga postrojenja, primarni i sekundarni izvori goriva, kvaliteta zraka i zahtjevi na emisiju plinova, ograničenja prostora, razina buke, otočni rad ili spajanje na mrežu. Vrlo je važno uravnotežiti proizvodnju električne energije sa zahtjevima za toplinom, jer će povećana potražnja za jednim uzrokovati povećanu proizvodnju oba proizvoda, te može doći do npr. bacanja viška topline koju ne možemo iskoristiti u tehnološkom procesu. Raspoloživost goriva jedan je od ključnih kriterija za izbor turbine. Ukoliko su dostupna samo kruta goriva, moguć je samo vršni ciklus, no u slučaju korištenja tekućih goriva mogući su vršni, kao i kombinirani ciklusi. U nekakvoj prosječnoj termoelektrani na ugljen iskoristivost postrojenja se kreće od 35- 40%. Dakle više od polovice energije nepovratno trošimo, što kroz hlañenje i kondenzaciju, što kroz gubitke u samom sustavu. Energija koja se gubi u kondenzatoru predstavlja najveći dio ukupne izgubljene energije. Prednosti kogeneracijskih sustava pred klasičnim sustavima s odvojenom opskrbom raznih oblika energije proizlaze prije svega iz visoke efikasnosti kogeneracijskih sustava. Pritom treba istaknuti da je ovakav stupanj iskoristivosti kogeneracijskog postrojenja svojstven režimu rada pri kojem se utroši sva toplinska energija proizvedena u sustavu. Direktna posljedica visoke efikasnosti kogeneracijskih postrojenja niske su vrijednosti emisija CO2 u atmosferu pri njihovom radu. Konvencionalne elektrane emitiraju toplinu kao postprodukt pri generiranju električne struje u okoliš kroz tornjeve za hlañenje, kao ispušne plinove, ili nekim drugim sredstvima. CHP troši toplinsku energiju ili za industrijske potrebe ili za domaćinstva, bilo vrlo blizu elektrani ili osobito kao u Skandinaviji i istočnoj Europi energija se kroz toplovode vodi do lokalnih kućanstava. Toplinska energija dobivena kogeneracijskom tehnikom takoñer može biti korištena i u apsorcijskim hladnjacima za hlañenje. Elektrane koje proizvode struju, toplinu i hlade nazivaju se i trigeneracijama, ili općenito poligeneracijama. Kogeneracija je termodinamički najpovoljnija u iskorištavanju goriva. U odvojenoj proizvodnji el. struje toplina koja se javlja kao nusprodukt mora biti bačena kao toplinski otpad. Termoelektrane (uključujući i nuklearne) i općenito toplinski strojevi ne pretvaraju svu raspoloživu energiju u koristan oblik. CHP je efikasniji ako je mjesto potrošnje bliže mjestu proizvodnje, dok mu korisnost pada sa udaljenošću potrošača. Udaljenost znači da mu trebaju dobro izolirane cijevi, što je skupo, dok se struja može transportirati na daleko veću udaljenost za iste gubitke. Kogeneracijske elektrane se mogu naći u područjima sa centralnim grijanjem ili u velikim gradovima, bolnicama, rafinerijama.. CHP elektrane mogu biti projektirane da rade s obzirom na potražnju za 135
  • 142.
    toplinskom energijom (engl. heat driven operation) ili primarno kao elektrana čiji se toplinski otpad iskorištava. 136 Tipične CHP elektrane su: · postrojenje protutlačne turbine, · postrojenje kondenzacijske turbine s reguliranim oduzimanjem pare, · postrojenje plinske turbine s korištenjem otpadne topline dimnih plinova, · gorive ćelije s rastaljenim karboratima. Manje kogeneracijske jedinice obično koriste Stirling-ov motor, a postoje i bojleri koji služe samo za grijanje tople vode za centralno grijanje. Postrojenje protutlačne turbine Najjednostavniji i najčešći oblik, postrojenje protutlačne turbine je bazični proces gdje imamo paru proizvedenu u generatoru pare, ekspandiranu u turbini i potom dovedenu do razvodnika koji odvodi toplinu dalje u vrelovodni sustav. Turbina je protutlačna i vrši se ekspanzija do protutlaka s temperaturom zasićenja. Ovaj tip postrojenja prisutan je najčešće u industriji kod proizvodnje topline i električne energije. Ova postrojenja su jeftinija, a samim time i jednostavnije za održavanje i upravljanje. Potreba i potrošnja toplinske i električne energije varira tako da u slučaju da imamo preveliku količinu pare, višak uvijek možemo izbacivati u atmosferu. Potreba koju imamo za toplinskom energijom u pogonu odreñivati će režim rada postrojenja. Količina proizvedene električne i toplinske energije ne može se bilancirati što je najveći problem. Naprosto ne možemo zbrajati toplinsku i električnu energiju. Postrojenje kondenzacijske turbine s reguliranim oduzimanjem pare Za ovakav sustav potrebno je imati na raspolaganju turbinu s dva stupnja: visokotlačni i niskotlačni. Nakon ekspanzije u visokotlačnom dijelu turbine vrši se ekspanzija nakon koje dolazi do oduzimanja pare. Sve se to odvija na konstantnom tlaku. Ovaj pogon je povoljniji pošto imamo dva stupnja rada: · čisti kondenzatorski · čisti protutlačni Čisti kondenzatorski pogon znači da ne postoji potreba za toplinom pa se proizvodi samo električna energija. U suprotnom primjeru kod čistog protutlačnog slučaja potreba za toplinskom energijom je toliko velika da uopće nema proizvodnje u niskotlačnom dijelu turbine. Realno
  • 143.
    protutlačni (čisti) režimse ne može voditi. Niskotlačni dio turbine ne može ostati bez pare (hlañenje). Postrojenje plinske turbine s korištenjem otpadne topline dimnih plinova Princip rada postrojenja s plinskom turbinom s korištenjem otpadne topline je sljedeći. Na ispuh plinske turbine dodaje se kotao koje služi za proizvodnju pare koja pak služi ili u industrijske svrhe ili za grijanje. Temperature na izlazu iz plinske turbine su izuzetno visoke (do 600°C) tako da mogu poslužiti u daljnjoj proizvodnji pare. Tu vidimo povezanost kombiniranog i kogeneracijskog procesa – proizvodnja pare za grijanje, ali i ponovnu proizvodnju električne energije. Dodatna proizvodnja i električne energije još dodatno povećava iskoristivost procesa. 137 Slika 7.3: Parni kotao na dim motora Gorive ćelije s rastaljenim karbonatima Sastav elektrolita ovih gorivih ćelija ovisi o izvedbi. Elektrolit je najčešće mješavina Li2CO3 i K2CO3. Radna temperatura je oko 650°C. Iskoristivost je, kod sistema koji iskorištavaju otpadnu toplinu, prešla 50%. Potrebna je visoka radna temperatura da bi se postigla zadovoljavajuća vodljivost elektrolita i iskoristivost naglo pada smanjenjem temperature.
  • 144.
    138 Slika 7.4:Gorive ćelije s rastaljenim karbonatima Prednosti gorivih ćelija s rastaljenim karbonatioma: · mogućnost proizvodnje pare za izdvajanje vodika iz benzina ili metanola · mogućnost kogeneracije · visoka radna temperatura omogućuje direktnu upotrebu metanola kao goriva · nisu potrebni plemeniti metali kao katalizator Nedostaci gorivih ćelija s rastaljenim karbonatima: · zbog visokih temperatura potrebni su skupi materijali · potrebno je izolirati ćeliju 2.5. Primjer korištenja kogeneracijskog postrojenja Kogeneracija na biomasu u Strizivojni Kogeneracijsko postrojenje koristi biomasu za proizvodnju električne i toplinske energije u indirektnom plinsko turbinskom procesu. Osnova sustava je klasična plinska turbina sa
  • 145.
    vanjskom komorom izgaranjačija koncepcija omogućava da se zrak iz kompresora prije uvoñenje u turbinu odvede u vanjski dogrijač zraka sa loženjem biomase, te se tako dogrijan uvodi u turbinu. Ovim se omogućava da plinska turbina umjesto sa plinovima izgaranja radi sa čistim zagrijanim zrakom čime se osigurava njen rad u idealnim radnim uvjetima te se značajno produžava njen radni vijek. HEP je izvijestio kako su 15.10.2008. godine HEP ESCO i Strizivojna Hrast kao investitori te konzorcij tvrtki TPK-EPO Proizvodnja iz Zagreba i KIV Engineering iz Celja potpisali Ugovor za izgradnju kogeneracijskog postrojenja na biomasu snage 3,3 MW. Radi se o projektu koji sinergijski objedinjuje projekt energetske učinkovitosti i obnovljivih izvora. Pri tome se izgradnjom kogeneracijskog postrojenja zamjenjuje rad neučinkovitih i skupih dizelskih agregata za proizvodnju električne energije (3,86 puta skupljih od električna energija iz javne mreže) i ostvaruju uštede u potrošnji energenata jer se za gorivo koristi otpadno drvo iz proizvodnog procesa. Kogeneracijsko postrojenje loženo biomasom sastoji se od parnog kotla (s količinom svježe pare 20 t/h, tlakom 40 bar i temperaturom 400 °C), parnim turbogeneratorom s reguliranim oduzimanjem nazivne električne snage 3,3 MW, zrakom hlañenim kondenzatorom, toplinskom stanicom nazivnog toplinskog učina 6 MW i elektrooprema. U projekt su s udjelom 60% uključene i brojne hrvatske tvrtke, a podržava ga i sufinancira Meñunarodna banka za obnovu i razvoj (IBRD) kao projekt energetske učinkovitosti i obnovljivih izvora energije iz biomase. 139 3. TRIGENERACIJA Trigeneracija (Combined Heat, Cooling and Power production ili CHCP) je proces istodobne proizvodnje električne i toplinske energije i hlañenja u jedinstvenom procesu. Toplina CHP elektrane se u tom slučaju koristi za hlañenje preko apsorpcijskog ciklusa (dodaje se apsorpcijski hladnjak koji koristi "odbačenu" toplinu). U usporedbi s kogeneracijom učinkovitost se povećava za čak 50 %.
  • 146.
    140 Slika 7.4:Prikaz glavnih dijelova dizalice topline apsorpcijskog tipa Potreba za korištenjem trigeneracije u razdoblju ljetnih mjeseci uvjetovala je razvijanje nove CHP tehnologije (osobito u južnim državama SAD). Trigeneracija nudi značajno smanjenje opterećenja elektroenergetskog sustava u vrućim ljetnim mjesecima. Prednosti trigeneracije u odnosu na klasične rashladne strojeve su neemitiranje štetnih freona u atmosferu i korištenje otpadne topline iz kogeneracijskih postrojenja. Meñutim, trigeneracija se ne koristi samo za procese grijanja i hlañenja objekata, nego i za proizvodne industrijske procese koji zahtijevaju niske temperature. Trigeneracijsko postrojenje je izvrstan način rješavanja opskrbe električnom energijom bolnica, domova za umirovljenike, rekreacijskih centara s bazenima, hotela, trgovačkih centara i sličnih objekata te industrijskih postrojenja u kojima se uz električnu energiju troši i znatna količina toplinske i rashladne energije. 4. MIKROKOGENERACIJA Mikrokogeneracija je takoñer naziv za distribuirani energijski izvor (engl. Distributed Energy Resource - DER), i reda veličine je kućanstva ili male proizvodne jedinice. Umjesto da se sve gorivo potroši na grijanje dio se koristi i za proizvodnju električne energije. Ta se el.
  • 147.
    energija može koristitiunutar domaćinstva (obrta), ili uz dopuštenje mreže prodavati je natrag u istu. Postojeće mikroCHP instalacije koriste četiri različite tehnologije: motore na unutrašnje izgaranje, Stirling-ove motore, kružne procese s vodenom parom i gorive ćelije. 4.1. Motori sa unutrašnjim izgaranjem Motori sa unutrašnjim izgaranjem su toplinski strojevi u kojima se vrši pretvorba energije (kemijska - toplinska - mehanička).Kemijska energija goriva u cilindru se izgaranjem goriva pretvara prvo u toplinsku, a zatim u energiju pritiska plinova na klip. Klip se giba pravocrtno (linijski) a to se gibanje zatim preko klipnjače pretvara u kružno gibanje radilice. 4.2. Stirlingov motor Stirlingov motor je zatvoreni cilindrični sustav s klipom koji koristi inertni radni fluid, najčešće helij ili vodik, a radi prema načelu zatvorenog termodinamičkog ciklusa gdje se temperaturna razlika pretvara u mehaničku i/ili električnu energiju. 141 Slika 7.5: Stirlingov motor
  • 148.
  • 149.
    143 CENTRALIZIRANI ENERGETSKISUSTAVI 1. Klepo, M. i dr., 1998. KUEN-CTS: Program energetske efikasnosti centraliziranih toplinskih sustava, Zagreb; Energetski institut ''Hrvoje Požar'' 2. Požar, H., 1976. Osnove energetike, Zagreb; Školska knjiga 3. www.hep.hr/proizvodnja/osnovni/termoelektrane 4. www.izvorienergije.com/nuklearna_energija.html 5. www.kostrena.hr 6. www.narodne-novine.nn.hr/clanci/sluzbeni/308598.html 7. www.nek.si/hr DECENTRALIZIRANI ENERGETSKI SUSTAVI 1. Vranković, I., 1998., Decentralizirani energetski sustavi u hrvatskoj energetici, izd. EGE: energetika, gospodarstvo, ekologija, etika 2. www.eihp.hr/hrvatski/geoen-kge.htm 3. www.eihp.hr/hrvatski/projekti/revetis/pdf/REVETIS-VJETAR.pdf 4. www.hed.hr/forum_hr2.htm 5. www.izvorienergije.com/obnovljivi_izvori_energije.html 6. www.zitel.hr/sigurnost/Energija vjetra.pdf 7. Zekić, A., Novak, J., 1998., Iskorištavanje vjetrene energije, izd. EGE: energetike, gospodarstvo, ekologija, etika 8. Željko, S., Šunić, M., Rauker, S., 2003., Globalizacija decentralizirane energetske opskrbe s ciljem poboljšanja energetske bilance Republike Hrvatske, izd. Plin: stručni časopis za plinsko gospodarstvo i energetiku HIDROELEKTRANE 1. Velika Ilustrirana enciklopedija, Mozaik knjiga 2006. 2. Požar H., 1987. Osnove energetike, Školska knjiga Zagreb 3. http://hr.wikipedia.org/wiki/Hidroelektrane 4. http://hr.wikipedia.org/wiki/Male_hidroelektrane 5. http://hr.wikipedia.org/wiki/Generator
  • 150.
    6. http://hr.wikipedia.org/wiki/Velike_hidroelektrane 7.http://www.hep.hr/proizvodnja/osnovni/hidroelektrane/default.aspx 8. http://www.hep.hr/proizvodnja/osnovni/hidroelektrane/sjever/default.aspx 9. http://www.hep.hr/proizvodnja/osnovni/hidroelektrane/zapad/default.aspx 10. http://www.hep.hr/proizvodnja/osnovni/hidroelektrane/jug/default.aspx 11. http://www.zelena.12.akcija.hr/files/Programi/Vode/ZA_Stav_Koliko_su_hidroel 144 ektrane_zapravo_zelene_0071221.pdf 12. http://www.nek.si/hr/elektricna_energija/izvori/hidroelektrane/ 13. http://www.geog.pmf.hr/e_skola/geo/mini/obnov_izvori_energ/hidroenergija.html 14. http://www.apold.hr/projekt/hidroelektrane.htm 15. http://www.izvorienergije.com/kina_hidroenergija_kao_pravo_rjesenje.html 16. http://www.ekoakcija.com/content/pocinje-izgradnja-hidroelektrane-ulog-na-neretvi 17. http://www.hidroelektra-niskogradnja.hr/Reference/hidroelektrane.html 18. http://metro-portal.hr/vijesti/svijet/zavrsava-gradnja-najvece-hidroelektrane-na-svijetu 19. http://www.jablanica.org/jablanica/index.php?option=com_content&task=view&i d=278&Itemid=94 20. http://energetika-net.hr/skola/oie/energija-vodenih-tokova/hidroelektrane 21. http://www.sajema.hr/vijesti/zanimljivosti/energija-vodenih-tokova-osnove.html NUKLEARNE ELEKTRANE 1. http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power 2. http://en.wikipedia.org/wiki/Economics_of_new_nuclear_power_plants 3. http://www.howstuffworks.com/nuclear-power.htm 4. http://www.animatedsoftware.com/environm/nukequiz/nukequiz_one/nuke_parts/ reactor_parts.swf 5. http://www.fer.hr/_download/repository/NPP_Safety_IEEE-.pdf 6. http://www.izvorienergije.com/energija_i_ekologija.html 7. http://www.mojaenergija.hr/index.php/me/Knjiznica/Teme/Nuklearna-energija 8. http://www.nek.si/hr/ 9. http://hr.wikipedia.org/wiki/Nuklearna_elektrana
  • 151.
    145 VJETROELEKTRANE 1.www.powerlab.fsb.hr/osnoveenergetike/wiki/index.php?title=ENERGETSKE_TR ANSFORMACIJE#Vjetroelektrane 2. www.talentfactory.dk/en/tour/wtrb/powerreg.htm 3. Wind directions, the european wind industry magazine, February 2010-12-13 4. www.windpowering.com/featured/the-plus-side-of-large-two-blade-turbines-2/ 5. www.wwindea.org/technology/cho1/en/1_2_1_2.html 6. Modern energy review, volume 2, issue 1, 2010. 7. en.wikipedia.org/wiki/Wind_power 8. klima.hr/klima.php?id=karta_vjetra&param= 9. www.wwindea.org 10. en.wikipedia.org/wiki/Wind_power_in_the_United_States 11. Kulišić, Petar, 1991., Novi izvori energije II dio, Školska knjiga, Zagreb 12. www.newinovationsguide.com/WindEnergyBackground.html 13. www.windpowerinamerica.gov/ne_history_windfarms.asp 14. www.powertechnology.com/projects/roscoe-wind-farm/ 15. en.wikipedia.org/wiki/Horse_Hollow_Wind_Energy_Center 16. www.worldwatch.org/node/57 17. en.wikipedia.org/wiki/Gansu_Wind_Farm 18. en.21cbh.com/HTML/2010-8-31/Huaneng-wind-farm.html 19. www.ewea.org 20. en.wikipedia.org/Wiki/Wind_power_in_Europe#cite_note_17 21. www.wind-energie.de/en/wind_energy_in_germany/ 22. 2.bp.blogspot.com/thanet+wind+farm.jpg 23. Meñimorec, D., Razvoj projekata vjetroelektrana, CIGRE 2010. 24. www.vjetroelektrane.com/aktualno/ 25. www.obnovljivi.com/pdf/ 26. www.geog.pmf.hr/e_skola/geo/mini/vjetar_u_hrvatskoj/ 27. www.em.com.hr/pdf/ 28. www.poslovniplus.com/2010/07/29/siemensove-vjetroturbine-za-vjetroelektranu-pokraj- gracaca/ 29. www.thegreentechnologyblog.com/wp-content/uploads/Savonius-3-Blade-Wind- Turbine.jpg 30. www.windturbine-analysis.netfirms.com/turbine-index/neteole.jpg
  • 152.
    31. users.xplornet.com/~řmanzer/windmill/images/h-rotor/solwind_4.jpg 32.www.workingwind.com/wp-content/uploads/2009/06/windtowerparts.bmp 33. www.windenergyplanning.com/wordpress/wp-content/uploads/2009/03/offshore-wind- 146 turbines.jpg 34. www.wind-energy-the-facts.org/images/fig/chap1/3-4.jpg 35. greenenergyreporter.com/wp-content/ uploads/2010/01/0822Nordic+Windpower+N1000+Turbine+2.jpg 36. h3.ggpht.com/_RJgZjpVfwO0/SlD2rkkw_vI/AAAAAAAADa8/3JY3FHM04KM /s800/3%20Blade%20Giant%20Wind%20Turbine.jpg 37. www.newinnovationsguide.com/WindCapacitybyCountry2.jpg SOLARNI UREðAJI I FOTONAPONSKE ĆELIJE 1. http://www.izvorienergije.com/energija_sunca.html 2. http://www.monte-energysun.com/sr/images/wat_img_01.png 3. http://www.solarni-sistemi.co.rs/Toplotni%20sistemi/%20Primena/ 4. http://www.webgradnja.hr/clanci/solarni-toplinski-kolektor-sa-spremnikom/226/ 5. http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija 6. http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_%C4%87elija KOGENERACIJA, MIKROKOGENERACIJA I TRIGENERACIJA 1. Šunić M. : Efikasnost kogeneracijskih postrojenja, Energetika marketing, 1996., Zagreb 2. www.proplin.hr 3. www.hrote.hr 4. www.vaillant.hr 5. www.telosgrupa.com