ENERGETSKE TRANSFORMACIJE

PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE

Nuklearne elektrane

Gorivni elementi reaktora, u kojima se odvija proces fisije i u kojima se neposredno oslobađa tolinska energija, imaju najvišu temperaturu u nuklearnoj elektrani.

Sam stupanj djelovanja toplinskog ciklusa ovisi o prosječnoj temperaturi rashladnog fluida (po drugom zakonu termodinamike stupanj djelovanja je to veći što je viša temperatura toplijeg spremnika). Od interesa je što više približiti prosječnu i maksimalnu temperaturu rashladnog fluida, odnosno što više smanjiti porast temperature rashladnog fluida u reaktoru.

Sigurnost nuklearnog postrojenja i okoline je ograničavajući faktor za iznos temperature nuklearnog goriva i rashladnog sredstva, čime posredno ograničava i stupanj djelovanja NE (stupanj djelovanja NE je uvijek manji od stupnja djelovanja TE jednake snage).

Nuklearne elektrane proizvode oko 17% svjetske električne energije. U svijetu postoji oko 400 nuklearnih elektrana (prema podacima International Atomic Energy Agency).

Slika 1. Nuklearna elektrana u pogonu

Susrećemo nekoliko tipova NE čija je razlika u vrsti primarnog postrojenja (reaktorskog), koje se odnosi na reaktor, elemente primarnog kruga i na pomoćne sustave reaktora, jer je sekundarno postrojenje, kojem pripada turbinsko i električno postrojenje elektrane, kod svih načelno isto.

Osnovni materijali po kojima se nuklearni reaktori razlikuju su:

Nuklearno gorivo

• prirodni ili obogaćeni uran (umjesto obogaćenog urana može se djelomično koristiti i plutonij)
• metalni uran
• oksid urana.

Moderator

• obična voda
• teška voda
• grafit

Rashladni fluid

• obična voda
• teška voda
• CO₂
• helij
• tekući metal

Tipovi nuklearnih elektrana, tj. reaktorski tipovi:

1. Reaktor hlađen i moderiran običnom vodom

Ovaj reaktor se izvodi u dvije varijante:

a) Voda u reaktoru ima tlak viši od tlaka zasićenja

Takav reaktor je poznat kao tlakovodni reaktor: U zapadnim zemljama označava se kraticom PWR (Pressurized Water Reactor, a u bivšem Sovjetskom Savezu kraticom VVER - vodo-vodnoj energetičeskij reaktor). Ovog tipa je reaktor u NE Krško. Gorivo reaktora: oksid obogaćenog urana

Slika 2. Shematski prikaz PWR reaktora

b) Voda u reaktoru kipi (kipući reaktor)

To je reaktor tipa BWR (Boiling Water Reactor).Gorivo reaktora: oksid obogaćenog urana

Slika 3. Shematski prikaz BWR reaktora

2. Reaktor hlađen i moderiran teškom vodom

Takozvani teškovodni reaktor ili HWR (Heavy Water Reactor). Izvodi se samo tip koji ima tlak viši od tlaka zasićenja, tj. kao tlakovodni reaktor. Gorivo reaktora: oksid prirodnog ili obogaćenog urana

Slika 4. Shematski prikaz HWR reaktora

3. Reaktor moderiran grafitom i hlađen ugljik – dioksidom

To su plinom hlađeni reaktori koji se izvode u dvije verzije:

a) GCR (Gas Cooled Reactor)

Prva generacija ovih reaktora poznata pod nazivom magnox dobila je ime po leguri magnezija koji se upotrebljava kao materijal za obloge gorivnih šipki. Gorivo reaktora: metalni prirodni uran

Slika 5. Shematski prikaz GCR reaktora

b) AGR (Advanced Gas Reactor)

Druga generacija grafitnih reaktora koja se od prve razlikuje u izvedbi i materijalu gorivnih šipki. Obloge gorivnih šipki su izrađene od nehrđajućeg čelika. Gorivo reaktora: oksid obogaćenog urana

Slika 6. NE Wylfa na sjeveru Walesa, UK, ima magnox reaktor, i jedna je od najstarijih NE u svijetu koje još uvijek rade

4. Reaktor moderiran grafitom i hlađen kipućom vodom

Ovaj tip reaktora se gradi samo u bivšem SSSR-u i njegova kratica je RBMK (reaktor boljšoi močnosti kipjaščij). Nuklearna elektrana u Černobilu je bila ovog tipa. Gorivo reaktora: oksid obogaćenog urana

5. Reaktor moderiran grafitom i hlađen helijem

Visoko temperaturni reaktor ili HTGR (High Temperature Gas Reactor) je posljednji korak u razvoju grafitom moderiranih reaktora. Gorivo reaktora: oksid obogaćenog urana

6. Brzi oplodni reaktor

Dok svi prethodno navedeni tipovi reaktora pripadaju u kategoriju termalnih reaktora, tj. upotrebljavaju moderator za termalizaciju neutrona, brzi oplodni reaktor nema moderatora. Gorivo reaktora:oksid urana višeg obogaćenja ili oksid plutonija

---

Tehnologija se temelji na procesu nuklearne fisije. Uran, kao prirodni element, je osnovni energent u nuklearnoj energetici. Nalazimo ga u prirodi. Uran–238 (U-238) ima vrlo dugo vrijeme poluraspada, oko 4,5 milijarde godine, i zato se još uvijek mogu naći zamjetne količine ovog elementa u prirodi. Ovaj izotop urana, U-238, čini oko 99% svih izotopa urana na Zemlji. Uran-235 čini oko 0,7% urana kojeg nalazimo u prirodi, dok je uran-234 još rijeđi u prirodi i nastaje radioaktivnim raspadom urana-238.

Uran-235 ima zanimljivo svojstvo koje ga čini korisnim i za nuklearnu energetiku, a i za proizvodnju nuklernih bombi. Kao i U-238, U-235 se spontano raspada alpha raspadom. Osim spontanog raspada U-235 kratkotrajno podliježe i spontanoj fisiji. Međutim, U-235 je jedan od rijetkih elementa koji je sposoban osloboditi energije cijepanjem jezgre atoma (nukleusa) mehanizmom inducirane fisije. U slučaju da se slobodni neutron sudari sa jezgrom urana-235, jezgra će apsorbirati taj neutron što će rezultirati time da će postati nestabilna i u konačnosti će se rascijepati na dva lakša atoma uz oslobađanje dva do tri nova slobodna neutrona. Dva nova atoma postižu novo stanje gama raspadom. Tri fizikalne činjenice čine proces inducirane fisije zanimljivim sa energetskog stajališta

• Vjerojatnost da će atom urana-235 apsorbirati slobodan neutron je relativno velika. Ako reaktor radi u najpovoljnijem režimu (tj. u kritičnom stanju), oslobođeni neutron svake fisije će uzrokovati novu fisiju.

• Proces apsorpcije neutrona i cijepanja jezgre je vrlo brz, reda veličine pikosekunde (10^-12 sekundi).

• Cijepanjem jedne jezgre U-235 oslobađa se zamjetno velika količina energije u obliku toplinske energije i gama zračenja. Energiju oslobođenu jednom fisijom dobivamo iz činjenice

da fisijski produkti i neutroni zajedno teže više nego sam atom U-235 čija se jezgra rascijepala. Razlika u masi se može direktno preračunati u dobivenu energiju pomoću izraza E = mc2.

Raspadom jednog atoma U-235 oslobađa se energija reda veličine 200 MeV (milijun elektron volta). Na prvi pogled to se ne čini puno, ali ako se uzme u obzir da, naprimjer, jednam kilogram urana sadrži veliku količinu atoma, shvaća se da je oslobođena energija iz takvog kilograma zamjetna. Ona je tolika da se obogaćeni uran koristio kao gorivo za nuklearne podmornice dajući im potisnu snagu koju bi se moglo dobiti iz nekoliko stotina tisuća litara nafte. Da bi dobili tražena svojstva uranskog goriva, takvo je gorivo potrebno predhodno obogatiti, tako da sadrži 2 do 3% (ili više) urana-235. Tropostotno obogaćenje je dovoljno za uporabu u civilnom nuklearnom reaktoru, dok se uran za proizvodnju oružja obogaćuje tako da sadrži 90% ili više U-235.

Najveći postotak nuklearnih elektrana u svijetu čine elektrane PWR reaktorskog tipa. Izvedba PWR nuklearne elektrane zasniva se na principu dvaju odvojenih rashladnih krugova, primarnog i sekundarnog. Toplinski stupanj djelovanja N je funkcija prosječne temperature vode u primarnom krugu, te je svrsishodno da ona bude što viša.

Tipični parametri rashladne vode primarnog kruga jesu:

• Tlak: 150 do 160 bar

• Prosječna temperatura: 570 do 590 K

• Promjena temperature u reaktoru i generatoru pare: 40 do 50 K

• Protočni volumen pri rashladnom krugu: oko 6 m³/s

Primarni krug se načelno sastoji od reaktora, cirkulacijske pumpe, generatora pare i tlačnika. Budući da su rashladni krugovi hidraulički povezani u reaktoru potreban je samo jedan tlačnik za sve rashladne krugove. Komponente primarnog kruga smještaju se u containment ili zaštitnu posudu. Zaštitna posuda je projektirana za tlak koji u njoj narastao pri većem lomu komponente primarnog kruga (tj. da se tlak povisi za 0,3 do 0,5 Mpa). Osobito obilježje je kuglasta zaštitna posuda. Veličina jezgre i broj gorivnih elementa u njoj ovise u snazi. U zapadnim zemljama te su snage u razredima od 600 do 700, 900 do 1000 i 1200 do 1500 MW.

Generator pare je jedan od komponenti primarnog kruga NE. To je izmjenjivač topline specijalne izvedbe kojem je zadatak da toplinsku energiju nastalu u primarnom krugu prenese na radni medij sekundarnog kruga. Primarni medij nalazi se u snopu cijevi, a sekundarni u plaštu parogeneratora. Srednja temperatura primarnog fluida u reaktoru i parogeneratoru je približno ista. Temperaturna razlika između primarnog i sekundarnog fluida je malena da bi tlak pare bio što viši, a time i stupanj djelovanja. To se može postići, i postiže se, izgradnjom velike površine prijelaza topline. Ta ogrijevna površina iznosi oko 4000 m2, a tehnološki je dobivena ugradnjom nešto više od 4000 “U” cijevi u cijevni snop visok 10 m, dok je promjer cijevi 20 mm i debljine stijenke oko 1,2 mm. Materijal cijevog snopa je legura naziva Inconel600. Materijal plašta generatora pare je niskolegirani kotlovski čelik.

Najbitniji djelovi generatora pare su ulazno/izlazna komora primarnog fluida, cijevni snop, isparavačka sekcija, parni prostor. Potrebno je još ugraditi i separator vlage i sušionik pare. Sekundarna voda se nalazi pod tlakom od otprilike 6 MPa. Gabariti takvog generatora pare za nuklearna postrojenja su oko 21 m visine, promjer donjeg djela posude je oko 3,5 m, promjer gornjeg dijela posude je oko 4,5 m, dok je masa suhog generatora pare oko 300 t.

Tlačnik je komponenta primarnog kruga NE s tlakovodnim reaktorom kojoj je zadatak da na elastičan način održava tlak u primarnom krugu. U osnovi, to je električni bojler kod kojeg tlak pare iznad razine vode elastično održava tlak u primarnom krugu. Funkcionalno kompenzira promjene specifičnog volumena vode brzih prijelaznih projava i održava tlak u stacionarnom stanju.

Cirkulacijska pumpa kod tlakovodnih reaktora (PWR) je jednostupnjevita cirkulacijska pumpa. Budući da je maksimalna temperatura fluida ograničena dopuštenom temperaturom u reaktoru, nastoje se prosječna temperatura što više približiti toj temperaturi. Smanjenje porasta temperature rashladnog fluida u reaktoru moguće je jedino smanjenjem njegova protoka. Snaga pumpe je ograničavajući faktor za smanjenje temperaturne razlike u primarnom krugu.

Izvedba pumpe mora zadovoljavati slijedeće uvjete:

• Propuštanje rashladnog fluida reaktora treba svesti na najmanju moguću mjeru (jer rashladni fluid sadrži određeni stupanj radioaktivnosti). Rješenje je u brtvenju protutlakom.

• Podmazivanje donjih ležajeva treba rješiti bez klasičnim maziva (kontaminacija rashladnog fluida). To se rješava tako da se donji ležaj pumpe, napravljen od grafita, podmazuje ubrizganom vodom.

Jezgru PWR reaktora čine:

1. Gorivi elementi

2. Regulacijske i zaustavne šipke

3. Moderator

4. Rashladni fluid

5. Konstrukcijski elementi, odnosno svi materijali i sklopovi za ostvarenje i samoodržavanje lančane reakcije, njezinu kontrolu i odvod generirane topline.

---

1. Gorivi elementi

Gorivi elementi su složeni mehanički sklopovi, kojih su osnovni djelovi gorivne šipke i kostur gorivnog elementa.

a) Gorivne šipke

Gorivna šipka je cijev od cirkonijeve (Zr) legure (često se upotrebljava legura pod nazivom ZIRCALLOY2, [Zr + Sn + Fe + Ni]) promjera oko 9,5 mm, debljine stijenke oko 0,6 mm te dužine oko 3,6 m ispunjene tabletama UO₂ koje su konkavno obrađene radi kompenzacije termalne ekspanzije. Zazor između tablete i stijenke obloge puni se helijem radi boljeg odvođenja topline.

b) Kostur gorivnog elementa

Kostur gorivnog elementa je mehanički element kojem je zadatak držati gorivne šipke u formaciji (pridržavanje trenjem) i omogućiti vođenje regulacijskih ili zaustavnih šipki.

Gorivi element ima kvadratni horizontalni presjek dimenzija oko 200x200 mm i masu između 500 i 700 kg.

2. Regulacijske i zaustavne šipke

Regulacijske i zaustavne šipke zajedno čine apsorbcijske šipke.

Regulacijske šipke su povezane u regulacijski sklop, što znači da sve one šipke koje ulaze u jedan gorivi element kreću kao mehanička cjelina. Cijevi su od nehrđajućeg čelika ispunjene legurom koja u težinskim postocima sadrži 80% srebra, 15% indija i 5% kadmija. Sastav legure izabran je tako da se apsorpcijom pokrije širi spektar energija termalnih i epitermalnih neutrona.Zaustavne šipke imaju zadatak osigurati dovoljnu podkritičnost reaktora obustavljenog rada i nisu povezane s regulacijskim sustavom.

3. Moderator

To su materijali koji imaju zadatak da usporavajubrze neutrone fisije. Da bi se stvorila compound jezgra koja je nestabilna i koja je uvijet za postupak fisije energija projektila koja udara u jezgru mora biti manja od približno 50 MeV.

Sigurnost

Sigurnost nuklearne elektrane je jedan od najbitnijih uvjeta za njezinu prihvatljivost kao energetskog objekta. Osnovna filozofija projektiranja nuklearne elektrane sa stajališta sigurnosti je tzv. obrana po dubini. Obrana po dubini sastoji se u poduzimanju mnogih sistematskih mjera za očuvanje funkcija opreme i sustava NE važnih za sigurnost, i to tako da one u pogledu zaštite okoliša djeluju serijski, jedna nakon druge. Time se postiže da izgubljenu funkciju jednog sustava važnog za sigurnost automatski preuzima drugi.

Tablica 1. Klasifikacija mogućih nezgoda u skladu s preporukama American Nuclear Society (ANS)*

Kategorija I	Pogonski tranzijenti (u radnom vijeku elektrane njihova pojava očekuje se često tijekom redovitog pogona)
Kategorija II	Nezgode srednje učestalosti (u najgorem slučaju rezultiraju obustavom rada reaktora no elektrana može po njihovom prestanku nastaviti s radom)
Kategorija II	Nezgode male učestalosti (mogu rezultirati oštećenjem malog dijela goriva, i sl.)
Kategorija IV	Granične nezgode (ne očekuje se da će se pojaviti u radnom vijeku NE, rezultiraju ispuštanjem značajnih količina radioaktivnog materijala u okoliš, uključuju nezgode gubitka hladioca, LOCA*, i lom cijevi generatora pare)

LOCA – Lost of Coolant Accident (do sada je nije bilo osim u nezgodi NE na Otoku tri milje)

Sa stajališta utjecaja na okoliš najvažnije su nezgode kategorije IV, a to su:

1. Veći lomovi cijevi sekundarnog sustava

2. Lom cijevi pojne pumpe

3. Zakočenje rotora pumpe reaktorskog hladioca

4. Lom osovine pumpe reaktorskog hladioca

5. Lom kučišta mehanizma kontrolnih štapova

6. Lom cijevi parogeneratora

7. Nezgoda gubitka hladioca (LOCA)

8. Nezgoda rukovanja gorivom u contaimentu i zgradi za pohranu istrošenog goriva

Većih nesreća je do sada bilo dva puta. Prva se zbila u NE Otok tri milje u SAD-u, 28. Ožujka 1979., a druga 25. Travnja 1986. u NE Černobil. Ljudska greška je bila uzrok obje nesreće.

---

Distribuirana proizvodnja

Otočna proizvodnja

OBNOVLJIVI IZVORI

Hidroelektrane

Vjetroelektrane

Vjetar

Pojam vjetroelektrana podrazumijeva sustav za transformaciju (pretvorbu) gibajuće zračne mase, odnosno vjetra u električnu energiju.

Dakle, unutar kompleksne problematike vjetrenjača vrlo značajno mjesto zauzima vjetar i vjetropotencijal kao jedan od preduvjeta funkcionalnosti takvog sustava. Vjetar kao energetski resurs karakterizira promjenjivost i nemogućnost uskladištenja što za sobom posljedično povlači potrebu za definiranjem uvjeta pogona (vjetroenergetskog sustava unutar elektroenergetskog sustava). Budući da kinetička energija vjetra ovisi o kvadratu brzine, a snaga vjetroelektrane je proporcionalna površini lopatica i trećoj potenciji brzine vjetra, promjena brzine vjetra uzrokovat će dakle promjenu aerodinamičke snage, odnosno prema jednadžbi gibanja promjenu električne snage koju generator injektira u mrežu. Brzina vjetra mjeri se anemometrom. Pri analizi stabilnosti vjetroelektrane dominantan je model promjene brzine strujanja vjetra. Kod provođenja proračuna, uglavnom se pretpostavlja da brzina vjetra u najsloženijom obliku ima 4 komponente: osnovnu komponentu brzine vjetra (eng. base), komponentu linearne promjene brzine vjetra (eng. ramp), komponentu udarne promjene brzine vjetra(eng. gust) i komponentu promjene brzine vjetra koja je podložna šumu (eng. noise). Budući da do visine 200m postoje tehnička rješenja koja kinetičku energiju gibanja zračnih masa tj. vjetra pretvaraju u električnu energiju, moguće je koristiti naziv tehnički vjetar. Struja tog vjetra poremećena je različitim utjecajima kao što su turbulencija (mehanički i termički uvjetovana lokalna nepravilna gibanja), hrapavost površine, dnevni i noćni temperaturni gradijent, topografija terena ( prepreke, uzvisine, građevine i slično) i vanjski poremećaji (silazna strujanja od oluja). Navedene prepreke na koje vjetar nastrujava na putu do vjetroturbine, dakle ometaju strujanje i općenito umanjuju vjetropotencijale.

Prilikom postavljanja vjetrenjača potrebno je izvršiti dodatni proračun vjetropotencijala (korekciju vjetropotencijala) na mjestima udaljenim od mjernih postaja, jer podaci o vjetropotencijalu (dobiveni dugotrajnim mjerenjima) na jednom mjestu nisu isti i na nekom drugom mjestu čak i ako je relativno mala njihova međusobna udaljenost.

Zbog turbulentnog karaktera strujanja vjetra potrebno je izvršiti osrednjavanje prikupljenih podataka o brzinama vjetra u određenom vremenu ( u praksi klimatologije iznosi 1h, a u sinoptičkoj praksi 10 min). Mjerenja brzine vjetra se najčešće vrše na visini od 10m. Višegodišnji prikupljeni podaci se najbolje aproksimiraju Weibullovom funkcijom (razdiobom) koja daje vjerojatnost pojave vjetra f(v) tijekom nekog vremenskog perioda.

Slika 1. Weibull-ova razdioba

Uslijed utjecaja hrapavosti dolazi u graničnom sloju do promjene profila brzine; brzina vjetra se mijenja po visini od 0 na tlu, do iznosa beskonačne struje.

Slika 2. Parametri po visini, u logaritamskoj razdiobi

Vrste vjetrenjača i njihova primjena

Vjetroturbina može imati jednu ili više elisa. Njezinim korištenjem transformira se energija vjetra u mehaničku energiju. Najčešće rješenje predstavlja izvedba s tri elise (s obzirom na razinu buke i vizualni efekt).

Vjetroturbine se mogu podijeliti prema različitim kriterijima. Tako npr. s obzirom na neke konstrukcijske i radne značajke postoji podjela ovisno o:

• 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.
• načinu okretanja rotora prema brzini vjetra: promjenjive i nepromjenjive.

Izvedbe vjetrenjača s vodoravnim vratilom, brzohodne s dvije do četiri lopatice predstavljaju klasične vjetrenjače, odnosno najveće i opće prihvaćene vrste vjetroturbina koje se koriste za proizvodnju električne energije. One se dakle najčešće nalaze u serijskoj proizvodnji,a i konstrukcijski su najviše napredovale dok su ostali tipovi primjenjivi u manjem broju ( više kao eksperimentalna postrojenja ili kao npr. višelopatične vjetrenjače koje se koriste za crpljenje vode zbog velikog torzijskog momenta koji stvaraju).U vjetroelektranama europskih zemalja i Kalifornije najčešće su korištene brzohodne vjetroturbine, okomitog vratila te propelera s dvije do tri lopatice, snage od 500 do 1500 kW.

Dijelovi vjetroturbinskog - generatorskog sustava i njihova funkcija

Slika 3. Osnovni dijelovi turbine okomitog vratila

Segmenti turbine okomitog vratila (prikazane na slici 3.) su slijedeći:

• (1) rotor
• (2) kočnice
• (3) upravljački i nadzorni sustav
• (4) generator
• (5) zakretnik
• (6) kućište
• (7) stup
• (8) temelj
• (9) transformator
• (10) posebna oprema
• (11) prijenosnik snage

(1) Rotor

Sastavni dijelovi rotora vjetroturbine su glavčina i lopatica. Ovisno o tome kako reguliramo snagu, rotor može biti izveden:

• tako da se regulaciju napadnog kuta tijekom rada vrši zakretanjem lopatice, na način da se profil namješta u optimalni položaj (eng. pitch). Ovakva regulacija je složena i rotori ovakve izvedbe su skuplji, ali nužno primjenjeni za lopatice duže od 25-30 m. Također postoji poseban motor za zakretanje, koji mijenjajući postavni kut lopatice mijenja napadni kut struje zraka. Na taj način se postiže smanjenje snage turbine za brzine vjetra manje od projektne, odnosno brzine vjetra iznad projektne (namještajući na optimalnu vrijednost na početku rada vjetroturbine).

• tako da se regulacija snage vjetroturbine vrši korištenjem aerodinamičkog efekta poremećenog trokuta brzina (eng. stall). Dakle s promjenom brzine vjetra mijenja se na aeroprofilu napadni kut struje zraka, odnosno dolazi do poremećaja trokuta brzina te do porasta ili gubitaka uzgona (tako npr. ako brzina vjetra poraste iznad projektne vrijednosti, kut više nije optimalan). Za ovaj slučaj izvedbe rotora lopatice nemaju mogućnost zakretanja. Međutim, kako je vjetroturbina projektirana za neko područje brzina, u ovom slučaju izvedbe lopatice imaju unaprijed namješten kut za dotično područje brzina (što omogućuje najveću transformaciju energije vjetra u električnu energiju).

Lopatice

Također, s obzirom na izvedbu možemo razlikovati lopatice sa zakretnim vrhovima (kao aerodinamičkim kočnicama) ili s krilcima. Ove druge funkcioniraju na način da se krilca odvajaju od površine, smanjujući aerodinamičke značajke profila kod brzine iznad projektne. Obje izvedbe su ujedno sekundarni kočioni sustavi, koji u slučaju otkaza primarnog kočionog sustava (mehanička kočnica) stvaraju moment kočenja (zakretanjem vrha lopatice ili pomičnom ravnom površinom (eng. spoiler) ) te na taj način ograničavaju brzinu vrtnje rasterećenog kola. Dakle, zakretni vrh i pomična površina sekundarnog kočionog sustava nazivaju se kočnici, koje je moguće aktivirati središnjim zakretnim sustavom (signali ispada ili vrtnje) ili pojedinačnim neovisnim sustavom (centrifugalnom silom). Rotor za ove kočnice treba biti opskrbljen posebnim polužnim napravama namijenjenim za zakretanje. Kada je postignuto smanjenje brzine vrtnje, kočnici se vraćaju u početni položaj i čine radni dio lopatice.

(2) Kočioni sustav

Kada generator ispadne iz mreže (pobjeg), odnosno brzina naleta vjetra prijeđe maksimalnu vrijednost (isključnu vrijednost, npr. 25 m/s) dolazi do izrazitog dinamičkog opterećenja. Zato mora postojati kočioni sustav kako bi rasteretio prijenosnik snage, odnosno zaustavio rotor. Osim toga, bitno je reći da je također zadatak ovog sustava održati projektnu brzinu vrtnje konstantnom, odnosno osigurati sustav čije je djelovanje dinamički uravnoteženo. Disk kočnica - je najčešća izvedba kočionog sustava (kojom se na suvremenim strojevima upravlja mikroprocesorski), a smještena je na sporookretnom vratilu kola prije prijenosnika (11) ili na brzookretnom vratilu generatora. Prilikom odabira broja kočionih elemenata na disku kočnice, naglasak treba staviti na izbjegavanje neuravnoteženosti obodnih sila kočenja, odnosno na postizanje opterećenosti turbine isključivo momentom kočenja. Djelovanje im može biti elektromagnetsko ili hidrauličko, a aktiviraju se signalom generatora (zbog ispada iz mreže, dakle prekid strujnog kruga) ili signalom uređaja kojim se mjeri brzina vrtnje generatora.

(3) Upravljački i nadzorni sustav

Kao što samo ime kaže, ovaj sustav je u osnovi zadužen za upravljanje i nadziranje rada vjetroturbinsko-generatorskog sustava. Ako ovakav sustav nije u cijelosti smješten na vjetroturbinskoj jedinici (kao što može biti slučaj), već je jednim dijelom na nekom udaljenijem mjestu onda sustav zahtjeva i posebnu telekomunikacijsku opremu. Dakle, mikroprocesorski upravljani sustav nadzire i upravlja radnim procesima i zaštitom, daje podatke o radu, električkim i mehaničkim stanjima, obrađuje podatke, komunicira sa zaduženim osobljem te izvještava ili alarmira u slučaju nekakvog kvara, požara ili slično.

(4) Generator

Turbinski dio vjetrenjače s rotorom, kočnicama i prijenosnikom snage predstavlja važan dio cjelokupnog sustava, čija je osnovna funkcija pogon generatora.

Za pravilno i sigurno funkcioniranje vjetroturbinsko - generatorskog sustava, generator mora ispunjavati 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
• uležištenje generatora na način da jamče dugotrajnost

Uzimajući u obzir uvjete povećane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost na krute čestice, povišenu temperaturu i slične uvjete, pred generatore se također postavlja zahtjev pouzdanosti sa što je moguće manje održavanja. Razni su kriteriji prema kojima se može izvršiti podjela generatora. Tako npr. prema načinu rada generatori se mogu podijeliti na one:

• za paralelni rad s postojećom distributivnom mrežom
• samostalni rad
• spregnuti rad s drugim izvorima

Prema vrsti struje mogu biti: istosmjerni ili izmjenični. Istosmjerni se zbog problema s pouzdanosti rijetko primjenjuju.

Prema načinu okretanja postoje generatori: s promjenjivom ili s nepromjenjivom brzinom okretanja uz zadržavanje iste frekvencije. Također postoji podjela prema veličini tj. snazi.

(5) Zakretnik

Služi za zakretanje turbinskog ili generatorskog sustava. Nalazi se ispod kućišta vjetroturbine, na vrhu stupa. Preko pužnog prijenosa (omjera reda veličine 1:1000) s velikim zupčastim prstenom, učvršćenim na stupu, izravnava se os vratila rotora s pravcem vjetra. To je naravno, u ovisnosti o vrsti vjetroturbine, odnosno dali je ista postavljena niz vjetar ili uz vjetar. Zakretanje zapravo vrši motor. On na sebi ima ugrađenu kočnicu koja onemogućuje zakretanje kućišta zbog naleta vjetra. Zakretanje kućišta regulira sustav koji je izvan funkcije kad su poremećaji smjera vjetra manji (u prosjeku - jednom u deset minuta dogodi se zakretanje kućišta).

(6) Kućište stroja

- s jedne strane štiti generatorski sustav od okolišnih utjecaja, a s druge štiti okoliš od buke dotičnog sustava.

(7) Stup

Može biti izveden kao cjevasti konični, teleskopski, rešetkasti, učvršćeni i povezani. Danas se najčešće koristi cjevasta konstrukcija, a prednost joj se nalazi u tome što ju osim visoke čvrstoće karakterizira i veća otpornost na vibracije. Prednost rešetkaste konstrukcije nalazi se u jednostavnosti, a budući da ju je moguće rastaviti na manje dijelove prikladnija je za transport i montažu.

a) teleskopski b) cjevasti konični c) učvršćeni d) povezani e) rešetkasti

(11) Prijenosnik snage

U većini slučajeva je multiplikator i može biti različitih izvedbi. Hlađenje prijenosnika se najčešće vrši zrakom, a podmazivanje sintetičkim uljem. Prilikom analiziranja načina na koji se vrtnja prenosi s vjetroturbinskog kola na električni generator, naročitu važnost zauzimaju materijali izrade elemenata sklopa, vrsta prijenosa i prijenosni omjer.

Ukratko:

• vjetroturbina i generator su spojeni pomoću mehaničke spojke za koju se najčešće podrazumijeva da u sebi ima mjenjačku kutiju s prijenosnikom. Prijenosnik, kao što je već rečeno, ima funkciju prilagođavanja niže brzine vrtnje rotora vjetroturbine višoj brzini vrtnje rotora generatora.
• ukoliko su generatori višepolni niskobrzinski i po mogućnosti sinkroni s uzbudnim namotom ili uzbudnim permanentnim magnetima, mehanički prijenosnik nije potreban (što je slučaj kod vjetroturbina novijeg dizajna).
• iznos snage pretvorbe vjetroturbine regulira se pomoću sustava za upravljanje kutom zakreta elise (eng. pitch regulated), koji također može postojati unutar opreme nekih vjetroturbina ali i ne mora. Korištenjem tog regulacijskog mehanizma elisa se zakreće oko svoje duže osi i omogućuje smanjenje mehaničke snage, ovisno o karakteristikama vjetroturbine. Ako vjetroturbina nema regulacijski sustav zakretanja, naglasak se stavlja na konstrukciju elisa koje se projektiraju prema aerodinamičkom efektu - tako je, u slučaju previsokih brzina vjetra, vjetroturbina zaštićena od povišenja snage.

Mreža

Prema vrsti priključenja na mrežu vjetroelektrane se mogu podijeliti na: (izvor: CIGRE)

1. Vjetroelektrane izravno priključene na mrežu i u izvedbi sa stalnom brzinom vrtnje:

a) Vjetroturbina s asinkronim generatorom

Asinkroni generatori se najčešće koriste kada je vjetroelektrana priključena na krutu mrežu. Krutu mrežu karakterizira velika naponska i frekvencijska krutost. Osnovna prednost im je jednostavnija i jeftinija konstrukcija, iako s druge strane moraju imati kompenzacijski uređaj (uglavnom uklopive kondenzatorske baterije) i priključni uređaj kako bi se omogućilo početnu sinkronizaciju s mrežom (eng. soft. starter).

b) Vjetroturbina sa sinkronim generatorom

Sinkroni generatori se najčešće primjenjuju za pretpostavljene uvjete otočnog pogona. 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.

2. Vjetroelektrane u izvedbi s promjenjivom ili djelomično promjenjivom brzinom vrtnje:

a) Sinkroni ili asinkroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu

c) Asinkroni generator s upravljivim promjenljivim klizanjem

c) Asinkroni generator s nadsinkronom ili podsinkronom pretvaračkom kaskadom

Svaki od navedenih sustava može ali i ne mora imati sustav za regulaciju kuta zakreta elisa. U odnosu na vjetroelektrane u izvedbi sa stalnom brzinom vrtnje, koje karakterizira jednostavnost i jeftinoća, vjetroelektrane u izvedbi s promjenjivom brzinom vrtnje pružaju mogućnost: veće proizvodnje električne energije, manjih mehaničkih naprezanja mehaničkih dijelova i ravnomjernije proizvodnje, manje ovisne o promjenama vjetra i njihajima u sustavu. Vjetroelektrane s vjetroturbinama čiji je raspon nazivnih snaga između 50 kW i 1500 kW, najčešće su izvedene s asinkronim generatorom izravno priključenim na mrežu, dok je priključak sinkronog generatora na mrežu korišten kod nekih malih vjetroelektrana, koje su uglavnom u samostojećim sustavima. Regulacijski sustav zakretanja elisa obično se ne izvodi kod najvećih jedinica. Pogon s promjenjivom brzinom vrtnje vjetroturbine karakterizira postizanje optimizacije učinkovitosti vjetroturbine, odnosno maksimalnog iskorištenja raspoložive energije vjetra. Odgovarajućom kombinacijom generatora i pretvarača (koji je utemeljen na energetskoj elektronici) moguće je realizirati pogon s promjenjivom brzinom vrtnje. Postoji više takvih kombinacija, a svaka nosi sa sobom svoje prednosti i nedostatke vezano za troškove, pogonske i upravljačke karakteristike, regulaciju faktora snage, složenost, harmoničke članove, dinamička svojstva itd. Kako bi se smanjili troškovi, električne komponente agregata se projektiraju za niske napone (do 1000 V) zbog čega su najčešće potrebni transformatori. U slučaju individualnog priključenja agregata na mrežu i vrijednosti nazivne snage vjetroelektrane manje od 100 kW, priključak je izveden na srednjenaponsku mrežu - od 10 kV do 66 kV. Za vjetroelektrane veće od 50 MW, priključak se izvodi na visokonaponsku mrežu. U nekim zemljama priključenje vjetroelektrana na mrežu ovisi o omjeru snage kratkog spoja u točki priključenja i nazivne snage vjetroelektrane. Međutim, to vrijedi samo za slučajeve kada vjetroelektrana nije smještena u području s niskom prijenosnom moći, jer u suprotnom je teško ostvariti taj zahtjev.

---

Stabilnost EES-a (izvor: CIGRE)

Sposobnost održavanja stanja pogonske ravnoteže pri normalnim uvjetima i sposobnost postizanja prihvatljivog stanja ravnoteže pri pogonskim uvjetima nakon pojave poremećaja, može se definirati kao stabilnost ees-a. Pod pojmom stabilnost podrazumijeva se iznos napona, kut utora, frekvencija, koji mogu biti promijenjeni (poremećeni) uslijed priključenja vjetroelektrana na električnu mrežu. Najčešća vrsta priključka vjetroelektrana je na distribucijsku mrežu. Današnji distribucijski sustavi se izvode na način da omoguće prihvat snage iz prijenosne mreže, koju će zatim razdijeliti potrošačima tako da se tokovi djelatne i jalove snage uvijek kreću u smjeru od više prema nižoj naponskoj razini. Distribucijska mreža može biti aktivne ili pasivne naravi. Kad se kaže pasivne naravi misli se na napajanje potrošača, dok aktivna podrazumijeva tokove snaga i napone koji su određeni na osnovi kako opterećenja, tako i proizvodnje. Dakle, distribuirana proizvodnja uzrokuje promjene tokova djelatne i jalove snage, te stvara značajne tehničke i ekonomske posljedice po ees. Kako je mreža do sad bila pasivne naravi, te je gotovo uvijek zadržavala stabilnost uz stabilnu prijenosnu mrežu, problem stabilnosti nije ulazio u analizu distribucijskih mreža. Isto tako pri procjeni iskoristivosti proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora, stabilnost se u većini zemalja rijetko uzima u obzir i analizira. Međutim, s očekivanim povećanjem prodiranja obnovljivih izvora te njihovim doprinosom sigurnosti mreže, predviđa se da će se takav pristup stabilnosti promijeniti s posebnim naglaskom na analizu stabilnosti kuta i napona. Stabilnost frekvencije pojavljuje se kao problem u izoliranim sustavima, kao što su oni na udaljenim otocima. Ako postoji povećana integriranost vjetroelektrana i ees-a, u slučaju brzih promjena vjetra i vrlo visokih brzina vjetra, može doći do iznenadnih gubitaka proizvodnje, odnosno do odstupanja frekvencije i dinamički nestabilnih stanja. Generički model proizvodne jedinice je polazna točka analize stabilnosti. Kod modeliranja vjetroelektrane, ne smije se zanemariti razmatranje elektroničkog sučelja (suvremene izvedbe) prema izmjeničnoj mreži, generatora, vjetroturbine (pogonskog stroja), te naravno vjetra kao primarnog energenta.

Zaključno, za vjetroelektrane se može reći da ih karakterizira različito električko ponašanje na naponski različitim lokacijama mreže. Dakle, priključenje vjetroelektrane u ees može biti ograničeno električkim uvjetima u mreži, usprkos visokoj tehnološkoj kvaliteti izvedbe.

Prema studijama Doc.dr.sc. Ranka Goića (jedan od većih eksperata za vjetroenergetiku u Hrvatskoj) rad vjetroelektrane na EES utječe: na lokalnoj razini (mreža), na sistemskoj razini (mreža) i na sistemskoj razini (planiranje i vođenje ees-a). Lokalni utjecaj odnosi se na zaštitu mreže, povećanje statičkih varijacija napona (što je specifično za slabije distribucijske mreže), strujno opterećenje okolne mreže te dinamičke promjene napona, flikere, harmonike. Utjecaj na mrežu na sistemskoj razini podrazumijeva dinamičku i naponsku stabilnost te održavanje frekvencije, a sistemski utjecaj i smislu planiranja i vođenja ees-a odnosi se na: regulaciju radne snage (frekvencije), nemogućnost garancije snage, na ograničenje mogućnosti planiranja proizvodnje na razini nekoliko dana, na nemogućnost dugoročnog planiranja proizvodnje, na odstupanje od ugovorenog plana razmjene sa susjednim ees-om, te na pokrivanje odstupanja planirane i realizirane potrošnje, odnosno proizvodnje npr. na satnoj razini - balansna energija.

---

Vjetroelektrane u novije vrijeme

Više od 85% u proizvodnji vjetroelektrana čine Njemačka, Danska i Španjolska, čime zauzimaju na tom području zasluženo dominantno mjesto. Prema istraživanjima GWEC-a u razdoblju od 1993. do 2003. prosječna stopa rasta instalirane snage je bila 31% u svijetu, a 32% u EU dok je krajem 2004. godine instalirana snaga vjetroelektrana u svijetu iznosila oko 47 GW, a u EU (koja pokriva oko 2% ukupnih potreba za električnom energijom) 34 GW. (Samo radi usporedbe, u Hrvatskoj je instalirana snaga vjetroelektrana iznosila ukupno 3,5 GW ).

---

Predviđanja:

• prema GWEC-u do 2020. godine procjenjuje se 1240 GW ukupne instalirane snage vjetroelektrana. Dok se vrijednost industrije vjetroenergetike suvremeno kreće cca. EUR i broj zaposlenih cca. 100 000, za 2020. godinu se predviđa 3000 TWh godišnje proizvodnje, odnosno 12% ukupne proizvodnje električne energije u svijetu u vrijednosti od EUR, te uz dvostruko manju cijenu opreme, odnosno izgradnje predviđa se (prema GWEC-u) ukupno 2 300 000 zaposlenih.

U slijedećih 10 - 15 godina procjena je da će 30 - 35% investicija u nove elektrane odlaziti u vjetroelektrane.

S ekološkog aspekta i Kyoto protocola te s pozicije prihvatljivosti od strane lokalne zajednice, vjetroenergetika ima velike potencijalne mogućnosti daljnjeg razvoja. Osim toga, u prilog razvoju vjetroenergetike također 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. Nadalje, cijene klasičnih izvora električne energije odnosno nafte, plina i ugljena rastu. Uz svaki od njih veže se određeni nedostatak koji ide u prilog već spomenutom razvoju vjetroelektrana. Tako npr. kod plina se kao problem pojavljuje stabilnost cijena i sigurnost opskrbe vezano za plinovode, dok ugljen karakteriziraju ekološki problemi i protivljenje javnosti. Slično je s nuklearnom energijom koja također nailazi na protivljenje javnosti zbog, između ostalog, nuklearnog otpada te nesigurnosti i straha od opasnosti njegove radijacije. U razvijenim zemljama ekonomski hidropotencijal je uglavnom iskorišten, ostali obnovljivi izvori nisu komercijalizirani jer su još skuplji od vjetroelektrana, a novih izvora energije nema. Sve to ukazuje na najveću potencijalnu mogućnost daljnjeg razvoja i komercijaliziranja vjetroenergetike kao obnovljivog izvora energije.

---

Razvoj i cijena vjetroelektrana

Ulaganje u razvoj vjetronergetike kao alternativnog izvora energije prvenstveno je bilo potaknuto ekološkim osvještavanjem čovječanstva.

Prije 10-ak godina vjetroelektrane su predstavljale neisplativ izvor energije, jer tada sa svojom cijenom i snagom nisu mogle konkurirati dominantnim tehnikama proizvodnje električne energije, kao što su hidroelektrane, termoelektrane na fosilna goriva te nuklearne elektrane. Osim toga, kako su snage koje su vjetrenjače razvijale bile male,a instalacije relativno skupe te je zbog čestih varijacija vjetra (uzrokovanih meteorološkim uvjetima) sam proces proizvodnje nekontinuiran, to je posljedično i efektivnost vjetrenjača bila mala.

Dakle, rastom ekološke svijesti čovječanstva prema okolišu koje je bilo ugroženo različitim vidovima zagađenja (kao što je uslijed izgaranja fosilnih goriva u termoelektranama dobro poznat- efekt staklenika, zatim kod nuklearnih elektrana- ekološki problem skladištenja nuklearnog otpada ili kod izgradnje hidroelektrana- uništenje riječnih staništa) rasla je i zanimacija za razmatranjem alternativnih izvora. Budući da je civilizacijskim rastom rasla i neizbježna činjenica da je potreba za energijom sve veća nastojalo se, dakle primjenom alternativnih izvora barem djelomično rasteretiti atmosferu i geosferu od spomenutih negativnih utjecaja. Tako je u cilju realizacije tog nastojanja 1997. u Kyotu održana Konferencija, gdje je donesena važna odluka u pogledu stakleničkih emisija, odnosno postavljene su smjernice za limitiranje istih kao i prijedlog prelaska na alternativne izvore energije. Razvoj tehnologija u zrakoplovstvu te tehnologije materijala u SAD-u i Europi pridonijeo je krajem 70-ih godina razvoju vjetrenjača i zamjetnijem iskorištavanju energije vjetra. Međutim, ipak se može reći da tek početkom 90-ih vjetrenjače zapravo dolaze do izražaja, a prije toga njihova upotreba se može okarakterizirati kao beznačajna. U drugoj polovici 90-ih neke europske države su (potaknute razvijenom ekološkom sviješću, tehnološkom razvijenošću, te činjenicom da značajnija kontrola nad izvorima fosilnih goriva ne postoji) krenule sa uvođenjem i značajnijim razvijanjem alternativnih izvora energije, među kojima posebno istaknuto mjesto zauzima proizvodnja električne energije pomoću vjetrenjača.

---

Cijena

S ekološkog stajališta energija vjetra predstavlja potpuno zadovoljavajući izvor energije. Vjetroenergetici u prilog ide i visina cijene same energije koja se, zahvaljujući unaprjeđenju tehnologije proizvodnje vjetroenergetskih postrojenja, približava prihvatljivim vrijednostima.

Tako je npr. krajem 80-ih godina cijena električne energije dobivene vjetroelektranama u SAD-u iznosila 38 c/kWh, dok je 2003. godine cijena tako dobivene energije pala na samo 3 c/kWh, a danas je uobičajeno 4 do 6 c/kWh. Dakle, osnovno nastojanje stručnjaka, prilikom osnivanja vjetrenjače, u budućnosti je smanjenje cijene proizvodnje energije na 2 do 3 c/kWh. Time bi vjetar kao energetski izvor postao konkurentan elektranama na fosilna goriva, odnosno iskorištenje energije vjetra bi podrazumijevalo prodor obnovljivih izvora energije na svjetskom tržištu energenata. Budući da Europa nema dovoljnu kontrolu tržišta fosilnih goriva, zadnjih 10 godina može se uočiti njezino stremljenje ka istraživanju i gradnji postrojenja koja koriste alternativne izvore energije, a kao najrazvijenije među njima ističe se iskorištavanje vjetra.

Cijena je jedan od važnih faktora i zapravo predstavlja najveći limit pri projektiranju i odabiru materijala i postupka za izradu vjetrenjače. Da bi dobili ciljanu cijenu proizvodnje energije vjetrom od 2 do 3 c/kWh (što je, kao što je već naglašeno, primarni cilj inženjera u budućnosti) jako je važno koncentriranje na izbjegavanje preskupih komponenti od kojih je vjetrenjača izrađena. Prema nekim statistikama npr. pogon s promjenjivom brzinom vrtnje u odnosu na pogon sa stalnom brzinom postiže na godinu i do 40% veći iznos predane električne energije. Najskuplji dio vjetroelektrane je njezina turbina, međutim veličina i cijena generatora uz uključenu učinkovitost regulacijskog sustava bez sumnje čine značajne investicijske troškove. Da bi opravdali uvođenje pogona s promjenjivom brzinom vrtnje, nužna je pažljiva financijska analiza. Ekonomsku isplativost moguće je postići i uz veće početne investicijske troškove pogona s promjenjivom brzinom vrtnje, pod uvjetom da je cijena isporučene energije dovoljno visokog iznosa.

Graf 1. Cijena električne energije iz vjetroelektrana po godinama

---

Vjetroenergetika u Hrvatskoj

Objektivne mogućnosti izgradnje vjetroelektrana u Hrvatskoj trenutno su manje od raspoloživog vjetropotencijala. Budući sam vjetropotencijal nije dovoljno istražen, a ekonomski iskoristivi vjetropotencijal raste, odnosno raste cijena proizvodnje električne energije iz drugih izvora, nije moguće dati konkretne procjene. Bez većih tehničkih problema u sustav realno može ući cca. 500 MW snage vjetroelektrana. Problemi koji se pojavljuju kao prepreka napretku vjetroenergetike u Hrvatskoj su, prema studijama već spomenutog R.Goića, prvenstveno zakonodavstveno-regulatorni okvir, zatim tvz. papirologija koja uključuje koncesijska prava, imovinsko-pravne odnose, te zakonsku regulativu na svim razinama. Tu se nadalje pojavljuje problem priključka na električnu mrežu, što podrazumijeva troškove, mogućnost prihvata i transporta snage i energije, tehničku regulativu.. Kao značajan problem nameće se također i financiranje odnosno osiguranje kapitala, rizici, kamatne stope te potpora domaće industrije, projektantskih tvrtki te istraživačkih ustanova zbog neiskustva.

Prosječna proizvodna cijena električne energije u Hrvatskoj i dalje je ispod proizvodne cijene električne energije iz vjetroelektrana, što je posljedica velikog udjela HE i amortiziranih TE (što ne ide baš u prilog komercijalizaciji vjetroelektrana u RH). Međutim, cijena proizvodnje najskuplje elektrane ili uvoza je iznad proizvodne cijene električne energije iz vjetroelektrana, dok se za cijenu proizvodnje električne energije iz bilo koje nove klasične elektrane u Hrvatskoj očekuje da će nadmašiti ovu iz vjetroelektrana, jer već sada teško uspijeva biti manja od nje. Ako se k tome još pridodaju dodatni plusevi za vjetroelektrane, vezano za obnovljive izvore i Kyoto protocol, kao i minusi koji za vjetroelektrane proizlaze iz činjenice da izazivaju sistematske troškove (u prvom redu to se odnosi na njihovu nepredvidivu proizvodnju i nemogućnost garantiranja snage), odgovor o isplativosti električne energije iz vjetroelektrana trenutno je teško dati( izvor: R. Goić).

---

Zastupljenost vjetroenergetike u svijetu

1990. godine SAD je držao 3/4 svjetskog tržišta vjetrenjačama, a 14 godina kasnije (dakle 2004. godine) drži samo 20%. Njemačka koja drži 40% svjetskih instaliranih kapaciteta, može se nazvati današnjom "supersilom", ako je riječ o proizvodnji komponenti za proizvodnju električne energije snagom vjetra. Kao naročito značajan, ističe se također razvoj energetskog sektora Danske koji uz pomoć energije vjetra podmiruje 10% svojih energetskih potreba. Danska, međutim, planira povećati udio energije vjetra u cjelokupnoj proizvodnji energije na 20% do 2020-te (analitičari smatraju da ovakva predviđanja mogu biti ugrožena jedino spoznajom da će Danska komponente vjetroelektrana izvoziti drugim, uglavnom europskim državama koje nemaju tehnologiju proizvodnje vjetrenjača, a računajući u svojim planovima za podmirenje energetskih potreba na značajan udio vjetrenjača u svojim elektroenergetskim sustavima). Od 1990. do 2003. može se uočiti porast u proizvodnim kapacitetima u MW-ima gotovo 18 puta. 1996. godine, godišnji porast je bio samo 6% , dok je prema podacima iz 2003. godine bio gotovo 52%. Dakle, trend naglo raste

Graf 2. Rast instaliranih vjetroenergetskih kapaciteta u svijetu

Vjetrenjače danas predstavljaju nekih 0,4% svjetskih proizvodnih energetskih kapaciteta sa približno 33000 MW, međutim planovi za njihovo povećavanje kapaciteta su sve veći. Njemačka, Španjolska, SAD, Danska i Indija predstavljaju 5 najvećih svjetskih konzumenata električnom energijom dobivenom od vjetra. Te zemlje u budućnosti planiraju na tom području, dakle energije vjetra, još intenzivniji razvoj.

Graf 3. Udjeli kapaciteta instaliranih vjetroenergetskih potencijala ( nešto više od 31000 MW na kraju 2002. godine)

---

Povijest vjetrenjača

Prijašnje izvedbe vjetrenjača koristile su drvene lopatice ili lopatice od drvene rešetke presvučene tekstilom ili lakim daščicama, koje su bile postavljene na građevinu s mlinom ili pumpom za vodu. Današnje pak vjetrenjače su karakteristične po sastavnim dijelovima kao što su vertikalna cjevasta platforma, odnosno toranj na kojemu se nalaze dvije do četiri lopatice te generator za proizvodnju električne energije. Vjetrenjače su u primjeni još od 10-og stoljeća, a Europom su se rasprostranile u 18-om stoljeću. Četrdesetih godina 20-og stoljeća Njemačka, SAD i Danska postaju značajne po proizvodnji električne energije iz vjetroelektrana, te od tada zapravo započinje masovna proizvodnja kako komponenti tako i vjetroenergetskih sustava. U 19-om stoljeću, točnije 1887. godine Charles Brush je u SAD-u napravio "gigantsku vjetrenjaču" promjera 17m s 144 lopatice od cedrovog drveta. Takva vjetrenjača punila je baterije snagom od 12 kW idućih 20 godina. Suvremene vjetrenjače su, za razliku od onih početnih, karakteristične npr. po rotoru promjera 123m te mogućnošću generiranja 5 - 6 MW energije. Za postizanje optimalnih vrijednosti, današnji proračuni ukazuju na korištenje 3 visoko učinkovite aerodinamičke lopatice i to po mogućnosti na što većoj visini, kako bi se lopatice što bolje distancirale od turbulentnog okružja. Budući otprilike 500m visine predstavlja granicu laminarnog sloja zemlje, posljedično se lopatice nastoji postaviti na što je moguće višu poziciju.

---

Geotermalne elektrane

Elektrane na biomasu i otpad

PV

Solarne termalne elektrane

Elektrane na valove, plimu i oseku

PROIZVODNJA TOPLINE

KOGENERACIJA

KGH

TRIGENERACIJA

GORIVE ĆELIJE I VODIK

Gorive ćelije

Gorive ćelije su elektrokemijski uređaji za neposrednu pretvorbu kemijske energije, sadržane u nekom kemijskom elementu ili spoju, u istosmjernu električnu struju.

Povijesni razvoj

---

Britanski fizičar William R. Grove je 1839. otkrio da se elektrokemijskim spajanjem vodika i kisika dobiva električna struja. Svoje eksperimente je opisao 1842. i gorivu ćeliju naziva voltina plinska baterija. Godine 1889. L. Mond i C. Langer unaprijedili su gorivu ćeliju dodajući između elektroda poroznu vodljivu membranu. Krajem XIX. stoljeća uvode naziv goriva ćelija(Fuel cell). Na istraživanju gorivih ćelija radili su mnogi elektrokemičari. Tek 1932. F.T. Bacon smišlja tehnički upotrebljiva rješenja. Sredinom 50-tih godina proizvode se prve gorive ćelije za pogon malih električnih uređaja, a sredinom 60-tih godina započela je upotreba gorivih ćelija u svemirskim letjelicama.

Princip rada gorive ćelije

---

Na anodi gorive ćelije vrši se proces deelektronacije goriva (elektrooksidacija). Tako oslobođeni elektroni putuju vanjskim električnim krugom, preko trošila, do katode. Kationi nastali na anodi putuju kroz elektrolit do katode. Na katodi gorive ćelije reducira se drugi element ili spoj koji sudjeluje u kemijskoj reakciji. Najčešće je to kisik. Tako nastali ioni spajaju se u konačni produkt reakcije koji se odvodi iz gorive ćelije. Često su reaktanti vodik i kisik i u tom slučaju su reakcije slijedeće:

• Anodna reakcija: H₂ 2H⁺ + 2e
• Katodna reakcija: O₂ + 4H⁺ + 4e 2H₂O

Slika 1. Osnovna shema

Radi ubrzavanja reakcija elektrode su prekrivene slojem katalizatora. Vrsta katalizatora ovisi o tipu gorive ćelije.

Elektrolit može biti čvrsti i tekući. Bilo koja tekućina sa sposobnošću provođenja iona može biti tekući elektrolit. Radna temperatura gorive ćelije, zbog isparavanja elektrolita, predstavlja ograničenje pri upotrebi kiselih vodenih otopina pa se zbog toga kao kiseli elekrolit upotrebljava koncentrirana fosforna kiselina. Postoje i gorive ćelije s alkalnim elektrolitom. Kao čvrsti elektroliti upotrebljavaju se polimerne membrane s mogućnošću ionske izmjene, dok se kod nekih visoko temperaturnih gorivih ćelija upotrebljavaju i dopirani keramički elektroliti.

Podjela gorivih ćelija

Prema načinu rada

Prema načinu rada gorive ćelije možemo podijeliti na:

• primarne
• sekundarne

Primarne gorive ćelije

---

Kod primarnih se gorivih ćelija gorivo i oksidans dovode iz vanjskih spremnika, a nastali se produkt reakcije odvodi. Primjer takvih gorivih ćelija su alkalne gorive ćelije u svemirskim letjelicama kod kojih se nastala voda koristi za piće.

Slika 2. Skica primarne ćelije

Moguća je i izvedba kod koje se vodik potreban za rad gorive ćelije izdvaja iz nekog vodikom bogatog spoja. Takav pristup rješava problem skladištenja vodika potrebnog za rad, a nedostatak je emisija CO₂ . Jedno od mogućih goriva je metanol iz kojeg se vodik izdvaja pomoću vodene pare na 280 °C i uz prisutnost katalizatora.

Slika 3. Primarna ćelija

Sekundarne gorive ćelije

---

Kod sekundarnih, regenerativnih gorivih ćelija produkti reakcije se regeneriraju u polazne elemente uz dovođenje energije.

Slika 4. Sekundarna ćelija

Prema vrsti elektrolita

• Gorive ćelije s alkalnim elektrolitom
• Gorive ćelije sa fosfornom kiselinom (PAFC)
• Gorive ćelije s polimernom membranom kao elektrolitom (PEMFC)
• Gorive ćelije s rastaljenim karbonatima kao elektrolitom (MCFC)
• Gorive ćelije s čvrstim oksidima kao elektrolitom (SOFC)

Gorive ćelije s alkalnim elektrolitom

---

Najčešće upotrebljavani elektrolit je KOH (kalij-hidroksid). Ova vrsta gorivih ćelija koristi se u svemirskim letjelicama kao izvor električne energije, a voda nastala reakcijom kisika i vodika se koristi za piće. Glavna prepreka komercijalnoj upotrebi ovih gorivih ćelija je relativno velika potrebna količina platine, kao katalizatora, što uzrokuje visoke troškove. Moguće je postići iskoristivost do 80 % ako se otpadna toplina koristi za zagrijavanje vode.

Slika 5. Principjelna shema gorive ćelije s alkalnim elektrolitom

Nedostaci alkalnih gorivih ćelija:

• visoka cijena zbog velikih količina platine
• potrebna je visoka čistoća vodika i kisika zbog osjetljivosti ovog tipa gorivih ćelija na prisustvo ugljikovih spojeva

Prednost alkalnih gorivih ćelija:

• visoka iskoristivost

Primjena i perspektive:

Upotrebljavaju se u svemirskim letjelicama, a moguća je primjena u vozilima, podmornicama i stacionarnim objektima. Jedan od proizvođača ovog tipa gorivih ćelija je Zetek Power plc .

Gorive ćelije sa fosfornom kiselinom (PAFC)

---

Kao elektrolit se upotrebljava koncentrirana fosforna kiselina. Radna temperatura ovog tipa gorivih ćelija je oko 200 °C. Ova goriva ćelija dozvoljava prisutnost 1-2% CO i par ppm fosfora u vodiku. Nema dovoljno topline za proizvodnju pare, ali se iskoristivost može povećati iskorištenjem otpadne topline za zagrijavanje vode. Iskoristivost doseže 40-50%. Cijena ovih gorivih ćelija je $2500-$4000/kW.

Slika 5. Principijelna shema gorive ćelije s kiselim elektrolitom

Prednosti gorivih ćelija sa fosfornom kiselinom:

• relativno dobro podnošenje prisutnosti CO i sumpora što omogućava upotrebu vodika dobivenog na mjestu eksploatacije iz metanola, benzina ili drugih ugljikovodika
• dobro poznavanje problema pogona

Nedostatak gorivih ćelija sa fosfornom kiselinom:

• upotreba platine kao katalizatora

Primjena i perspektive:

Postoje jedinice snaga od nekoliko kilovata do par stotina kilovata. Jedan od proizvođača gorivih ćelija za komercijalnu upotrebu je ONSI Corporation , čije se jedinice upotrebljavaju za opskrbu električnom energijom poslovnih zgrada, bolnica, udaljenih objekata i sl. Mjesta moguće primjene gorivih ćelija kao komercijalno prihvatljivih izvora električne energije su udaljeni objekti i poslovne zgrade. SUREPOWER™ Corporation navodi da američka poduzeća troše oko 4 milijarde dolara godišnje radi osiguranja sigurnog napajanja računala i da su 1991. godine, prema istraživanju časopisa Busness Week, gubici zbog prekida napajanja računala iznosili oko 18 milijardi dolara. Postrojenje dosad najveće snage,11 MW, je ispitivano u Japanu.

ONSI Corporation navodi da su isporučili više od 200 komada sistema PC25 snage 200 kW i da je zbir radnih sati prešao 3 400 000.

Gorive ćelije s polimernom membranom kao elektrolitom (PEMFC)

---

Kao elektrolit se upotrebljavaju membrane od polimera koje imaju mogućnost propuštanja kationa, a elektrone ne propuštaju. Napon jednog sklopa anoda-membrana-katoda je oko 0,7 V s gustoćom struje od 0,5-1 A/cm2. Za dobivanje većih snaga spaja se više sklopova anoda-membrana-katoda u serijsku vezu. Gorivo je vodik, a kao oksidans se može koristiti čisti kisik ili kisik iz zraka. Ova vrsta gorivih ćelija nije osjetljiva na prisutnost CO2 u struji vodika, što omogućuje upotrebu vodika dobivenog na mjestu upotrebe iz metanola ili benzina, uz uklanjanje CO. Iskoristivost je do 60%. Katalizator na elektrodama je platina. Količine potrebne platine su znatno smanjene i danas se kreću oko 0,5 mg/cm2. Ispitivane su i ćelije sa 0,3 mg/cm2 kod kojih je trošak za katalizator oko $2/kW.

Reakcije:

• Anodna reakcija: H₂ 2H⁺ + 2e
• Katodna reakcija: O₂ + 4H⁺ + 4e 2H₂O

Slika 6. Principijelna shema gorive ćelije s polimernom membranom

POLIGENERACIJA

RAFINIRANJE NAFTE