ENERGETSKE TRANSFORMACIJE

Uvod

U fizici kao i tehnici (inženjerstvu), pod pojmom energetske transformacije ili pretvorbe, smatramo svaki proces pretvorbe energije iz jednog oblika u drugi. Promjena energije u sustavima može biti ostvarena samo dodavanjem ili oduzimanjem energije iz sustava, jer je energija količina koja je sačuvana. Energija u sustavu može biti transformirana tako što se nalazi u drugom obliku, pa se ta energija u raznim oblicima koristi za vršenje raznolikih fizičkih radova.

Energija fosilnih goriva, sunčevog zračenja ili nuklearnog goriva može biti pretvorena u drugi oblik energije poput električne, mehaničke ili toplinske koje su nam potrebnije pa se stoga koriste strojevi za pretvorbu energije. Stupanj korisnosti stroja okarakteriziran je vrijednošću izlazne jedinice koja je dobivena u samom procesu pretvorbe. Energetske transformacije su bitne pri primjeni energetskih koncepata u raznim prirodoslovnim znanostima kao što su biologija, kemija, geologija, kozmologija.

Energija se može pretvoriti u oblik koji je potreban u drugom prirodnom procesu ili stroju te da omogući pogodnosti u društvu poput grijanja, rasvjete ili kretanja. Na primjer, motor s unutarnjim izgaranjem pretvara potencijalnu kemijsku energiju goriva i zraka u mehaničku energiju koja omogućava gibanje vozila ili kao što solarne ćelije pretvaraju sunčevu energiju u električnu kojom se pali svjetlo ili napaja računalo.

Opći naziv za uređaj koji pretvara energiju iz jednog oblika u drugi je pretvarač.

Na primjer, kod elektrane na ugljen se događaju sljedeće transformacije energije:

1. Kemijska energija u ugljenu pretvara se u toplinsku energiju
2. Toplinska energija se pretvara u kinetičku energiju u obliku pare
3. Kinetička energija se pretvara u mehaničku u turbini
4. Mehanička energija turbine se pretvara u električnu energiju

Proizvodnja električne energije

Termoelektrane

Uvod

Termoelektrane su energetska postrojenja čija je osnovna namjena proizvodnja i transformacija primarnih oblika energije u koristan rad, koji se kasnije u obliku mehaničke energije dalje iskorištava za proizvodnju električne energije (Slika 1). Imamo pretvaranje kemijske energije u toplinsku koja se različitim procesima predaje nekom radnom mediju. Radni medij služi kao prijenosnik te energije do mjesta gdje će ona biti dalje transformirana i iskorištena. Termoelektrana se sastoji od mnogo različitih dijelova koji tvore jednu kompleksnu cjelinu. Najvažnije dijelove koji tvore zatvorenu cjeline unutar jedne termoelektrane su: generator pare, turbina, generator električne energije i kondenzator, no o tim cjelinama će biti govora u daljnjem tekstu. Glavna primjena i svrha termoenergetskih postrojenja je proizvodnja pare koja će pokretati turbinu, a zatim i generator električne energije.

Slika 2.1.1/1. Termoelektrana - Richemont, Francuska

[1]

U samom procesu dobivena toplinska energija može se iskorištavati, ne samo za paru koja će ići u turbinu, već i kao energija koja će poslužiti kod grijanja. Za potrebe grijanje koristi se para manjih toplinskih i temperaturnih parametara. Najveći problem kod ovih postrojenja su gubici i velike emisije stakleničkih plinova, a naš cilj je da te gubitke i emisije pokušamo smanjiti i samim time povećati iskoristivost samog procesa i cijelog postrojenja uopće.

Povijest

Primitivne verzije parnog stroja javljaju se već u antici dok se konkretnija primjena javlja u 17. stoljeću. Industrijska revolucija započinje izumom parnog stroja (James Watt)(1765.) koji je radio s pretlakom (Slika 2). Glavni parametri termoenergetskih postrojenja su se mijenjali kroz povijest, a najveće promijene su doživjeli tlak i temperatura pare. Od nekih 15 bara i 300 0C došli smo do današnjih 100-tinjak bara i oko 600 0C. Količina pare se povećava, a samim time i snaga postrojenja te tako smanjujemo potrošnju goriva i podižemo iskoristivost postrojenja. Daljnje povećanje iskoristivosti postrojenja je postignuto primjenom pregrijača i međupregrijača, a nova revolucija nastaje razvojem takozvanih blok postrojenja (kotao i turbina su jedan zatvoreni upravljački krug).

Slika 2.1.2/1. Prikaz rane faze parnog stroja

[2]

Možemo pratiti povijesni razvoj turbina, generatora pare te plinskih turbina. Ideje su postojale i postupno se razvijale kroz povijest, ali za termoelektrane kakve mi danas poznajemo najvažnija je stvar patentiranje i razvoj parne turbine (1791.) Plinska turbina dolazi mnogo kasnije, početkom 20. stoljeća. Danas imamo situaciju da se oko 80% električne energije u industrijski razvijenim zemljama dobiva iz termoenergetskih izvora (tu naravno ubrajamo i plinska, ali i nuklearna postrojenja). U modernom društvu potreba za električnom energijom raste, a samim time raste i potrošnja električne energije po stanovniku, što je ujedno i pokazatelj gospodarskog razvitka pojedine zemlje. Osim što proizvode električnu energiju termoenergetska postrojenja služe i za proizvodnju topline koja je također itekako bitna u krajevima gdje je potrebno grijanje. Važnost ovakvih postrojenja raste iz dana u dan bez obzira na nove izvore i načine proizvodnje električne energije. Naravno u svemu tome raste i opterećenje na okoliš što je pitanje kojim se također moramo aktivno pozabaviti kad govorimo o termoelektranama. O zaštiti okoliša nešto kasnije. Na projektiranju, izgradnji, radu i održavanju jedne termoelektrane sudjeluje velika grupa ljudi, inženjera različitih struka. Svi ti ljudi objedinjuju široki spektara znanja potrebnih da se obave svi zadaci i osigura nesmetan rad jedne elektrane.

Parno i plinsko-turbinsko postrojenje

Već je rečeno da u klasičnim termoelektranama izgaranjem goriva proizvodimo toplinu koja kasnije služi za proizvodnju pare. Proizvedena para odvodi se u turbinu gdje na razne načine ekspandira stvarajući moment koji pak služi za proizvodnu električne energije u generatoru. Dakle parne turbine su najčešće i najvažnije te ćemo najviše govoriti o njima.Druga velika skupina su plinske turbine koje se prilično razlikuju od parnih turbina što u konstrukciji što u načinu rada.

Plinsko-turbinsko postrojenje

Plinsko-turbinska postrojenja rade na principu Brayton-ovog ciklusa (Slika 4). Dakako da je Braytonov proces idealizirani kružni proces koji ne odgovara u potpunosti sa stvarnim promjenama stanja u plinskim turbinama. Zbog trenja i turbulencije tijekom kompresije, izgaranja, te ekspanzije, promjene stanja u p,v dijagramu neće pratiti ravnotežne izentrope i izobare. Najprije se usisava zrak tlaka p₁, temperature T₁ centrifugalnim/aksijalnim kompresorom, te ga se komprimira na tlak p₂, te na temperaturu T₂. Tlak p₂ je ujedno i najveći tlak kružnog procesa plinske turbine. U idealiziranom sustavu bi ova promjena bila izentrospka. Međutim, zbog već spomenutog trenja i turbulencije će se dio energije fluida pretvoriti u toplinu, te će u stvarnosti temperatura nakon kompresije biti T₂' (T₂' > T₂). Komprimirani fluid tlaka p₂, T₂' se onda dovodi u komoru izgaranja. Tu se zrak visoke temperature miješa sa plinovitim gorivom gdje onda izgara. U idealnim uvjetima bi se izgaranje smatralo izobarnim procesom. Kako nemamo promjenu tlaka, uslijed porasta temperature kao posljedica izgaranja raste i specifični volumen dimnih plinova. Dakako da u praksi postoji mali pad tlaka tijekom izgaranja zbog trenja. Zbog toga termodinamičko stanje dimnih plinova nakon izgaranja nije p₃, T₃ već p₃', T₃' (p₃' < p₃, T₃' < T₃). Nakon izgaranja dimni plinovi ekspandiraju kroz turbinske lopatice te daju okretni moment vratilu turbine. Time se toplinska energija pretvara u mehaničku. Mehanička energija se koristi za pokretanje generatora za proizvodnju električne energije (slika 4a). Međutim, i dio mehaničke energije dobivene od turbine se koristi za pogon kompresora. Ekspanzija dimnih plinova iz stanja p₃', T₃' do p₄, T₄ bi u idealnim uvjetima bila izentropska. Ali zbog postojećeg trenja je temperatura na izlazu T₄' (T₄' > T₄). Kod kompresije i ekspanzije fluida u kompresoru i turbini, promjena stanja se ne odvija izentrospki već politropski. [3] Kod pokretanja plinsko-turbinskog postrojenja potrebno je najprije omogućiti rad kompresora. Za to se koristiti se Diesel motor ili elektromotor, dok tijekom rada plinske turbine kompresor dobiva mehaničku snagu od turbine. [4]

Slika 2.1.4/1. Idealni Braytonov kružni proces

[5]

Slika 2.1.4/2. Plinsko-turbinsko postrojenje

[6]

Kompresor

Klasični kompresori javljaju se kod plinsko-turbinskih postrojenja, mlaznih motora 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, ali za manje kompresijske omjere. Kod većih postrojenja koriste se aksijalni kompresori (Slika 6) obzirom da su efikasniji (za veće kompresijske omjere).

Aksijalni kompresor

• Način Rada

Aksijalni kompresor se sastoji od tri glavna dijela:

     1.	Rotirajući disk
     2.	Nepokretne statorske lopatice
     3.	Kućište

Lopatice određenog aerodinamičkog oblika su ugrađene na rotirajuće diskove aksijalnih kompresora (slika 5). Profil ugrađenih lopatica je sličan aeroprofilu krila (slika 5a). Pomoću suženog kućišta te rotirajućih diskova, radni medij se prolaskom kroz kompresor kontinuirano sabija. Statorske lopatice aksijalnog kompresora služe za usmjeravanja fluida sa jednog rotirajućeg diska prema drugom. Stoga je između svakog para rotirajućih diskova ugrađen nepokretni statorski disk (Slika 5). Kako se fluid kontinuirano tlači od ulaza do izlaza iz aksijalnog kompresora tako se njegov tlak i brzina povećava. [7]

Slika 2.1.4/3. Aksijalni kompresor

[8]

Slika 2.1.4/4. Aeroprofil krila

[9]

Centrifugalni kompresori

• Način Rada

Centrifugalni kompresor se sastoji od četiri glavna dijela:

     1.	Rotor
     2.	Difuzor
     3.	Kućište
     4.	Regulacija pomoću podesivih lopatica

Centrifugalni kompresor može biti pogonjen elektromotorom, parnom turbinom, motorom sa unutarnjim izgaranjem, ili plinskom turbinom. Rotor kompresora rotira sa zakrivljenim lopaticama na velikim brzinama vrtnje. Kako on rotira, tako i usisava fluid kroz sredinu kompresora te ga pomoću centrifugalne sile tjera prema vanjskim rubovima rotora. Tamo radni medij ulazi u difuzor. Rotor centrifugalnog kompresora predaje svoju rotacionalnu energiju fluidu te mu time znatno povećava izlaznu brzine, ali ne i statički tlak. Statički tlak se povećava prolaskom fluida kroz difuzor. U difuzoru se brzina fluida smanjuje, te se ta kinetička energija pretvara u energiju tlaka. Ova činjenica se može dokazati pomoću Bernoullijeve jednadžbe (slika 6). Zbog toga je i statički tlak i brzina fluida na izlazu iz difuzora veća nego na ulazu u centrifugalni kompresor na samom početku procesa. Na izlazu iz difuzora je fluid pomoću kućišta usmjeren prema izlazu iz centrifugalnog kompresora. Protok komprimiranog fluida se regulira pomoću podesivih lopatica. Veći kompresori su građeni kao više stupnjevani što znači da imaju dva ili više rotora. [10]

Slika 2.1.4/5. Bernoullijeva jednadžba

[11]

• Primjena

Primjena centrifugalnih kompresora je velika. Centrifugalni kompresori se primjenjuju u automobilskoj industriji, u Dieselovim motorima za turbopuhala, za transport prirodnog plina, u naftnim rafinerijama, petrokemijskim i kemijskim postrojenjima, u klimatizaciji i hlađenju. [12]

Komora izgaranja

Komora izgaranja je dio plinsko-turbinskog postrojenja u kojem se kemijska energija goriva oslobađa u obliku topline. Izgaranjem gorivo i fluida (najčešće zrak) stvaraju se dimni plinovi i do 1950°C. Sa velikom brzinom i temperaturom kao takvi ulaze u turbinu gdje ekspandiraju. Prije nego što zrak uđe u komoru izgaranja njegova mu se brzina smanjuje sa 150 m/s (pri izlasku iz kompresora) na 25 m/s putem difuzora koji je smješten na ulazu komore. Smanjenjem brzine fluida omogućujemo stabilno izgaranje. Sastav gorive smjese je također jedan od faktora koji utječe na stabilnost izgaranja. Omjer zraka i goriva u plinsko-turbinskim postrojenjima je 50/1. Kako je taj omjer tri puta veći od stehiometrijskog, dovođenjem takve smjese u komoru za izgaranje bi se onemogućilo stabilno izgaranje. Stoga se ovaj problem rješava tako da se u tzv. primarnoj zoni izgaranja dovede samo 20% više zraka od stehiometrijskog iznosa. [13]

Inženjeri koji projektiraju turbinu moraju osigurati da se izgaranje odvija upravo u komori za izgaranje, a ne blizu same turbine, tako da se turbinske lopatice ne bi oštetile. Treba osigurati uniformni izlazni temperaturni profil tako da sama turbina ne bi bila podvrgnuta toplinskom naprezanju. U unutrašnjosti komore treba spriječiti postojanje ekstremno vrućih mjesta tako da se komora ne ošteti. Poželjno je da komora za izgaranje u plinskoj turbini ima široko područje rada. Široko područje rada omogućuje da se izgaranje uspješno odvija neovisno o mijenjanju ulaznog tlaka, temperature, ili masenog protoka. [14]

Slika 2.1.4/6. Komora izgaranja (combustor)

[15]

Plinska turbina

Proizvodi izgaranja prisilno ulaze u turbinu, s velikom brzinom i protokom, gdje se preko mlaznica usmjeruje na lopatice, koje se okreću, a ispušni plinovi izlaze sa smanjenom temperaturom i tlakom. [16]

Slika 2.1.4/7. Prikaz plinske turbine

[17]

Kao i kod svih toplinskih strojeva, veća temperatura izgaranja će omogućiti veći stupanj termičkog iskorištenja. Ipak, temperature su ograničene sa mogućnostima čelika, nikla, keramike i ostalih materijala da se odupru temperaturama i naprezanjima. Zbog toga, lopatice turbine imaju često veoma složen postupak hlađenja. [18]. Unutarnja iskoristivost turbina se kreće između 0,89 i 0,94. [19]

Regulacija plinskih turbina

Snaga plinskih turbina koje rade kao otvoreni sustav se mogu regulirati na dva načina:

     1.	Temperaturna regulacija
     2.	Kombinirana temperaturna i količinska regulacija

Mijenjanje snage turbine putem temperaturne regulacije se provodi promjenom ulazne temperature fluida u turbinu. Uz konstantan maseni protok, te snagu kompresora, ulazna temperatura fluida se može regulirati promjenom količine goriva za izgaranje. Ovakva vrsta regulacije se može koristiti kod manjih i kratkotrajnih promjena snage turbina, dok je ne-ekonomična kod većih promjena snage. [20]

Kombinirana temperaturna i količinska regulacija je također jedna od mogućih načina mijenjanja snage turbine. Naime, ovdje se radi o istovremenoj promjeni količine usisanog fluida regulacijom podesivih lopatica na kompresoru te o promjeni količine ubrizganog goriva u komoru izgaranja. Ova istovremena regulacija je moguća do otprilike 40%-tnog opterećenja turbine. Daljnje smanjenje snage se može samo vršiti smanjenjem količine ubrizganog goriva jer je kompresor ušao u područje nestabilnog rada. [21]

Parno-turbinsko postrojenje

Klasično parno-turbinsko postrojenje zasniva se na Rankinovom procesu (Slika 10), poznatom iz termodinamike. Temelj većine parno-turbinskih postrojenja (termoelektrana) jest postrojenja sa slike 9. Generator pare, turbina, generator električne energije, kondenzator, kondenzatorska pumpa, napojna pumpa i spremnik napojne vode.

Slika 2.1.5/1. Shema parno-turbinskog postrojenja

Slika 2.1.5/2. Proces prikazan Ts dijagramom

Naravno postoje tu još mnogi dijelovi termoenergetskog postrojenja o kojima ćemo reći nešto više: pregrijači pare, međupregrijači, ekonomajzeri i sl (kao sastavni dio generatora pare).

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 određenim parametrima (temperature i tlaka) koja će se kasnije u turbini iskoristiti za proizvodnju električne energije.Generatore pare možemo ugrubo podijeliti na:

• čelične generatore pare
• lijevane
• generatore pare posebne namjene

U našem razmatranju osvrnuti ćemo se samo na čelične generatore pare s obzirom da su oni najzastupljeniji i najčešći u primjeni. Čelične generatore pare možemo još podijeliti na par podvrsta:

• vatrocjevni
• vodocjevni
• cilindrični

Vartocjevni generatori pare funkcioniraju tako da plamen struji kroz cijevi i tako grije vodu koja te cijevi okružuje. Mi se nećemo baviti vatrocijevnim generatorima pare, nego vodocijevnim generatorima pare kao najčešćim i najbrojnijim te nama najzanimljivijima s aspekta termoelektrana. Kao što i samo ime kaže kod vodocjevnih generatora pare voda ili para nalaze se u samim cijevima. Na taj način moguće je postići znatno veće tlakove i temperature nego kod vatrocjevnih generatora pare. Vodocjevne generatore pare opet možemo podijeliti na:

• horizontalne s ravnim cijevima
• vertikalne sa savinutim cijevima (prirodna ili prisilna cirkulacija)

Vertikalni generatori pare sa savinutim cijevima predstavljaju najveću i nama najvažniju skupinu. Ovakvi tipovi generatora pare se nalaze u velikim termoenergetskim postrojenjima za proizvodnju električne energije. Za izgaranje mogu koristiti sve vrste goriva: kruto gorivo na rešetci (ravnoj ili kosoj), kruto gorivo u fluidiziranom sloju te izgaranje u prostoru (ugljena prašina, tekuće i plinsko gorivo). Prirodna cirkulacija u generatoru pare ostvaruje se zbog razlike u gustoćama vode i vodene pare. Silazne cijevi upravo zbog toga nisu grijane tako da se lakše uspostavi cirkulacija. Temelji hidrodinamike, toplija voda će strujati prema gore dok će se hladna voda kretati prema dolje. Kada ne možemo osigurati uvijete za prirodnu cirkulaciju koristimo različite pumpe kako bismo osigurali nesmetanu cirkulaciju (La Mont generatori pare).

Postoje postupci i dijelovi koji se ugrađuju u generator pare kako bismo osigurali veću iskoristivost i povećanje snage. Ovo su neki od njih:

Pregrijač pare

Kako bismo povećali stupanj iskoristivosti čitavog procesa koristimo pregrijanu paru. To ima utjecaj i na samu tehnologiju izrade s obzirom da para nema kapljica vode u sebi pa je manje korozivna i erozivna. Kod današnjih termoelektrana pregrijana para je imperativ zbog strog određenih zahtjeva za parametre pare na ulazu u turbinu.

Slika 2.1.5/3. Prikaz pregrijanja pare u T-S dijagramu

Prijelaz topline može biti konventivan ili putem zračenja. U praksi se uvijek koristi mješavina ova dva navedena.

Međupregrijači

Kod ugradnje međupregrijača moramo imati na raspolaganju i turbinu podijeljenu na visokotlačni i niskotlačni dio. Para ekspandira u visokotlačnom dijelu turbine do tlaka međupregrijanja te se nakon toga vraća u generator pare. U generatoru pare se još jednom zagrijava, najčešće ponovno na temperaturu svježe pare, te se odvodi u niskotlačni dio turbine. Tu para ponovno ekspandira stvarajući koristan rad.

Slika 2.1.5/4. Međupregrijanje u T-S dijagramu

Kao i kod pregrijača , kod ugradnje međupregrijača povećava se ukupan stupanj iskoristivosti postrojenja. Smanjujemo vlažnost pare što je izuzetno bitno za dugovječnost turbine. Smanjujemo veličinu kondenzatora, gorionika i samog generatora pare. Negativna strana je povećanje cijene turbine,ali i povećanje ukupnih investicijskih troškova.

Ekonomajzerske površine

Ekonomajzerske površine smještaju se u stražnji dio generatora pare tako da se iskorištava dio topline koja bi se inače ispustila u okoliš. Time ujedno i smanjujemo temperaturu dimnih plinova. Na ekonomajzerskim površinama zagrijavamo napojnu vodu i zrak. U zagrijačima napojne vode treba paziti na koju temperaturu se medij zagrijava obzirom da prelaskom temperature zasićenja može doći do oštećenja. Za svoj rad zagrijači vode troše relativno malo energije te zauzimaju malo prostora. Ukoliko imamo zagrijače vode brže ćemo pustiti generator pare u pogon te ćemo smanjiti opterećenje ogrjevnih površina.

Zagrijači zraka

Zagrijači zraka smješteni su iza zagrijača napojne vode te su posljednji u generatoru pare. Pošto rade na manjim tlakovima ,za razliku od zagrijača vode, manji su svojom konstrukcijom. Zrak zagrijavamo zbog podizanja stupnja iskoristivosti, sušenja goriva i poboljšanja izgaranja. Većina zagrijača zraka su rotacioni (Ljungstrom) (Slika 14) zagrijači, saćasto konstruirani te grijani dimnim plinovima, a hlađeni zrakom.

Slika 2.1.5/5. Ljungstrom zagrijač zraka

[22]

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 (potlak – 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 i sl. kako bi se osigurao medij koji će preuzimati svu tu toplini. Naravno postoji mogućnost da termoelektrana radi dvofazno, odnosno kao i toplana. Tada se ta para može odvoditi vrelovodima i služiti kao grijanje.

Kombinirani procesi

Kada govorimo o kombiniranom procesu mislimo na proces sastavljen od plinsko-turbinskog i parno-turbinskog dijela. Glavne sastavnice su naravno plinska i parna turbina. Osnovna namjena ovakvih postrojanje 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%. Na Slici 14 prikazano je jedno takvo postrojenje s plinskom i parnom turbinom te kompresorom. 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 hlađenja lopatica plinske turbine.

Slika 2.1.6/1. Shema kombiniranog postrojenja

Slika 2.1.6/2. Ts dijagram kombiniranog procesa

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.

Slika 2.1.6/3. Prikaz rada u T-S dijagramu

Već je napomenuto da ovim principom povećavamo iskoristivost čitavog procesa. Razlog pronalazimo u osnovama termodinamike. Temelje možemo vidjeti u bazičnom Carnotovom procesu (izentropsko-izotermnom) (Slika 16). 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 dovođenja topline bila jednaka temperaturi ogrjevnog spremnika, a temperatura radne tvari kod odvođenja 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.

Stupanj korisnosti kombiniranog postrojenja može se definirati kao omjer ukupne električne snage i toplinske snage dovedene u proces:

gdje je:

P_pl – električna snaga plinske turbine

P_pa – električna snaga parne turbine

Q_pl – dovedena toplinska snaga u plinskom procesu

Q_pa – dovedna toplinska snaga za dogrijavanje parnog procesa

Izraz (1) naziva bruto korisnost kombi procesa zato što nije uzeta u obzir potrošnja snage na pomoćne sustave postrojenja (P_ps) i nisu uzeti u obzir električni gubici.

Ako potrošnju snage na pomoćne sustave uzmemo u obzir tada dobivamo neto korisnost kombi procesa koja se definira kao:

Uz povećani stupanj iskoristivosti koji dobivamo kod kombiniranih postrojenja možemo istaknuti još neke prednosti:

Treba istaknuti ekološki aspekt ovog postrojenja jer je ovdje jedino gorivo prirodni plin. Samim time nema emisije sumpornog oksida, a emisija NO_x je manja. Sustav izgaranja je mnogo napredniji te se ponekad i koristi ubrizgavanje pare u komoru izgaranja te se postiže sniženje temperature izgaranja. Isto tako produkcija CO₂ je manja s obzirom na niži postotak ugljika u prirodnim plinu.No kao problem javlja se (ne)mogućnost opskrbe plinom što bi, konkretno, u Hrvatskoj moglo ponekad predstavljati problem.Da spomenemo još i kraći rok projektiranja i izgradnje te veća fleksibilnost kod rada i samog pokretanja. Troškovi održavanja su niži nego u klasičnih termoelektrana te su samim time niži i ukupni troškovi proizvodnje struje.Što se budućih trendova na tržištu energenata tiče stvar je prilično jasna. Sve veća potreba za električnom energijom će dovesti i do povećane izgradnje termoelektrana s obzirom da su upravo termoelektrane najveći svjetski proizvođači električne energije. Naravno trenutna situacije je da se većina te električne energije proizvodi u elektranama na ugljen, no s obzirom na trendove očekuje se znatno povećanje udjela termoelektrana na plin, a samim time i kombiniranih postrojenja. Plinska turbina sa zadatkom proizvodnje električne energije javlja se krajem 1930-tih godina, no razvoj se zaustavlja u periodu II. svjetskog rata budući se u to vrijeme sva pozornost posvetila propulziji mlaznih motora. Prvo plinskoturbinsko postrojenje bilo je instalirano u elektroenergetskom sustavu SAD 1949. godine, a bilo je u sastavu kombi-procesa. Tek 60-tih godina imamo prve turbine za proizvodnju električne energije u većem broju elektrana. Prednost je bila mogućnost brzog starta. U 70-tim godinama dolazi do nagliog razvoja u izgradnji kombi-procesa u elektroenergetskim sustavima, kada je proizvodnja plinsko-turbinskih postrojenja dostigla snagu veću od 50 MW i početne temperature veće od 850°C. S pojavom plinskoturbinskog postrojenja snaga većih od 150 MW i početne temperature veće od 1100 °C došlo je do intenzivnijeg razvoja izgradnje kombi-procesa za proizvodnju električne energije i kombiniranu proizvodnju toplinske i električne energije.

Termoelektrane na ugljen i plin

Ove termoelektrane koriste fosilna goriva za izgaranje te pretvaraju dobivenu toplinsku energiju u mehaničku te se tako pokreće električni generator i stvara se električna energija. Termoelektrane na fosilna goriva (ugljen, plin i petrolej) se konstruiraju u velikim razmjerima za kontinuirani rad, pa tako upravo ove termoelektrane u velikom broju država osiguravaju najveći dio dobivanja električne energije.

Nusprodukti termoelektrane se moraju uzeti u obzir pri konstruiranju i u samom radu. Otpadna toplina nastala iz toplinskog ciklusa se mora pustiti u atmosferu zbog konačne efikasnosti sustava, često korištenjem rashladnog tornja, rijeke ili jezera kao rashladnog sredstva (pogotovo za kondenziranu paru). Dimni plinovi nastali izgaranjem fosilnih goriva sadrže ugljični dioksid, vodenu paru, i još neke tvari kao dušik, sumporne okside, azotast okside i u slučaju termoelektrane na ugljen još pepeo i živu. Čvrsti otpad pepela iz kotlova na ugljen se mora ukloniti iako se jedan dio pepela može reciklirati i koristiti kao građevinski materijal.

Termoelektrane na ugljen,plin i petrolej emitiraju velike količine stakleničih plinova u atmosferu i neke ih znanstvaene organizacije smatraju velikim "krivcima" globalnog zatopljenja u zadnjih 100 godina. Mrki ugljen emitira tri puta više stakleničkih plinova nego prirodni plin, a crni ugljen 2 puta više. Postoje nastojanja da se počne koristiti hvatanje i skladištenje tih plinova al se ne očekuje da će bit u komercijalno i ekonomski dostupan prije 2020. godine, ako i tad.

Hvatanje i skladištenje ugljika

"Carbon capture and storage" CCS je teorijski pristup hvatanja i skladištenja ugljikovog dioksida sa svrhom smanjivanja emisija stakleničih plinova u atmosferu. Temelji se na skladištenju ugljikovog dioksida iz velikih izvora kao što su termoelektrane na fosilna goriva. Također bi se moglo koristiti i za "čišćenje" zraka od ugljičnog dioksida te bi se tako mogao trajno uskladištiti daleko od atmosfere i na taj način smanjiti utjecaje globalnog zatopljenja.

Iako se CO₂ ubrizgavao u geološku formaciju za razne namjene njegovo skladištenje je još neiskušan koncept. Prva integrirana elektrana za skladištenje CO₂ je stavljena u rad u rujnu 2008. godine u istočnoj Njemačkoj elektrani "Schwarze Pumpe" u nadi da se dobiju neki odgovori o tehnološkoj izvedivosti i ekonomskoj efikasnosti.

Utvrđeno je da bi se primjenom ovog sustava na moderne konvencionalne elektrane mogla smanjiti emisija CO₂ u atmosferu mogla smanjiti za 80-90% u odnosu na elektrane bez ovog sustava. Procjenjeno je i da se ekonomski potencijal ovog sustava kreće između 10-50%. Hvatanje i skladištenje CO₂ zahtijeva mnogo energije pa bi se potrebe za gorivom kod termoelektrane na ugljen povećalo za 25-40%. Ovakvi i drugi sustavi bi utjecali na povećavanje troškova energije u iznosu od 21-90%.

Zamišljeno je da bi se CO₂ mogao skladištiti u dubokim geološkim formacijama, u dubokim oceanskim masama ili u obliku mineralnih karbonata. U slučaju pohranjivanja u dubokim oceanima povećava se rizik od okiseljavanja oceana koji također potječe od viška ugljičnog dioksida u atmosferi i oceanu. Skladištenje u geološke formacije se trenutno čini najboljim rješenjem. "National Energy Technology Laboratory" (NETL) je izvjestio da Sjeverna Amerika ima dovoljan kapacitet skladišta u svojoj sadašnjoj stopi proizvodnje za više od 900. godina. Generalni problem su dugoročne prognoze o podzemnim skladištima te njihova sigurnost jer su one još vrlo teške i neizvjesne jer bi se moglo dogoditi da CO₂ procuri iz skladišta u atmosferu.

Potencijalno koristan način na koji bi se CO₂ mogao koristiti u industriji je njegovo pretvaranje u ugljikovodik gdje bi se mogao ponovno koristiti kao gorivo ili pri izradi plastike. Postoje brojni projekti koji istražuju tu mogućnost zbog toga što trenutno biogoriva predstavljaju drugi potencijalno oblik "ugljik-neutralnih" mlaznih goriva.

Termoelektrane u Hrvatskoj

Uvod

• Instalirani kapaciteti za proizvodnju električne energije u Republici Hrvatskoj obuhvaćaju hidro i termoelektrane u sastavu HEP grupe (oko 95% kapaciteta), određeni broj industrijskih termoelektrana i nekoliko elektrana na obnovljive izvore energije u privatnom vlasništvu.
  
• U vlasništvu HEP-a je sedam termoelektrana, s tim da su TE Sisak, TE Rijeka, TE Plomin 1 i KTE Jertovec kondenzacijske za proizvodnju električne energije, a TE-TO Zagreb, EL-TO Zagreb i TE-TO Osijek su termoelektrane toplane u kojima se u spojenom procesu proizvodi električna i toplinska energija. Kao pogonsko gorivo koriste loživo ulje, prirodni plin i ugljen.
• HEP je vlasnik 50 postotnog dijela drugog bloka TE Plomin 2, a temeljem vlasništva polovice NE Krško, hrvatskom elektroenergetskom sustavu raspoloživo je na pragu 338 MW. Ukupna raspoloživa snaga elektrana u sastavu HEP grupe na teritoriju Republike Hrvatske je 3 817,76 MW (uračunata TE Plomin 2, bez NE Krško d.o.o. Od toga je 1 681 MW u termoelektranama (uračunata TE Plomin 2, bez NE Krško d.o.o)
  
• U 2012. godini ukupno je u elektranama HEP Proizvodnje d.o.o. proizvedeno 8.100 GWh električne energije ( u hidroelektranama 4.773 GWh ili 58,9 % , a u termoelektranama 3.327 GWh ili 41,1 % Time je vlastitim izvorima pokriveno 42,35 posto ukupnih potreba za električnom energijom Republike Hrvatske. U odnosu na planiranu proizvodnju za 2012. godinu ostvarena je manja ukupna proizvodnja za 1,94 % pri čemu je proizvodnja hidroelektrana povećana 4,9% , a proizvodnja termoelektrana smanjena 10,3 posto.
• Osim proizvodnje ostvarene u objektima u isključivim vlasništvu HEP-a, ostvarena je proizvodnja i u TE Plomin d.o.o. Za vođenje i održavanje TE Plomin 2, RWE Power ( od 01.01.2011. RWE East) i HEP Proizvodnja d.o.o. osnovali su društvo TE Plomin d.o.o. (udio vlasništva 50:50 posto). U TE Plomin d.o.o u 2012. godini proizvedeno je 1.372 GWh električne energije, što je u odnosu na proizvodnju porast od 11 %. U 2012. godini, ukupno je u elektranama HEP Proizvodnje i TE Plomin d.o.o. proizvedeno 9.472 GWh što je pad od 3% u odnosu na 2011 kada je proizvedeno 9.725 GWh električne energije.

Slika 2.1.8/1 Ostvarena godišnja proizvodnja (GWh)

(izvor HEP. d.o.o.) [23]

Slika 2.1.8/2 Prikaz raspoloživosti električne energije (HEP d.d.) u GWh

(Izvor HEP d.d.)[24]

Termoelektrane

1. TE Sisak

• U TE Sisak 2009. godine započela je izgradnja plinskog kombi kogeneracijskog postrojenja BLOK C 230 MWe + 50 MWt. Očekivano puštanje u pogon novog postrojenja je početkom 2013. godine. Novo postrojenje sastoji se od jedne plinske turbine snage 160 MWe sa vlastitim generatorom, jedne parne turbine snage 80 MWe sa generatorom i kotla utilizatotra na otpadne plinove iz plinske turbine. Parna turbina ima regulirano oduzimanje pare za potrebe napajanja parom toplinskog sustava grada Siska snage 50 MWt.
• Opći podaci:
  • položaj: Sisak, Čret, četiri kilometra nizvodno od Siska na desnoj obali Save
  • tip : kondenzacijska termoelektrana s dva bloka : svaki blok ima dva parna kotla (2x330 t/h, 540°C, 135bara) i po jednu parnu turbinu sa generatorom (210MW na generatoru, 198 MW na pragu)
  • vrsta goriva: teško lož ulje, prirodni plin ili kombinirano
  • ukupna snaga: 420 MW (2x210 MW) GENERATOR, 396 MW (2x198 MW) PRAG
  • vrste proizvoda: električna energija, tehnološka para

tablica 1. Godišnja proizvodnja električne energije po godinama(GWh) i godine izgradnje agregata

(izvor HEP. d.o.o.) [25]

Slika 2.1.8/3 TE Sisak

(izvor HEP. d.o.o.) [26]

2. TE Rijeka

• Opći podaci:
  • položaj: jugoistočno od Rijeke, na morskoj obali
  • tip: regulacijska kondenzacijska, kotao i jedna parna turbina
  • vrsta goriva: teško loživo ulje
  • ukupna snaga: 320 MW
  • vrste proizvoda: električna energija
  • godina izgradnje: 1974.-1978.

tablica 2. Godišnja proizvodnja električne energije po godinama(GWh)

(izvor HEP. d.o.o.) [27]

Slika 2.1.8/4 TE Rijeka

Izvor: [28]

3. TE Plomin

• Termoelektrana Plomin je termoelektrana pored Plomina. Sastoji se od TE Plomin 1 (sagrađene 1969.) i TE Plomin 2 (sagrađene 2000.). To je kondenzacijska termoelektrana s dva bloka, te svaki ima kotao i po jednu parnu turbinu. Pogonsko gorivo je ugljen. Ukupna snaga termoelektrane iznosi oko 330 MW, te prema podacima iz 2007. proizvodi 2 187 GWh električne energije (Plomin 1 786, a Plomin 2 1 401). S visinom od 340 metara, dimnjak TE Plomin najviša je građevina u Hrvatskoj.
• Opći podaci:
  • položaj: Luka Plomin
  • naziv: TE Plomin: TE Plomin 1 i TE Plomin 2
  • tip elektrane: kondenzacijska termoelektrana s dva bloka: svaki ima kotao i po jednu parnu turbinu
  • vrsta goriva: ugljen
  • ukupna snaga: 330 MW
  • vrste proizvoda: električna energija

tablica 3. Godišnja proizvodnja električne energije po godinama(GWh)

(izvor HEP. d.o.o.) [29]

Slika 2.1.8/5 TE Plomin

Izvor: [30]

4. KTE Jertovec

• Opći podaci:
  • položaj: Konjščina, Jertovec
  • naziv elektrane: kombinirana (plinsko-parna) termoelektrana Jertovec
  • tip: interventna (vršna)
  • vrsta goriva: prirodni plin, ekstra lako ulje za loženje
  • ukupna snaga: 88 MW
  • vrste proizvoda: električna energija i usluge sustava

Tablica 4. Godišnja proizvodnja električne energije po godinama(GWh)i godine izgradnje agregata

(izvor HEP. d.o.o.) [31]

Slika 2.1.8/6 KTE Jertovec

Izvor: [32]

5. TE-TO Zagreb

• Pogon TE-TO Zagreb nalazi se na teritoriju Grada Zagreba. Smješten je na lijevoj obali Save, u istočnom dijelu grada Zagreba, južno od industrijske zone Žitnjak. Područje u promjeru 20 km od lokacije uključuje gradski teritorij Zagreba, područje grada Velike Gorice, općinu Sv. Nedjelje, krajnji istočni dio administrativnog područja grada Samobora, veći dio grada Zaprešića, južne dijelove grada Sv. Ivan Zelina, gradove Sesvete i Dugo Selo te područje općine Rugovica.
• Termoelektrana-toplana Zagreb dobila je u veljači 2006. godine međunarodno priznati certifikat ISO 14001:2004, što predstavlja potvrdu da je uvedeni sustav upravljanja okolišem u potpunosti usuglašen sa svim zahtjevima norme, prihvaćenom politikom upravljanja okolišem te sa zakonskim i ostalim zahtjevima koje je Pogon TE-TO Zagreb obvezan primjenjivati.
• Opći podaci:
  • položaj: Zagreb, Žitnjak
  • tip: kogeneracija električne i toplinske energije
  • vrsta goriva:
    • g1: prirodni plin
    • g2: ekstra lako loživo ulje
    • g3: teško loživo ulje
  • ukupna snaga: 440 MWe / 850 MW t
  • proizvod: električna i toplinska energija

Tablica 5. Godišnja proizvodnja električne energije po godinama(GWh)

(izvor HEP. d.o.o.) [33]

Slika 2.1.8/7 TE-TO Zagreb

Izvor: [34]

6. TE Osijek

• Pogon TE-TO Osijek nalazi se u istočnoj industrijskoj zoni grada Osijeka, u blizini velikih toplinskih i električnih potrošača. Pogon je smješten na periferiji grada, na udaljenosti oko 1 km od rijeke Drave i oko 5,5 km od centra grada i zauzima površinu od oko 12 ha. Najbliži stambeni objekti su udaljeni oko 200 metara od postrojenja.
• Opći podaci:
  • položaj: Osijek
  • tip: kogeneracijska
  • proizvodnja: električne i toplinske energije
  • vrsta goriva:
    • g1: prirodni plin / l.ulje
    • g2: teško lož ulje / plin
  • ukupna snaga: 89 MWe / 139 MW t +50 t/h

Tablica 6. Godišnja proizvodnja električne energije po godinama(GWh) i godine izgradnje agregata

(izvor HEP. d.o.o.) [35]

Slika 2.1.8/8 TE-TO Osijek

Izvor: [36]

7. EL-TO zagreb

• Opći podaci:
  • položaj: Zagreb, Trešnjevka
  • tip: kogeneracijska
  • proizvodnja: električne i toplinske energije
  • vrsta goriva:
    • g1: prirodni plin
    • g2: teško lož ulje
  • ukupne snaga: 88.8 MWe / 439 MW t + 160 t/h

Tablica 7. Godišnja proizvodnja električne energije po godinama

(izvor HEP. d.o.o.) [37]

Slika 2.1.8/9 EL-TO zagreb

Izvor: [38]

Reference

1. http://www.mzoip.hr/doc/zastita_okolisa/izvjesce_22_11_2010_1.pdf
2. http://en.wikipedia.org/wiki/TE_Rijeka
3. http://www.hep.hr/proizvodnja/osnovni/default.aspx
4. http://www.hep.hr/proizvodnja/onama/default.aspx
5. http://www.hep.hr/proizvodnja/osnovni/termoelektrane
6. http://setis.ec.europa.eu/about-setis/technology-map/2011_Technology_Map1.pdf/view
7. http://www.eihp.hr/hrvatski/projekti/EUH_od_45/EUH11web.pdf
8. http://www.mzoip.hr/doc/zastita_okolisa/izvjesce_22_11_2010_4.pdf
9. http://www.mzoip.hr/doc/Zastita_okolisa/Izvjesce_19_06_2012_5.pdf

Zaštita okoliša

Kod termoelektrana (klasičnih-hlađenih) dva su osnovna učinka koji utječu na onečišćenje okoliša. Prvi i osnovni je učinak koji nastaje zbog izgaranja fosilnih goriva. Drugi i manje bitni jest toplinsko onečišćenje rijeka ili jezera. Mi ćemo se o ovom poglavlju baviti samo ovim prvim, odnosno onečišćenjem usljed izgaranja fosilnog goriva. Izgaranje je proces u kojem se kemijska energija sadržana u gorivu transformira u unutrašnju energiju koja se opet dalje iskorištava u raznim procesima. Kod izgaranja u atmosferu se ispuštaju plinovi kao što su CO₂, CO, voda, NO_x, SO₂, različiti ugljikovodici (C_mH_n). Od svih navedenih ugljik dioksid (CO₂) i voda (H₂O) nisu direktno otrovni za ljude. No oni izravno utječu svojom koncentracijom na zagrijavanje atmosfere (apsorpcija toplinskog zračenja u atmosferi). Vrsta i sastav plinova nastalih uslijed izgaranja ovisi o sastavu goriva koje izgara u procesu. Elementi koji čine većinu fosilnih goriva su ugljik, vodik i sumpor. Ugljik može izgara potpuno i djelomično. U potpunom izgaranju imamo CO₂ kao produkt dok kod djelomičnog izgaranja kao produkt imamo CO. Upravo zbog toga veći udio CO imamo u termoelektranama na ugljen jer je teže osigurati kvalitetno miješanje goriva i zraka. Izgaranjem vodika dobivamo vodu, a izgaranjem sumpora SO₂. Kod izgaranja težimo što potpunijem izgaranju. Da bismo to ostvarili cilj je imati što bolje miješanje zraka i goriva. Naravno da je to najjednostavnije ostvariti kod plinskih goriva, a najteže kod krutog. Za izgaranje potrebno je osigurati minimalnu količinu zraka, no u realnom procesu uvijek imamo određeni pretičak zraka. Loša strana pretička zraka jest činjenica da povećanjem pretička zraka smanjujemo stupanj djelovanja zbog povećanja vrelih plinova koji napuštaju sustav. O količini sumpora u produktima izgaranja najviše ovisi udio sumpora u samom gorivu. Dakle težimo ugljenu i nafti sa što manje sumpora. Kod dušika i njegovih oksida gorivo ne utječe toliko na produkciju NO_x-a. Isto tako treba spomenuti i izuzetno veliku količinu pepela kojeg jedna prosječna termoelektrana izbaci u okoliš. U svrhu zaštite okoliša u posljednjih desetak godina donijelo se mnoštvo zakona odredaba koje bi trebale pridonijeti smanjenju zagađenja okoliša iz termoelektrana. Jedan od glavnih parametara je kontrola i smanjenje sumpornih oksida. Postupak odsumporavanja može se vršiti tako da se odvaja već iz goriva ili iz produkata izgaranja. Veći efekt se postiže ukoliko sumporove okside uklanjamo iz produkata izgaranja. Ovakvi postupci zahtijevaju dodatna ulaganja koja poskupljuju i krajnju cijenu električne energije. Dušikove spojeve je najjednostavnije reducirati stupnjevanim izgaranjem. Na taj način možemo smanjiti emisiju dušičnih oksida za oko 50%.

Kretanja fosilnih goriva u svjetskoj energetici

Potrošnja energije

Svjetska potrošnja energije odnosi se na ukupnu energiju koju troši cjelokupna ljudska civilizacija. Provedena godišnja mjerenja uključuju svu energiju, korištenu iz svakog energetskog izvora kojeg crpimo. Potrošnja energije društva je pokazatelj njegove razvijenosti jer je duboko povezana sa socijalnom, ekonomskom kao i političkom sferom društva. Institucije kao International Energy Agency (IEA)[39], američki Energy Information Administration [40] i European Enviroment Agency (EEA) [41] periodički snimaju i bilježe podatke o potrošnji energije kako bi imali uvid u njezina kretanja. Kvalitetni podaci nam vjerno prikazuju sistemske trendove i uzorke, a bolje razumijevanje svjetske potrošnje energije je nužno za izradu strategije energetskog razvoja.

(Izvor: Wikipedia) [42]

Slika 2.1.11/1.

Prikaz godišnje potrošnje energije u ekvivalentnim kilogramima nafte (kgoe) po stanovniku po zemlji, prema podacima iz 2001. godine; Tamnija područja pokazju veću potrošnju, zelena područja pokazuju padajući trend potrošnje u razdoblju od 1990. do 2001. godine

(Izvor: Wikipedia)[43]

http://i44.tinypic.com/2hmlezb.png

Slika 2.1.11/2. Prikaz godišnje potrošnje energije u 1000 Twh po godini i prema obliku primarne energije. Podaci iz 2013. godine

(Izvor: Wikipedia)[44]

http://i42.tinypic.com/2s6nfb8.jpg

Slika 2.1.11/3. Prikaz godišnjeg potrošnje energije naspram povećanja broja stanovnika

(Izvor: Our Finite World)[45]

http://i44.tinypic.com/raqj2q.jpg

Slika 2.1.11/4.

Prikaz godišnje potrošnje po glavi stanovnika. Potrošna je izražena u Btu (British thermal unit).

(Izvor: BURN an energy journal)[46]

1 Btu = 1055 J

Trendovi

Fosilna goriva su najveći skok u potrošnji doživjela u razdoblju između 2000. i 2008. godine. IEA je u listopadu 2012. godine zabilježila kako je ugljen sa 50% sudjelovao kao energent za rast proizvodnje energije u posljednjem desetljeću. Nagli rast u G20 je smanjen na 2% u 2011. godini što je direktni utjecaj globalne krize. Posljednjih nekoliko godina zahtjevi za energentima su okarakterizirani brzorastućim kineskim i indijskim tržištem, dok se razvijene zemlje bore sa ekonomskom stagnacijom i visokim cijenama nafte koje rezultiraju konstantnim ili padajućim trendovima u potrošnji energije. Prema podacima IEA od 1990. do 2008. godine, potrošnja energije po osobi je porasla za 10%, dok je ukupna ljudska populacija povećana za 27% u istom razdoblju. Ukupna svjetska potrošnja energije 2008. godine je bila 132 000 tWh/god. Od tog broja, 37% proizvede se u termoelektranama na ugljen, 15% u termoelektranama na prirodni plin, te 10% u postrojenjima na naftu. U hidroelektranama proizvodi se 20%, a u nuklearnim elektranama 17% svjetske proizvodnje. Iz ovih podataka vidi se da se u biti preko 60% svjetske proizvodnje električne energije proizvodi u nekom obliku termoelektrane.Trendovi pokazuju smanjenje korištenja fosilnih goriva kao energenta u budućnosti. To će se postići mjerama kao što su gašenje postojećih termoelektrana, ograničavanje gradnje novih termoelektrana i elektrifikacija transporta. Cilj je smanjiti zagađenje zraka, izbjeći tragedije koje se događaju u rudnicima i smanjiti emisije stakleničkih plinova koji uzrokuju klimatske promjene. Udio fosilnih goriva kao neobnovljivog izvora energije u budućnosti će preuzeti obnovljivi izvori energije.

Izvor: Wikipedia [47][48]

Slika 2.1.12/1. Prikaz godišnje proizvodnje električne energije u svijetu

(Izvor: Wikipedia)[49]

Literatura korištena za poglavlje "Termoelektrane":

Bogdan Ž., Generatori pare - Interna skripta, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu

Bogdan Ž., Termoenergetska postrojenja - Interna skripta, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu

Kreuh, L., Generatori pare, Školska knjiga, Zagreb, 1978. [50]

Nuklearne elektrane

Uvod

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 2.2.1/1. 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

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 2.2.2/1. 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 2.2.2/2. 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 2.2.2/3. 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 2.2.2/4. 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 2.2.2/5. 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

Nuklearna fisija

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 2.2.4/a. 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.

Fuzijske elektrane

Energija nuklearne fuzije

U fizici je nuklearna fuzija proces u kome se spaja više lakih atomskih jezgri pri čemu nastaje teža atomska jezgra. To je praćeno oslobađanjem ili apsorpcijom energije što je ovisno o masi uključenih atomskih jezgri. Nuklearna fuzija lakih elemenata (do željeza) oslobađa energiju koja uzrokuje sjaj zvijezda i eksploziju termonuklearne bombe. Ova reakcija se koristi kod dobivanja energije nuklearne fuzije. Potrebna je znatna energija da bi se izazvala nuklearna fuzija, čak i kod najlakšeg elementa vodika. Međutim, fuzijom lakših jezgri kojom nastaje teža jezgra i slobodni neutron, obično se oslobađa više energije nego što je potrebno da bi se jezgre spojile. Energija oslobođena u većini nuklearnih reakcija je mnogo veća od energije kemijskih reakcija. Fuzijska reakcija može održavati samu sebe ukoliko se dovoljna količina proizvedene energije koristi za održavanje goriva na visokoj temperaturi. U jezgri Sunca visoki pritisak gravitacije omogućava događanje fuzijske reakcije na oko 10 milijuna stupnjeva Celzijeva.

Projekt ITER

Na puno nižem pritisku (10 milijardi puta manjem nego u jezgri Sunca) kojeg mozemo proizvesti na Zemlji, temperature iznad 100 miliona stupnjeva potrebne su za dobivanje fuzijske energije. Kako bi se tolike temperature postigle potrebno je plazmu (ionizirani plin na visokim temperaturama) zadržati dalje od kućišta spremnika te plazme. To se postiže postavljanjem plazme unutar spremnika oblika torusa obavijenog magnetskim poljem kako bi sprijecili izlazak plazme. Ta napredna tehnologija osnova je međunarodnog fuzijskog eksperimenta ITER (International Thermonuclear Energy Reactor - Međunarodni termonuklearni energetski reaktor). Fuzijska reakcija događa se između dva izotopa vodika – deuterija i tricija – razvoj prve generacije fuzijskog reaktora se temelji na toj reakciji (druge fuzijske reakcije zahtjevaju puno više temperature). Deuterij je prirodni izotop koji može biti izdvojen iz vode (u prosjeku 35g na metar kubični vode), dok tricija nema na Zemlji, ali on može biti proizveden iz litija unutar fuzijskog reaktora. Svaka fuzijska reakcija proizvede atom helija i neutron visoke energije. Gorivo koje stane u jedan kamion-cisternu moglo bi proizvest električnu energiju koja bi opskrbila grad s milion stanovnika na godinu dana. Fuzijski reaktori ne proizvode stakleničke plinove, ne zagađuju i ne mogu naštetiti okolini ili uzrokovati klimatske promjene. Deuterij, litij i reakcijski produkti nisu radioaktivini te im je vrijeme poluraspada relativno malo. Tricij jest štetan ali nastaje i nestaje unutar fuzijskog reaktora koji u slučaju kvara, proboja ili bilo kakve nezgode trenutno prestaje s reakcijama i počinje se hladiti. Energija proizvedena u fuzijskim elektranama koristila bi se za proizvodnju električne energije, za proizvodnju topline za industrijske potrebe, a postoji i mogućnost da bi se koristila za prozivodnju vodika.

Slika 2.3.2/1. Shema fuzijske elektrane

(Izvor EFDA)[51]

Europska strategija

Dugoročni cilj istraživanja i razvoja fuzije zemalja članica Europske Unije i Švicarske je izgradnja prototipa reaktora za elektrane koji su sigurni, održivi, ekološki prihvatljivi i ekonomski isplativi. ITER je trenutno najveći svjetski energetski istraživački projekt u gradnji. Sljedeća generacija fuzijskog reaktora – projekt DEMO, čija bi gradnja trebala započeti 2025. godine, bila bi prva komercijalna fuzijska elektrana koja bi od 2035. godine sa snagom od 3 - 4 GW prvi puta trebala proizvest značajnu količinu električne energije i biti model za komercijalne fuzijske reaktore. Ključni problemi izgradnje ne tiču se same fuzije već fizike materijala i fizike plazme tako da paralelno s razvijanjem reaktora je potrebno tražiti i testirati nove izdržljive materijale.

Literatura korištena za poglavlje "Fuzijske elektrane":

(1) Fusion Research, An Energy Option for Europe's Future, European Commission, Directorate- General for Research, Fusion energy Research, Brussels 2007, ISBN 92-79-00513-8

(2) ITER: Uniting science today global energy tomorrow, European Commission, Directorate- General for Research, Fusion energy Research, Brussels 2007, ISBN 978-92-79-05548-5

(3) Fusion power, Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_power

Obnovljivi izvori

Hidroelektrane

Uvod

Hidroelektrane su energetska postrojenja u kojima se potencijalna energija vode pomoću vodne turbine pretvara u mehaničku (kinetičku) energiju, koja se u električnom generatoru koristi za proizvodnju električne energije. Iskorištavanje energije vodnog potencijala ekonomski je konkurentno proizvodnji električne energije iz fosilnih i nuklearnog goriva, zato je hidroenergija najznačajniji obnovljivi izvor energije. U zadnjih trideset godina proizvodnja u hidroelektranama je utrostručena, a njen udio povećan je za 50 %, za to je vrijeme proizvodnja u nuklearnim elektranama povećana za 100 puta, a udio oko 80 puta. Ti podaci pokazuju da se proizvodnja u hidroelektranama brzo povećava, ali značajno zaostaje za proizvodnjom u nuklearnim (ali i termoelektranama). Razlog takvom stanju leži u činjenici da iskorištavanje hidroenergije ima bitna tehnička i prirodna ograničenja. Glavno ograničenje jest zahtjev za postojanjem razlike geodetske visine i obilnog izvora vode kroz cijelu godinu jer je skladištenje el. energije skupo i vrlo štetno za okoliš, osim toga na određenim lokacijama je za poništavanje utjecaja oscilacija vodostaja potrebno izgraditi brane i akumulacije. Njihovom izgradnjom značajno se povećava investicija, utjecaj na okoliš, potrebna je zaštita od potresa, a u zadnje vrijeme postoje i značajne terorističke prijetnje.

Utjecaji na okoliš dijele se na:

• fizičke faktore: količina vode i kvaliteta površinskih voda, klimatski faktori, kvaliteta zraka, geologija i seizmologija, erozija, promjena pejzaža.
• biološke: riblji fond, biljni i životinjski svijet, vodni i ekosustavi.
• socioekonomske faktore: ljudske aktivnosti (vodoopskrba, poljoprivreda, kontrola poplava, transport-putovi), korištenje zemljišta, zdravstvo te arheološki i povijesni.

U većini slučajeva potapa se kvalitetno zemljište, a u zamjenu se dobiva manje kvalitetno zemljište, u nekim slučajevima postoji nužnost iseljavanja lokalnog stanovništva, uništava se zdrava šuma, nestaje vegetacija, svi postojeći objekti na mjestu potapanja uklanjaju se ili ostaju potopljeni.

Pozitivna strana kod akumulacija je mogućnost stvaranja ribolovnog i zabavnog turizma koji donosi lokalnoj zajednici velika finacijska sredstva. Veoma važna karakteristika akumulacija je regulacija vodotoka rijeka. U vrijeme kad su riječni vodotoci visoki postoji mogućnost njihove regulacije pomoću akumulacije.

Danas je u svijetu iskorišteno oko 25 % raspoloživog vodnog potencijala, a neiskorištena većina nalazi se u nerazvijenim zemljama. Takvo stanje je s jedne strane dobro jer se u budućnosti najveći porast potrošnje očekuje upravo u nerazvijenim zemljama, a s druge strane pokrivanje daljnjeg porasta potrošnje u razvijenim zemljama bazirat će se na fosilnom i nuklearnom gorivu te ostalim oblicima obnovljivih izvora energije. Hidroelektrane se značajno koriste u proizvodnji električne energije iz više razloga:

• Nema troškova goriva, voda je besplatna, pod uvjetom da je ima u dovoljnoj količini. Puštanje hidroelektrane u pogon vrlo je brzo, te se koristi za pokrivanje dnevnih vršnih opterećenja električne mreže.
• Moderne hidroelektrane mogu do 90% energije vode pretvoriti u električnu energiju.
• Ne postoji utjecaj povećanja cijene goriva, a svjedoci smo velikih povećanja u zadnjih nekoliko godina.
• Neovisnost o uvozu goriva.
• Hidroenergija je glavni izvor obnovljive energije i predstavlja 97% energije proizvedene u svim obnovljivim izvorima električne energije.
• Hidroenergija je čista, nema otpada. Postoje doprinosi efektu staklenika (uništavanje vegetacije, truljenje), ali su u većini slučajeva zanemarivi u odnosu na termoelektrane i sl.
• Umjetna jezera nastala izgradnjom hidroelektrana lokalno doprinose ekonomiji i omogućavaju navodnjavanje, vodoopskrbu, turizam i rekreaciju

Snaga postrojenja i proizvedena energija ovise o:

1. Raspoloživom vodenom padu (razlici geodetske visine). 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.
2. Raspoloživom protoku vode. Električna snaga i energija također 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.

Ovisnost snage o navedenim veličinama izražena je sljedećim izrazom:

P = eta * Q * h * ρ * g

gdje je:

P - Snaga [W]

eta - stupanj iskoristivosti postrojenja

Q - raspoloživi protok vode [m3/s]

h - raspoloživi vodeni pad [m]

ρ - gustoća vode [kg/m3]

g - ubrzanje sile teže [m/s2]

Slika 2.4.1.1/1. Voda šiklja iz izlaznog presjeka za vrijeme testa u hidroelektrani Hoover na granici Nevade i Arizone, USA.

http://www.usbr.gov/lc/hooverdam/

Tehnologija gradnje hidroelektrana se nije mijenjala kroz 20. stoljeće. Hidroelektrane u principu funkcioniraju na vrlo jednostavnoj osnovi: voda iz akumulacijskog jezera prolazi kroz branu, pokreće turbinu koja onda pokreće generator električne energije.

Osnovne komponente klasične hidroelektrane

• Brana - Većina hidroelektrana se opskrbljuje vodom iz akumulacijskih jezera. Brana predstavlja građevinu kojoj je zadaća osiguravati akumulaciju vode. Akumulacijska jezera su često urbanizacijski tako riješena da su ujedno i rekreacijska jezera.
• Ulazni presjek - Otvor na brani se otvori i kroz kontrolna vrata voda cjevovodom (najčešće uslijed gravitacije) dolazi do turbine određenim masenim protokom.
• Turbina - mlaz vode udara i okreće lopatice turbine koja je vratilom vezana na generator. Najčešći tip turbina za hidroelektrane su Francisove. Takve turbine teže do 172 tone i postižu brzinu vrtnje do 90 okretaja u minuti.

Slika 2.4.1.2/1. Vratilo koja povezuje generator i turbinu (Photo courtesy U.S. Bureau of Reclamation)

http://www.historylink.org/_content/printer_friendly/pf_output.cfm?file_id=9798

• Generator - Kako samo ime govori, generator generira električnu energiju. U osnovi proces se sastoji od rotacije serija magneta unutar namotaja žica. Ovime se ubrzavaju elektroni, koji proizvode električni naboj. Broj generatora zavisi od elektrane do elektrane. Osnovni dijelovi svakog generatora su:

• Vratilo
• Uzbudni namot
• Rotor
• Stator

Kako se turbina okreće uzbudni namot šalje električni napon rotoru. Rotor predstavlja seriju velikih elektromagneta koji se okreću unutar gustih namotaja bakrenih žica, koje predstavljaju stator. Magnetsko polje između magneta i žičanih namotaja stvara električni napon.

Slika 2.4.1.2/2. Generatori električne energije u hidroelektrani.

http://www.threeohsevenphysics.blogspot.com/

• Transformator - Na izlazu iz elektrane povećava napon izmjenične struje (smanjujući jakost struje) da bi se smanjili gubici prijenosa energije.
• Dalekovodi - Iz svake elektrane vode dalekovodi, koji osim stupa dalekovoda redovito imaju i 4 vodiča. Tri nose struju napona koja izlazi iz transformatora, istog iznosa i međusobno pomaknutih u fazi za 120 stupnjeva, dok četvrta predstavlja nul-vodič.
• Izlazni presjek - Iskorištena voda se cjevovodima vraća u donji tok rijeke.

Slika 2.4.1.2/3. Komponente hidroelektrane

http://www.threeohsevenphysics.blogspot.com/

Voda u akumulacijskom jezeru je zapravo uskladištena energija. Kada se zaslon na brani otvori voda poteče kroz cjevovod povećavajući svoju kinetičku energiju. Količina generirane električne energije se određuje s nekoliko faktora. Dva najvažnija faktora su maseni protok vode i raspoloživi vodeni pad. Raspoloživi vodeni pad je parametar koji označava udaljenost od površine vode do turbina. Kako raspoloživi vodeni pad i maseni protok vode rastu, tako raste i količina proizvedene struje. Raspoloživi pad je u većini slučajeva ovisan o količini vode u akumulacijskom jezeru.

Hidroelektrane su učinkovitija postrojenja od termoelektrana. Kao što je prethodno spomenuto, predstavljaju elektrane obnovljivih izvora energije. S tim u vezi, i s obzirom da je hidroenergija jedini obnovljivi izvor energije iz kojeg je moguće dobiti veće snage, u interesu je graditi što više hidroelektrana. Međutim, postoje određene prepreke. Većina pogodnih lokacija za izgradnju hidroelektrana je već iskorištena i ostaju samo manje pogodne lokacije na kojima je smanjena učinkovitost elektrane i za čiju je gradnju potrebno raditi i veće promjene u okolišu.

Hidroenergija se tradicionalno smatra čistom i ekološkom. Proizvodnja električne energije u hidroelektranama ne zagađuje atmosferu, ne pridonosi stvaranju kiselih kiša i ne uzrokuje stvaranje otrovnog otpada. Ipak, gradnja hidroelektrana uzrokuje promjene u ekosustavu riječnih tokova na kojima se grade. Učinci koje hidroelektrana može imati na ekosustav zavise o 4 čimbenika:

1. Veličina i brzina protoka rijeke ili sl. na kojoj je hidroelektrana locirana.
2. Klimatski uvjeti i oblik sredine prije gradnje elektrane.
3. Vrsta, veličina i konstrukcija elektrane i način na koji je pogonski vođena.
4. Ako postoji više od jedne elektrana na istoj rijeci, i ako nisu relativno blizu jedna drugoj, moguće je da učinci na ekosustav jedne elektrane su zavisni o učincima druge elektrane.

Čimbenici 1 i 2 zavise od spektra kompleksnih geoloških, zemljopisnih i meteoroloških uvjeta. Ova dva čimbenika su najbitniji faktor pri određivanju veličine, vrste, konstrukcije i načina na koji će buduća elektrana raditi.

Loše posljedice koje gradnja hidroelektrane može imati na okoliš su sljedeće:

• Usporenje toka rijeke radi stvaranja akumulacijskih jezera i povećanje prosječne temperature vode.
• Povećanje udjela dušika u riječnoj vodi.
• Sedimentacija i erozija.
• Poplave.
• Klimatske promjene.
• Potencijalno povećanje tektonske aktivnosti područja.
• Potencijalno izumiranje nekih biljnih ili životinjskih vrsta.
• Poremećenje migracije ribljih vrsta.

Tipovi hidroelektrana

Tri su osnovna tipa: protočne, akumulacijske i reverzibilne.

Protočne hidroelektrane

Protočne hidroelektrane su one čija se uzvodna akumulacija može isprazniti za manje od dva sata rada kod nazivne snage ili takva akumulacija uopće ne postoji. Kinetička energija vode se skoro direktno koristi za pokretanje turbina. Ako postoji akumulirana voda onda se može regulirat vodeni tok i elektrana može služit kada je najveće opterećenje mreže ili za kontinuiranu proizvodnju električne energije dok bez akumulirane vode služi samo za najveća opterećenja mreže. Ovisne su o trenutno raspoloživom vodenom toku. Grade se na rijekama koje koje imaju konstantan protok tokom cijele godine ili imaju vrlo male razlike. Kinetička energija vode se skoro direktno koristi za pokretanje vodnih turbina. U protočnim hidroelektranama upotrebljavaju se Kaplan turbine.

Prednosti protočnih hidroelektrana

• Imaju mali utjecaj na okoliš i izgradnjom protoćnih elektrana smanjuje se utjecaj termoelektrana za vrijeme vršnih opterećenja mreže
• Ne stvara se akumulirana voda i voda ne mjenja svoj prirodni tok. Nije potrebno raseljavat okolno stanovništvo jer ne dolazi do poplava

Nedostaci protočnih hidroelektrana

• Zbog toga što imaju malen vodeni kapacitet ili uopce nemaju, ne moze zadovoljit ukupnu potražnju koju mreža zahtjeva
• Ovise o prirodnom toku rijeke ,nemaju konstantnu proizvodnju elektrićne energije tokom cijele godine

Primjer protočne hidro elektrane je HE Đale sa strojarnicom u tijelu armiranobetonske gravitacijske brane. Akumulacijsko jezero HE Đale služi za dnevno izravnanje protoka. Branom visine 40,5 metara ostvaruje se akumulacija za dnevno izravnanje dotoka. Maksimalni obujam akumulacije je 3,7 hm3. Ukupna instalirana snaga HE Đale je 40,8 MW (2 Kaplanove turbine x 20,4 MW iz 1989.). Raspoloživi konstruktivni pad vode je 21 metar. Ukupni instalirani volumni protok je 220 m3/s (2 x 110 m3/s). Srednja godišnja proizvodnja električne energije je 128 GWh, dok je masimalna proizvodnja bila 208 GWh (2010.)

Slika 2.4.1.3.1/1. HE "ĐALE" - protočna hidroelektrana, ukupna snaga 40.8MW

http://www.konstruktor-split.hr/reference/tabid/905/agentType/View/PropertyID/892/Default.aspx

Slika 2.4.1.3.1/2. HE "ĐALE"-shematski prikaz

http://hand2hand2hand.blogspot.com/2012/12/hydroelectric-power-generation.html

Akumulacijske hidroelektrane

Akumulacijske su najčešće hidroelektrane, dobra strana je mogućnost akumulacije jeftinog izvora energije kad je ima u izobilju i planiranje potrošnje po potrebi. Snaga akumulacijske hidroelektrane zavisi o visini vodenog stupca između površine vode u akumulacijskom jezeru i odvodu koji se nalazi poslije vodene turbine. Rade na način da skladištu potencijalnu energiju stvaranjem akumulacijskog jezera. Tlačna cijev služi za protok vode od akumulacijskog jezera do vodene turbine. Hidroelektrane se mogu podijeliti prema smještaju strojarnice, prema načinu korištenja vode, prema obujmu akumulacijskog bazena i raspoloživom padu.

Prema smještaju strojarnice

• Pribranske hidroelektrane - čija je strojarnica smještena ispod same brane.Primjer pribranske hidroelektrane je HE Peruća.

HE Peruća je hidroelektrana na rijeci Cetini. Sagrađena 1960. godine sa snagom od 41,6 MW na dva generatora od 20,8 MW, koja je poslije renoviranja pojačana na 61,4 MW na dva Francisova generatora od 30,7 MW. bBrana je duga 467 metara, visoka 67 metara te ima volumen od 925 000 m3. Brana je građena od prirodnog materijala naročito gline koja je kao materijal gotovo vodonepropusna. Nakon što je brana nasuta na njoj je navučena betonska ovojnica koja je spriječila osipanje nasutog materijala.

Slika 2.4.1.3.2/1. HE "Peruća"

http://hr.wikipedia.org/wiki/Datoteka:HE_Peruca_1.jpg

Slika 2.4.1.3.2/2. HE ˇ"Peruća" -shematski prikaz

http://hr.wikipedia.org/wiki/Datoteka:Hydroelectric_dam_hr.svg

• Derivacijske hidroelektrane - strojarnica je smještena puno niže i spojene su cjevovodima s akumulacijskim jezerom. Primjer derivacijske hidroelektrane je HE Zakučac.

HE Zakučac je hidroelektrana na rijeci Cetini. Ukupna instalirana snaga HE Zakučac je 486 MW (2 Francisove turbine x 108 MW iz 1962. + 2 Francisove turbine x 135 MW iz 1980.). Maksimalna godišnja proizvodnja električne energije je 2 430 GWh (2010.), dok je srednja godišnja proizvodnja 1440,46 GWh.

Slika 2.4.1.3.2/3. HE ˇ"Zakučac"

http://hr.wikipedia.org/wiki/Datoteka:HE_Zakucac_3.jpg

Prema veličini akumulacijskog jezera

• Dnevnom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni po noći, a prazni po danu
• Sezonskom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni tijekom kišnog, a prazni tijekom sušnog razdoblja
• Godišnjom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni tijekom kišnih, a prazni tijekom sušnih godina

Prema raspoloživoj visini pada vodotoka

• Niskotlačne, grade se za specifične padove do 25m. Pri tome je karakteristično da im cjelokupni pad stoji na raspolaganju neposredno kod elektrane, bez potrebe za tlačnim dovodima i cjevovodima. Mogu biti pribranske i derivacijske. Koriste se takozvane Kaplanove turbine koje rade slično kao i Francisove turbine, s tim da je broj lopatica daleko manji. Primjerice, na rijeci Dravi izgrađene su tri niskotlačne, derivacijske hidroelektrane (HE Sjever).

• Srednjotlačne, s padom između 25 i 200 m. Mogu biti pribranske i derivacijske, koje se najčešće grade na mjestima gdje rijeka stvara zavoj koji se tada presiječe kanalom ili cjevovodom.Koriste se takozvane Francisove turbine, kod kojih provodni dio s lopaticama okružuje kotač. U provodnom dijelu ovih turbina potencijalna se energija vode samo djelomično pretvara u kinetičku, tako da s određenim pretlakom dospijeva u obrtno kolo (kotač) i njemu predaje svoju energiju.

• Visokotlačne, grade se u brdovitim krajevima za padove veće od 200 m. Mogu biti pribranske i derivacijske. Radi li se o pribranskim hidroelektranama, s obzirom na veličinu pada vodotoka, ove hidroelektrane su obično s djelomičnom ili potpunom godišnjom regulacijom protoka i mogućnošću vršnog rada u tijeku dana. Najčešće su međutim visokotlačne hidroelektrane derivacijske budući da su zahvat i strojarnica prostorno odijeljeni; voda se naime dovodi do turbina cjevovodom dugačkim i više kilometara. Primjenjuju se takozvane Peltonove turbine kod kojih se potencijalna energija vode u provodnom dijelu potpuno pretvara u kinetičku, i u obliku vodenog mlaza pokreće lopatice turbine pretvarajući kinetičku energiju u mehaničku.

Prema instaliranoj snazi

• velike
• male
• mikro
• piko

• Razlika između velikih i malih hidroelektrana, odnosno donji i gornji granični iznosi snage u cijelom svijetu pri tome nisu jednoznačno određeni pa se, na primjer, mogu kretati od 5 kW (u Kini) do 30 MW (SAD-u), dok se kod nas malom smatra HE snage između 50 i 5000 kW. Također valja reći da u nekim zemljama postoji i dodatna podjela hidroelektrana malih snaga na mikro, mini i male hidroelektrane.

Slika 2.4.1.3.2/4. Velika akumulacijska hidroelektrana Tri kanjona u Kini, (potopljeno je 118 gradova i iseljeno oko 1.000.000 ljudi)

http://www.eoearth.org/article/Three_Gorges_Dam,_China

Slika 2.4.1.3.2/5. Mikro hidroelektrana u Vjetnamu

http://hr.wikipedia.org/wiki/Datoteka:Nw_vietnam_hydro.jpg

Reverzibilne hidroelektrane

To je posebna vrsta hidroelektrane koja osim što proizvodi električnu energiju iz vode kao i svaka druga hidroelektrana, tu istu vodu može pumpati u doba kada je to najisplativije, (najjeftinije) što je uglavnom noću. reverzibilne hidroelektrane (eng.: pumped-storage plant), koja ima dva skladišta vodene mase. To su:

• Gornje akumulacijsko jezero je isto kao kod klasičnih hidroelektrana. Gradnjom brane osigurava se akumulacija vode, koja protiče kroz postrojenje i rezultira proizvodnjom električne energije.
• Donje akumulacijsko jezero ulijeva se u drugo, donje, akumulacijsko jezero, umjesto da se vraća u osnovni tok rijeke.

Reverzibline elektrane su vrlo ekonomične jer poravnava razlike u opterečenju mreže. Reverzibilna turbina/generator može se ponašati i kao pumpa i kao turbina. U razdoblju niske potražnje električne energije voda se pumpa iz nižeg u viši spremnik vode. U razdoblju više potražnje za električnom energijom voda se propušta, kroz turbinu natrag u niži rezervoar i pritom se proizvodi električna struja. Ovaj tip hidroelektrana je najisplativiji za spremanje velike količine potencijalne energije vode koja može kasnije biti upotrebljena za proizvodnju električne energije. Uzimajući u obzir gubitke uslijed isparavanja akumulirane vode i gubitke uslijed pretvorbe, približno 70% do 85% električne energije koja se koristi za pumpanje vode u viši spremnik može biti ponovno dobijeno, su kritični čimbenici pri odlučivanju o izgradnji. Relativno niska gustoća energije pumpanog spremnika iziskuje ili veliku količinu vode ili veliku razliku u visini između dvaju spremnika. Jedini način da stvorimo značajniju količinu električne energije je taj da imamo veliku količinu vode na što višem mjestu iznad donjeg spremnika. Na nekim područjima ovo se pojavljuje prirodno, a na nekim je čovjek svojim djelovanjem to omogućio. Novi planovi za sustave napumpanih spremnika je iskoristit što je više moguće vjetroturbine ili solarnu energiju za pogon pumpi. To bi moglo omogućiti da cijeli proces bude mnogo učinkovitiji i da se uglade promjenjivosti energije dobijene od vjetra ili sunca.

Prednosti reverzibilnih hidroelektrana

• Spremanje velike količine potencijalne energije vode , koja kasnije može biti upotrebljena za proizvodnju električne energije
• Poravnava razlike u opterečenju mreže
• Dozvoljava termoelektranama , nuklearnim elektranama, obnovljivim izvorima da rade s vršnom iskoristivošću , a da pritom se izbjegne rad na maksimalnom opterečenju
• Velike uštede goriva za termoelektrane

Nedostaci reverzibilnih hidroelektrana

• Veliki investicijski troškovi
• Ne moze zadovoljit ukupnu potražnju koju mreža zahtjeva

RHE Velebit sastoji se od gornjeg umjetno jezero koje se zove Štikada, te se nalazi iza Velebita na Gračačkoj visoravni. Voda iz jezera Štikade se u turbinskom radu spušta dolje i koristi za proizvodnju električne energije, a u crpnom radu se ta ista voda pumpa u to gornje jezero. Prosječni srednji godišnji dotok u to jezero je 11,94 m3/s. Ukupna instalirana snaga hidroelektrane je 276 MW (instalirana snaga vodnih turbina), dok je u crpnom režimu snaga 240 MW (instalirana snaga crpki).

Slika 2.4.1.3.3/1. RHE Velebit

http://www.geog.pmf.hr/e_skola/geo/mini/obnov_izvori_energ/hidroenergija.html

Slika 2.4.1.3.3/2. Presjek kroz tlačni cjevovod, strojarnicu i odvodni tunel RHE Velebit

http://www.hk-phy.org/energy/alternate/print/hydro_is_print_e.html

Literatura korištena za "Tipovi hidroelektrana"

• http://en.wikipedia.org/wiki/Pumped-storage_hydroelectricity
• http://hr.wikipedia.org/wiki/Hidroelektrana_Velebit
• http://en.wikipedia.org/wiki/Run-of-the-river_hydroelectricity
• http://hr.wikipedia.org/wiki/Hidroelektrana
• http://www.darvill.clara.net/altenerg/pumped.htm
• http://www.ijitee.org/attachments/File/v3i2/B0971073213.pdf

Male hidroelektrane

Uvod

Velike količine vode u cjevovodima pitke vode same se nameću kao potencijalni izvor energije. S obzirom da je protok kroz cjevovod postoji kod vodocrpilišta, posebno na dijelu cjevovoda oko izvorišta, vodosprema i crpilišta, gdje se tok vode kroz cijevi uglavnom postiže samom gravitacijskom silom, postavljanje turbine i pripadnih električnih generatora su zahvati koji ne ugrožavaju dobavu pitke vode, a istovremeno proizvode električnu energiju. Svjetski energetski trend posljednjih godina je sve veći iskorak ka obnovljivim izvorima energije. Za male hidroelektrane se smatra da nemaju nikakav štetan utjecaj na okoliš, za razliku od velikih čija se štetnost opisuje kroz velike promjene ekosustava (gradnja velikih brana), utjecaji na tlo, poplavljivanje, utjecaji 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.

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.

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. Generalno, klasifikacija hidroelektrana na velike i male se vrši prema instaliranoj snazi, klasifikacija se vrši od strane nacionalnih energetskih odbora. Male hidroelektrane se često dalje kategoriziraju u male, mini i micro hidroelektrane.

Tablica 2.4.1.4/a kategorizacija malih hidroelektrana u nekim zemljama

Zemlja	micro	mini	male
	[kW]	[kW]	[MW]
SAD	<100	100 - 1000	1 - 30
Kina	-	<500	0,5 - 25
Francuska	5 - 5000	-	-
Indija	<100	101 - 1000	1 - 15
Brazil	<100	101 - 1000	1 - 30
općenito	<100	<1000	<10

Tablica 2.4.1.4/b Instalirana snaga i hidropotencijal na svjetskoj razini

Svjetski izvori	Instalirana snaga hidroelektrana	Instalirana snaga malih hidroelektrana
	680 GW	47GW
	Hidroenergetski potencijal	Hidroenergetski potencijal za male hidroelektrane
	3000 GW	180 GW

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.

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

U Republici Hrvatskoj trenutno je u pogonu 18 hidroelektrana (izvor: "MAHE: program izgradnje malih hidroelektrana: prethodni rezultati i buduće aktivnosti", 1998.).

Tablica 2.4.1.4/c Popis malih hidroelektrana u RH (izvor: "MAHE: program izgradnje malih hidroelektrana: prethodni rezultati i buduće aktivnosti", 1998.)

Male hidroelektrane	Instalirana snaga [MW]		Godina puštanja u pogon
	Po generatoru	Ukupno
HE Jaruga	2 x 2,8	5,6	1898.
HE Ozalj I	2 x 1 + 2 x 0,8	3,6	1908.
HE Roški Slap *	2 x 0,886	1,772	1910.
HE T.C. "10. kolovoz" Majdan **	2 x 0,6	1,2	1913.
HE Zeleni Vir	2 x 0,85	1,7	1922.
HE P.I. "Duga Resa" **	0,53 + 0,25 + 0,32	1,1	1937.
HE Ozalj II	2 x 1,1	2,2	1952.
HE Zavrelje	1,5	1,5	1953.
HE Čakovec	0,34	0,34	1982.
HE Krčić	0,44	0,44	1988.
HE Dubrava	2 x 0,34	0,68	19889.
HE Finvest I *	4 x 0,315	1,26	1995.
HE Finvest II *	0,03	0,03	1997.
Kupčina 6 - Stančaki *	0,045	0,045	-
Orljava 7 - Požeška Kopanica*	0,065	0,065	-
Pribranske elektrane biološkog minimuma
HE Varaždin	0,585	0,585	1975.
HE Čakovec	1,1	1,1	1982.
HE Dubrava	1,12	1,12	1989.
Ukupno		24,337

• .^*u privatnom vlasništvu
• .^**u sklopu industrijskog pogona
• vlasništvo Hrvatske elektroprivrede

Glavni dijelovi malih hidroelektrana su sljedeće strukture i uređaji:

• građevinski objekti
• hidromehanička oprema
• elektrostrojarska oprema
• priključak na dalekovodnu mrežu

Slika 2.4.1.4/1. Princip sustava male hidroelektrane

http://hr.wikipedia.org/wiki/Hidroelektrane

Tehnička rješenja malih hidroelektrana u cilju zaštite okoliša

Da bi se hidroelektrana smatrala malom hidroelektranom, sa ciljem zaštite okoliša, pod samim pojmom se kategoriziraju energetski objekti koji iskorištavaju hidropotencijal, a istovremeno imaju sljedeća svojstva:

• karakterizira ih protočni rad ili iznimno mala akumulacija (minimiziran utjecaj na vodotok)
• paralelan rad sa mrežom i ugradnja asinkronih generatora
• kod objekata sa instaliranom snagom manjom od 100 kW nema gradnje trafostanice već se predviđa izvedba transformatora na stupu
• postrojenje se sastoji od brane (niskog preljevnog praga), dovodnog kanala i/ili cjevovoda, zgrade strojarnice i odvodnog kanala
• preljevni prag služi samo zato da uspori vodotok prije ulaska u dovodni kanal
• umjesto niskog preljevnog kanala može se upotrijebiti tzv. tirolski zahvat
• dovodni kanal zatvorenog tipa predviđen je samo za vođenje zahvaćene vode po strmim obroncima i većim dijelom je ukopan (može biti i potpuno ukopan)
• dovodni kanal otvorenog tipa predviđen je za veće količine vode i u pravilu se nalazi na manje strmim terenima
• tlačni cjevovod treba biti što manjih dimenzija i predviđen je da vodu najkraćim putem dovede do strojarnice
• zgrada strojarnice je što manjih gabarita i operacija je u potpunosti automatizirana
• odvodni kanal je otvoren i kratak i njime se voda vraća iz strojarnice u vodotok (ova voda je gotovo redovito jako obogaćena kisikom, tako da se ribe rado zadržavaju u ovom području)

Ako se pri kategorizaciji i projektiranju malih hidroelektrana drži ovih načela utjecaji na okoliš su svedeni na minimum.

Utjecaj na okoliš

Male hidroelektrane, u slučaju da su izbor lokacije i tehnološkog rješenja primjereni, nema gotovo nikakvih štetnih utjecaja na okoliš. Ako taj utjecaj i postoji, onda je on toliko mali da ne može biti mjerljiv i ne može se sa sigurnošću pripisati postojanju i radu male hidroelektrane, a ne nekom drugom od mogućih utjecaja.

Prednosti iskorištenja energije vodotokova se u prvom redu očituju u eliminiranju emisija štetnih plinova u atmosferu koju susrećemo kod elektrana na fosilna goriva. Dok je kod velikih hidroelektrana, kao posljedica gradnje velike brane sa zaštitnim mrežama koje se nalaze prije ulaska u turbinski dovodni kanal ipak prisutna emisija metana zbog zadržavanja žive tvari na zaštitnoj mreži koja tamo truli i emitira metan kao posljedicu procesa raspada organske materije, kod malih hidroelektrana brane su male, preljevne, a u slučaju, tzv., tirolskog zahvata kanal ne smije sadržavati zaštitnu mrežu i voda sa svim tvarima koje nosi sa sobom u nepromijenjenom sadržaju struji kanalom. Ovakva filozofija gradnje i tehnologija u potpunosti isključuje ikakve štetne emisije u atmosferu.

Procjena je da male hidroelektrane, instalirane snage od oko 5 MW, godišnjom produkcijom energije zamjenjuju oko 1400 toe fosilnih goriva, a time i smanjuju emisiju stakleničkih plinova u količini od 16 000 tona CO₂ i 1100 tona SO₂ godišnje. Zagađenje bukom je ispod svih minimalnih propisanih i predloženih razina zbog sofisticirane tehnologije koja je danas postala pravilo pri konstruiranju strojarnice male hidroelektrane.

Pri planiranju gradnje male hidroelektrane posebnu pozornost treba posvetiti:

• adekvatnom izboru lokacija malih hidroelektrana
• protoku vode
• riziku od pogrešnog gospodarenja vodenim resursima
• nedostatku biološkog minimuma količine vode
• utjecaju na floru i faunu

Također bi trebalo posebno naglasiti doprinos takvih postrojenja razvitku gospodarstva, pogotovo u nerazvijenim i dislociranim područjima.

Pogonski troškovi i mogući problemi pri provedbi projekta

Svako energetsko postrojenje, osim proizvodnje energije, također koristi i energiju za vlastiti rad. Ti troškovi se nazivaju pogonskim troškovima.

Kod vodoopskrbnih sustava u cjevovodima, hidraulička snaga koja se manifestira porastom tlaka anulira se prigušnim elementima koji su potrošači energije. Samo prigušenje tlaka može se također dobiti postavljanjem turbina na pogodna mjesta u cjevovodu i time je iz vodoopskrbnog cjevovoda moguće dobiti dio energije potrebne za, npr., pogon pumpi. Ako je moguće dobiti suvišak energije, ta energija se može dalje eksploatirati ili prodavati, čime se minimiziraju pogonski troškovi postrojenja i dodatno proizvodi korisna energija uz ekonomske beneficije.

Problemi vezani za projektiranje i puštanje u rad male hidroelektrane leže u ekonomskim i zakonodavnim izvorima. Gradnja male hidroelektrane je ekonomski zahtjevan projekt i danas je u Republici Hrvatskoj glavni problem nezainteresiranost mjerodavnih tijela za ulaganja u obnovljive izvore energije.

Dodatni problem predstavljaju česti neriješeni imovinsko-pravni odnosi na potencijalnim lokacijama izgradnje malih hidroelektrana ili implementacije istih u vodoopskrbne sustave, kao i neriješena katastarska pitanja i njihovo sporo rješavanje.

Hidroelektrane u Republici Hrvatskoj

Hidroelektrane u Republici Hrvatskoj čine više od polovice izvora u strukturi elektroenergetskog sustava. Time Republika Hrvatska spada među vodeće zemlje u proizvodnji energije iz obnovljivih izvora. U pogonu je 26 hidroelektrana, akumulacijskog i protočnog tipa, a raspoređene su u tri proizvodna područja (PP HE Sjever, PP HE Zapad i PP HE Jug) uz pogon HE Dubrovnik kao samostalno proizvodno područje. Prema raspoloživoj snazi, hidroelektrane se klasificiraju na 17 velikih hidroelektrana (više od 10 MW), oko 20 malih hidroelektrana (0.5-10 MW) i nekoliko mini (0.1-0.5 MW) i mikroelektrana (5-100 kW). Prva velika hidroelektrana u Republici Hrvatskoj, HE Jaruga, izgrađena je još 1895. godine i puštena u rad 1903. godine, dok se zadnja velika hidroelektrana, HE Lešće, počela graditi 2005. godine te je puštena u rad 2010. godine. Što se tiče buduće gradnje, Hrvatska Elektroprivreda d.d. (HEP) planira izgradnju nove velike hidroelektrane na početku zaljeva Rijeka Dubrovačka u blizini izvora Ombla predviđene nazivne snage od 68 MW. Sve hidroelektrane u Republici Hrvatskoj imaju certifikate o proizvodnji električne energije iz obnovljivih izvora. Nedostaci hidroelektrana su nanosi mulja i pijeska koji se talože u vodenom bazenu hidroelektrana i na taj način smanjuju dubinu vodenog bazena koji gubi svoju ulogu, promjena okoliša pri gradnji brana u vidu uništavanja gospodarskih i prirodnih dobara te uništavanja flore i faune.

Tablica 2.4.1.5/a Popis velikih hidroelektrana u RH

Naziv hidroelektrane	Nazivna snaga [MW]	Tip hidroelektrane	Proizvedena energija u 2012. godini [GWh]
HE ZAKUČAC	486	Derivacijska	827
HE SENJ	216	Derivacijska	687
HE DUBROVNIK	216	Akumulacijska	640
HE VARAŽDIN	94	Derivacijska s akumulacijom za dnevno uređenje dotoka(višenamjenska)	457
HE ORLOVAC	237	Akumulacijska	127
RHE VELEBIT	276/240	Reverzibilna/akumulacijska	470/228,7
HE ČAKOVEC	76	Derivacijska s akumulacijom za dnevno i djelomično tjedno uređenje dotoka(višenamjenska)	378
HE DUBRAVA	76	derivacijska s akumulacijom za dnevno i djelomično tjedno uređenje dotoka(višenamjenska)	387
HE GOJAK	55,5	Akumulacijsko/protočna	175
HE VINODOL	94,5	visokotlačna akumulacijska derivacijskog tipa	123
HE ĐALE	40,8	Pribranska akumulacijska	78
HE MILJACKA	24	Derivacijska	51
HE PERUČA	60	Pribranska s akumulacijskim jezerom	56
HE RIJEKA	36,8	Protočna	79
HE SKLOPE	22,5	Pribranska	50
HE KRALJEVAC	46,4	Derivacijska, protočna	39
HE LEŠĆE	55,5	Akumulacijsko/protočna	77

Slika 2.4.1.5/1. HE Varaždin

Slika 2.4.1.5/2. HE Peruća

Tablica 2.4.1.5/b Popis malih hidroelektrana (uz mini i mikrohidroelektrane) u RH

Naziv hidroelektrane	Nazivna snaga [MW]	Tip hidroelektrane	Proizvedena energija u 2012. godini [GWh]
MHE JARUGA	7,2	Derivacijska	24
MHE OZALJ	5,5	protočna	21
MHE GOLUBIĆ	7,5	Derivacijska	12
MHE ZELENI VIR	1,7	Derivacijska,protočna	6,7
MHE ROŠKI SLAP	1,764	Derivacijska	7,5
MHE DUBRAVA	1,1	Višenamjenska	7,3
MHE ČAKOVEC	1,1	Višenamjenska	6,8
CHE FUŽINE	4,6	Crpna	1,8
MHE ZAVRELJE	2	Akumulacijska	5
m He DUBRAVA	0,68	Višenamjeska	4,0
MHE VARAŽDIN	0,58	Višenamjenska	3,8
MHE TVORNICA CEMENTA MAJDAN	1,2		3,5
MHE FINVEST I	1		3,2
m HE ČAKOVEC	0,34	Višenamjenska	2,2
MHE PAMUČNA INDUSTRIJA DUGA RESA	1,1		2,0
m HE KRČIĆ	0,375	Derivacijska	1
m HE PLETERNICA	0,22		1,1
RHE LEPENICA	1,14	Reverzibilna	0,4
µHE BUJAN-KUPČINA	0,03		0,1
µHE FINVEST II	0,03		0,1
µHE MATAKOVIĆ	0,015		0,1
µHE URH-ČABRANKA	0,008		0,05

MHE - mala hidroelektrana ;

m HE - mini hidroelektrana ;

µHE - mikro hidroelektrana

Slika 2.4.1.5/3. Hidroelektrane u RH

Korištena literatura za uređivanje odlomka : Hidroelektrane u Republici Hrvatskoj

(1) Hidroelektrane, Wikipedia : http://hr.wikipedia.org/wiki/Hidroelektrana ;

(2) Hidroelektrane u RH , Wikipedia: http://hr.wikipedia.org/wiki/Hidroelektrane_u_Hrvatskoj ;

(3) Hidroelektrane, HEP : http://www.hep.hr/proizvodnja/osnovni/hidroelektrane/

Vjetroelektrane

Uvod

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 2.4.2.1/1. 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 2.4.2.1/2. 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 2.4.2.2/1. Osnovni dijelovi turbine okomitog vratila

Segmenti turbine okomitog vratila (prikazane na slici 2.4.2.2/1.) 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.

Slika 2.4.2.2/2. 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.

Slika 2.4.2.5/1. Cijena električne energije iz vjetroelektrana po godinama

Vjetroenergetika u Hrvatskoj

Vjetroelektrane u Hrvatskoj započele su svoj razvoj 1988. godine, kada Končar postavlja prvi vjetroagregat u brodogradilištu Uljanik, koji je u međuvremenu obustavljen, ali se i danas tamo nalazi. Trenutno u Hrvatskoj ima 9 aktivnih vjetroelektrana koje zajedno daju snagu od 176,25 MW i isporučuju električnu energiju u elektroenergetski sustav Hrvatske.

U planu je izgradnja novih 7 vjetroelektrana. Za primjer, samo ove godine u pogon su puštene VE Ponikve i VE Bruška, započeti su radovi na VE Jelinak i VE Glunča i dodano je 5 novih agregata na VE Pometeno Brdo. Za ovu godinu planiran je početak izgradnje VE Bubrig, Crni Vrh i Velika Glava, a u sljedećih godinu dana i VE Rudine (iako se trenutno ne nalazi u kvoti). Također, za budućnost su planirane izgradnja VE Voštane i VE Kamensko, zajedničke snage do 40 MW, VE Zelengrad, snage 42 MW i VE Ogorje snage 44 MW. (izvor: hep.hr)

Tablica 2.4.2.6/a Postojeće vjetroelektrane i njihove karakteristike: (izvor: Wikipedia, koncar-ket.hr, hep.hr)

Vjetroelektrana	Instalirana snaga (MW)	Županija	Godišnja proizvodnja (GWh)	Vjetroagregati i modeli	Puštena u rad
VE Vrataruša	42	Ličko- senjska	125	14 × Vestas V90 - 3 MW	2010.
VE Bruška	36,8	Zadarska	122	16 × Siemens SWT-93 - 2,3 MW	2012.
VE Ponikve	34	Dubrovačko- neretvanska	122	16 × Enercon E-70 - 2,3 MW	2013.
VE Trtar- Krtolin	11,2	Šibensko- kninska	28	14 × Enercon E-48 - 0,8 MW	2006.
VE Crno Brdo	10	Šibensko- kninska	27	7 × Leitwind LTW77 – 1,5 MW	2011.
VE Orlice	9,6	Šibensko- kninska	25	11 × Enercon (3 x E-48 – 0,8 MW + 8 x E-44 – 0,9 MW)	2009.
VE Velika Popina	9,2	Zadarska	26	4 × Siemens SWT 93 – 2,3 MW	2011.
VE Ravne 1	5,95	Zadarska	15	7 × Vestas V52 – 0,85 MW	2005.
VE Pometeno Brdo	17,5	Splitsko- dalmatinska	15	16 × Končar (15 × KO-VA 57/1 – 1 MW+1 × VA K80-2,5 MW)	2012.
UKUPNO	176,25		505	105

Najveća vjetroelektrana u Hrvatskoj je VE Vrataruša u blizini Senja, na obroncima Velebita. Izgrađena je 2009. godine, ali je zbog dugog probnog perioda puštena u pogon u siječnju 2011. Elektrana ima ukupno instaliranih 42 MW snage što ju čini najvećom u ovom dijelu Europe i ujedno je i prva vjetroelektrana u Hrvatskoj priključena na prijenosnu mrežu, na 110 kV. Sastoji se od 14 vjetroagregata pojedinačne snage 3 MW.

Slika 2.4.2.6/1. VE Vrataruša kod Senja, snage 42 MW, najveća vjetroelektrana u Hrvatskoj (izvor: Wikipedia)

Vjetroelektrana Pometeno Brdo najznačajnija je po tome što je prva na kojoj su korišteni vjetroagregati koji su proizvedeni i dizajnirani u Hrvatskoj. Tvrtka Končar prije 5 godina postavila je prve agregate koje su počeli razvijati 2004. godine, a danas radi svojim punim predviđenim kapacitetom sa ukupno instaliranih 16 vjetroagregata i 17,5 MW.

Slika 2.4.2.6/2. VE Pometeno Brdo kraj Dugopolja

Vjetropotencijal u Hrvatskoj

Vjetropotencijal je najvažniji element za izbor lokacije vjetroelektrane. U godišnjem hodu najveća srednja brzina vjetra javlja se u siječnju ili veljači, što su ujedno i mjeseci s najviše bure. Jugo u jadranskim ciklonama može znatno povisiti srednju brzinu vjetra u rano proljeće ili kasnu jesen. Kako Jadran ne obiluje jakim i olujnim vjetrom, pogodan je za iskorištavanje energije vjetra. Tome u prilog govori i činjenica što se određeni smjerovi vjetra često javljaju i dugo traju. Međutim, potencijal bure i juga nije moguće potpuno iskoristiti. Naime, vjetrovi ovakvog tipa vrlo često imaju jake udare, i do preko 100 km/h i velike oscilacije u brzini što ne samo da nije moguće iskoristiti za proizvodnju električne energije, nego i dodatno povećava zahtjeve na mehaničku stabilnost vjetroturbina. Zato se biraju lokacije na kojima bura i jugo rijetko dosežu orkansku snagu.

Atlas vjetra za cijelu Hrvatsku ne postoji, iako je u travnju ove godine Energetski institut Hrvoje Požar predstavio Atlas vjetra Zadarske županije. To istraživanje pokazalo je kako Zadarska županija ima najviše potencijala za gradnju vjetroelektrana u cijeloj Hrvatskoj. Županije koje također imaju veliki vjetropotencijal su Dubrovačko- neretvanska, Splitsko- dalmatinska i Šibensko- kninska. (izvor: eihp.hr)

Slika 2.4.2.6/3. Potencijalne lokacije vjetroelektrana u Hrvatskoj (izvor: atlas.geog.pmf.unizg.hr)

Bitno je napomenuti da je Vlada Uredbom o uređenju i zaštiti zaštićenog obalnog područja zabranila između ostalog i gradnju vjetroelektrana na otocima i obali 1000 metara od obalne crte. Sve je više glasova protiv takve zabrane, kako među energetičarima, tako i među aktivistima u zaštiti okoliša i predstavnicima lokalne samouprave u područjima gdje je planirana takva gradnja. Primjerice, Novalja je u prostornom planu predvidjela gradnju vjetroelektrane na predjelu Komorovac. (izvor: www.vjesnik.hr)

U pogledu daljnjeg razvoja elektro- energetskog sustava u Hrvatskoj u planu je značajnija integracija vjetroelektrana, ali to znači da ona podrazumijeva značajno povećanje troškova za energiju uravnoteženja, kao i za pomoćne usluge, te povećanje investicijskih ulaganja u razvoj i revitalizaciju prijenosne mreže. Napredak u integraciji neće biti moguć ukoliko se efikasno i cjelovito ne riješi problem sekundarne regulacije i energije uravnoteženja u cijelom elektro-energetskom sustavu Republike Hrvatske. Međutim, do 2020. godine, za troškove mjera poticanja primjene vjetroelektrana u proizvodnji električne energije predviđeno je preko 700 milijuna kuna, najviše što se tiče obnovljivih izvora nakon elektrana na biomasu. (izvor: vlada.hr)

Prema istom planu, kvota za vjetroelektrane određena je na brojku od 400 MW do 2020. godine, što je po nekim kritičarima premala brojka i vode se brojne rasprave upravo o toj temi.

O vjetroelektranama će se u Hrvatskoj u budućnosti sve više raspravljati, sve će ih više biti i one će postajati sve značajnije. Naravno, vjerojatno nikada neće biti vodeće u proizvodnji električne energije u RH, ali one su budućnost i u njih će se sve više ulagati.

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

Da bi se geotermalna energija iskoristila razvijene su mnoge tehnologije, pojednostavljeno možemo izdvojiti dva načina: izravno i neizravno. U izravno bi spadalo korištenje vruće vode koja izbija iz podzemlja za npr. toplice, za grijanje kućanstava i staklenika, za neki procese u industriji. A u neizravno, korištenje geotermalne energije za dobivanje električne.

Jedan od najzanimljivijih oblika iskorištavanja geotermalne energije je proizvodnja električne energije. Tu se koriste vruća voda i para iz Zemlje za pokretanje generatora, pa prema tome nema spaljivanja fosilnih goriva i kao rezultat toga nema niti štetnih emisija plinova u atmosferu, ispušta se samo vodena para. Dodatna prednost je u tome što se takve elektrane mogu implementirati u najrazličitijim okruženjima, od farma, osjetljivih pustinjskih površina pa sve do šumsko-rekreacijskih područja.

Počeci korištenja topline Zemlje za generiranje električne energije vežu se uz malo talijansko mjesto Landerello i 1904 godinu Tamo je te godine započelo eksperimentiranje s tim oblikom proizvodnje električne energije, kada je para upotrijebljena za pokretanje male turbine koja je napajala pet žarulja, a taj se eksperiment smatra prvom upotrebom geotermalne energije za proizvodnju električne energije. Tamo je 1911 počela gradnja prve geotermalne elektrane koja je završena 1913 i nazivna snaga joj je bila 250 kW. To je bila jedina geotermalna elektrana u svijetu kroz gotovo pola stoljeća. Princip rada je jednostavan: hladna voda upumpava se na vruće granitne stijene koje se nalaze blizu površine, a van izlazi vruća para na iznad 200 °C i pod visokim pritiskom i ta para onda pokreće generatore. Iako su sva postrojenja u Landerello-u uništena u drugom svjetskom ratu, postrojenja su ponovo izgrađena i proširena te se koriste još i danas. To postrojenje i danas električnom energijom napaja oko milijun domaćinstava tj. proizvede se gotovo 5000 GWh godišnje, što je oko 10% ukupne svjetske proizvodnje struje iz geotermalnih izvora. Iako je geotermalna energija obnovljivi izvor energije, tlak pare se u Landerello-u smanjio za 30% od 1950.

Slika 2.4.3/1. Pojednostavljeni princip generiranja električne energije iz geotermalnih izvora. Vruća para i voda koriste se za pokretanje turbina generatora, a iskorištena voda i kondenzirana para vraćaju se natrag u izvor.

Trenutno se koriste tri osnovna tipa geotermalnih elektrana:

Princip suhe pare (Dry steam) – koristi se iznimno vruća para, tipično iznad 235 °C (445 °F). Ta para se koristi za direktno pokretanje turbina generatora. Ovo je najjednostavniji i najstariji princip i još uvijek se koristi jer je to daleko najjeftiniji princip generiranja električne energije iz geotermalnih izvora. Spomenuta prva geotermalna elektrana na svijetu u Landerello-u koristila je taj princip. Trenutno se najveća elektrana koja koristi „Dry steam“ princip nalazi u sjevernoj Kaliforniji i zove se The Geysers, a proizvodi električnu energiju još od 1960 godine. Količina proizvedene električne energije iz tog postrojenja još uvijek je dovoljna za opskrbu grada veličine San Francisco-a.

Flash princip (Flash steam) – koristi se vruća voda iz geotermalnih rezervoara koja je pod velikim pritiskom i na temperaturama iznad 182 °C (360 °F). Pumpanjem vode iz tih rezervoara prema elektrani na površini smanjuje se tlak pa se vruća voda pretvara u paru u pokreče turbine. Voda koja se nije pretvorila u paru vraća se natrag u rezervoar zbog ponovne upotrebe. Većina modernih geotermalnih elektrana koristi ovaj princip rada.

Binarni princip (Binary cycle) – Voda koja se koristi u kod binarnog principa je hladnija od vode koja se koristi kod ostalih principa generiranja električne energije iz geotermalnih izvora. Kod binarnog principa vruća voda se koristi za grijanje tekućine koja ima znatno nižu temperaturu vrelišta od vode, a ta tekućina isparava ne temperaturi vruće vode i pokreće turbine generatora. Prednost tog principa je veća efikasnost postupka, a i dostupnost potrebnih geotermalnih rezervoara je puno veća nego kod ostalih postupaka. Dodatna prednost je potpuna zatvorenost sistema budući da se upotrijebljena voda vraća natrag u rezervoar pa je gubitak topline smanjen, a gotovo da i nema gubitka vode. Većina planiranih novih geotermalnih elektrana koristiti će ovaj princip. Princip koji će se koristiti kod izgradnje nove elektrane ovisi o vrsti geotermalnog izvora energije, tj. o temperaturi, dubini i kvaliteti vode i pare u odabranoj regiji.

U svim slučajevima kondenzirana para i ostaci geotermalne tekućine vraćaju se natrag u bušotinu i time se povećava izdržljivost geotermalnog izvora.

Budući da je procijenjena totalna količina geotermalne energije koja bi se mogla iskoristiti znatno veća nego sveukupna količina energetskih izvora baziranih na nafti, ugljenu i zemnom plinu zbrojenih zajedno trebalo bi geotermalnoj energiji svakako pridati veću važnost. Naročito ako se uzme u obzir da je riječ o jeftinom, obnovljivom izvoru energiju koji je usto i ekološki prihvatljiv. Budući da geotermalna energija nije svuda lako dostupna, trebalo bi iskoristiti barem mjesta na kojima je ta energija lako dostupna (rubovi tektonskih ploča) i tako barem malo smanjiti pritisak na fosilna goriva i time pomoći Zemlji da se oporavi od štetnih stakleničkih plinova

Elektrane na biomasu i otpad

Elektrane na biomasu i otpad su termoelektrane gdje se toplina potrebna za proizvodnju električne energije dobiva izgaranjem biomase i otpada. Pod biomasu spada svaki organski materijal koji ima neku energetsku vrijednost. Za razliku od ostalih energenata koji se koriste u konvencionalnim termoelektranama, biomasa spada pod obnovljive izvore energije. Izgaranjem biogoriva se u atmosferu oslobađa ista količina CO2 kao što bi to bio slučaj da nismo koristili biomasu za gorivo. Ugljik iz atmosfere je pohranjen u biljkama te bi u svakom slučaju ta količina CO2 bila oslobođena u atmosferu. Treba samo održavati princip obnovljivog izvora (isti broj posječenih i zasađenih drva). Isto kao i kod konvencionalnih termoenergetskih postrojenja, elektrane na biomasu i otpad posjeduju četiri glavna dijela – kotao, turbina, kondenzator i pumpa. Postoje dvije osnovne vrste tehnologije izgaranja u procesima koji se odvijaju u bioelektranama, a to su izgaranje na rešetci i izgaranje u fluidiziranom sloju.

Slika 2.4.4/1. Shema procesa u bioelektrani

Tehnologije izgaranja

Zbog manje homogenosti biomase od konvencionalnih energenata poput plina, nafte i ugljena potrebno je više prilagoditi tehnologije izgaranja takvoj vrsti goriva. Danas se najčešće koriste dvije tehnologije izgaranja – tehnologija izgaranja na rešetci i tehnologija izgaranja u fluidiziranom sloju

Slika 2.4.4.1/1. Drax Biomass Power Station

Tehnologija izgaranja na rešetci

Ova tehnologija izgaranja je tradicionalnija tehnologija. Korištena je duži niz godina i u isto vrijeme se dosta razvila pa su neki nedostatci otklonjeni. Izgaranje se odvija u kotlu. Na kotlu je smještena rešetka na kojoj se nalaze biomasa i otpad. Sam postupak izgaranja je sličan onome kod tehnologije izgaranja u fluidiziranom sloju, razlika je samo u pripremanju biomase i otpada za samo izgaranje. Tehnologija izgaranja u rešetci je pogodnija za kruta goriva (poljoprivredni i šumarski ostatci) te za postrojenja manje snage (do 5 MW). Kontrola i regulacija izgaranja se temelje na stvaranju turbulencije što pospješuje sam proces izgaranja. To se izvršava na način da se zrak upuhuje ispod same rešetke. Nedostatak ove tehnologije izgaranja jest veća nepotpunost izgaranja nego kod tehnologije fluidiziranog sloja. Nepotpunost izgaranja sama po sebi znači gubitak određene topline. To se može dogoditi zbog nedovoljne homogenosti goriva ili zbog nedovoljne količine zraka u ložištu. Zbog toga je pri samom procesu izgaranja potrebno pronaći ravnotežu između tih parametara jer preveliki pretičak zraka znači da je izgaranje nepotpuno te da je izlazna entalpija dimnih plinova veća nego li je poželjno.

Tehnologija izgaranja u fluidiziranom sloju

Tehnologija izgaranja u fluidiziranom sloju je naprednija i ekifasnija tehnologija izgaranja. Postoji razlika u pripremi samog goriva u odnosu na izgaranje na rešetci. Biomasa se miješa sa pijeskom kojeg ima više te nastaje granulirani sloj pijeska. Taj sloj se odvodi u kotao gdje se ubacuje predgrijani zrak pod nekim tlakom. Pošto pijeska u samom sloju ima više, pod utjecajem predgrijanog zraka se granulirani sloj raspršuje po cijelom prostoru što uzrokuje turbulencije koje pospješuju kontakt goriva sa kisikom. To uzrokuje bolju potpunost izgaranja koja iznosi oko 99% te sveukupnu korisnost kotla koja je otprilike 90% bez obzira na udio vlage u otpadu i jesu li komponente goriva slične kvalitete ili ne. Glavni nedostatak ove tehnologije izgaranja jest cijena koja je u odnosu na tehnologiju izgaranja na rešetci dosta veća pa se tehnologija fluidiziranog sloja koristi samo u bioelektranama snage preko 5 MW. Gledajući sveukupno, ova tehnologija izgaranja pruža veću fleksibilnost u pogledu zahtjeva na kvalitetu i vlažnost goriva. Kotlovi u kojima se koristi fluidizirani sloj mogu koristiti goriva sa visokom koncentracijom pepela i niskokalorična goriva poput raznih ostataka iz poljoprivredne proizvodnje i ostataka od sječe šuma što dodatno pospješuje fleskibilnost samog tehnološkog procesa.

Slika 2.4.4.3/3. Postrojenje u kojem se upotrebljava fluidizirani sloj kao tehnika izgranja

PV

Korištena literatura za uređivanje odlomaka : PV

(1) http://rgn.hr/~drajkovi/nids_damirrajkovic/skripta/Skripta_PiPE.pdf

(2) http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija#Karakteristike_pojedinih_.C4.87elija

(3) http://www.kreativna-energija.hr/default.aspx?tabid=3344

(4) http://hr.wikipedia.org/wiki/Fotovoltaici

(5) http://sh.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija

(6) http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:4EkodRgzmPUJ:www.infoteh.rs.ba/rad/2010/D/D-12.pdf+&cd=4&hl=hr&ct=clnk&gl=hr

(7) http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:tp8Fm_2qbi0J:www.etf.unssa.rs.ba/~slubura/diplomski_radovi/diplomski_jovancic.doc+&cd=1&hl=hr&ct=clnk&gl=hr

(8) http://www.ieee.hr/_download/repository/DR08ICvrk.pdf

(9) http://www.fer.unizg.hr/_download/repository/Predavanje03_UOIE.pdf

(10) http://powerlab.fsb.hr/enerpedia/index.php?title=ENERGETSKE_TRANSFORMACIJE#PV

(11) http://www.google.hr/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCoQFjAA&url=http%3A%2F%2Frgn.hr%2F~dkuhinek%2Fnids_daliborkuhinek%2F1%2520OEE-RN%2F5Seminari%2F2006_2007%2F17%2520Solarne%2520celije.PPT&ei=YKOHUuqzGsaS7QbNtoCgBA&usg=AFQjCNE7kSnthNbL-HrLIH33jeF6bTMNyg&sig2=2sIrDgJGy-WtZOE7yMYmdg

Uvod

Naziv fotonaponski sustav dolazi od riječi photovoltaic ili skraćeno PV što je složenica grčke riječi photo-svjetlo i pojma Volt koje dolazi od imena Alessandra Volte (1745-1827), začetnika proučavanja električne energije te se odnosi na napon. Suprotno solarnom grijanju, fotonaponski sustav direktno pretvara sunčevu energiju u električnu. Proces konverzije je zasnovan na fotoelektričnom efektu kojeg je otkrio Heinrich Rudolf Hertz 1887., a prvi ga objasnio Albert Einstein 1905. za što je 1921. dobio Nobelovu nagradu.Fotonaponski efekt je stvaranje napona u materijalu nakon izlaganja svjetlu. Iako je fotonaponski efekt izravno vezan uz fotoelektrični efekt, treba ih razlikovati. Kod fotoelektričnog efekta, elektroni se oslobađaju sa površine materijala nakon izlaganja dovoljnoj količini energije sunčeva zračenja. Fotonaponski efekt je drugačiji, kod njega se oslobođeni elektroni provode između molekula različitih spojeva materijala, što rezultira povećanjem napona između dvije elektrode.

Slika 46. Solarna elektrana Nellis, savezna država Nevada

Korisnost solarnih ćelija kreće se od svega nekoliko postotaka do četrdesetak posto. Ostala energija koja se ne pretvori u električnu uglavnom se pretvara u toplinsku i na taj način grije ćeliju. Općenito porast teperature solarne ćelije utječe na smanjene korisnosti ćelije.

Slika 47. . Dijagram prikazuje teorijsku efikasnost u ovisnosti o energiji praga za fotonaponske solarne ćelije

Prema načinu izrade fotonaponske ćelije se dijele na:

• monokristalne (najčešće Si, η oko 18 %)

• polikristalne (najčešće Si, η oko 14 %)

• amorfne (Si, η 4 do 6 %)

• tankoslojne (film CuInSe2, η oko 16%),

gdje je η korisnost.

Povezivanje ćelija u veće cjeline

Pojedine ćelije se slažu i povezuju u veće cjeline (panele) s ciljem osiguranja prikladnog napona i struje za različite aplikacije. Paralelno složene daju veću električnu struju dok serijski spojene ostvaruju viši napon. Tipične veličine snage takvih modula su između 10 W i 100 W vršne snage pri standardnim uvjetima, koji su: 1000 W/m² sunčevog zračenja i temperatura ćelije od 25°C. Standardna garancija proizvođača na takve proizvode iznosi 10 ili više godina.

Slika 48. . Prikaz povezivanja ćelija u veće cjeline

Primjena

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 međusobnu zavisnost P = U * I postoji idealna radna točka kada je taj umnožak najveći odnosno P_max za zadano osvjetljenje, tako da postoje sustavi regulacije koji osiguravaju P_max. Najčešća primjena je napajanje električnom energijom uređaja, industrijskih objekata, kućanstava na mjestima gdje nema električne energije, na lokacijama koji su udaljene od elektroenergetskog sustava ili je jeftinije ugraditi fotonaponski sustav nego napraviti instalacije za napajanje iz elektroenergetskog sustava. Koriste se na kao izvori napajanja na umjetnim satelitima i svemirskim stanicama. Fotonaponski sustav čine fotonaponske ćelije spojene sa baterijama i potrošačem.Postoje pokušaji da se PV ćelije koriste u transportu.

Slika 49. Prikaz BIPV (Building Integrated Photovoltaics)

Slika 50. Prikaz Stand-Alone sistema sa jednom od mogućih aplikacija u napajanju komunikacijskih i senzorskih uređaja

Fotonaponski sustavi mogu se povezivati i s drugim alternativnim izvorima energije kao što su vjetroturbine, hidrogeneratori, plinski i dizel agregati.

Prednosti upotrebe solarnih fotonaponskih sustava:

• 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 zagađuju okoliš

• pružaju mogućnost uvođenja električne energije na mjestima gdje bi to inače bilo preskupo ili čak neizvodivo

Nedostaci upotrebe solarnih fotonaponskih sustava

Najveći problem za modernu PV-industriju je cijena. Fotonaponske ćelije su skupe za nabaviti i proizvesti. Zahtjevi za kvalitetom silicija moraju biti izuzetno veliki. Iako je silicij jedan od zastupljenijih elemenata na svijetu, dobivanje njegovih najčišćih oblika zahtijeva specijalne uređaje tj. velike količine novca. Neki od ostalih nedostataka su : PV moduli nisu ekološki prihvatljivi u odnosu na druge energente jer zahtjevaju otrovne materijale za njihovu izradu.

• Solarna energija je često skuplja nego struja dobivena od drugih izvora.

• Solarna energija nije dostupna noću te pri lošim vremenskim uvijetima, stoga moramo koristiti spremnike.

• Solarne ćelije proizvode istosmjernu struju koji mora biti pretvorena kada se struja koristi u već postojećim razvodnim vodovima, to podrazumijeva gubitak energije od 4 do 12%.

• Solarna energija ima jako malu gustoću tj. daje malo energije po jedinici površine.

Građa Si - PV ćelije

Jedna fotonaponska ćelija sastoji se od dva ili više tankih slojeva poluvodićkog materijala (najčešće od silicija). Ispod silicija nalazi se tanki metalni vodljivi sloj. Kada se silicij izloži sunčevoj svjetlosti stvaraju se mali električni izboji koji se provode na metalni sloj kao istosmjerna struja (DC). Fotonaponski moduli će raditi i za vrijeme difuznog svjetla kada su oblačni dani, ali sa manje izlazne snage. 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. U svrhu zaštite ćelija, gornji sloj modula je najčešće zaštićen staklom. Fotonaponski moduli se međusobno spajaju u veće sustave te se tako izgrađuju PV sustavi bilo koje veličine.

Slika 51. Princip izrade fotonaponskih ćelija

Funkcioniranje

Da bi dobili električnu energiju fotoelektričnim efektom trebamo imati usmjereno gibanje fotoelektrona, odnosno struju. Sve nabijene čestice, a tako i fotoelektroni gibaju se usmjereno pod utjecajem električnog polja. Električno polje koje je ugrađeno u sam materijal nalazi se u poluvodičima i to u osiromašenom području PN spoja (diode). Za poluvodiče treba naglasiti da uz slobodne elektrone u njima postoje i šupljine kao nosioci naboja koje su svojevrstan nusprodukt pri nastanku slobodnih elektrona. Šupljina nastaje svaki put kada od valentnog elektrona nastane slobodni elektron i taj proces naziva se generacija, dok se obrnuti proces, kada slobodni elektron popuni prazno mjesto - šupljinu, zove rekombinacija. Ako parovi elektron-šupljina nastanu daleko od osiromašenog područja moguće je da rekombiniraju, prije nego što ih razdvoji električno polje. Parovi koji nastanu uz osiromašeno područje ili u njemu bivaju privučeni, i to šupljine prema P strani poluvodiča, te elektroni prema N strani poluvodiča. Zbog toga se fotoelektroni i šupljine u poluvodičima, nagomilavaju na suprotnim krajevima i na taj način stvaraju elektromotornu silu. Ako na takav sustav spojimo trošilo, poteći će struja i dobiti ćemo električnu energiju.

Slika 52. Fotoelektrična konverzija u PN spoju

Spektralna karakteristika PV

Pri fotoelektričnom efektu samo dio fotona može izazvati fotoelektrični efekt. Za pojedine materijale postoje različite granice energija fotona koje mogu izazvati fotoelektrični efekt. Na primjer, silicijska PV ćelija ima maksimum spektralne osjetljivosti za valnu duljinu od 800nm, tj. najbolje apsorbira svjetlost te valne duljine. PV iz različitih materijala imaju maksimalne spektralne osjetljivosti za raličite valne duljine. Pri upotrebi samo jednog materijala za izradu PV solarne ćelije veliki dio energetskog spektra fotona ostaje neiskorišten. Zbog toga se istražuju PV solarne ćelije izrađene od više PN spojeva, odnosno od više poluvodičkih materijala. Svaki materijal koristi dio spektra sunčevog zračenja. Ovakve solarne ćelije nazivaju se višeslojne fotonaponske solarne ćelije (eng. multijunction photovoltaic cells). Na ovaj način moguće je postići veće korisnosti, čak veće od teorijskih korisnosti pri upotrebi samo jednog materijala. Do sada su postignute korisnost FN solarnih ćelija do oko četrdesetak posto.

Povezivanje ćelija u veće cjeline

Povezivanje ćelija može biti izvedeno na dva načina:

1. Serijski – serijskim spajanjem dolazi do povećanja jakosti struje s povećanjem površine, izvodi se tako da se svi (+) polovi spoje na isti vodič, analogija i za (-) vodiče.
2. Paralelno – paralelnim spajanjem dolazi do povećanja napona s povećanjem površine, izvodi se tako da se naizmjenično spajaju (+) i (-) pol ćelija u nizu.

Datoteka:PV-010

Slika 2.4.5.3/3. U-I karakteristika serije i paraleledviju istih ćelija u istimuvjetima

Točne podatke radne karakteristike mogu dati jedino proizvođači ali su ovog reda veličine:

Napon praznog hoda U = 0,55-0,60 V, struja kratkog spoja I = 20-25 mA/cm², serijski unutarnji otpor Ra = 0,0025 W m²

Karakteristika solarne ćelije:

Iskoristivi napon ovisi o poluvodičkim materijalima i kod Si ćelija je oko 0.5 V. Napon praznog hoda je malo ovisan o Sunčevom zračenju dok jakost struje raste s porastom osvjetljenja. Izlazna snaga ćelije je također temperaturno zavisna. Viša temperatura ćelije uzrokuje manju efikasnost.

Karakteristike pojedinih ćelija

PV ćelije iz silicija se izvode u više morfoloških oblika kao monokristalne, polikristalne i amorfne.

Monokristalne Si ćelije. Sunčeve ćelije izrađene od monokristalnog silicija imaju tzv. homojunction strukturu, što znači da se sastoje od istog materijala koji je modificiran tako da je na jednoj strani ćelije p-sloj, a na drugoj n-sloj Si poluvodiča.Teorijska efikasnost im je oko 22%, dok je stvarna efikasnost oko 15%. Jedina mana ćelija izrađenih od monokristalnog silicija je visoka proizvodna cijena, zbog zamršenog procesa proizvodnje

Polikristalne Si ćelije. Identično monokristalnim Si ćelijama, sunčeve ćelije izrađene od polikristalnog silicija imaju tzv. homojunction strukturu. Suprotno monokristalnom siliciju, polikristalni silicij sačinjen je od više malih kristala, zbog čega dolazi do pojave granica. Granice priječe tok elektronima te ih potiču na rekombiniranje sa šupljinama što rezultira smanjenjem izlazne snage takvih ćelija. Polikristalinski silicij moguće je proizvesti na više načina, najraširenije metoda sastoji se od izlijevanja tekućeg silicija u kalup, koji se ostavlja da se zgusne u četvrtasti oblik poput cigle. Rasijecanjem četvrtastog oblika (cigle) dobiju se tanke pločice. Proces proizvodnje ćelija od polikristalnog silicija je znatno jeftiniji od procesa proizvodnje monokristalnih ćelija, ali p-Si fotonaponske ćelije imaju manju efikasnost od c-Si ćelija. Teorijska efikasnost im je oko 18%, stvarna efikasnost im je između 10 i 13% .

Amorfne Si ćelije. Atomi unutar amorfnih materijala formiraju kristalnu strukturu. Također, amorfni materijali sadrže velik broj strukturnih defekata te lošu povezanost atoma. Zbog navedenog razloga elektroni će rekombinirati sa šupljinama umjesto da "uđu" u strujni krug. Budući da defekti limitiraju tok električne struje, ovakve vrste materijala su inače neprihvatljive u elektroničkim napravama. Defekti se mogu djelomično ukloniti ako se u amorfni silicij ugradi mala količina vodika. Posljedica takvog tretiranja amorfnog silicija je kombiniranje atoma vodika sa atomima amorfnog silicija tako da elektroni mogu nesmetano putovati kroz materijal. Danas se amorfni silicij koristi u napravama koje koriste sunčevu energiju kao izvor napajanja te imaju male energetske zahtjeve (kalkulatori, ručni satovi i sl.). Amorfni silicij upija sunčevo zračenje 40 puta efikasnije naspram monokristalnog silicija tako da sloj debljine 1 μm može upiti oko 90% energije sunčevog zračenja. Upravo to svojstvo amorfnog silicija bi moglo sniziti cijenu PV tehnologije. Ostale prednosti amorfnog silicija također su ekonomskog karaktera, primjerice amorfni silicij je moguće proizvesti na niskim temperaturama te može biti položen na jeftine podloge (plastika, staklo, metal i sl.) što ga čini idealnim za integriranje PV tehnologije kao sastavni dio objekata.

Galij arsenidne GaAs ćelije. Galij arsenid je poluvodič napravljen iz mješavine galija Ga i arsena As.Teorijska efikasnost takvih ćelija bila bi iznad 35%, ali pod djelovanjem fokusiranog sunčevog zračenja. Poluvodički materijal Galij-Arsenid prikladan je kod visoko efikasnih sunčevih ćelija te ćelija koje imaju multijunction strukturu.Zbog izrazito visokog svojstva apsorbiranja, sunčeve ćelije izrađene od Ga-As debljine su nekoliko mikrometara, naspram Si ćelija koje su debljine 100 μm i više. Relativno su neosjetljive na temperaturu i izrazito otporane na oštećenja izazvana sunčevim zračenjem, pa su zbog toga ali i zbog visoke efikasnosti idealane za svemirske aplikacije i u sustave s koncentriranim zračenjem gdje se štedi na ćelijama.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. 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. Kadmij-Teluirid je polikristalni tankoslojni materijal koji ima gotovo idealan energetski procjep od 1.44 eV te veliko svojstvo apsorbiranja. Iako se najčešće koristi u PV napravama bez dodavanja drugih materijala, relativno je lagano postići leguru sa cinkom ili živom kako bi poboljšali svojstva naprave. Isto kao i kod CIS tanki filmovi, CdTe filmovi mogu se polagati na jeftine podloge (plastika, staklo i sl.). Usprkos navedenim prednostima zbog kadmijeve otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi. Za antirefleksijski sloj ali i transparentni vodljivi sloj koristi se tanki sloj oksida. Zbog unutarnjeg otpora p-tipa CdTe materijala, CdTe materijal se postavlja kao intristični sloj dok se kao p-tip materijala koristi Zink-Telurid (ZnTe). Teorijska efikasnost ovakvih ćelija je oko 15%, stvarna efikasnost je puno manja.

Metode povećanja iskoristivosti fotonaponskih ćelija

Povećanje iskoristivosti solarnih modula može se postićina različite načine. Jedan od relativno dobrih načina koji ne iziskuje velika materijalna ulaganja je sistem za praćenje kretanja Sunca i postizanje maksimalnog zračenja na solarnom modulu. Intenzitet Sunčevog zračenja koje pada na površinu plohe fotonaponskog modula je najveći ukoliko pada pod pravim kutem. Konstrukcijom uređaja koji prati putanju Sunca tokom dana, te prilagođava položaj solarnog panela na najveći intenzitet zračenja, dobija se sistem koji će imati mnogo bolju iskoristivost u odnosu na fiksni sistem. Eventualni nedostatak takvih sistema je dodatna potrošnja energije za pokretanje modula, koja je uvijek manja od dobitka koji se postiže pomoću takvih sistema. Dobiveni rezultati kod korištenja takvog sistema mogu biti i do 30% bolji u odnosu na fiksne sisteme, što zavisi od konkretnog sistema, njegove veličine i položaja na površini Zemlje. Drugi način je povećanje snage insolacije koncentriranjem sunčevih zraka. Sunčeva svjetlost se optičkim sustavom zrcala ili leća koncentrira na male površine fotonaponskih ćelija. Metoda se obični primjenjuje kod skupih višeslojnih fotonaponskih ćelija.

Slika 55. Modul fotonaponskih solarnih ćelija sa optičkim sustavom koncentriranja svjetlosti

Postoje i metode povećanja iskoristivosti koje još nisu u komercijalnim terestrijalnim aplikacijama već su vezane za istraživačke i pilot projekte. Primjer je tehnologija koja se sastoji u iskoristivosti što većeg spektra prispjelog svjetla. Konstrukcije kojima se to postiže su slaganjem različitih tipova ćelija jednih na druge pri čemu su gornji slojevi propusni za svjetlost koje apsorbiraju donji slojevi PV kompozita. Također je razvijena PVCC tehnologija.

Slika 56. Iskorištavanje što većeg dijela ulaznog Sunčevog snopa, ulazna zraka dolazi u crno tijelo koje na raznim dijelovima preuzima zrake različitih valnih duljina, PVCC tehnologija (photovoltaic cavity converter)

Problem zasjenjenja PV-a

Problem koji treba riješiti pri pojačanoj insolaciji, (pojačanje od 10-100x definira kao malo do srednje a, pojačanje od 100-1000x kao visoko koncentrirano zračenje) je zasjenjenje. Zasjenjenje uzrokuje da solarne ćelije istih radnih karakteristika zbog nejednolike osvijetljenosti ne daju jednaki napon što može uzrokovati promjenu smjera struje zbog pojave lokalnog izvora i ponora na panelu. (Na primjer kad padne list s drveta na solarni panel njegova izlazna struja i napon slabe zbog unutarnjih gubitaka).

Tehnička rješenja kojima se rješava taj problem su:

1. Postavljanje prozirnog materijala ispred ćelija radi disperzije sunčevih zraka koje onda ravnomjernije osvjetljavaju površinu.
2. Prilikom usmjeravanja ne fokusira se u jednu točku nego što ravnomjernije po površini solarnih ćelija. Primjer toga su usavršeni usmjerivači koji zadržavaju formu elipsoida, no diskretizirani s ravnim površinama radi što ravnomjernijeg zračenja po ćelijama.
3. Ugradnja bypass dioda radi sprječavanja promjene smjera toka struje i pojave unutarnjih gubitaka.

Ukupna emisija štetnih tvari tijekom ukupnog životnog ciklusa ćelije

Ekološku prihvatljivost PV-a nužno je sagledati u cjelovitom kontekstu od proizvodnje PV-a do njihovog zbrinjavanja. Sam rad solarnih ćelija praktički ne opterećuje okoliš. Pri radu ćelija ne proizvode se staklenički plinovi. Studije IEA-e pokazuju da PV ćelije promatrane kroz ukupni životni ciklus utječu na smanjenje ispuštanja CO2. Za radnog vijeka proizvedu više energije nego što je potrebno za njihovu izradu čime se štedi na upotrebi fosilnih goriva. Ono što u fotonaponskoj tehnologiji opterećuje okoliš jest proizvodnja, te uporaba toksičnih materijala poput kadmija. Proces dobivanja silicija, kao najčešćeg materijala od kojega se izrađuju fotonaponske ćelije, energetski je vrlo zahtjevan. O tome najbolje govori činjenica da vrijeme povrata uložene energije za proizvodnju PV ćelija od kristalnog silicija iznosi oko 3 godine. To se može ublažiti upotrebom drugačijih tehnologija, poput tehnologije tankog filma. Zbrinjavanje PV nakon isteka vijeka trajanja također predstavlja problem (IEA u svom izvješću navodi da odlaganje može biti napose problem u zemljama gdje skladištenje otpada nije dobro regulirano ili prilikom upotrebe u udaljenim nenadziranim područjima). Loša strana, što se tiče utjecaja na okoliš, je i to što je potrebno zauzeti vrlo veliku površinu za instalaciju kapaciteta kako bi se osigurala dovoljna količina električne energije što utječe na ekosistem i njihove obitavaoce (na to treba obratiti pažnju prilikom izgradnje postrojenja velikih snaga).

Solarne termalne elektrane

Uvod

Solarne termalne elektrane su izvori električne struje dobivene pretvorbom sunčeve energije u toplinsku tako što zagrijavamo fluid ili krutinu, a zatim taj produkt iskoristimo u kružnom procesu (najčešće se koristi Rankineov) za generiranje električne energije. S obzirom da nemaju štetnih produkata prilikom proizvodnje električne energije, a imaju razmjernu dobru efikasnost (20-40 %), proriče im se svjetla budućnost. Kako je količina energija koja pada na površinu izuzetno velika, izgradnjom takvih elektrana na sunčanim područjima (npr. Sahara) mogao bi se energijom opskrbljivati veliki dio potrošača, barem dok ne uzmemo ekonomiju u obzir. Ipak, čak i kao manji energetski sustav mogu postati vrlo bitan faktor (npr. na otocima). Napredak ove tehnologije ovisi i o samom Rankineovom kružnom procesu. Trenutno eksperimentira s vodikom kao radnom tvari pošto ima veliki specifični toplinski kapacitet (c_p=14.235 kJ/ (kg K)) jer je prijenos topline definiran kao umnožak mase, specifičnog toplinskog kapaciteta i razlike temperatura.

Slika 2.4.6.1/1. Shematski prikaz solarne termalne elektrane

Zbog potrebe za visokim temperaturama, gotovo svi oblici solarnih termalnih elektrana moraju koristiti nekakav oblik koncentriranja sunčevih zraka s velikog prostora na malu površinu. Kako se tokom dana položaj Sunca na nebu mijenja, tako se stalno mijenja i najpovoljniji kut pod kojim padaju sunčeve zrake na zrcala, stoga je potrebno ugraditi sustave koji će stalno prilagođavati njihov položaj. Ti sustavi su neophodni kako bi se dobila što veća efikasnost, ali ujedno i najveći čimbenik u vrlo visokim cijenama solarnih termalnih elektrana. Ovisno o temperaturi radne tvari u solarnim elektrana koriste se odgovarajući pogonski strojevi za proizvodnju električne energije. Parne turbine koriste se do 600 °C, a iznad te temperature plinske turbine. Vrlo visoke temperature uvjetuju korištenje različitih materijala i tehnika. Za temperature iznad 1100 °C predlaže se korištenje tekuće fluoridne soli kao radnog medija te višestupanjski turbinski sustav, čime je moguće postizanje energetske učinkovitosti i do 60 %. Tako visoka radna temperatura omogućava znatne uštede vode, što posebno dolazi do izražaja u pustinjama, gdje se izgradnja upravo takvih solarnih elektrana i očekuje.

Smanjenja u cijeni su moguća skladištenjem topline, a ne struje, budući da je takva tehnologija danas jeftinija, a proizvodnja topline je ionako neophodna za funkcioniranje ovakvog tipa elektrana. Time je moguće također dobivati električnu energiju i onda kada to inače ne bi bilo moguće. Ti se sustavi baziraju na pohranjivanju toplinske energije u materijal velike energetske gustoće. Trenutno se kao takav materijal koristi rastopljena sol, čiji je sastavni element natrij - metal velike energetske gustoće. Danas se također danas koristi para pod visokim pritiskom (50 bara na 285 °C), ali vrijeme pohrane je svega jedan sat.

Vrste

Danas se koriste jedino koncentrirajuće solarne termalne elektrane (CSP – Concentrated Solar Plant). Sastoje se od zrcala i spremnika fluida koji se zagrijava te takav prolazi kroz turbine ili toplinske motore (npr. Strilnigov motor). S obzirom na raznolikosti među zrcalima i cjelokupnoj izvedbi sustava možemo ih podijeliti u sljedeće kategorije:

Parabolični kolektori

Oni su najstariji i najčešće korišteni tip koncetrirajućih solarnih termalnih elektrana (90 %). Takve elektrane uglavnom generiraju između 14-80 MW. Sastoje se od dugih nizova paraboličnih zrcala (zakrivljenih oko samo jedne osi) i kolektora koji se nalazi iznad njih. Njihova je prednost što je potrebno pomicanje zrcala samo kada je promjena položaja Sunca u ortogonalnom smjeru, dok prilikom paralelnog pomaka to nije potrebno jer svjetlost i dalje pada na kolektore. Kroz kolektore najčešće struji sintetičko ulje koje se pod utjecajem Sunčevih zraka zagrijavaju do maksimalnih 390 °C. Efikasnost u tim slučajevima je oko 14-16 %, dok korištenjem otopljene soli možemo postići maksimalno 550 °C, a efikasnost raste na 15-17 %. S druge strane, glavni problem je što se otopljena sol zaledi na temperaturama između 120-200 °C, a ta pojava se mora spriječiti.

Slika 2.4.6.2/1. Parablolični kolektori u pustinji Mojave(California) koji će generirati 553 MW

Fresnel reflektori

Koriste nizove dugih malo zakrivljenih ili potpuno ravnih zrcala, a izgledom podsjećaju na parabolične kolektore. Sustav je napravljen tako da više nizova ogledala cilja u isti kolektor što dovodi do financijskih ušteda, a i sama zrcala se okreću oko samo jedne osi. Ciljanjem zrcala u različite kolektore u različita doba dana moguće je postaviti gust raspored zrcala, čime se dobiva više energije usprkos efikasnosti manjoj od 20 %. Pošto je ovo najmlađa tehnologija bazirana na koncetriranju zraka postoji svega par elektrana koje rade na tom principu. Najveće su Puerto Errado 2 u Španjolskoj od 30 MW i jedna od 5 MW u Australiji. Trenutno je u fazi izrade elektrana snage 44 MW Kogan Creek, također u Australiji.

Slika 2.4.6.2/2. Fresnel reflektori

Solarni tornjevi

Ove elektrane imaju veliki broj zrcala postavljenih oko središnjeg mjesta gdje se nalazi toranj. Zrcala su upravljana računalima te pomoću njih pronalaze najbolji kut za reflektiranje prema solarnom tornju. Ovisno o radnoj tvari možemo postići vrlo visoke temperature. Osim ranije spomenutih rastopljenih soli i sintetičkih ulja, možemo koristiti i plinove kako bi postigli temperature iznad 800 °C. Trenutno najisplativije je koristiti rasotpljenu sol pri 565 °C, makar se smatra da će se kroz par godina prijeći na plinove pri visokim temperaturama. Trenutno je u izgradnji najveća elektrana Ivanpah(California) koja će za generiranje 370 MW koristiti vodenu paru pri 565 °C uz učinkovitost od 29 %. Nedostatak ove tehnologije je što zahtijeva relativno ravnu površinu, naime cijela radna površina (polje zrcala) dopušta maksimalno odstupanje od svega 1 % na ravninu.

Slika 2.4.6.2/3. PS10 solarni toranj pokraj Seville u Španjolskoj od 11 MW

Solarni tanjuri

Zbog paraboličnog izgleda podsjećaju na satelitske tanjure, ali su otprilike 10 puta veći. Zrake svjetlosti, odbijajući se od zrcala, padaju u jednu točku (kolektor) koji se nalazi iznad njih. Tu se razvijaju temperature oko 900 °C , a za dobivanje električne energije se koristi Stirlingov ili parni motor. Radna tvar je helij ili vodik, a s njima se po jednom tanjuru koji generira snagu između 5-50 kW se postiže efikasnost od 30 %.Zbog pomičnih mehanizama potrebna su česta servisiranja, a cijeli sustav zahtijeva rotaciju oko dvije osi i skupa parabolična zrcala, što se na kraju odražava na ukupnoj isplativosti ovakvog sustava.

Slika 2.4.6.2/4. Solarni tanjuri u Španjolskoj

Solarne uzgonske elektrane (nisu koncentrirajuće)

Elektrana se sastoji od 3 osnovna elementa, solarnih kolektora u kojima se zrak zagrijava, vjetroturbina koje pogoni zagrijani zrak, te dimnjaka kroz koji se diže vrući zrak. Solarni kolektori su u suštini građevine nalik na staklenik u kojima se zagrijava zrak odnosno voda toplinom sunčevog zračenja. Topli zrak se zbog efekta dimnjaka diže, prolazi preko turbina proizvodeći električnu energiju te odlazi u dimnjak. Glavni parametri koji određuju veličinu ove vrste elektrane su površina kolektora te visina dimnjaka. Veća površina kolektora omogućuje većoj količini zraka da se zagrije i struji preko turbina, dok viši dimnjak omogućuje veću razliku tlaka i efikasniji efekt dimnjaka. Kako bi elektrana mogla proizvoditi energiju i tijekom noćnih sati, moguće je u kolektore ugraditi cijevi u kojima se nalazi već ranije spomenuta voda. Kako voda ima vrlo visoki toplinski kapacitet idealna je za pohranu toplinske energije koju oslobađa u noćnim satima te na taj način omogućava rad elektrane i u noćnim satima (iako sa smanjenim kapacitetom). Ova vrsta postrojenja ima izuzetno malu učinkovitost. Predviđa se da kolektori od 38 km² mogu dobiti tek 0,5 % (oko 5 W/m²) od sveukupnog sunčevog zračenja koje padne na njih. Također je veliki nedostatak je izuzetno velika površina koju zauzimaju kolektori te se procjenjuje da bi za postrojenje od 200 MW bilo potrebno 38 km² kolektora). Budućnost ovog tipa postrojenja zasad je vrlo nesigurna iako postoje neki planovi o izgradnji u zemljama sa velikim brojem sunčanih i toplih dana (Australija, Namibija). Od izgrađenih je jedino poznata elektrana u Jinshawanu u Kini, snage 200 kW, koja je uz investiciju od 208 milijuna američkih dolara 2010. godine puštena u pogon.

Slika 2.4.6.2/5. Prikaz solarne uzgonske elektrane

Slika 2.4.6.2/6. Prototip solarne uzgonske elektrane u Španjolskoj iz 1982. godine

Solarne elektrane u pogonu

1. SEGS –9 solarnih elektrana, USA, Kalifornija (pustinja Mojave), kapacitet 354 MW, parabolični kolektori
2. SGS - USA, Arizona, kapacitet 280 MW, parabolični kolektori
3. SGS - Španjolska, Logrosan, kapacitet 200 MW, parabolični kolektori
4. ASPS – Španjolska, Guadix, kapacitet 150 MW, parabolični kolektori
5. Puerto Errado - Španjolska, Murcia, 31.4 MW, Fresnel reflektori
6. PS20 solar power tower – Španjolska, Sevilla, 20 MW, solarni toranj
7. Jinshawan – Kina, 200 kW, solarna uzgonska elektrana

Solarne elektrane u konstrukciji

1. Mojave Solar Park – USA, Kalifornija, 553 MW, parabolični kolektori
2. Ivanpah Solar – USA, Kalifornija, 392 MW, solarni toranj
3. Ashalim power station 1 – Izrael, pustinja Negev, 121 MW, solarni toranj
4. KaXu Solar One – J.A.R. , Northern Cape, 100 MW, parabolični kolektori
5. Dhursar – Indija, 100 MW, Fresnel reflektori

Najavljene solarne elektrane

1. Bez imena – Kina, Mongolijska pustinja, 2000 MW, solarni toranj
2. Palen – USA, Kalifornija, 500 MW, solarni toranj
3. Bez imena – USA, Florida, 300 MW, Fresnel reflektori
4. EnviroMission – USA, Arizona, 200 MW, solarna uzgonska elektrana
5. Al-Abdaliya – Kuvajt, 280 MW, parabolični kolektori

Elektrane na valove, plimu i oseku

Elektrane na valove

Uvod

Energija valova mehanička je transformirana sunčeva energija. Valove, naime, uzrokuju vjetrovi koji nastaju kao posljedica razlika u tlaku zraka, a te razlike nastaju zbog različitog zagrijavanja pojedinih dijelova Zemljine površine. Stalni (planetarni) vjetrovi uzrokuju stalnu valovitost na određenim područjima i to su mjesta na kojima je moguće iskorištavanje njihove energije za pokretanje turbine povoljno. Valovi se razlikuju po visini, dužini i brzini, a o tome ovisi i njihova energija. Svaki val nosi potencijalnu energiju uzrokovanu deformacijom površine i kinetičku energiju koja nastaje zbog gibanja vode. Snagu vala definiramo po jedinici površine okomitu na smjer kretanja vala. Ona može iznositi i 10 kW/m^2, ali i oko nule. Na primjer za područje sjevernog Atlantika, na otvorenom moru između Škotske i Islanda, u 50% vremena snaga valova je 3,9 kW/m^2 ili veća. Snagu valova možemo odrediti po metru dužine na morskoj površini. Tako definirana snaga vala mijenja se s brzinom vjetra te zavisi od godišnjeg doba i vremenskih prilika. Energija valova obnovljiv je izvor energije koji varira u vremenu (npr. veći valovi javljaju se u zimskim mjesecima). Jednostavniji oblik iskorištavanja energije valova bio bi neposredno uz obalu zbog lakšeg, to jest jeftinijeg dovođenja energije potrošačima. Međutim, energija valova na pučini znatno je veća, ali je i njezino iskorištavanje puno skuplje. Energija vala naglo opada s dubinom vala (Sl. 64.), pa u dubini od 50 m iznosi svega 2% od energije neposredno ispod površine. Tu pojavu možemo opisati preko jedne čestice koja se giba u vodi. Na površini ta čestica ima veći put gibanja, dok što se više kreće u dubinu , njezin put gibanja se smanjuja.

Slika 2.4.7.1.1/1. Prikaz rada elektrane na valove

Ukupna energija valova koji udaraju u svjetsku obalu je procijenjena na 2-3 miliona MW što je ogroman neiskorišten potencijal. Energetski najbogatiji valovi su koncentrirani na zapadnim obalama na području od 40 stupnjeva - 60 stupnjeva zemljopisne širine na sjevernoj i južnoj hemisferi. Energija valova na tom području varira izmedu 30 - 70 kW/m sa najvišim od 100 kW/m u Atlantiku . Visina valova je najviša za vrijeme zime što se poklapa sa vremenom najviše potrošnje električne energije. Kinetička energija valova može se početi efikasno transformirati u elektrienu energiju kada je visina vala veća od 1 m. Pri određivanju prikladnosti valova eksplataciji ne može se uzeti samo parametar snage po dužnom metru. Amplituda , frekvencija i oblik valova su jednako važni parametri koji se treba tražiti unutar energetski prihvatljive zone valova.

Slika 2.4.7.1.1/2. Prosječna energija valova u kW po metru dužnom vala

Najdalje u razvoju komercijalnih elektrana na valove su došle visoko industrijalizirane maritimne zemlje Velika Britanija, Japan, Skandinavske zemlje i Australija. Potaknute prirodnim potencijalom valova, visokim tehnološkim stupnjem razvoja, velikim energetskim zahtjevima i ekološkom sviješću.

Slika 2.4.7.1.1/3. Prikaz razdiobe snage morskih valova po dubini (h) ispod morske površine

Slika 2.4.7.1.1/4. Načelni prikaz nastanka vala

Danas su u osnovi poznata tri načina korištenja energije valova, ako su kategorizirana po metodi kojom prihvaćaju valove. To su preko plutača, pomičnog klipa i njihalica ili lopatica. U fazi istraživanja i ispitivanja su još crijevna i McCabova pumpa, čuškaš, te morska zmija. Još mogu biti karakterizirana i po lokaciji odnosno kao elektrane na valove na otvorenom moru i na morskoj obali. Niti jedan od navedenih načina za korištenje energije valova ne može danas konkurirati klasičnim izvorima električne energije.

Razvoj tehnologije

Prvi poznati oblik elektrane na valove bilježi se još 1799. godine i bio je notiran u Parizu od strane Girarda i njegova sina. Godine 1910., Bochaux-Praceique, konstruirao je prvu napravu za korištenje snage valova kako bi njome napajao svoju kuću u Royanu, blizu Bordeaux-a u Francuskoj. Međutim, Yoshio Masuda-ini eksperimenti u 1940. godinama su bili prvi pravi znanstveni eksperimenti na ovome području. On je testirao razne koncepte predviđene za iskorištavanje energije valova na moru, sa nekoliko stotina jedinica korištenih za pogonjenje navigacijskih svjetala. Među njima je bio i koncept koji je konvertirao snagu vala preko kutnog gibanja među zglobovima plutače, kojeg je utemeljio 1950. godine.Godine 1973. je zavladala naftna kriza, što je doprinijelo ponovnom razvoju interesa za energiju valova. Velik broj sveučilišnih istraživača i znanstvenika je nanovo istražilo potencijal eksploatacije oceanskih valova, među kojima su se istaknuli Kjell Budal i Johannes Falnes sa Norveškog Tehnološkog Instituta, Michael E McCormick sa Brodarske Akademije Ujedinjenih Naroda, David Evans sa Sveučilišta u Bristolu, Michael French sa Sveučilišta Lancastera, John Newman i Chiang C. Mei sa MIT-a i Stephen Salter sa Sveučilišta Edinburga.

Salterova patka

Stephen Salter 1974. godine osmislio je izum kojeg je nazvao „Salterova patka“ ili „Kimajuća patka“, iako je službeno zvana „Edinburška patka“. Patka je samo jedan od mnogih koncepata pretvarača energije valova, koji potencijalno može snagu valova pretvoriti u korisnu energiju. Patka spada pod klasu WEC-a poznatu kao terminatori. Terminatori su orijentirani okomito na smjer vala. Ovo je prikladno jer uništava valove koji nailaze, ostavljajući mirnije more s druge strane.Sama patka je oblikovana poput kapljice, a mnoge od tih „kapljica“ su spojene na dugačku sajlu i čine cijeli Salterov sustav. Nos kapljice je okrenut prema nadolazećim valovima i njiše se kako oni prolaze. U osnovi, to uključuje prijenos ili „zarobljavanje“ energije valova. U teoriji, ovaj proces njihanja bi sakupio 90% masivne energije valova, i koristio tu energiju da održi klipove u pokretu. Klipovi naizmjenice komprimiraju hidrauličko ulje. Nakon što je dovoljno komprimirano, ulje ulazi u hidraulički motor, gdje se proizvodi električna energija. Sustav bi teoretski iskoristio 90% pohranjene energije. Ova visoka učinkovitost čini patku najboljim od svi WEC-a. Na kraju Salterova patka nije pronasla primjenu u svijetu jer su projekt prestali financirati vjerojatno radi nuklearne energije koja se u to doba činila kao puno bolji izbor.

Slika 2.4.7.1.3/1. Salterova patka

Podjela elektrana na valove

Prema lokaciji elektrane na valove mogu biti na otvorenom moru i na morskoj obali.

NA MORSKOJ OBALI

- Ljuljajući uređaj

NA OTVORENOM MORU

- Plutače

- Arhimedova valna ljuljačka (AWS)

- Morska zmija (Pelamis)

- McCabova crpka na valove

- Crijevna crpka

- Čuškaš (Flapper)

- Elise

- Zmajevi

- Školjkasta elektrana na valove

Elektrane na valove na morskoj obali

Prednosti izgradnje elektrana u neposrednoj blizini obale u odnosu na plutajuće sisteme su slijedeće:

• lakša izgradnja jer se koriste klasični građevinski strojevi
• lakše održavanje postrojenja jer nisu potrebni ronioci i brodovi
• lakša i brža kontrola i zamjena pokvarenih dijelova
• mogu služiti kao lukobran

Uređaj radi tako što valovi svojim gibanjem uvjetuju pomicanje razine vode u zatvorenom stupcu prilikom čega dolazi do potiskivanja zraka kroz turbinu na vrhu stupca. Najveći uspjeh je elektrana projeka Limpetnazivne snage 500 KW uspješno uključena u elektrosustav Škotske.

Tehnička ograničenja konstrukcije jesu :

• izbor pogodne lokacije, što dublje more i što veći valovi
• slabi (eta) turbine zbog stohastične prirode valova a samim time i protoka, niski stupanj iskoristivosti Wellsove turbine

50-60 % (dvosmjerna turbina, simetričnog profila lopatica koja koristi usis i isis zraka prednost nad ventilina jer oni imaju potrebno određeni period za djelovanje a i trajnost sustava opada

Slika 2.4.7.1.5/1. Wellsova turbina

Slika 2.4.7.1.5/2. Wellsova turbina 20 kW

Slika 2.4.7.1.5/3. Idejni nacrt lijevo i prototip desno Mighty-Whale OWC uređaja ispitanog u Japanu. Razlikuje se od ostalih OWC po tome što valovi horizontalno ulaze u usisnu komoru (OWC (Oscilating Water Column ) - Oscilirajući vodeni stupac)

Slika 2.4.7.1.5/4. Slike su vezane za pilot projek ART-OSPREY (fotografija A. Lewisa) 1995. prilikom polaganja uređaja došlo je o njegovog uništenja

Slika 2.4.7.1.5/5. Slika prikazuju OWC izgrađenu u Japanu ukomponiranu u lukobran, turbina je jednosmjerna sa sustavom ventila

Ljuljajući uređaj

Uređaj funkcionira tako što se kinetička energija vala pretvara u rad gibanja zaustavne ploče i hidrauličke pumpe koja pogoni generator. Postoji eksperimentalni model u Japanu. Tehnički podaci o konstrukciji i rezultati mjerenja nisu poznati.

Slika 2.4.7.1.5/6. Ljuljajući uređaj

Elektrane na valove na otvorenom moru

Prednosti gradnje elektrana na otvorenom mora :

• bolja iskorištenost valnog potencijala - veća raspoloživa površina za polja elektrana sa tim ujedno i veća ukupna snaga za određenu geografsku lokaciju
• mogućnost napajanja offshore objekata
• mogućnost napajanja raznih tipova senzora kao autonomnim energetskim sustavom

Objektivni nedostatci plutajućih objekata su njihova pouzdanost uslijed korozivne i mehanički nepredvidive okoline. Zahvaljujući velikom razvoju offshore naftne industrije puno toga se danas da tehnički izvesti u usporedbi sa 70-im godinama kada su projekti bili ekonomski zanimljivi .

Plutače

Snage ovakvih uređaja se kreću do 50-ak kW snage, no prednost im je u mogućnosti polaganja velikog broja na određenoj površini čime se nadoknađuje mala pojedinačna snaga. Ovakvi uređaji su posebno interesantni za aktivne oceanske senzore kao svjetionike, mamce riba, sonare, komunikacijske repetitore etc.

Arhimedova valna ljuljačka (Archimedes Wave Swing AWS)

Sastoji se od cilindrične zrakom napunjene komore koja se može pomicati vertikalno u odnosu na usidreni cilindar manjeg promjera. Zrak u 10-20m širokom gornjem plutajućem cilindru omogućuje plutanje. Kada val prijeđe preko plutače njezina dubina se mijenja u skladu sa promjenom tlaka uzrokujući njezino pomicanje gore dolje. Relativno gibanje između usidrenog i plutajućeg dijela se koristi za proizvodnju energije. Do sada je AWS najjači izgrađeni uređaj ove namjene 2 MW pilot projekt bio je planiran, biti pušten u ljeto 2004 u Portugalskom akvatoriju.

Slika 2.4.7.1.6/1. Lijeva slika prikazuje shematski prikaz AWS , desna slika prikazuje prototip koji se isprobava u Portugalu

Slika 2.4.7.1.6/2. Prikaz rada Arhimedove ljuljačke

Morska zmija (Pelamis)

Konstrukcija radi na principu spojenih plutača koje pretvaraju vertikalno gibanje valova u horizontalno pomicanje klipova pumpi na kardanskom principu. Sustav je u potpunosti odvojen od mora. Radi tako da pumpa, crveno obojena na slici ispod komprimira zrak u sivi spremnik koji zatim pokreće zračnu turbinu i generator plave boje na slici ispod. Na taj način je postignuta jednolikija rotacija generatora manje ovisna o stohastičnoj prirodi valova. Uređaj je fazi izrade prototipa i ispitivanja u radnim uvjetima u Škotskom akvatoriju. Dimenzije uređaja su 120 m duljine , 3.5 m promjera 750 T mase i maksimalne snage od 750 kW.

Slika 2.4.7.1.6/3. Prikazi "zmije"

McCabova pumpa na valove

McCabeova pumpa na valove je u razvojnom stadiju od 1980 i originalno je dizajnirana za desalinizaciju morske vode koristeći reverznu osmozu. To su uređaji koji izvlače energiju iz valova pomoću rotacije pontona oko nosača preko linearnih hidrauličkih pumpi. Konstrukcije mogu biti sa zatvorenim krugom koristeći ulje ili sa otvorenim krugom koristeći morsku vodu.

Slika 2.4.7.1.6/4. Shema konstrukcije McCabove pumpe

Crijevna pumpa

Sastoji se od elastičnog crijeva koji smanjuje unutarnji volumen dok se rasteže. Crijevo je povezano za plovak koji oscilira sa površinskim valovima. Rezultirajuče tlačenje vode u crijevu tjera vodu van kroz protupovratni ventil na turbinu. Niz takvih pumpi može biti povezan na centralnu turbinu za veće sisteme.

Slika 2.4.7.1.6/5. Prikazuje neka tehnička rješenja, desno gore konstrukcija obustavljenog Danskog projekta plutača

Slika 2.4.7.1.6/6. slike iznad prikazuju plutače kompanije Ocean Power Tecnologies snage 20 kW

Čuškaš (Flapper)

Polaže se na otvorenom moru pomoću pontona ili bova. Uređaj se sastoji od niza plutajućih pontona koji su oblikovani poput bregaste osovine. Svaki ponton je u principu zub koji rotira odvojeno prilikom prelaska vala preko njega. Taj efekt pogoni kapilarne pumpe koje tjeraju radni medij kroz zajedničko crijevo na turbinu. Zbog okomitog položaja na valove uređaj je pogodan za nemirno more i oluje.

Slika 2.4.7.1.6/7. Konstrukcije kojima je teoretski moguće iskoristiti energiju valova

Elise

Elise su uređaji slični vjetroturbinama, vrte se s promjenom plime i oseke.

Zmajevi

Zmajevi su niz malih turbina usidren za morsko ili riječno dno može proizvesti energiju i od relativno slabog toka.

Školjkasta elektrana na valove

Školjkasta elektrana na valove pomiče se pokretima valova i na taj način pumpa hidraulični fluid koji se odvodi do stanice na obali gdje generira struju.

Slika 2.4.7.1.6/8. Prikaz školjkaste elektrane na valove

Zanimljivosti

PORT KEMBALA, Australija - Svjetsko energetsko vijeće (WEC, World Energy Council) potvrdilo je da se najbolje lokacije na svijetu za iskorištavanje energije valova nalaze na južnoj obali Australije. Može se od energije valova proizvesti pet puta više električne energije od trenutne potrošnje cijele Australije.

Trenutno je na svijetu u produkcijskim okruženjima instalirano tek oko četiri megavata snage. Kad usporedimo tih četiri megavata s 200.000 MW instaliranih kapaciteta za iskorištavanje energije vjetra vidimo da je energija valova još uvijek daleko od isplativosti.

Mutriku, (DW) - Prva komercijalna elektrana na morske valove već strujom opskrbljuje oko 600 ljudi. To postrojenje u španjolskom Mutrikuu ogledni je primjer korištenja energije mora za proizvodnju struje.

Elektrane na plimu i oseku

Uvod

Energija plime i oseke spada u oblik hidro-energije koja gibanje mora uzrokovano mjesečevim mjenama ili padom i porastom razine mora koristi za transformaciju u električnu energiju i druge oblike energije. Za sad još nema većih komercijalnih dosega na eksploataciji te energije, ali potencijal nije mali. Energija plime i oseke ima potencijal za stvarnje električne energije u određenim dijelovima svijeta, odnosno tamo gdje su morske mijene izrazito naglašene. Taj način proizvodnje električne energije ne može pokriti svjetske potrebe, ali može dati veliki doprinos u obnovljivim izvorima. Razlika u visini plime i oseke varira između (4.5-12.5 m) ovisno o geografskoj lokaciji. Za ekonomičnu proizvodnju je potrebna minimalna visina od 7 m. Procjenjuje se da na svijetu postoji oko 40 lokacija pogodnih za instalaciju plimnih elektrana. Morske mijene su periodične te ih je moguće predvidjeti u 98% slučajeva.[52] što je velika prednost za razvoj ovih turbina. Povjesno gledano energija plime i oseke datira od Srednjeg vijeka pa čak i za razdoblja Rimskog carstva. Najpoznatiji oblik pretvorbe energije plime i oseke su vodena kola. Vodena kola koja su se pokretala energijom plime i oseke možemo pronaći u Europi i u Sjevernoj Americi.

Slika 2.4.7.2.1/1. Prikaz rada plimne elektrane

Podjela plimnih elektrana

Konvencionalne - Brane sa dvosmjernim propuštanjem vode (turbine kroz koje voda može strujati kako u jednom tako i u drugom, suprotnom smjeru)

Tehnologija koja se koristi za konverziju je jako slična tehnologiji koja se koristi u konvencionalnim hidroelektranama. Brana spriječava ulaz vode u bazen sve do trenutka nastajanja visinske razlike između razina vode mora i one u bazenu. Nakon toga dopušta se da voda iz mora kroz turbine struji u bazen. Osim plimnog potencijala nužna je brana koja osigurava razliku hidrostatskog potencijala između stvorenog bazena i mora.

Kako je izrada brana skupa, idealna mjesta su što zatvorenije uvale, fjordovi ili ušća rijeka, čime se štedi na duljini pregrada. Na pogodnim mjestima u brani se ugrađuju turbine koje se puštaju u pogon kada se postigne adekvatna razlika hidrostatskog potencijala. Električna energija se može proizvoditi kada voda teče u i iz bazena. Peridičnost je uvjetovana Zemljanom rotacijom ostvarujući dvije plime i oseke dnevno. Proizvodnja električne struje je karakteristična po maksimalnoj proizvodnji svakih 12h sa stajanjem u polovici tog perioda kada je visina vode sa obje strane brane jednaka.

Ako se promatra aplituda plime na nekom mjestu, lako će se moći zaključiti da ona nije uvjek jednaka. Ona se mjenja (na istočnj obali antlatika u zaljevu La Rance) u dosta širokom rasponu, ovisi o međusobnom razmaku Sunca, Mjeseca i Zemlje, što uvjetje oscilacije po kojimase obično razlikuje: vrlo visoka plima (krivulja a na slici 2.4.7.2.2/1.) koja se pojavljuje za vrijeme proljetnog i jesenskog ekvinocija, visoka plima (krivulja b na slici 49.) koja se pojavljuje dva puta u toku 29,5 dana, jedan ili dva dana nakon mladog punog mjeseca , te niska plima (krivulja c na slici 81.) koja se također pojavljuje u dva puta u toku 29,5 dana, jedan ili dva dana nakon prve i druge mjesečeve četvrti.

Slika 2.4.7.2.2/1. Dijagramski prikaz plime i oseke

Najveća i najstarija elektrana ovog tipa je La Rance u Francuskoj na ušću istoimene rijeke, snage 240 MW, u upotrebi je od 1966 god.

Obilježja elektrane La Rance:

• Alternator: sinhroni stroj
• Uzbuda: statička
• Nominalni br. okretaja: 93,75 o/min
• Maksimalno prekoračenje brzine: 260 o/min
• Izlazni napon: 3,5 kV
• Hlađenje: s komprimiranim zrakom tlaka 2 bara

Slika 2.4.7.2.2/2. Elektrana La Rance

Eksperimentalno postrojenje Annapolis Royal u Novoj Škotskoj snage snage 20 MW. Eksperimentalno postrojenje Murmansk u Rusiji snage 0.4 MW te kanadsko u Annapolisu na malom ulazu u Fundy-ev zaljev snage 17.4 MW. Također je niz malih postrojenja postavljeno u Kini.

Slika 2.4.7.2.2/3. Postrojenje plimne elektrane

Prednost konvencionalnih elektrana je jeftina, čista i obnovljiva energija. Glavni nedostaci u povećanju upotrebe elektrana ovog tipa su veliki troškovi izgradnje, malo pogodnih lokacija za izgradnju, velik utjecaj na okoliš ( uzrokuje migracije riba itd, ). Veliki kapitalni troškovi ovakvih elektrana sa dugim periodom izgradnje do 10 godina čine cijenu struje vrlo osjetljivu na diskontnu stopu. Osim što je dobro razvijena energija plime i oseke je trenutačno komercijalno neatraktivna.

Princip rada po pojedinim etapama izgleda ovako:

U prvoj etapi pogona zatvara se zapornica i voda u bazenu ostaje na određenoj koti, a razina mora otpada. Kada razina mora postane toliko niska da postoji sovoljna razlika kota (odnosno dovoljan pad) pa se tako potencijalna energija vode nagomilane u bazenu pretvara u mehaničku, a ova u električnuenergiju, sve dok razlika pada omogućava rad turbine. Turbina se zaustavlja kada se postigne minimalni pad, ali se bazen nakon toga dalje prazni (etapa 3) kroz zapornicu, da bi se u njemu postigla što niža razina, kako bi se ostvario što veći pad za etapu pogona u obrnutom smjeru. Kada se izjednače-razine u bazenu i moru počinje crpljenje vode iz bazena u more (etapa 4) da bi se što niže snizila razina vode u bazenu. Kada se postigne kota koja odgovara nižoj koti mora, obustavlja se rad crpki, pa bazen ostaje na konstantnoj razini (etapa 5) sve dok se ne postigne takav pad kod kojeg će turbina moći raditi u obrnutm smjeru. Nakon toga stavlja se turbina u pogon koristići vodu iz mora prema bazenu (etapa 6) sve dok se postigne minimalan pad kod kojeg turbina može raditi. Zatim se turbina obustavlja, otvara se zapornica da bi se dalje punio akumulacijski bazen (etapa 7).

Slika 2.4.7.2.2/4. Način korištenja potencijalne energije plime i oseke za elektranu s ugrađenim turbinama za rad u oba smjera i mogućnošću crpljenja vodom.

Nekonvencionalne

Rad ovih elektrana u principu je isti kao kod vjetroelektrana, jedino što kao fluid umjesto zraka služi voda. Morske struje mogu prenositi jednake količine energije kao i vjetrovi. Turbine ovakvih elektrana grade se na dubinama od 20-30 metara, obično na mjestima gdje su jake morske struje. Ove elektrane generiraju 3-4 puta više snage nego konvencionalne. Ekološki su prihvatljive. Trenutno ne postoji ni jedna izgrađena elektrana ovog tipa.

Slika 2.4.7.2.2/5. Prototip turbine nekonvencionalne plimne elektrane

Da bi se smanjili veliki kapitalni troškovi razvijene su turbine koje rade na istom načelu kao vjetroelektrane , ali koristeći energiju morskih struja izazvanih plimom i osekom u kanalima. Njihova prednost je u pouzdanoj periodičnosti morskih struja čiju energiju koriste.

Podjela turbina na plimu i oseku prema EMEC-u kategorizirane su[53]:

1. Oscijlirajuće – ne koriste rotirajuće elemente kao rotor već su bazirane kao aerotijela koja se pomiću napred i nazad čime se preko hidraulike generira električna energija.
2. Trubine sa vodoravnom osi – najpoznatiji princip turbina, izvedbom sliče na vjetroturbine
3. Turbine sa okomitom osi
4. Turbine sa venturijevim efektom - koriste se za ubrzavanje vode kroz turbinu, mogu biti kombinirane sa turbinama vodoravne i okomite osi.

Dva su projekta financirana od European Commission's energy programme. Kvasalund i Devon.

Kvasalundski kanal

Brzina struje u kanalu iznosi 2,5 m/s ( najviša brzina periodičke prirode). Treba biti ugrađena je prototipna turbina snage 300 kW ukupnih procjenjenih troškva od US $11 milliona. Turbina ima podesive lopatice radiusa 10 m pri čemu se ugrađuje na dubinu od 50 m sa centrom rotacije 20 m od morskog dna. Ukupna masa uređaja je 200 T. Zbog spore rotacije lopatica pretpostavlja se da nema negativan utjecaj na migraciju riba, velika dubina omogućava nesmetan prolazak brodova iznad turbine. Postoji objektivni problem održavanja zbog potrebe obavljanja svih poslova pod vodom.

Slika 2.4.7.2.2/6. Kvasalundski kanal

Devon

Položaj ove pilot elektrane na struje plime i oseke vrijednosti L3m je 1.5 km od obale Lynmoutha. Projektirana je za proizvodnju 300 kW električne energije pomoću rotora duljine 11 m sa 20 okretaja u minuti. Mali broj okretaja ne ugožava populaciju riba. Uređaj je konstruiran da se može izvaditi iz vode tako da se popravci mogu obavljati na suhom. Podaci za prosječnu i maksimalnu brzinu struje nisu poznati.Nasljednica ove elektrane jest SeaGen i u mogućnosti je generirati 1.2 MW unutar 18-20 h dnevno. SeaGen se sastoji od dva rotora.[54]

Slika 2.4.7.2.2/7. Slika prikazuje shemu i izvedbu turbine na struju plime i oseke

Slika 2.4.7.2.2/8. Slika prikazuje SeaGen turbinu iznad vode

Slika 2.4.7.2.2/9. Slika prikazuje geografski položaj Devonskog kanala gdje dnevno prolazi 400 miliona galona vode.

Snaga turbine na plimu i oseku

Proračun snage turbine na plimu i oseku bazira se na sljedećoj formuli[55]:

Gdje je:

=gustoća (morska voda 1027 )

=keoficijent snage

P = snaga (W)

A = efektivna površina ()

v = brzina protoka ()

Turbine na plimu i oseku imaju različite načine rada i kao takve imaju i različite iznose snaga. Ukoliko znamo koeficijent snage turbine moguće je u dobiti konačnu snagu za određenu turbinu. Ovaj koeficijent snage ograničen je Betz-ovim koeficijentom. Turbine na plimu i oseku pri brzinama vode od 2-3 m/s mogu generirati i do 4 puta više energije po okretu rotora nego slično dimenzionirane vjetroturbine. Betz-ov koeficijent za vjetroturbine kreće se od 0.25 - 0.3, dok se za turbine na plimu i oseku kreće od 0.35 - 0.5 što ih čini isplativijima i efektivnijima po vatu snage.

Neke od prototipnih turbina na plimu i oseku

Prototipne turbine na plimu i oseku koje se trenutno testiraju i od kojih su neke već povezane sa električnom mrežom.

1. OpenHydro
2. AR 1000
3. HS 1000
4. Evopod

1. OpenHydro

OpenHydro jedna je od nekonvencionalnih turbina na plimu i oseku. Prva je turbina na plimu i oseku koja je spojena na nacionalnu mrežu. Izgledom podsjeća na mlazni motor, ali ova jednostavna turbina ima mogućnost generiranja 250 MW električne energije. Iako je projekt tek prototip pokazuje iznimne mogućnosti te se ispitivanja na projektu i dalje provode. Prednost ovakve turbine glede ekološkog utjecaja jest velika. Zbog svoje konstrukcije u kojem rotor nije spojen na vratilo nema potrebe za podmazivanjem, odnosno rotor sjedi u ležištu unutar prstena[56].

Slika 2.4.7.2.2/10. Slika prikazuje testiranje OpenHydro turbine[57]

2. AR 1000

AR 1000 turbina na plimu i oseku započela je svoje testiranje 2011. godine. Ova 1MW turbina (mjereno za brzine 2.65 m/s) ima rotor radijusa 18 m i teži gotovo 140 t.[58].

3. HS 1000

U prosincu 2011. godine započelo je testiranje 1MW turbine HS 1000. Ova buduća komercijalna turbina nasljednica je prototipne turbina HS 300 koja je trajno postavljena na mrežu u Norveškoj 2004. godine te je unutar 17 000 sati generirala 1.5 GWh i pokazala se veoma učikovitom sa čak 98% spremnosti prilikom rada.[59]

4.Evopod

Eksperimentalna turbina postavljena je u pogon 2008. godine. Veličina prototipa koji se testira je 1/10 stvarne veličine[60].

Prednosti koje možemo pronaći kod Evopod-a su:

1. Brzine plime i oseke su veće pri površini i padaju prema dubini
2. Tok vode je neometan pri površini nego pri dnu zbog topografije morskog dna.
3. Ne zahtjeva konstrukciju koja bi je pridržavala na morskom dnu kao kod drugih turbina na plimu i oseku.
4. Brtvljenje je znatno jednostavnije zbog dubine na kojoj se nalazi
5. Lakši pristup za održavanje nego kod turbina koje su postavljene na dno

Mane koje se mogu javiti kod Evo-a su:

1. Naleti valova mogu uzrokovati oštečenje dijelova te uzrokovati oscilaciju u dobavi
2. Moguće je potapljanje
3. Otežavanje prometa

Slika 2.4.7.2.2/11. Slika prikazuje prototipnu turbinu Evopod.[61]

Slika 2.4.7.2.2/12. Slika prikazuje eksperimentalni prikaz 3D modela.[62]

Utjecaj na okoliš

Problematika turbina na plimu i oseku osim visokih investicijskih troškova jest štetnost po podvodnu floru i faunu. Ispitivanja glede ekolokškog utjecaja jedan su od ključnih kriterija kojima se kompanije koji proizvode ovakve turbine bave. Mogući problemi koji mogu nastati[63]:

1. Istjecanje maziva
2. Buka
3. Opasnost za podvodni svijet

Zaključak

Energija dobivena iz plime i oseke ima dugoročnu budućnost, posebice u vrijeme koje dolazi i koje prijeti nestašicom fosilnih goriva, jedna od alternativa će bit baš ovaj oblik dobivene energije.

Studije EU-a o plimnom potencijalu su ustanovile 106 Europskih lokacija sa jakim morskim strujama i procijenile da mogu osigurati 48TWh struje /godišnje (equivalentno 12500MW instalirane snage ) u električnu mrežu Europe. Tehnički RD&D programi trebaju biti razvijeni da bi se cijena eksploatacije mogla pouzdano odrediti. (Najveći broj RD&D programa na polju iskorištavanja energije valova, plime i oseka te morskih struja trenutačno provodi V. Britanija stvaranjem subvencioniranog okruženja za njihov razvoj iz razloga potrebe osiguranja 10% obnovljive energije svakog proizvođača električne energije u zemlji.) Ciljana godina za anticipaciju energije mora u sustavima energetske opskrbe je procijenjena ili i predviđena od EU između 2010 i 2020 godine.

Alternativne tehnologije

Distribuirana proizvodnja

Distribuirana proizvodnja energije igrat će ključnu ulogu u razvoju novih energetskih sustava primjenom novih i naprednih tehnologija, koje se temelje na iskorištavanju lokalno prisutnih resursa, a to su najčešće obnovljivi izvori energije dostupni na mjestu potrošnje. Distribuiranom proizvodnjom mogu se zamijeniti znatne količine energije koje dolaze mrežnim sustavima te se tako smanjuju transmisijski i distribucijski gubici, a ponekad se izbjegavaju ulaganja u nove mrežne (transmisijske i distribucijske) kapacitete, koji u slučaju električne energije mogu imati udio u njenoj cijeni viši od 30%. Distribuirana proizvodnja energije je i osnova za razvoj pametnih mreža - „Smart grids“ i virtualnih elektrana - „Virtual power plants“. Ovi novi koncepti razvijaju se uz pomoć IT tehnologija te nastoje transformirati transmisijsku i distribucijsku mrežu u jedinstven interaktivan sustav.

Slika 2.4.1. Vizija „Smart grid“ koncepta razvijena od strane japanskih i US tvrtki za otočje Hawaii (izvor: http://theasiacareertimes.com)

Gledajući samo elektroenergetske sustave distribuirana proizvodnja električne energije nije novi koncept jer se u počecima razvoja ovih sustava energija proizvodila na mjestu potrošnje i to najčešće u industrijskim elektranama. Daljnjim razvojem energetskih sustava i nastojanju dobivanja što jeftinije energije proizvodni kapaciteti su bivali sve veći te su se gradili blizu izvora primarnih resursa, kao što su rudnici ugljena ili mjesta s pogodnim hidropotencijalom, a koja su često bila udaljena od potrošača. Tako se došlo do razvoja centralizirane proizvodnje električne energije koja je obilježila drugu polovicu 20. stoljeća. IEA definira distribuiranu proizvodnju električne energije kao proizvodnju koja služi kupce na mjestu potrošnje ili koja pruža potporu distribucijskoj mreži te je priključena na napon distribucije. Tehnologije generalno uključuju motore s unutarnjim izgaranjem, male i mikro turbine, gorive ćelije i solarne fotonapnske sustave. Kao što se može zaključiti iz definicije vjetroelektrane i male hidroelektrane se ne nalaze na IEA popisu tehnologija jer su one najčešće instalirane na mjestima s pogodnim potencijalom, a koji može biti dosta udaljen od mjesta potrošnje. Zbog toga se manji sustavi za proizvodnju energije, koji se ne nalaze blizu mjesta potrošnje nazivaju sustavima za decentraliziranu proizvodnju energije.

Otočna proizvodnja

Otočna proizvodnja karakterizira izolirane i autonomne energetske sustave. U slučaju proizvodnje električne energije to su distribucijski sustavi male i srednje veličine najčešće, no ne nužno, snabdjevani energijom iz malih dizelskih agregata ili malih termoelktrana s diesel motorima. Zadnjinih dvadesetak godina sve se više razvijaju otočni sustavi s korištenjem energije iz obnovljivih izvora u kombinaciji s nekim oblikom skladištenja električne energije (baterije, reverzibilne hidroelektrane i vodikova tehnologija). Intermitentna priroda većine obnovljivih izvora energije (OIE) predstavlja poteškoće pri usklađivanju dobave i potražnje te izaziva tehničke probleme vezane uz slabe i izolirane mreže. Skladištenje energije može imati ključnu ulogu u rješavanju ovih problema, te može pridonijeti povećanju penetracija OIE u slabim mrežama, pogotovo u izoliranim zajednicama i na otocima.

Slika 2.5.1.Konfiguracija vjetroelektrane i reverzibilne hidroelektrane u autonomnim energetskim sustavima

Kao što joj ime govori otočna proizvodnja je karakteristična za elektroenergetske sustave otoka koji nemaju vezu s kopnom podmorskim kabelima. Analizama elektroenergetskih sustava otoka za različite vrijednosti potražnje energije i različite razine potencijala vjetra je utvrđeno da reverzibilne hidroelektrane mogu pomoći u značajnom povećanju penetracije električne energije iz vjetroelektrana. Reverzibilne hidroelektrane mogu pripomoći čak i u uvjetima blagog vjetra, no bitno je znati da za razvoj reverzibilnih hidroelektrana treba imati pogodnu konfiguraciju terena, što najčešće znači pogodne lokacije dva rezervoara ili akumulacije te raspoloživu visinsku razliku. Iako se za donji rezervoar može koristiti more, reverzibilne hidroelektrane s morskom vodom se izbjegavaju zbog mogućnosti havarije te trajnog zasoljivanja okoliša. U tom slučaju, gdje nedostaje pitke vode, mogu se reverzibilne elektrane integrirati s desalinizacijskim postrojenjima.

Na otocima je moguće koristiti i sustave za skladištenje pomoću vodika, gdje oni nadopunjavaju OIE zbog njihove intermitentne prirode te tako pomažu većoj penetraciji OIE. Analize uvođenje energije vjetra i sustava za skladištenje pomoću vodika u energetski sustavima otoka Milosa u Grčkoj (STORIES projekt: http://storiesproject.eu/) pokazalo je da su smanjenje ovisnosti o fosilnim gorivima, povećanje sigurnosti opskrbe i smanjenje emisija vezanih uz fosilna goriva isplativi te ih je moguće postići mnogo manjim troškom u odnosu na sadašnji trošak proizvodnje električne energije.

Pored vodika za skladištenje energije se mogu koristiti i razne baterije, no za njihovu primjenu na udaljenim otocima ipak treba imati razvijen sustav oporabe i reciklaže jer njihovo neplanirano odlaganje ima štetne posljedice za okoliš.

Otočna proizvodnja energije može nastupiti i u velikim energetskim sustavima, kod ispada nekih vodova i dijelova sustava, no takva proizvodnja nije poželjna i nastoji se izbjegavati.

KGH sustavi (klimatizacija, grijanje i hlađenje)

KGH sustavi bave se postizanjem i održavanjem parametara toplinske ugodnosti za osobe koje borave u zatvorenom prostoru tokom cijele godine. Kao komponenta zgrade, KGH sustav košta mnogo novaca, troši puno energije, ima veliki utjecaj na ugodnost i veliki potencijal da poboljša ili naruši zdravlje osoba koje borave u zgradi. Pod KGH sustave podrazumijevamo grijanje, hlađenje i ventilaciju što sve objedinjuje klimatizacija.

Slika 88. Koncept KGH sustava

Grijanje

Povijest grijanja

Prvim "sustavom" grijanja koji je čovjeku bio poznat se može smatrati izlaganje Sunčevim zrakama. Tek nakon "otkrića" vatre, čovjeku je, osim jednostavnijeg pripremanja hrane, omogućena zaštita od hladnog vremena u svako doba dana i godine. Ognjište, odnosno ložište s otvorenim plamenom u pravilu se nalazilo u središnjem dijelu nastambe i ujedno je služilo za pripremanje hrane i kao sustav grijanja.

Prvi složeniji sustavi grijanja na području Europe nastaju tek u antičko doba. Bili su to sustavi centralnog površinskog grijanja starih Rimljana koji su bili poznati pod nazivom hipokaustično grijanje. Ložište se nalazilo ispod kuće, a gorivo (drvo ili drveni ugljen izgarali su u ložištu bez rešetke. Dimni plinovi kao produkt izgaranja prolazili su kroz posebno izvedene šupljine u zidovima i podovima (tibulama) i izlazili sa strane kroz otvore. Posude za vodu iznad ložišta bili su prvi prethodnici centralne pripreme vode.

Slika 89. Hipokaust

U srednjem vijeku u europskim zemljama nije zabilježen neki značajni pomak, kao izvor topline u nastambama običnog puka koristi se otvoreno ognjište postavljano u središte prostorije, a kućama plemenitaša otvoreni kamin postavljen u prostoriju gdje se najčešće boravilo, dok se ostale prostorije ili nisu grijale ili su se grijale tako što je uz njih prolazio dimnjak.

Najznačajnije promjene pojavljuju se u 18. stoljeću. Godine 1716. u Švedskoj je izveden prvi sustav centralne pripreme potrošne tople vode (Triewald), a 1745. godine u Engleskoj je izveden prvi sustav parnog grijanja. Godine 1763. proizvedena je prva peć na drva s povećanom učinkovitošću (tzv. berlinska peć) kao posljedica velike nestašice energenata (ogrjevnog drva zbog nekontrolirane sječe šuma) u tadašnjoj Pruskoj,a 1770. godine glasoviti izumitelj James Watt za grijanje svojih pogona počinje koristiti radijatore s parom kao prijenosnikom energije, dok 1777. godine u Francuskoj započinje primjena centralnog toplovodnog grijanja u inkubatorima za uzgoj pilića i u staklenicima. Potkraj 18. stoljeća konstruirana je prva željezna peć i lijevanoželjezni kotao.

U prvoj polovici 19. stoljeća postavljene su tehničke osnove sustava vrelovodnog (Perkins, 1831. godine). U istom razdoblju izveden je i jedan od prvih sustava centralnog toplovodnog grijanja ( u glasovitom dvorcu Neuschwannstein u južnoj Bavarskoj). Topli zrak grijan u velikim pećima na drva koje su se nalazile u podrumu prolazio je kroz otvore do soba i gornjih katova. Godine 1860. u SAD-u započinje tvornička proizvodnja lijevano željeznih kotlova i radijatora, a u posljednja desetljeća 19. stoljeća donose pravu ekspanziju proizvođača opreme za grijanje, od kojih su neki opstali i do danas.

Tehnički razvoj u 20. stoljeću donosi brojne novosti. Izgrađuju se prve toplane i toplinarski sustavi: parni u Dresdenu 1901. godine i toplovodni u Plauenu (također u Saskoj) 1906. godine. Godine 1930. konstruirana je prva cirkulacijska crpka za sustave grijanja (Oplaender). Već u to vrijeme primijećene su prednosti centralnog toplovodnog grijanja, koje najveći zamah doživljavaju pedesetih godina prošlog stoljeća. U doba tzv. energetske krize sedamdesetih godina prošlog stoljeća dolazi do velikih promjena u tehnici grijanja jer osnovni zahtjev postaje istodobno smanjivanje potrošnje goriva uz očuvanje ugodnosti boravka u prostorijama. Tada nastaju prvi niskotemperaturni kotlovi i počinje se primjenjivati regulacija u ovisnosti o vanjskoj temperaturi. Sljedeći veliki korak u razvoju tehnike grijanja predstavljaju kondenzacijski kotlovi, čija primjena započinje početkom 80-ih godina prošlog stoljeća. Kada je riječ o sustavima grijanja budućnosti, mogu se primijetiti naznake daljnjeg razvoja. Jedna od njih je svakako povezivanje sustava grijanja sa sustavom za decentraliziranu proizvodnju električne energije, odnosno primjena kogeneracije. Isto tako u posljednje vrijeme se može primijetiti sve veća težnja za primjenom energije iz obnovljivih izvora, primjerice pomoću solarnih sustava ili dizalica topline.

Toplinska ugodnost

Zadatak sustava grijanja je dovođenje dovoljne količine topline za pokrivanje toplinskih gubitaka zgrade te osiguravanje toplinskih uvjeta pri kojim se korisnici u prostoriji osjećaju ugodno.

Prema normi ISO 7730 toplinska ugodnost je stanje svijesti koje izražava zadovoljstvo s toplinskim stanjem okoliša. Osjećaj ugodnosti nužno je individualan i ne postoji određeni skup stanja okoliša u kojem bi baš svaka osoba iskazala zadovoljstvo. Toplinska ugodnost je određena s nekoliko osnovnih faktora:

• temperaturom zraka u prostoriji,
• temperaturom ploha u prostoriji,
• vlažnošću zraka,
• brzini strujanja zraka,
• razini odjevenosti,
• razini fizičke aktivnosti,
• ostalim faktorima (kvaliteta zraka, buka, namjena prostora, dob, spol, rasa…).

Toplinska ravnoteža između tijela i njegove okoline, rezultirat će promjenom temperature tijela. Ljudsko tijelo ima vrlo učinkovit mehanizam za održavanje temperature tijela koja se održava na približno 37^oC. Kako bi održala stanje toplinske ravnoteže, osoba mora proizvedenu toplinu predati okolini. Izmjena topline s ljudskog tijela može biti osjetna i latentna. Ljudsko tijelo osjetnu toplinu izmjenjuje konvekcijom (izmjena topline sa zrakom), zračenjem (izmjena topline s plohama u prostoru bez kontakta) i provođenjem (izmjena topline s čvrstim predmetima s kojima je tijelo u kontaktu, kao npr. pod), dok latentnu transpiracijom (ishlapljivanje vlage) preko kože i disanjem.

Slika 90. Mehanizmi održavanja toplinske ravnoteže

Sustavi grijanja

Općenito sustave grijanja možemo podijeliti na:

• lokalno grijanje,
• centralno grijanje,
• daljinsko grijanje.

Lokalno grijanje

Predstavlja najstariji način grijanja koji omogućava izravno zagrijavanje prostorije iz izvora topline koji je u njoj smješten. Izvori topline za lokalno grijanje mogu biti kamini, štednjaci, peći, grijalice, električno podno grijanje itd.

Centralno grijanje

Centralno grijanje može biti toplovodno, parno ili zračno. Kod centralnog grijanja, ogrjevni medij (voda, zrak, para) zagrijava se na jednom mjestu (kotlu smještenom u kotlovnici) i uz pomoć pumpi (rjeđe se koriste gravitacijski sustavi) preko razvoda distribuira u ogrjevna tijela smještena u prostorijama kuće ili zgrade. Sustavi centralnog toplovodnog grijanja su prema HRN EN 18282 određeni kao sustavi grijanja kod kojih temperatura ogrjevnog medija (tople vode) nije viša od 105 °C i danas predstavljaju najčešću izvedbu sustava grijanja u stanovima, obiteljskim kućama i zgradama. Sustav centralnog parnog grijanja koristi kao radni medij vodenu paru koja se proizvodi u kotlu i dovodi parnim vodovima do ogrjevnih tijela gdje kondenzira i kondenzacijski vodovima vraća u kotao. Para se koristi kod zagrijavanja velikih dvorana koje se povremeno griju ili u slučajevima kada se koristi i za druge svrhe kao na primjer u tvornicama. Kod zračnog centralnog grijanja koristi se zrak koji se zagrijava u izmjenjivaču topline i distribuira kanalima u prostorije.

Slika 91. Shema centralnog grijanja

Daljinsko grijanje

Kod daljinskog grijanja izvor topline je u toplani iz koje se toplinom snabdijeva jedna ili više grupa građevina, stambeni blokovi ili gradske četvrti. Često su ova postrojenja građena kao termoelektrane – toplane, tj. kogeneracijska postrojenja s istovremenom proizvodnjom električne i toplinske energije. Kao distribucijske pozicije služe toplinske podstanice.

Slika 92. Daljinsko grijanje

Ogrijevna tijela

Ogrijevna tijela su dijelovi sustava grijanja koji služe za izmjenu topline s prostorijom (tj. zrakom, osobama i objektima u njoj), kako bi se u njoj ostvarili uvjeti toplinske ugodnosti, odnosno zadovoljile potrebe radnog procesa. Kod centralnih su sustava grijanja izvedeni kao zasebni elementi i do njih se pomoću cijevnog razvoda dovodi prikladan ogrjevni medij zagrijan u izvoru topline smještenom na jednom mjestu za cijeli objekt, odnosno za više prostorija. Za razliku od toga , kod lokalnih su sustava grijanja s izvorom topline objedinjena u jedinstveni element, pri čemu dodatni prijenosnik topline i njegov razvod nisu potrebni jer se toplina izmjenjuje izravno. S obzirom na izvedbu, način izmjene topline i korišteni ogrjevni medij, postoji nekoliko osnovnih vrsta ogrjevnih tijela:

• Radijatori (npr. člankasti, pločasti, cijevni i sl.),
• Konvektori,
• Kaloriferi i zračeći paneli,
• Površinski sustavi grijanja (podno, zidno i stropno grijanje),
• Toplozračna,
• S izravnom izmjenom topline (peći, grijalice, kamini i sl.),
• U posebnim izvedbama.

Slika 93. Radijator

Radijatori

Radijatori su ogrjevna tijela kod kojih se izmjena topline odvija konvekcijom i zračenjem, a građena su od jedne ili više ogrjevnih ploha različitog oblika, izvedbe i veličine. Radijatori mogu prema izvedbi ogrjevnih ploha biti: člankasti, pločasti, cijevni i u posebnim izvedbama.

Člankasti ili rebrasti radijatori sastoje se od više članaka izrađenih od tlačno lijevanog aluminija, lijevanog željeza ili čelika. Članci su međusobno povezani spojnicama s lijevim i desnim navojem dimenzija, pri čemu se njihov broj mijenja ovisno o potrebnom toplinskom učinu radijatora. Ukupne dimenzije i učin radijatora jednake su zbroju dimenzija i učina svakog članka. Prema DIN 4703 člankasti radijator mora biti minimalno 70mm odmaknut od poda, 40mm od ploče unutrašnjeg zida te od peripeta 65mm.

Slika 94. Člankasti radijator

Pločasti radijatori sastoje se od tijela koje čini ogrjevna ploha, odnosno ploča s ravnom i glatkom vanjskom površinom koja je izrađena od čeličnog lima i koja je najvećim dijelom svoje unutarnje površine u doticaju s ogrjevnim medijem. Ploče se mogu postaviti u više redova, a za poboljšanje izmjene topline na njih se postavljaju tzv. konvekcijske lamele. Odabiru se s obzirom na učin koji se uobičajeno izražava po duljini. U odnosu na člankaste radjatore imaju razmjerno male ugradbene dimenzije (posebice dubinu), glatku površinu za izmjenu topline čime se olakšava održavanje i čišćenje pa se ostvaruje mnogo veća higijenska razina uporabe te kompaktnu izvedbu što olakšava odabir, isporuku i ugradnju. Prema DIN 4703 pločasti radijator mora biti 50mm odmaknut od zida i 100 mm od poda.

Slika 95. Pločasti radijatori

Cijevni radijatori se sastoje od dvije ili više čeličnih cijevi postavljenih vodoravno ili okomito koje su na odgovarajući način spojene na krajevima, pri čemu se spojevi u pravilu izvode zavarivanjem. S obzirom na to da se vrlo često koriste u kupaonicama i drugim sanitarnim prostorijama, nazivaju se i kupaoničkim radijatorima.

Slika 96. Cijevni radijator

Konvektori

Konvektori su ogrjevna tijela za centralne sustave grijanja (toplovodne, vrelovodne ili parne) kod kojih se topline gotovo isključivo izmjenjuje konvekcijom. Sastoj se od jednog ili više izmjenjivača topline u obliku cijevi na koju su ugrađene gusto raspoređene lamele za izmjenu topline. Prema mjestu ugradnje mogu biti zidni, podni i s pokrovom, dok prema ostvarenju strujanja zraka mogu biti s prirodnom i prisilnom cirkulacijom. Uglavnom se koriste za grijanje velikih prostora s velikim ostakljenim površinama (npr. izloga, automobilskih salona i sl.), a mogu se izvesti i tako da se do njih dovodi svježi zrak izvana, odnosno mogu se povezati sa sustavom ventilacije. Ipak u odnosu na radijatore, imaju nekoliko nedostataka, među kojima su najveći složena izvedba i ugradnja, otežano održavanje i čišćenje, odnosno razmjerno niža higijenska razina uporabe. Odabiru se s obzirom na dimenzije (ugradbenu visinu i dubinu) i učin koji se izražava po duljini.

Slika 97. Konvektor

Sustavi površinskog grijanja

Sustavi površinskog grijanja kao ogrjevna tijela koriste građevinske elemente, odnosno plohe prostorije: pod, zidove i strop, pri čemu se toplina izmjenjuje zračenjem i konvekcijom, a s obzirom na ogrjevnu plohu dijele se na podne, zidne i stropne. Mogu biti izvedeni kao električni ili toplovodni, pri čemu se koriste snižene temperature ogrjevnog medija (npr. 55/45, 40/30°C), a kao izvori topline služe niskotemperaturni i kondenzacijski kotlovi, solarni sustavi i toplinske crpke.

Slika 98. Podno grijanje

Priprema potrošne tople vode

Na pripremu potrošne tople vode (PTV) u prosječnom kućanstvu u kontinentalnom dijelu Hrvatske otpada otprilike 20% ukupne godišnje potrošnje toplinske energije, dok se ostatak troši na grijanje prostora (oko 73%) i kuhanje (oko 7%). U primorskim dijelovima taj je udio energije za pripremu PTV-a još i veći. Prosječni građanin potroši dnevno oko 200-300 litara pitke vode, od čega u prosjeku 40-70 litara otpada na potrošnu toplu vodu temperature 45°C koja se uglavnom koristi za održavanje osobne higijene i pranje posuđa. U sezoni kada nema grijanja priprema, PTV-a predstavlja pojedinačno najveći izdatak za energiju jednog kućanstva, bez obzira koji se energent koristi. Učinkovita priprema i korištenje PTV-a može stoga znatno utjecati na smanjenje ukupnih troškova za energiju u kućanstvu.

Sustavi za pripremu potrošne tople vode služe za zagrijavanje pitke vode i zbog svojih se sličnosti u tehničkom smislu vrlo često promatraju zajedno sa sustavima grijanja, a nerijetko su izvedeni s istim izvorom topline. U njihove se osnovne dijelove ubrajaju odgovarajuće izvedeni izvor topline, vodovi do trošila (slavina i sl.), a često i povratni, odnosno recirkulacijski vodovi te sigurnosni i regulacijski elementi.

Slika 99. Priprema potrošne tople vode

Prema načinu zagrijavanja vode sustavi za pripremu potrošne vode mogu biti:

• Protočni – zagrijavaju vodu neposredno u trenutku potrošnje, pri čemu izmjena topline započinje otvaranjem protoka kroz trošilo.
• Spremnički ili akumulacijski – zagrijavaju vodu prije potrošnje, pri čemu se zagrijana voda sve dok nije potrebna pohranjuje u odgovarajućem spremniku.

Izvori topline su dijelovi sustava za pripremu PTV-a u kojim dolazi do pretvorbe prikladnog primanog izvora energije u toplinu koja se potom izravno ili posredno (ovisno o izvedbi sustava) predaje vodi. U najvećem broju slučajeva po svojoj su izvedbi jednaki izvorima topline sustava grijanja i nerijetko se izvode kao jedinstveni uređaj. Kao izvori topline sustava za pripremu PTV-a u stanovima, obiteljskim kućama i zgradama razne namjene danas se najčešće koriste:

• Protočni plinski ili električni bojler (< 2 osobe)
• Akumulacijski plinski ili električni bojler (< 4-5 osoba)
• Kombinirani plinski bojler za PTV i grijanje prostora-protočni ili akumulacijski (< 4-5 osoba)
• Kotao s indirektno grijanim spremnikom za centralnu pripremu vode ( > 4-5 osoba)
• Solarni kolektori sa spremnikom ( > 3 osobe)
• Dizalica topline ( > 3 osobe)

Spremnici topline su dio sustava za pripremu PTV-a i služe za pohranu zagrijane vode kako bi njezina potrošnja bila moguća u bilo koje vrijeme. Spremnici topline mogu biti protočni (direktno se zagrijava ona količina vode koja se troši) i akumulacijski (priprema veća količina vode pri čemu se toplina akumulira).

Slika 100. Akumulacijski spremnik

Ventilacija

Zadaća ventilacije u zgradama je stalna zamjena onečišćenog zraka iz prostorije, svježim zrakom iz slobodne atmosfere radi održavanja potrebnih higijenskih uvjeta neophodnih za zdrav i ugodan boravak ljudi. Uloga ventilacije je također zagrijavanje zraka ukoliko je potrebno, odstranjivanje suvišne vlage i štetnih plinova iz prostora, te rashlađivanje zraka u ljetnom razdoblju. Za ugodno stanovanje i očuvanje zdravlja i pune radne sposobnosti osoba, važne su sljedeće preporuke:

• temperatura zraka zimi u stambenim bi prostorijama trebala bit 21 ± 1 °C. Ljeti su ugodne temperature između 24 i 26 °C;
• odstupanja srednje temperature obodnih površina (zidovi) od temperature zraka, ne smije iznositi više od 2 do 3 °C;
• zimi je udobna relativna vlažnost zraka od 40% do 50%, a ljeti 50 ± 5%. Vrijednosti ispod 30% medicinski su nepoželjne, jer imaju za posljedicu isušivanje dišnih puteva;
• brzina strujanja zraka u zoni boravka osoba trebala bi biti od 0,1 do 0,3 m/s.

Ventilaciju možemo podijeliti na:

• Prirodnu ventilaciju,
• Mehaničku ventilaciju.

Prirodna ventilacija

Prirodna ventilacija podrazumijeva izmjenu zraka u prostoriji bez korištenja ventilatora, to jest iskorištava prirodne zakone pri izmjeni zraka u nekoj zatvorenoj prostoriji. Zrak u zatvorenoj prostoriji se izmjenjuje zbog efekta dimnjaka (uzrok strujanja). Efekt dimnjaka je pojava koja uzrokuje strujanje toplijeg zraka kroz zgradu prema gore zbog razlike u temperaturi, tj razlike gustoća toplijeg i hladnijeg zraka. Ona se odvija putem infiltracije zraka kroz zazore prozora i vrata, te zidova, otvaranjem prozora i vrata te izmjenom zraka kroz ventilacijske kanale.

Slika 101. Efekt dimnjaka

Prednosti ovakvog tipa ventilacije su mali investicijski troškovi, jednostavno održavanje, jeftina pogonska energija, mala brzina strujanja zraka, niska razina buke i smanjenje emisija stakleničkih plinova. Nedostaci su slaba učinkovitost, slaba mogućnost upravljanja te ovisnost o vremenskim uvjetima.

Infiltracija kroz zazore podrazumijeva prodor zraka kroz zazore na prozorima i vratima te malenim dijelom kroz vanjske zidove. Prodor svježeg zraka u prostoriju procesom infiltracije ovisi o veličini zazora na vanjskim prozorima i vratima. Uvjet za ovakvu izmjenu je razlika tlaka između unutarnjeg i vanjskog zraka kao posljedica razlike temperature i energije vjetra. Zimi je u stambenim prostorijama broj izmjena zraka od 0,3 do 0,8 h-1. Noviji prozori koji imaju manji koeficijent prijelaza topline često imaju izmjenu zraka samo 0,1 h-1 pa prostorije koje imaju takve prozore ili bi trebale otvarati prozore ili koristiti mehaničku ventilaciju. Minimalni broj izmjena zraka u jednom satu u stambenoj prostoriji ne smije biti manji od 0,5 h-1. Ovakav tip ventilacije nije dovoljan i treba se koristiti u kombinaciji sa otvaranjem prozora i vrata.

Otvaranjem prozora i vrata postiže se najintenzivnija izmjena zraka u prostoriji. Ona ovisio o brzini vjetra, razlici između temperatura unutarnjeg i vanjskog zraka, vrsti prozora i roleta te rasporedu prozora u zgradi. Približan broj izmjena zraka koji se može postići u uporabi pri zatvorenom prozoru i balkonskim vratima, te pri različitim položajima krila prozora i prozorskih roleta prikazani su u tablici. Većina ljudi prozračuje svoje prostorije otvaranjem prozora pri čemu se razlikuje dugotrajno i kratkotrajno prozračivanje. Treba imati na umu da je kratko prozračivanje potpunim otvaranjem krila prozora i balkonskih vrata osobito s aspekta zaštite od prehlade i uštede toplinske energije za grijanje, bolje od trajnog prozračivanja kroz poluotvorena krila vrata ili prozora. U jednakim vremenskim intervalima na primjer svakih sat vremena otvorim prozor na 5 do 10 minuta i time izmijenimo kompletnu količinu staroga zraka. Na slici 103 su prikazani načini i vremenski period potreban da se cijeli zrak u prostoriji izmjeni.

Slika 102. Broj izmjena zraka pri prirodnoj ventilaciji kroz prozore i vrata

Slika 103. Pravilno prozračivanje

Prirodna ventilacija kroz kanale znači izmjenu zraka u prostoriji bez prozora kroz vertikalne zidane ventilacijske kanale koji se izvode od pripadajuće prostorije do iznad krova zgrade. Pri tome treba imati na umu da ovakav tip ventilacije funkcionira ispravno samo ako je osigurano stalno dovođenje svježeg zraka u odgovarajućim količinama. Zrak se dovodi kroz otvor na zidu ili dnu krila vrata a odvodi iz prostorije kroz otvor ispod stropa s priključkom na ventilacijski kanal. Da bi se mogla regulirati izmjena zraka u prostorijama okomiti kanali imaju zaklopke za podešavanje.

Slika 104. Okomiti kanali

Mehanička ventilacija

Mehanička je ventilacija prisilna izmjena zraka u zatvorenome prostoru kroz vertikalne kanale na mehanički pogon pomoću ventilatora. Takva ventilacija se izvodi u području s jakim vrtlogom vjetrova ili u razdoblju kad nema prirodne ventilacije odnosno kad nije dovoljno djelotvorna. Prednosti ovakve ventilacije su: ne ovisi o vremenskim uvjetima, veliki izbor opreme, mogućnost regulacije te je pojednostavljen proces projektiranja sustava. Nedostaci su veliki investicijski troškovi, velika potrošnja energije, recirkulacija zraka te problem buke.

Slika 105. Mehanička ventilacija

Mehanička ventilacija dijeli se na:

• odsisnu
• tlačnu
• odsisno-tlačnu

Odsisna ventilacija - prostorija se nalazi u podtlaku (tlaku manjem od okolišnog) čime se sprečava širenje lošeg zraka. Ventilator isisava zrak i izbacuje ga van. Primjenjuje se u kuhinjama (napa), kupaonicama itd.

Slika 106. Kuhinjska napa

Tlačna ventilacija funkcionira na način da uređaji za tlačnu ventilaciju ubacuju vanjski zrak u prostor koji se ventilira. Prostorija se drži u pretlaku u odnosu na susjedne prostorije i okolinu, te je time spriječen dotok onečišćenog zraka u ventilirani prostor, odnosno višak zraka struji u susjedne prostorije ili prema okolini kroz prozore i vrata. Zimi je potrebno zrak koji se ubacuje u prostoriju zagrijati približno do sobne temperature pomoću grijača zraka. Osnovni dijelovi ventilacijske komore su ventilator, grijač i filtar zraka, te kanal za dovod zraka. Nedostatak tlačne ventilacije je nemogućnost povrata topline iz sobnog zraka. Ovaj tip ventilacije primjenjuje se u sobama, učionicama itd.

Tlačna i odsisna ventilacija pogodna je za velike prostorije. Svježi zrak se ubacuje u prostoriju, dok se iskorišteni izbacuje van. Primjenjuje se za komfornu i industrijsku ventilaciju.

Slika 107. Odsisno-tlačna ventilacija

Izrazi za računanje ventilacije i norme

Minimalno potreban broj izmjena vanjskog zraka: (prema tehničkom propisu koji se odnosi na racionalnu uporabu energije i toplinsku zaštitu u zgradama):

Stambene zgrade:

Sustavi s konstantnim protokom zraka:

'

Sustav s promijenjivim protokom zraka:

'

Nestambene zgrade:

Sustavi s konstantnim protokom zraka:

'

Sustavi s promijenjivim protokom zraka:

'

Minimalno potreban volumni protok zraka:

'

Filteri za ventilacijske sustave

Filter je dio opreme ventilacijskog sustava koji uklanja čestice zagađivača iz ventilacijskog zraka. Korištenjem filtera povećava se razina ugodnosti, ali povećavaju se i troškovi pogona i održavanja sustava. Postavljanjem filtera u ventilacijsku ili klima jedinicu provodi se, ne samo pročišćavanje zraka, nego i zaštita ostalih uređaja ugrađenih u sustav od nakupljanja i taloženja nečistoća. Time se posredno dodatno čuvaju elementi građevine od onečišćenja i oštećenja. Osnovni činilac u filtraciji zraka su filterski materijali tj. Filterski ulošci, ili kraće, filteri. Filter kao finalni proizvod sastoji se od jednog, dva ili tri filterska uloška, pri čemu zadnji ugrađen u nizu zovemo filterom, a predhodne predfilterima. Moderni filteri danas omogućuju zadržavanje čestica u širokom rasponu 0,1-500 μm.

Filter za čestice treba imati tri važne osobine:

• visoka efikasnost- sposobnost uklanjanja čestica iz struje zraka
• veliki kapacitet zadržavanja prašine – određena količina prašine koju filter zraka može zadržati u pogonu
• mali otpor strujanju zraka – pad statičkog tlaka na filteru

Osnovna podjela filtera po klasama vrši se prema europskim smjernicama i normama:

• Grubi filter - predfilter
• Fini filter – prvi/drugi stupanj filtracije
• Apsolutni filter – završni stupanj filtracije

Grubi filteri vrše zadržavanje krupne prašine (čestice promjera 5-100 μm) i najčešće se koriste u klimatizaciji proizvodnih hala, kompresorskih stanica, za zaštitu električnih uređaja ili kao predfilteri u zahtjevnijim klima komorama (lakirnice, poslovne zgrade...)

Fini filteri vrše zadržavanje fine prašine (čestice promjera 0.3-5 μm) i koriste se u bolnicama, labaratorijima, elektranama, lakirnicama i drugdje.

Apsolutni filteri vrše zadržavanje najfinije prašine (lebdeće čestice vrlo malog promjera <0.3 μm), te se najčešće koriste u operacijskm dvoranama, medicinskoj i farmaceutskoj industriji, sterilnim punionicama, pogonima za mikrotehnologiju i mikroelektroniku, u prehrambenoj industriji i drugim pogonima u kojima je potrebno ispuniti najviše zahtjeve za čistoću zraka.

Slika 108. Grubi sintetički filter F9

Slika 109. Vrećasti fini filter G3

Hlađenje

Rashladna tehnika je ona grana tehnike koja se bavi pojavama i postupcima hlađenja tijela. U tom smislu, hladiti znači nekom tijelu smanjivati unutrašnju energiju odvođenjem energije, što se manifestira sniženjem njegove temperature. Hlađenje je lijevokretni kružni proces snižavanja temperature u nekom prostoru u svrhu, npr., rashlađivanja hrane, očuvanja neke supstance ili stvaranja ugodnog osjetilnog doživljaja. Hladnjaci, strojevi za hlađenje, usporavaju razvoj bakterija koje uzrokuju kvarenje prehrambenih proizvoda kao i kemijskih reakcija koje se događaju u normalnoj atmosferi.

Čovjek je već u dalekoj prošlosti shvatio korisnost hlađenja, tako je još pračovjek skupljao snijeg i led i čuvao ga u svojim pećinama. U starom Egiptu, gdje niti zimi nema leda, koristila se tehnika hlađenja vode u poroznim glinenim ćupovima koje su robovi hladili lepezama. U Indiji se za vedrih ljetnih noći ostavljala na slobodnom prostoru u plitkim glinenim posudama i tako se hladila. 1913. godine Escher Wyss po prvi puta upotrebljava monoklormetan kao radnu tvar u rashladnom uređaju. Dvadesetih godina prošlog stoljeća započinje serijska proizvodnja kućanskih hladnjaka sa monoklormetanom ili sumpor-dioksidom kao radnom tvari. 1945. godine freoni postaju najznačajnija radna tvar u rashladnoj tehnici, i to značenje zadržavaju do danas.

Slika 107. Moderni hladnjak za kućanstvo

Konstantan rashladni učinak kod tehničkog hlađenja je postignut cirkulacijom radne tvari u zatvorenom sustavu, u kojem radna tvar isparava (radna tvar ima nisku temperaturu isparavanja) da bi zatim opet kondenzirala u kontinuiranim ciklusima. Ako ne dođe do curenja radne tvari, radna tvar zadržava svoja svojstva kroz čitav uporabni vijek rashladnog uređaja i nije potrebna njena zamjena. Sve što je potrebno za održavanje rashladnog efekta je stalan dovod energije ili snage u sustav, i mogućnost odvođenja topline iz sustava.

Kružni procesi u rashladnoj tehnici su lijevokretni procesi uz utrošak kompenzacijske energije koja se dovodi procesu najčešće kao mehanički rad. Razlikujemo tri vrste takvih procesa. Kada se procesom prenosi toplina od niže na višu okolišnu temperaturu, proces se naziva rashladnim procesom. Kada se kružnim procesom prenosi temperatura s okolišne na neku višu temperaturu, takav proces se naziva ogrjevnim procesom ili dizalicom topline. Treću vrstu lijevokretnih kružnih procesa čine procesi u kojima se uz utrošak mehaničkog rada prenosi toplina od niske na visoku temperaturu grijanja, tkz. ogrjevno-rashladni procesi.

Dva osnovna tipa rashladnih sustava su kompresijski rashladni uređaji (koriste mehanički rad za strujanje radne tvari) i apsorpcijski rashladni uređaji (koriste toplinu za strujanje radne tvari).

Kompresijski sustavi

Svaki kompresijski sustav se sastoji od četri osnovna elementa, a to su:

Kompresor

Omogućava proces hlađenja jer nije moguće prirodnim putem toplinu prenijeti s tijela niže temperature na višu. Kompresor usisava suhozasićenu paru radne tvari s tlaka isparavanja i komprimira ju na tlak kondenzacije odnosno na temperaturu koja je viša od temperature okoline. Kompresori mogu biti klipni, rotacioni, vijčani itd.

Kondenzator

Pregrijana para radne tvari iz kompresora ulazi u kondenzator gdje se hladi predajući toplinu okolišu do temperature kondenzacije pri čemu daljnjim odvođenjem topline dolazi do kondenzacije radne tvari. Odavanjem topline okolini sadržaj pare u kondenzatoru se sve više smanjuje, a udio kapljevine raste. Radna tvar na izlazu iz kondenzatora je sva u kapljevitom stanju. Za bolju učinkovitost sustava poželjno je da se radna tvar na izlazu kondenzatora pothladi za par stupnjeva. Prema načinu hlađenja kondenzatori se dijele na vodom hlađene, zrakom hlađene, i kombinirano.

Prigušni ventil

Prigušuje radnu tvar s tlaka kondenzacije na tlak isparavanja. Kapljevita radna tvar prolazi kroz prigušni ventil iz područja visokog tlaka u područje nižeg tlaka. Zbog toga radna tvar ekspandira i istodobno isparava. U prigušne ventile ubrajaju se termoekspanzijski ventil (TEV), kapilara, elektronski ekspanzijski ventil (EEV), ventil s plovkom itd.

Isparivač

U isparivaču radna tvar isparava pri tlaku isparavanja najčešće primajući toplinu s medija kojeg hladi. Radna tvar na ulazu u isparivač je većinom u kapljevitom stanju ), dok je radna tvar na izlasku iz isparivaču u suhozasićenom ili blago pregrijanom stanju (stanje 1). Temperatura isparavanja je uvijek niža od temperature medija koji se hladi na isparivaču (najčešće je to zrak, a može biti i kapljevina – voda ili neka smjesa vode i glikola). Isparivači mogu biti potopljeni i suhi.

Slika 108. Split sustav

Apsorbcijski sustavi

Apsorpcijski rashladni proces se od kompresijskog samo po tome što je mehanički kompresor zamijenjen termičkim kompresorom (ili “toplinskim kompresorom”). To znači da kao kompenzacijska energije više ne služi mehanički rad (kojeg dovodimo kompresijskom sustavu u vidu električne energije), već toplinska energije dovedena u sustav pri temperaturi višoj od temperature okoline. Prednost je u tome što je kompenzacijska energija obično neka jeftina otpadna toplina. Da bi termički kompresor radio potrebno je da radna tvar bude smjesa dvije tvari. Jedna tvar je rashladna radna tvar koja kondenzira u kondenzatoru i isparava u isparivaču, a druga tvar mora imati sposobnost da prvu tvar apsorbira (otopi) da bi kao smjesa kružila u krugu termokompresora. Većina industrijskih apsorpcijskih uređaja i malih kućanskih aparata rade sa smjesom amonijaka i vode(NH₃/H₂O). Za hlađenje u uređajima za klimatizaciju ponekad se koristi smjesa vode i litij bromida (H₂O/LiBr). Termički kompresor sastoji se od kuhala i apsorbera. Kuhalo se nalazi na visokotlačnoj strani toplinskog kompresora i u njemu dolazi do izdvajanja rashladne tvari iz apsorbenta s time da rashladna tvar isparava. Za isparavanje je potrebna toplina koja se dovodi kuhalu pri visokoj temperaturi i tlaku. Apsorber se nalazi na niskotačnoj strani termičkog kompresora u kojem dolazi do otapanja rashladne tvari u otapalu pri niskom tlaku. Prilikom tog procesa oslobađa se toplina miješanja.

Slika 109. Apsorpcijski rashladni sustav

Radne tvari

Radna tvar koja cirkulira unutar uređaja ima funkciju prijenosnika energije, preuzimajući toplinsku energiju u jednom dijelu rashladnog uređaja i prenoseći je na drugi dio na kojem se toplina predaje okolišu. Svojstva radnih tvari moraju biti takva da se toplina s niže na višu temperaturu može prenositi pod uvjetima koji vladaju unutar rashladnog uređaja. Radne tvari moraju zadovoljavati posebne termodinamičke, sigurnosne i fizikalno-kemijske zahtjeve. Zbog relativno velikog spektra tvari koje se mogu koristiti kao radne tvari u rashladnim sustavima, uvedeno je univerzalno internacionalno označivanje. Za svaku radnu tvar u rashladnim uređajima oznaka započinje velikim slovom R (eng.: refrigerant), a iza njega slijede dvije ili tri brojke (npr. metan, CH₄, ima oznaku R 50).

Najčešće korištene radne tvari u hladnjacima za kućanstva, halogeni derivati metana i etana, R 11, R 12 i R 22, inače izvanredno kemijski stabilne, predstavljaju veliku opasnost za okoliš u slučaju da radna tvar iscuri iz sustava. Za navedene spojeve se pouzdano zna da uništavaju ozonski omotač. Montrealskim protokolom je zabranjena proizvodnja rashladnih uređaja sa ovim radnim tvarima, i do danas bi zabrana trebala u potpunosti biti provedena.

Energetska bilanca

Za svaki kružni proces vrijede zakoni očuvanja energije. Tako energija koja ulazi u sustav mora biti jednaka energiji koja iz tog sustava i izlazi. Tako za rashladni uređaj vrijedi ista formula kao i za toplinsku pumpu pri kompresijskom procesu sa hladnom parom. Pojednostavljeno to izgleda:

Q₀ + P = Q_c + Q_gub

gdje je:

Q₀ – rashladni kapacitet u kW

P – dovedena energija u kW

Q_c – toplinski kapacitet u kW

Q_gub – toplinski gubici u kW

U kompresoru se javljaju toplinski gubici te upravo zbog toga ukupna dovedena energija P ne prelazi u toplinu koja se odvodi iz kondenzatora, nego se smanjuje za faktor α.

Q_c = Q₀ + α * P

Dva parametra utječu na iznos faktora α: konstrukcija samog kompresora te toplinska izolacija dijelova postrojenja.

Kod grubog proračuna možemo koristiti vrijednosti α:

α = 0 – idealan proces, bez gubitaka

α = 0,9 – obzirom na mehaničku snagu vratila

α = 0,9 – obzirom na primljenu električnu snagu kompresora (hermetičkih)

α = 0,8 – obzirom na primljenu električnu snagu kompresora (otvorenih)

Za sam proračun rashladnog uređaja nije dovoljan samo ovaj zakon održanja energije. Za proračun bitan je i zakon o održanju mase odnosno masenih protoka na hladnoj i toploj strani s ostvarenim temperaturnim razlikama.

Q₀ = m_c *c_c * (t_cu – t_ci)

Q₀ = m_c * (h_cu – h_ci)

Q₀ = A_c * k_c * t_lc

Q₀ = f (t_c, t₀, V_m)

P = f (t_c, t_o, V_m)

Q_c = Q₀ + α * P

Q_c = m_w * c_w * (t_wi – t_wu)

Q_c = A_w * k_w * T_lw

Indeksi C i W označuju hladnu i toplu stranu procesa. Indeksi I i U označavaju izlaz i ulaz za određeni medij.

Kratko pojašnjenje oznaka i veličina navedenih u prethodno navedenim jednadžbama:

• k – koeficijent prijelaza topline u W/m²K
• c – specifični toplinski kapacitet u kJ/kgK
• A – površina izmjenjivača u m²
• t_l – logaritamska temperatura u K
• h – entalpija u kJ/kg
• m – maseni protok u kg/s
• t_c – temperatura smrzavanja u °C
• t₀ – temperatura isparavanja u °C
• V_m – protok kompresora u m³/h

Položaj radnih temperatura t_c i t₀ znatno utječe na rashladni kapacitet i potrošnju energije. Isto tako važan faktor je i veličina kompresora i njegov protok. Za svako postrojenje postoji jedinstvena točak u kojoj navedene zavisnosti i jednadžbe postižu jednakost. To je točka ravnoteže ili pogonska točka. Postizanjem te točke najbolje optimirano određeno rashladno postrojenje.

Slika 110. Prikaz rashladnog ciklusa

Faktori ekonomičnosti (hlađenja i grijanja)

Za ekonomičnost svakog rashladnog uređaja mjerodavan je stupanj iskoristivosti. Stupanj iskoristivosti definiramo kao omjer korisne energije (energije koju možemo iskoristiti za neki koristan rad) i ukupne energije (utrošena energije). Ovaj omjer nikad ne može biti veći od jedan. Iskoristivost od 100% predstavlja idealizirani slučaj u kojem teoretski nemamo nikakvih gubitaka te je sva uložena energije pretvorena u koristan rad. Naravno ovakav slučaj nije mogući u nekom realnom postrojenju.

Stupanj iskoristivosti za klasičan desnokretni proces:

Iz navedene jednadžbe vidimo da η ne može biti veća od 1. Teoretski ne možemo dobivati više rada nego što ulažemo energije.

Temelje prolazimo u termodinamici, odnosno ljevokretnim kružnim procesima. Izrazi koje ćemo koristiti u nastavku, prije svega za faktor ekonomičnosti, ne ovise o svojstvima radne tvari te vrijede za svaku tvar koja se koristi u ljevokretnom kružnom procesu.

Transport topline kod ljevokretnog procesa ne odvija se sam od sebe nego je za prijenos topline potreban nekakav rad koji se dovodi izvana.

Isto tako moramo uvesti jednu novu veličinu koja će opisivati „dovođenje“ topline kod rashladnog spremnika i toplinske pumpe. Radi se o faktoru efikasnosti. Moguća su dva faktora efikasnosti i to za rashladne uređaje i toplinske pumpe (radi se naravno o ljevokretnim procesima). Faktor efikasnosti za rashladne uređaje može se definirati kao:

Faktor ekonomičnosti kod rashladnog uređaja definira se kao količina topline u đulima preuzeta iz ogrjevnog spremnika na račun jednog đula dovedenog rada.

Za toplinsku pumpu faktor ekonomičnosti se definira kao:

Faktor ekonomičnosti za toplinske pumpe nam pokazuje koliko se đula ogrjevne topline dobije za grijanje na račun jednog đula dovedenog rada.

Postoji mogućnost da se dio rashladnog kapaciteta iskoristi i kod toplinske pumpe. Ukoliko imamo takav sustav povećavamo i stupanj ekonomičnosti. Tada dobivamo:

- rashladni uređaj

- toplinska pumpa

Za određivanje ukupne vrijednosti rashladnog procesa koristimo omjere faktora ekonomičnosti realnog i idealnog Carnotovog procesa.

Klimatizacija

Klimatizacija prostora je proces pripreme zraka u svrhu stvaranja odgovarajućeg stupnja ugodnosti za boravak ljudi, a u modernom načinu života i ostalih živih bića.

Klimatizacija kao grana tehnike obuhvaća tehničke postupke za ostvarivanje željenih parametara zraka i njihovo održavanje u prostoru, pomoću termotehničkih sustava tijekom čitave godine. Željeni parametri su veličine u optimalnim graničnim vrijednostima, a vezani su uz uvjete toplinske ugodnosti (temperatura, vlažnost, brzina strujanja, čistoća zraka, buka, …). Klimatizacijski sustavi obavezno uključuju i dovođenje svježeg zraka u prostor koji se klimatizira, tj. uključuje i ventilaciju prostora. U tehničkom smislu, sustavi koji nemaju dovod svježeg nisu sustavi klimatizacije (npr. split sustavi nisu klimatizacijski uređaji jer nemaju mogućnost ovlaživanja niti odvlaživanja zraka, već služe samo za grijanje i hlađenje zraka).

Slika 111. Split sustav-nije sustav klimatizacije

Osnovna podjela klimatizacijskih sustava:

• Niskotlačni ili niskobrzinski klimatizacijski sustavi

Brzina strujanja u kanalskom razvodu iznosi 2 do 10 m/s (2-6 m/s za komfornu klimatizaciju, 6-10 m/s za industrijsku klimatizaciju). Vezan za brzinu strujanja je problem buke koju stvara zrak strujeći kroz kanale, pogotovo pri strujanju kroz kanale velikih dimenzija. Padovi tlaka iznose od 500 do 2000 Pa. Koriste se kod sustava komforne klimatizacije: hoteli, kazališta, muzeji, itd.

• Visokotlačni ili visokobrzinski klimatizacijski sustavi

Brzina strujanja u kanalskom razvodu iznosi 10 do 30 m/s, uz padove tlaka od 1500 do 3000 Pa. Kanali su najčešće kružnog presjeka (inače kod niskotlačnih sustava mogu i najčešće jesi pravokutnog presjeka, radi izgleda interijera) prvenstveno zbog krutosti stijenki. Koriste se kada je ograničena mogućnost smještaja kanalskog razvoda, obično za urede na izlazima (anemostati – uređaji koji raspršuju mlaz u mnogo smjerova i na taj način smanjuju brzinu strujanja). Još jedan konstrukcijski element je rasteretna kutija koja služi za smanjenje brzine strujanja zraka.

Klimatizacijski sustavi prema području primjene se dijele na:

• Komfornu klimatizaciju

Sustavi koji stvaraju temperaturne uvjete za boravak ljudi. Održavaju temperaturu od 20 do 27°C te relativnu vlažnost od 40 do 60% uz brzinu strujanja zraka u zoni boravka ljudi do 0,3 m/s. Primjenjuje se u stambenim prostorima, trgovinama, bolnicama, komercijalnim zgradama, bazenima, hotelima itd.

• Industrijsku klimatizaciju

Sustavi koji stvaraju optimalne uvjete za odvijanje nekog proizvodnog ili tehnološkog procesa, kao što su temperatura, vlaga, čistoća zraka. Primjenjuju se u pogoni za proizvodnju elektroničkih čipova, mlijeka, računarskih sustava, vina, šampanjca, … Parametre sustava definira tehnologija i zahtjevi proizvodnje, a ne potreba osoba koje borave u industrijskom prostoru. Prema vrsti klimatizacijskog sustava osnovna podjela je sljedeća i vrijedi i za sustave komforne klimatizacije i za sustave industrijske klimatizacije:

Osnovni kriteriji za izbor sustava klimatizacije su sljedeći:

1. funkcionalnost
2. toplinski i rashladni učinak
3. mogućnosti smještaja u prostoru
4. investicijski troškovi
5. trošak pogona
6. pouzdanost pogona
7. fleksibilnost sustava
8. održavanje

Između navedenih kriterija uspostavlja se međusobna veza, i projektant u dogovoru s investitorom određuje koje je najpogodnije rješenje za projektiranje određenog klimatizacijskog sustava.

Prema DIN1946 sustavi klimatizacije se prema složenosti procesa pripreme zraka dijele na:

• ventilacijski sustavi

Prema normi to su takvi sustavi koji osim dovođenja svježeg zraka mogu obaviti i jedan od u nastavku teksta navedena 4 termodinamička procesa pripreme zraka, najčešće grijanje.

• sustavi djelomične klimatizacije

U skladu s normom ti sustavi, osim dovođenja svježeg zraka mogu obaviti još 2 ili 3 termodinamička procesa pripreme zraka, najčešće grijanje, hlađenje i odvlaživanje.

• sustavi klimatizacije

Sustavi klimatizacije, osim dovoda svježeg zraka, mogu ostvariti sva 4 osnovna termodinamička procesa pripreme zraka.

Temelje se na procjeni mogućnosti sustava da tijekom pogona ostvari 4 termodinamička procesa pripreme zraka: grijanje, hlađenje, ovlaživanje, odvlaživanje.

Materijal prikupili: Danica Maljković i Tomislav Pukšec

Komponente sustava klimatizacije

Osnovne komponente klimatizacijskog sustava su:

• sustav pripreme zraka,
• sustav s vodom,
• postrojenje za hlađenje (rashladnik vode) i grijanje (kotao),
• sustav odvođenja viška topline (npr. rashladni toranj),
• regulacija.

Osnovne komponente sustava pripreme zraka su:

Rešetka - namijenjene za dovod ili odvod zraka te štiti sustav od primjerice kiše.

Filter - uklanja čestice zagađivača. Prednost im je što su visoko efikasni (uklanjaju čestice), imaju veliki kapacitet zadržavanja prašine te mali otpor strujanju. Mogu biti grubi, fini i apsolutni.

Ventilator - služe za dobavu i odsis ventilacijskog zraka. Mogu biti centrifugalni i aksijalni.

Grijač i hladnjak - izmjenjivači topline koji služe za grijanje/hlađenje vanjskog zraka.

Ovlaživač - služi za ovlaživanje zraka. Učinak mu ovisi o količini vode/vodene pare koju trebamo predati zraku, količini vanjskog zraka i izvorima vlage unutar prostorije.

Odvlaživač - služi za smanjenje relativne vlažnosti, ali da se pri tome osigura željena temperatura prostorije. Mogu biti kemijski sušači zraka i sušači s niskotemperaturnim hlađenjem.

Slika 112. Sustav pripreme zraka

Osnovne komponente sustava distribucije zraka:

Kanalski razvod - postoje četiri kategorije kanala: dobavni, povratni, usisni i ispušni kanal. Kanali mogu biti pravokutni, okrugli, ovalni i fleksibilni.

Elementi za distribuciju zraka - mogu biti sapnice, rešetke, distributeri i perforirani strop. Kod projektiranja sustava izuzetno je bitan smještaj distributera u prostoriji.

Miješajuća kutija - postavlja se u kanalski razvod i služi za miješanje svježeg i istrošenog zraka.

Slika 113. Kanalski razvod

Sustavi povrata topline

Sustavi povrata topline koriste toplinu otpadnog zraka. Prednost ime je što smanjuju pogonske troškove, učinak i dimenzije opreme te su pogodni u vidu zaštite okoliša. Tehnički propis o sustavima ventilacije, djelomične klimatizacije i klimatizacije zgrada (NN 03/07) navodi obavezu korištenja sustava povrata topline za sustave koji koriste više od 2500 m³/h vanjskog zraka. Sustavi povrata topline mogu biti:

• rekuperativni (direktna i indirektna izmjena),
• regenerativni (brzorotirajući i spororotirajući te s akumulacijskim pločama).

Rekuperativni sustavi

Kod rekuperativnih sustava prijelaz topline odvija se preko ploha (cijevi, ploče) bez međusobnog dodira medija. Moguć je povrat samo osjetne topline. Prednost ovakvih sustava je razdvajanje struje fluida te mogućnost prijelaza topline za različite medije (voda, zrak, ulje itd.). Nedostatak im je manji stupanj iskorištenja, veći pad tlaka te potreban prostor za ugradnju.

Slika 114. Rekuperator

Izmjena topline može biti direktna pri čemu se koriste cijevni orebreni i pločasti izmjenjivači te indirektna (kružni cirkulacijski sustav i toplinske cijevi).

Regenerativni sustavi

Kod regenerativnih sustava prijelaz topline odvija se preko akumulacijske mase uz međusobni kontakt medija. Moguć je povrat osjetne i latentne topline. Prednost ovakvog sustava je što je moguć povrat topline i vlage, veći je stupanj iskorištenja te je kompaktne izvedbe. Nedostatak je što nema potpunog razdvajanja fluida i što je moguća izmjena toplina samo između plinova.

Slika 115. Regenerator

Mogu se podijeliti na brzortirajće regeneratore i spororotirajuće regeneratore koji mogu biti sorpcijski i kondenzacijski.

Dizalice topline (toplinske pumpe)

Za dizalicu topline često možemo naići na nazive toplinska pumpa ili toplinska crpka. Ti izrazi su doslovni prijevodi primjerice engleskog izraza heat pump i ne zadovoljavaju ni smisleno ni stručno. Izraz toplinska pumpa ili crpka u duhu hrvatskog jezika bi upućivao na pumpu ili crpku koja radi pomoću topline. Stoga bi prava kombinacija riječi bila pumpa topline ili crpka topline jer taj uređaj toplinsku energiju s niske temperaturne razine diže na višu kako bi omogućio njezinu uporabu za grijanje. Iz tog razloga se koristi izraz dizalica topline.

Dizalica topline je uređaj koji omogućuje prijenos (toplinske) energije iz sustava (toplinskog spremnika) niže temperaturne razine korištenjem dodatne energije (rada) pomoću lijevokretnog kružnog procesa prikladnog radnog medija. Zahvaljujući tom svojstvu dizalice topline su vrlo prikladne kao izvori toplinskog (i rashladnog) učina u sustavima grijanja, pripreme potrošne tople vode, ventilacije i klimatizacije. Vrijedi napomenuti da je svaki rashladni uređaj dizalica topline. Toplinski spremnici različitih temperaturnih razina pri tome su:

• toplinski izvor: prostor ili medij niže temperaturne razine od kojeg se toplina odvodi (tlo, površinske ili podzemne vode, okolni zrak, otpadni, istrošeni ili onečišćeni zrak iz prostorija ili raznih procesa itd.)
• toplinski ponor: prostor ili medij više temperaturne razine kojem se toplina dovodi ( zrak u prostoriji, voda u sustavu grijanja, potrošna topla voda itd.)

Slika 116. Dizalica topline

Osnovna zamisao primjene dizalica topline temelji se na mogućnosti iskorištavanja dijela besplatne i neograničene topline iz neposredne okoline tj. toplinskih izvora kao što su voda, zemlja i zrak. Za njihovu učinkovitu primjenu treba ispuniti nekoliko osnovnih uvjeta kao što su:

• raspoloživost toplinskog izvora dovoljno visoke i razmjerno konstantne temperature dulje vrijeme
• mala udaljenost toplinskih izvora i ponora
• umjerena temperaturna razina toplinskog ponora (npr. niskotemperaturni sustav grijanja)
• veliki broj sati uporabe tijekom godine radi veće isplativosti
• visoke cijene drugih izvora energije (ostvaruju se veće uštede)

S obzirom na izvor dodatne energije dizalice topline mogu biti s tlom kao izvorom topline, s vodom i zrakom.

Dizalice topline s tlom kao izvorom topline

Kada se govori o tlu kao izvoru topline za dizalice topline, misli se na toplinsku energiju površinskih ili podzemnih slojeva Zemlje odnosno geotermalnu energiju. Ona najvećim djelom potječe od Sunčeve energije koja je do tla došla zračenjem ili izmjenom topline s padalinama. Osnovna značajka tla kao izvora je sposobnost pohrane toplinske energije cijele godine, što omogućava njegovo iskorištavanje tokom cijele godine. Izmjena topline s tlom ovisi o njegovom koeficijentu toplinske vodljivosti, gustoći i sastavu te specifičnom odavanju topline. Geološkim i termodinamičkim ispitivanjima pokazano je da se temperatura do oko 10 m dubine tla tijekom godine mijenja zbog atmosferskih utjecaja (padalina, izmjene godišnjih doba), dok je na većim dubinama razmjerno stalna. Za iskorištavanje topline tla koriste se dizalica topline tlo-voda (rasolina-voda). Kako bi se omogućila izmjena topline između tla i posrednog medija dizalice topline koriste se izmjenjivači topline koji se ukopavaju u tlo. pri tome postoje dvije osnovne izvedbe izmjenjivača:

• podzemni toplinski kolektori ili kolektorska polja
• podzemne toplinske sonde

Podzemni toplinski kolektori

Podzemni toplinski kolektori služe za izmjenu topline posrednog medija i površinskih slojeva tla (do dubine 2 m) kod primjene dizalice topline tlo-voda. Radi se o izmjenjivačima topline koji se pojavljuju u nekoliko osnovnih izvedbi:

• vodoravna kolektorska polja
• kanalni, kompaktni ili kolektori u jarku
• spiralni kolektori

Osnovna vrijednost koja se koristi pri dimenzioniranju podzemnog toplinskog kolektora je rashladni učin dizalice topline, odnosno učin isparivača. Pri izvođenju treba uzeti u obzir raspoloživu površinu zemljišta, dubinu polaganja (1.2-1.5 m), način polaganja, međusobni razmak cijevi (0.5-1.2 m),duljinu cijevi te način punjenja sustava. Cijevi kolektora polažu se na dubinu najmanje 20 do 30 cm ispod razine smrzavanja tla.

Slika 117. Podzemni toplinski kolektor

Podzemne toplinske sonde

Podzemne toplinske sonde služe za izmjenu topline posrednog medija i dubokih slojeva tla kod primjene dizalica topline tlo-voda. Radi se o okomitim izmjenjivačima topline koji se uobičajeno koriste kada na raspolaganju nisu veće slobodne površine zemljišta. Dubina, promjer i broj bušotina u koje se ugrađuju cijevi izmjenjivača ovise o potrebama zgrade za toplinom, odnosno o toplinskom i rashladnom učinu dizalice topline. Postoje dvije uobičajene izvedbe podzemnih toplinskih sondi i to kao dvostruka U-cijev od polietilena i kao koaksijalna cijev. Kao posredni medij koristi se glikolna smjesa u omjeru 30% glikola i 70% vode. Specifično odavanje topline tla prosječno iznosi 25-100 W/m duljine sonde, a značajno ovisi o sastavu i kvaliteti tla jer količina vlage i poroznost imaju veliki utjecaj na toplinsku vodljivost. Prosječna dubina sondi je 40 do 100 m i udaljenost bušotina je 5 m (za sonde duljine 40-50 m), odnosno 6 m (za sonde duljine veće od 50 m).

Slika 118. Podzemna toplinska sonda

Dizalice topline s vodom kao izvorom topline

Kada se govori o vodi kao toplinskom izvoru za dizalice topline, misli se na toplinsku energiju površinskih (potok, rijeka,jezero, more), podzemnih ili otpadnih voda. Osnovna značajke vode kao toplinskog izvora je razmjerno konstantna temperatura tokom cijele godine. Za iskorištavanje toplinske energije vode koriste se dizalice topline voda-voda. Sustav pri tom može biti izveden kao izravni, kada se podzemna voda (uz filtriranje) izravno dovodi do isparivača dizalice topline ili neizravni, kada se ugrađuje dodatni izmjenjivač topline. Ipak prednost treba dati neizravnoj izvedbi. Voda se tada iz jedne bušotine crpi, a kroz drugu vraća u podzemne slojeve. Zbog razmjerno visoke i konstantne temperaturne razine vode kao toplinskog izvora faktor grijanja dizalice topline voda-voda je razmjerno velik. Temperatura podzemne vode se mijenja ovisno o dobu godine i dubini, a najčešće iznosi 8 do 12 °C. Temperatura površinskih voda je također razmjerno stalna i pri dnu nikada ne pada niže od +4°C, dok se temperatura morske vode kreće u rasonu 11-24 °C.

Slika 119. Dizalica topline voda-voda

Dizalice topline sa zrakom kao izvorom topline

Kada se govori o zraku kao toplinskom izvoru, misli se na toplinsku energiju vanjskog ili otpadnog, istrošenog ili onečišćenog zraka iz sustava ventilacije i klimatizacije ili raznih procesa. Osnovna značajka zraka kao toplinskog izvora je nepodudarnost vremena kada su vanjske temperature najviše i kada su potrebe za toplinom za grijanje najveće. Za iskorištavanje toplinske energije zraka koriste se dizalice topline zrak-voda ili zrak-zrak. Pri tome se kao dizalice topline zrak-zrak često koriste klima uređaji kod kojih je omogućeno prekretanje rashladnog procesa. Kod dizalica topline zrak-voda dobivena topline može koristiti u sustavu toplovodnog (niskotemperaturnog) grijanja ili klimatizacije, a kod dizalice topline zrak-zrak u sustavu ventilacije i klimatizacije (toplozračno grijanje) ili se pak zrak zagrijan prolaskom kroz kondenzator izravno ubacuje u prostoriju. Mogu se pojaviti u tri izvedbe i to za postavljanje na otvorenom prostoru, zatvorenom prostoru ili u odvojenoj izvedbi (split sustav). Iako je zrak kao toplinski izvor svuda dostupan i neiscrpan, u obzir treba uzeti da faktor grijanja značajno opada sa snižavanjem vanjske temperature. Zbog toga kad su vanjske temperature zraka niske, potreban je dodatni izvor topline sustava grijanja (npr. kondenzacijski kotao)

Slika 120. Dizalica topline zrak-voda

Solarna energija

U svrhu KGH razmotrit ćemo korištenje sunčeve energije koja se koristi direktno za zagrijavanje vode za grijanje, odnosno grijanje silicijskog gela za klimatizacijske i rashladne sisteme pokretane toplinom. Osnovni princip rada ovih sistema je da se sunčeva energija sakuplja u kolektorima u kojima se grije voda. Upotreba takvih sistema za grijanje je najznačajnija u domaćinstvima. Takvi solarni kolektori se obično postavljaju na krovove kuća ili zgrada. 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. 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 vraća u grijanu prostoriju i na taj način se održava temperatura u prostoriji. Kombinacijom grijanja zraka i grijanja vode može se postići vrlo velika ušteda.

Slika 121. Shema korištenja sistema za grijanje domanćinstva preko sunčeve energije.

Ovakvi solarni sistemi danas postaju sve isplativiji. Zbog kretanja cijena energenta na svjetskom tržištu ovakvi sistemi omogućavaju sve veće uštede i sve bržu amortizaciju početne investicije. U Hrvatskoj oni imaju najveću priliku u Dalmaciji i Istri zbog velikog broja sunčanih sati godišnje. Primjenom sunčanih kolektora za proizvodnju tople vode ostvaruje se značajna ušteda u utrošku goriva ili električne energije, smanjuje onečišćenje zraka, smanjuje ispuštanje ugljičnog dioksida u atmosferu, smanjuje se ovisnost o uvozu fosilnih goriva, smanjuju se troškovi i opasnosti vezani uz prijevoz fosilnih goriva, stvaraju se lokalna radna mjesta i omogućava veća predvidljivost troškova grijanja. Međutim, nedostatak primjene sunčanih kolektora je njihova relativno visoka cijena. Sunce jest besplatno, ali njegovo korištenje nije. Za razliku od električnih bojlera s relativno niskom investicijom i visokim troškovima pogona, sunčani sustavi imaju relativno visoke investicijske troškove, a vrlo male troškove pogona i održavanja.

Solarno grijanje

Solarni sistemi koji se koriste za grijanje vode za korištenje u domaćinstvu ili za grijanje prostorija se sastoje od četiri glavne komponente. To su solarni kolektori, solarna regulacija, solarna stanica i spremnik topline.

Solarni kolektor

Najbitnija karika svakog solarnog sustava je solarni kolektor koji prenosi sunčevu energiju na medij kojime se indirektno zagrijava voda u solarnom spremniku. Preko jednog kvadratnog metra solarnog kolektora možemo dobiti i do 700 W topline za grijanje vode ili prostorija. Kod instaliranja solarnih kolektora vrlo je bitan kut pod kojim će se postaviti jer se tokom mjeseca mijenja kut Sunca pa bi se i s time trebao mijenjati kut kolektora. Ukoliko se kolektori instaliraju pod fiksnim kutom od 37 do 43° u smjeru juga, ukupna godišnja dozračena energija na plohu kolektora će biti samo oko 6% niža od one koja bi se dozračila ukoliko bi se nagib kolektora mijenjao svaki mjesec.

Prema izvedbi, solarni kolektori s vodom mogu se podijeliti u sljedeće vrste:

• ravni (pločasti) kolektori
• vakuum – cijevni kolektori
• apsorberi za zagrijavanje bazenske vode
• kolektori s integriranim spremnikom
• koncentrirajući kolektori

Slika 122. Solarni pločasti kolektor

Pločasti solarni kolektor se općenito sastoji od sljedećih dijelova:

• pokrivna ploča od stakla ili drugog dijatermijskog materijala u jednom ili više slojeva,
• apsorber za apsorpciju toplinskog zračenja Sunca na kojeg su spojene cijevi,
• cijevni registar za protjecanje ogrjevnog medija (npr.vode) priključci s armaturom za punjenje, pražnjenje i odzračivanje kolektora,
• izolacija za smanjenje toplinskih gubitaka kroz bočne i stražnju stranicu kolektora,
• kućište za smještaj sastavnih dijelova kolektora i njihovu zaštitu od prašine i vlage.

Sunčevo zračenje koje prodire kroz pokrivnu ploču apsorbira se u apsorberu, koji se zagrijava i predaje toplinu ogrjevnom mediju koji struji kroz cijevi pričvršćene na apsorber. Kao ogrjevni medij najčešće se koristi voda ili mješavina voda/etilen-glikol u području gdje se temperatura može sniziti ispod 0 °C. Ovisno o učinku sustava i vanjskoj temperaturi, ravnim kolektorima postižu se temperature ogrjevnog medija do 100°C. U slučaju prestanka cirkulacije ogrjevnog medija, ravni kolektori mogu izdržati temperaturu do 200 °C. Površina jednog kolektora kreće se od 1.5m2 do 8 m2, no najčešće iznosi oko 2m². Vijek trajanja im je 25 do 30 godina. Apsorber sa selektivnim slojem je vrlo značajan dio kolektora, jer o optičkim svojstvima, geometriji i materijalu apsorbera najviše ovisi toplinski učinak kolektora. Pokrivna ploča izrađuje se iz jednog ili dva sloja najčešće staklena. Toplinska izolacija smanjuje toplinske gubitke ravnog kolektora kroz bočne i stražnju stranicu. Izolacijski materijali su najčešće kamena ili staklena vuna i poliuretanska ili polistirenska pjena.

Efikasnost kolektora je definirana omjerom korisne topline, prikupljene kolektorom i intenziteta upadnog sunčevog zračenja na plohu kolektora. Na efikasnost kolektora ponajviše utječu svojstva premaza apsorbera te kvaliteta pričvršćivanja cijevi za apsorbersku ploču (tj. veličina toplinskog otpora provođenju topline prema nosiocu topline u cijevima). Efikasnost kolektora pada sa smanjenjem insolacije i temperature zraka te s povećanjem srednje temperature nosioca topline. Stoga je poželjno osigurati da temperatura u kolektoru ne bude previsoka, s obzirom na željenu temperaturu vode u spremniku (oko 50°C). To je moguće postići pravilnim odabirom protoka nosioca topline (tj. pumpe i promjera cjevovoda) te načinom spajanja i brojem kolektora u spoju. Kolektori se mogu montirati u paralelnom i serijskom spoju. Paralelni spoj omogućuje približno jednaku temperaturu na ulazu i izlazu svakog kolektora, dok kod serijskog spoja izlazna temperatura iz jednog kolektora predstavlja zapravo ulaznu temperaturu u drugi. Iz tog razloga serijski spoj omogućuje veći prirast temperature nosioca topline prilikom prolaza kroz grupu, ali i nižu ukupnu efikasnost svih kolektora u spoju zbog znatno viših prosječnih temperatura nosioca topline od temperature vode u spremniku te uz sve to i veći pad tlaka. Iz tih se razloga češće koristi paralelni spoj unatoč tomu što zahtijeva veće protoke, cjevovode većih promjera i dulje vrijeme zagrijavanja vode u spremniku zbog manjeg prirasta temperature nosioca topline u spoju (tj. manje razlike temperature između nosioca topline i vode u spremniku). Serijski spoj se češće koristi u područjima niže insolacije (poput Njemačke, Austrije) gdje bi paralelni spoj zahtijevao prevelike izmjenjivačke površine u spremnicima.

Slika 123. Paralelni i serijski spoj kolektora

Regulacija solarnog sustava

Drugi dio takvog sisteme je automatska regulacija. Rad solarnog sustava nezamisliv je bez solarnog regulatora. Taj regulator je mozak sustava i osnovna funkcija mu je da uključuje odnosno isključuje cirkulacijsku crpku čim se temperaturna razlika između kolektora i spremnika prekorači ili smanji ispod zadane vrijednosti.

Slika 124. Solarni regulator

Solarna stanica

Treća komponenta ovih sistema je solarna stanica. Solarna stanica s crpkom predstavlja središnji dio cijelog solarnog sustava jer omogućava strujanje solarnog medija, dok automatska regulacija vodi računa o sigurnom pogonu cijelog sustava i usklađivanju njegovog rada sa sustavom grijanja, odnosno uvjetima u okolici kao što su promijenjene potrebe za toplinom, iznimno niske ili visoke vanjske temperature koje mogu oštetiti sustav i sl. Treba napomenuti da postoje i izvedbe solarnih sustava koje ne koriste crpku (tzv. termosifonski sustavi), već se u njima strujanje zasniva na gravitacijskom djelovanju zbog razlike temperatura, odnosno gustoće solarnog medija.

Slika 125. Solarna stanica

Spremnik topline Poslijedna komponenta je spremnik topline. Spremnik je zaštićen od korozije i toplinski izoliran. Njegova je zadaća zagrijavanje vode pomoću prijenosnika topline, čuvanje vode, održavanje različite temperature u različitim slojevima, te sprječavanje brzog gubitka topline. U spremniku tople vode su slojevi vode različite temperature pa su iz tog razloga spremnici uski i visoki kako bi se omogućilo optimalno strujanje topline. Sunčeva energija dovodi se preko donjeg prijenosnika topline u spremniku, a gornji prijenosnik zadužen je za dogrijavanje, najčešće putem kotla za grijanje . Dogrijavanje u dijelu spremnika u kojem se nalazi topla voda u pripravnosti jamči da će korisnici imati na raspolaganju dovoljno tople vode, čak i ako nema dosta sunčeve energije.

Slika 126. Solarni spremnik

Solarno hlađenje

Solarni sistemi koji se koriste za zagrijavanja medija koji se kasnije koristi u sistemu za hlađenje predstavljaju zasad još uvijek nove i preskupe tehnologije. Njihova cijena i dosta velik period amortizacije predstavljaju kočnicu u njihovom širem korištenju. Njihova isplativost se povećava ako se takvi sistemi ugrađuju dodatno kao nadogradnja na sisteme za grijanje. Također njihova isplativost varira o geografskim klimatskim uvjetima, a najviša se postize upravo tamo gdje ima dovoljno sunčanih sati zimi za grijanje i ljeti za hlađenje.

Osnovni princip rada takvih sistema ja u tome da se toplina koristi za isparavanje rashladnog medija koji se nalazi pod tlakom iz mješavine absorbera i rashladnog medija odnosno dolazi do njihovog odvajanja. Kondenzacija tih para dovodi do istog rashladnog efekta kao i u klasičnim mehaničkim rashladnim sistemima. Iako je i u takvim sistemima potrebna električna energija za pumpe za rashladni medij ušteda u odnosu na klasične kompresore je ogromna. Takvi sistemi se obično projektiraju da zadovolje cjelokupnu rashladnu potrebu tijekom cijelog toplog perioda, odnosno ne ugrađuju se dodatni klasični rashladni uređaji već se u vrijeme kad nema sunca koristi neki drugi način dovoda topline sistemu (prirodni plin ili lož ulje).

Slika 127. Osnovna shema rada rashladnog sistema

Termalni kompresor se sastoji od absorbera, generatora, pumpe i uređaja za povrat mješavine. U ovakvom rashladnom sistemu on zamjenjuje klasični kompresor. Najznačajniji dio ovog sistema je absorber. U njemu se ispareni rashladni medij absorbira u mješavinu. Ta mješavina se zatim uz pomoć pumpe prenosi u generator. Tamo rashladni medij opet isparava koristeći dovedenu mu toplinu, a iskorištena se mješavina potom opet vraća u absorber. Dvije najuobičajnije komponente mješavine su voda-litijev bromid i amonijak-voda.

Slika 128. Absorption chiller (Glavna jedinica solarnog rashladnog sistema)

Slika 129. Shematski prikaz Absorption chiller-a

Geotermalna energija

Direktno korištenje energije topline

Geotermalna energija u svrhu KGH koristi se za grijanje i hlađenje stambenih objekata. Najšire se primjenjuje kao direktni izvor, što znači bez pretvorbe u neki drugi oblik energije.

Potencijal geotermalne energije leži u razlici temperature prostora kojeg grijemo ili hladimo i Zemlje. Temperatura u Zemlji je gotovo konstantna tokom cijele godine, a prosječna vrijednost iznosi oko 13°C. Da bi iskoristili taj potencijal buše se rupe u zemlji između 15 i 30 metara dubine gdje se smještaju cijevi koje su povezane sa geotermalnom dizalicom topline. Zimi voda preuzima toplinu iz zemlje te se komprimira na više temperature kako bi se dio preuzete energije predao prostoru. Tokom ljeta proces je obrnut osim što se sada tlo koristi kao rashladni spremnik.

                          http://powerlab.fsb.hr/enerpedia/images/8/88/Smjer_izmjene_energije_ljeti_i_zimi.gif

Slika 130. Smjer_izmjene_energije_ljeti_i_zimi.gif.

Drugi princip grijanja je da se koristi geotermalna energija iz vode koja dolazi iz nešto dubljih dijelova Zemlje. Izvori vode iznad 65°C koriste se za grijanje, a voda niže temperature za balneološke i rekreativne svrhe. Prijenos topline može se vršiti vodom proizvodne bušotine ili preko posrednog medija, odnosno da voda iz bušotine predaje toplinu nekom drugom fluidu, najčešće gradskoj vodi. Geotermalna voda nakon predaje topline pomoću utisne pumpe vraća se nazad u ležište kroz utisnu bušotinu.

Ovakvo korištenje geotermalne energije za grijanje, za industrijske procese ili za bilo koju drugu svrhu uvijek se sastoji od sistema sa tri osnovne komponente :

• Proizvodna bušotina - za dovod vruće vode na površinu

• Mehanički sistem - obuhvaća pumpe, toplinske izmjenjivače i kontrolne elemente, da bi se toplina dovela prostoru ili procesu

• Utisna bušotina - za prihvat ohlađenog geotermalnog fluida

Prednosti i nedostatci geotermalne energije

• PREDNOSTI:

Najvjerojatnije najveće prednosti geotermalne energije su niska cijena grijanja (ušteda može biti i do 80% u odnosu na fosilna goriva) i mala količina potrošene električne energije.

Efikasnost geotermalnog grijanja i hlađenja je znatno veća od standardnih oblika. Iskorištavanjem geotermalne energije ispušta se vrlo malo štetnih i stakleničkih plinova u atmosferu pa je prema tome ekološki vrlo prihvatljiva.

Također, geotermalni sustav je vrlo uniforman što znači da nema hladnih ili vrućih točaka i naravno nema nikakvih peći i dimnjaka. Održavanje sustava geotermalnog grijanje je također jeftino, treba povremeno samo zamijeniti filtar u toplinskoj pumpi. Geotermalno grijanje se može uvesti i u postojeće domove, osobito ukoliko postoji sustav prozračivanja, a sustav podzemnih cijevi potrebnih za ovaj oblik grijanja ima vijek trajanja od oko 50 godina.

• NEDOSTATCI:

Glavni nedostaci iskorištavanja geotermalne energije su vrlo visoki inicijalni troškovi i slaba raširenost područja pogodnih za iskorištavanje ovakvog izvora energije. Takva područja nalaze se uz rubove tektonskih ploča, a van tog područja je zemljina kora jednostavno previše debela za ozbiljnije iskorištavanje geotermalne energije.

Spremnici topline

Akumulacija energije je izuzetno bitna danas jer se javlja potreba da pohranjujemo energiju u vrijeme kada je ima dovoljno za vrijeme kada je ima premalo. Potrošnja energije na dnevnoj bazi premašuje noćnu i s time po danu u vrhu potrošnje može doći do osjetnog nedostatka energije dok je po noći ima viška. Također noćna cijena energije je niža od dnevne pa se s time mogu smanjiti troškovi i povećati učinkovitost sustava. Sve veći trend porasta korištenja obnovljivih izvora kao vjetar ili sunce koji su nestalni jer ovise o vremenskim prilikama, zahtjeva pohranu energije. Akumulaciija energije može biti na razne načine i možemo pohranjivati razne oblike energije od toplinske do električne energije. Postoje razne tehnologije koje pohranjuju toplinu, a one se baziraju na akumulaciji topline od nekog izvora kao što je solarni kolektor ili dizalica topline u dobro izoliranom spremniku topline. Pohranjena toplinska energija kasnije se koristi za zagrijavanje prostorija, potrošne tople vode ili za proizvodnju električne energije.

Spremnik topline se može definirati kao uređaj koji privremeno pohranjuje toplinu pri visokim i niskim temperaturama i ima važnu ulogu u pohrani energije. On poboljšava izvedbu energetskog sustava osiguravajući opskrbu energijom i povećavajući sigurnost te smanjujući troškove. Najznačajniji parametri spremnika topline su:

• vrijeme trajanja pohrane s prihvatljivim gubicima topline,
• količina energije pohranjena po jedinici volumena (što je manji volumen, bolja je pohrana).

Spremnici topline mogu biti osjetni, latentni i sorpcijski. Koji tip spremnika će se odabrati ovisi o:

• temperaturnom rasponu,
• kapacitetu spremnika,
• gubicima topline iz spremnika,
• razdoblje punjenja i korištenja spremnika,
• cijena spremnika.

Osjetni spremnik

Kod osjetnog spremnika ogrijevni medij (tekući ili kruti) se grije bez promjene agregatnog stanja. Količina spremljene energije ovisi o promjeni temperature. Za ovakve spremnike mogu se koristiti razni ogrijevni mediji kao što su voda, ulja, određene otopljene soli, kamen, šljunak itd. Krutine su u nepromjenjivom, poroznom obliku i toplina se pohranjuje ili distribuira uz pomoć plinova ili tekućina koje struje kroz pore ili šupljine. Odabir medija ovisi o temperaturnom nivou sustava za koji se pohranjuje energija. Osjetni spremnik je puno jednostavniji od latentnog ili sorpcijskog međutim puno je većih dimenzija i iz tog razloga je bitno koji će se ogrijevni medij odabrati, odnosno njegova gustoća i toplinski kapacitet. Još jedna mana ovakvih spremnika je ta da ne mogu održavati konstantnu temperaturu.

Najčešće korišteni medij u osjetnim spremnicima topline je voda jer ona ima najveći specifični toplinski kapacitet. Većina sustava za grijanje i solarno zagrijavanje voda koriste osjetne spremnike koji su smješteni van objekta ili pod zemljom. Veličina tih spremnika varira od nekoliko stotina litara do nekoliko tisuća. Spremnici mogu biti od čelika ili betona, izolirani staklenom vunom ili poliuretanom debljine izolacije 10 do 20 centimetara koja čini značajne troškove spremnika. Osim vode može se koristiti ulje, ali ono je zapaljivo i koeficijent prijelaza topline mu degradira s vremenom. Također mogu se koristiti i neke soli međutim kod njih se javlja problem s korozijom. Za temperature do 100 °C koristi se kamen. Tipične veličine kamena su 1 do 5 cm smještene u izoliranoj komori. Prednosti su što kamen nije toksičan ni zapaljiv, jeftin je, može se iskoristiti i za prijenos topline i za spremanje topline te je prijelaz topline između sloja zraka i kamena dobar.

Slika 131. Podzemni osjetni spremnik topline

Latentni spremnik

Kod latentnog spremnika, radni medij prilikom izmjene topline mijenja agregatno stanje od čvrstog u tekuće ili iz tekućeg u plinovito. Svaki sustav s latentnom pohranom energije treba imati tri komponente:

1. radni medij koji mijenja agregatno stanje za potrebni temperaturni raspon

2. spremnik za radni medij

3. fluid za transport energije iz izvora do spremnika

Primjenjuju se za velike kapacitete, kada je potrebna konstantna temperatura ili temperatura u uskom rasponu. Primjer takvog sustava su banke leda. One se koriste u sustavima klimatizacije za hlađenje zraka. Tokom niže tarife električne energije smjesa vode i etilen glikola hladi se u rashladnom agregatu i odlazi u izmjenjivač topline koji se nalazi u latentnom spremniku. Prolaskom kroz izmjenjivač pri niskoj temperaturi hladi vodu u spremniku i stvara led. Energija pohranjena u bankama leda koristi se preko dana kada je viša tarifa. Skladištenjem toplinske energije u vremenu kad se ne koristi hlađenje, osim uštede energije, može se povećati kapacitet rashladnih agregata, koristeći rashladni agregat i banku leda istodobno u vremenu kad je to potrebno. Spremnici latentne topline pridonose uštedi energije kao i početnom trošku za angažiranu električnu snagu, osobito u objektima koji neravnomjerno troše velike količine rashladne energije. Ravnomjernom potrošnjom električne energije tijekom dana spremnici uklanjaju vršna opterećenja potrošnje i tako se eliminira potreba za dodatnim investicijama u objekte (trafostanice i sl.). Također, maksimalno se koristi niža obračunska tarifa električne energije. Spremnici latentne topline, odnosno akumulacija rashladne energije često se koristi kod klimatizacije ureda, bolnica, banki, kina, sportskih centara i sl.

Sorpcijski spremnik

Kod sorpcijskih spremnika energije se pohranjuje u sustav koji se sastoji od jednog ili više kemijskih spojeva koji apsorbiraju ili oslobađaju toplinu kroz kemijske reakcije. Takva pohrana energije zahtjeva endotermnu reverzibilnu reakciju. Kemikalije koje se pri tome oslobode mogu se spremiti bez gubitaka te se lako transportirati. Da bi se primijenio ovakav sustav treba uzeti u obzir da:

• kemijske reakcije trebaju biti reverzibilne,
• reaktanti trebaju biti što jeftiniji,
• pohranjena energija treba biti što veća.

Trenutno ovakvi spremnici još nisu u upotrebi.

Kogeneracija

Veliki gubici koji nastaju u energetskim postrojenjima, odnosno termoelektranama natjerali su nas da počnemo razmišljati kako povećati ukupnu iskoristivost postrojenja. U nekakvoj prosječnoj termoelektrani na ugljen iskoristivost postrojenja se kreće od 35-40%. Dakle više od polovice energije nepovratno trošimo, što kroz hlađenje i kondenzaciju, što kroz gubitke u samom sistemu. Energija koja se gubi u kondenzatoru predstavlja najveći dio ukupne izgubljene energije. Da bismo nekako iskoristili tu energiju, odnosno eksergiju goriva, primjenjujemo tzv. kogeneracijska postrojenja. Kogeneracija (Combined Heat and Power ili CHP) je sekvencijalno korištenje primarne energije goriva za proizvodnju dvaju korisnih energetskih oblika: toplinske energije i mehaničkog rada.Pritom se dobiveni mehanički rad najčešće koristi za dobivanje električne energije, dok se toplinska energija može koristiti u raznim tehnološkim procesima, procesima grijanja te u procesima hlađenja. Kao gorivo može se koristiti prirodni plin, biomasa, drvna građa ili vodik (u slučaju gorivnih ćelija), a izbor tehnologije za kogeneraciju ovisi o raspoloživosti i cijeni goriva. Učinkovitost kogeneracije iznosi od 70-85% (od 27-45% električne energije i od 40-50% toplinske energije), za razliku od konvencionalnih elektrana gdje je ukupna učinkovitost od 30-51% (električne energije).

Slika 132. Jednostavna shema kogeneracije

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. 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. Konvencionalne elektrane emitiraju toplinu kao postprodukt pri generiranju električne struje u okoliš kroz tornjeve za hlađenje, 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 također može biti korištena i u apsorcijskim hladnjacima za hlađenje. 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 ( ll. glavni stavak ). CHP hvata odbačenu toplinu i time omogućava veću iskoristivost od oko 70%. To znači da se manje goriva mora potrošiti za isti iznos korisne energije. 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 dizajnirane da rade s obzirom na potražnju za toplinskom energijom (heat driven operation) ili primarno kao elektrana čiji se toplinski otpad iskorištava. Tipovi kogeneracijskih elektrana Topping ciklusne elektrane prvo proizvode el. struju, a zatim od ispuha toplinsku energiju. Ove elektrane koje su rijetke, proizvode toplinu za industrijske procese prvo, zatim se proizvodi struja pomoću otpadne topline. Iste se koriste kod industrijskih procesa kod kojih je potrebna visoka temperatura npr. pri proizvodnji stakla i metala. Veliki kogeneracijski sistemi osiguravaju toplu vodu i energiju za tvornicu ili čak cijeli grad.

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.

Slika 133. Prikaz udjela električne i toplinske energije kod kogeneracije i konvencionalnog postrojenja

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 određivati 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: visoko 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 kogd 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 voziti. Niskotlačni dio turbine ne može ostati bez pare (hlađenje).

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 li 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. Eventualno dodatno izgaranje struja ispušnih plinova, s obzirom na visoki udio kisika, objašnjeno je u poglavlju o kombiniranim procesima.

Stupanj iskoristivosti kogeneracijskog procesa

proizlazi da je

Stupanj ekonomske iskoristivosti:

Tipična kogeneracijska elektrana

Slika 134. Kogeneracijska elektrana Avedore u Danskoj

Avedore

Mjesto: Danska

Operator: Energi E2

Specifikacije: 1 X 250 MW, 1 X 570 MW

Operativnost: 1990-2002

Gorivo: prirodni plin, ugljen, biomasa, nafta

Proizvođač bojlera: Deutsche Babcock, BWE

T/G nabavlač: BBC, Ansaldo

Činjenice: Avedore supplies electricity to Eastern Denmark's grid and heat to Greater Copenhagen's district heating network. Avedore-2 has a supercritical boiler with two topping gas turbines from Rolls-Royce. There is a separate biomass combustion unit.

MikroCHP

Mikrokogeneracija je također naziv za distribuirani energijski izvor (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.

Kogeneracije na biomasu

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 uvođenje 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.

Slika 135. Kogeneracijsko postrojenje na biomasu

Modularni kogeneracijski sustav

Temelji se na klasičnom otvorenom plinsko - turbinskom procesu prikazanom na dijagramu. Klasični proces plinske turbine karakterizira kompresija zraka iz okoline ( P1,t1 >>> P2,t2`) koji se dogrijava u izmjenjivaču – regeneratoru sa ispušnom toplinom iz turbine ( t2` >>> t2``) te odlazi u komoru izgaranja za plin ili tekuće gorivo gdje se stvaraju plinovi izgaranja ( t2`` >>> t3 ). Plinovi u turbini ekspandiraju ( P3,t3 >>> Pit,t4`) i oslobađaju energiju za pogon kompresora i električnog generatora. Nakon izlaska iz turbine ispušni plinovi se hlade u regeneratoru ( t4` >>> t4`` ) gdje zagrijavaju zrak iz kompresora čime se smanjuje potrošnja goriva i povećava stupanj korisnosti. Za razliku od opisanog klasičnog procesa - za korištenje energije biomase u plinskoj turbini potrebno je dograditi vanjske instalacije za izgaranje biomase čija se energija direktno ili indirektno uvodi u turbinu.

Slika 136. Modularni kogeneracijski sustav

Trigeneracija

Trigeneracija (Combined Heat, Cooling and Power production = CHCP) je proces istodobne proizvodnje električne i toplinske energije i hlađenja u jedinstvenom procesu. Toplinska energija se dodatkom apsorpcionih uređaja koristi za hlađenje (klimatizacija).U usporedbi s kogeneracijom učinkovitost trigeneracije se povećava za čak 50%.Potreba za korištenjem trigeneracije u razdoblju ljetnih mjeseci uvjetovala je razvijanje nove CHP tehnologije (osobito u južnim državama SAD-a). 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.

No, trigeneracija se ne koristi samo za procese grijanja i hlađenja objekata, nego i za proizvodne industrijske procese koji zahtijevaju niske temperature. Trigeneracijsko postrojenje je izvrstan način rješavanja opskrbe električnom energijom npr. u bolnicama, hotelima, trgovačkim centrima itd., te industrijskim postrojenjima u kojima se uz električnu energiju troši i znatna količina toplinske ali i rashladne energije.

Slika 137. Jednostavna shema trigeneracije

Gorive ćelije i vodik

Dobivanje vodika reformiranjem

Dobivanje vodika elektrolizom

• 1. UVOD

Vodik je kemijski element koji u periodnom sustavu elemenata ima oznaku H te se nalazi pod rednim brojem 1. U energetici ga je moguće koristiti kao gorivo u motorima za dobivanje mehaničke energije, u gorivim ćelijama ili spajanjem s kisikom za dobivanje električne energije ili kao energetski međuspremnik za regulaciju zahtjeva potrošnje električne energije u energetskim sustavima koji koriste izvore koji nemaju konstantnu dobavu energije (npr. vjetroelektrane, solarne elektrane). Budući da elementarnog vodika u prirodi ima jako malo, potrebno ga je proizvoditi. Može se proizvesti iz fosilnih goriva, ali na taj način nastaje ugljikov dioksid kojeg želimo izbjeći. Jedan od ekološki prihvatljivih načina je dobivanje vodika elektrolizom vode pod uvjetom da se električna energija za elektrolizu dobije iz OIE čime nismo stvorili ugljikov dioksid.

• 2. ELEKTROLIZA

Elektroliza je elektrokemijska reakcija razlaganja elektrolita djelovanjem istosmjerne struje. Za elektrolizu su nam potrebni: 1) elektrolit – najčešće vodena otopina kiseline, lužine ili soli koja ima slobodne ione koji imaju ionsku vodljivost; 2) elektrode – vodljivi materijal, najčešće metal ili ugljik; 3) izvor istosmjerne električne struje – daje energiju potrebnu za elektrolizu. Sve to se nalazi ukomponirano u elektrolizatoru – uređaju za elektrolizu. Elektrode su spojene vodičima na izvor istosmjerne struje te uronjene u elektrolit. Jedna elektroda ima pozitivan naboj i naziva se anoda, dok druga ima negativan i naziva se katoda. Zbog razlike u predznaku naboja, katoda privlači katione (pozitivno nabijene ione), a anoda privlači anione (negativno nabijene ione). Kada kation dođe na katodu potrebno mu je dodati elektrone kako bi postao neutralan u smislu nabijenosti. Kation prima elektrone (reducira se) i time se odvaja od elektrolita. Za anion se slučaj obrnut. Anion dolazi na anodu, predaje elektrone (oksidira se) i izlazi iz elektrolita. Budući da se anioni i kationi, prema elektronskoj konfiguraciji iona, nalaze u energetski najnižem, najpovoljnijem stanju, potrebno je uložiti energiju za njihovo izbijanje. Ta se energija dobiva iz izvora električne struje. Naime, napon izvora mora biti veći ili jednak naponu članka, koji je jednak razlici elektrodnih potencijala elektroda (elektrodni potencijal elektrode se ne može izmjeriti, nego se određuje prema | standardnoj vodikovoj elektrodi čiji je elektrodni potencijal dogovorno uzet kao nula).

Slika 1: Princip elektrolize (Izvor: | Wikipedia[6])

Kvantitativni odnosi u elektrolizi definirani su Faradayevim zakonom. Množina tvari koje nastaju elektrolizom ovisi o jakosti struje (I), vremenu trajanja elektrolize (t) te o broju elektrona koji sudjeluju u redoks reakciji (z).

• 2.1. Elektroliza vode

Za dobivanje vodika najčešće se kao elektrolit koristi voda. Ta voda ne smije biti destilirana budući da onda ne bi bila vodljiva. Najčešće se u vodu dodaje nekakva sol (npr. NaCl, KOH) kako bi joj povećali električnu vodljivost. Voda disocira na vodikove katione i hidroksidne anione. Kationi idu prema katodi pa se na njoj izlučuje vodik, a anioni prema anodi pa se na njoj izlučuje kisik. Kod elektrolize vode, u elektrolizator moramo ugraditi polupropusnu membranu koja je propusna za elektrone, a nije za molekule vodika i kisika kako ne bi nastao elektrolitički plin. To je smjesa vodika i kisika u molarnom omjeru 2:1, eksplozivna je te se još naziva plin praskavac.

• 3. Dostignuća

Učinkovitost procesa je oko 65% za alkalni elektrolizator (koji koristi lužinu kao elektrolit). Do 2020. bi se, prema predviđanjima, trebala podići na 70%. Razvijaju se i elektrolizatori, koji koriste kruti polimerni elektrolit, koji bi mogli raditi i na 700 do 900°C (viša temperatura povećava efikasnost). Također, većina sustava je pogodna za rad pri višim tlakovima čime se izbjegava korištenje velikih spremnika. Princip dobivanja vodika elektrolizom je pogodan za decentraliziranu proizvodnju manjih količina vodika, kao u prometu.

Izvori:
[1] http://setis.ec.europa.eu/setis-deliverables/technology-mapping/technology-map-chapters-2011/fuel-cells-and-hydrogen
[2] |Habuš A., Stričević D., Liber S.: Opća kemija 2, udžbenik za drugi razred gimnazije, PROFIL, 2006.
[3] | Ankica Dukić: Proizvodnja vodika elektrolizom vode pomoću Sunčeve energije i fotonaponskog modula, 2013.
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Electrolysis#Competing_half-reactions_in_solution_electrolysis
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Electrolysis_of_water
[6] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Electrolysis.svg
[7] http://hr.wikipedia.org/wiki/Vodik
[8] http://hr.wikipedia.org/wiki/Elektroliza
[9] http://www.fchea.org/core/import/PDFs/factsheets/Renewable%20Hydrogen%20Production%20Using%20Electrolysis_NEW.pdf
[10] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Electrolysis.svg

Akumulacija vodika

Vodik je plin male mase koji zauzima znatan volumen pri standardnim uvjetima tlaka, tj. atmosferskog tlaka. Gustoća vodika normalnog stanja je 0,090 kg/m³. To znači da je za akumulaciju 1 kg vodika normalnog stanja, potreban spremnik volumena 11 m³. Kako bi transport i akumulacija vodika bili učinkoviti, ovaj volumen mora biti znatno smanjen.

Kako bi se smanjio volumen vodika, najčešće se koriste sljedeće tehnologije:

• Visokotlačna akumulacija u plinovitom stanju;
• Niskotemperaturna akumulacija u tekućem stanju;
• Akumulacija pomoću metalnih hidrida.

Visokotlačna akumulacija u plinovitom stanju

Najjednostavniji način smanjenja volumena plina konstantne temperature jest povećanjem njegovog tlaka. Tako pod tlakom od 700 bara, vodik ima gustoću od 42 kg/m³. Pri tom tlaku, 10 kg vodika se može pohraniti u 245-litarski spremnik.

Danas su najčešće u uporabi čelični i aluminijski spremnici. Kako bi se dodatno poboljšali kapaciteti za akumulaciju, proizvođači razvijaju kompozitne spremnike koji su napravljeni od mnogo lakših materijala nego što je čelik. Današnji kompozitni spremnici su izrađeni od aluminija preko kojeg su unakrsno motana ugljikova vlakna i ujedno lijepljena epoksidnim smolama.

Najčešća primjena ovakve akumulacije vodika je u automobilskoj industriji.

Slika 6.3/1. Spremnik plinovitog vodika pod tlakom

Niskotemperaturna akumulacija u tekućem stanju

Kod niskotemperaturne akumulacije vodika u tekućem stanju, smanjenje volumena (povećanje gustoće) vodika se provodi smanjenjem njegove temperature. Vodik pri standardnim tlakom (1.013 bar) se pretvara u tekućinu kad se ohladi ispod -250 °C. Pri toj temperaturi, gustoća vodika iznosi 71 kg/m³ što znači da se pri standardnom tlaku, 10 kg vodika može akumulirati u 145-litarski spremnik.

Ukapljivanje vodika zahtjeva veliki utrošak energije. U cilju održavanja tekućeg vodika na dovoljno niskoj temperaturi, spremnici moraju biti posve izolirani što pri konstruiranju ovakvih spremnika zahtjeva dodatni trošak.

Najčešća primjena ovakve akumulacije vodika je u svemirskoj tehnici.

Slika 6.3/2. Spremnik tekućeg vodika

Akumulacija pomoću metalnih hidrida

Metalni hidridi kao što su MgH₂, NaAlH₄, LiAlH₄, LiH, LaNi₅H₆, TiFeH₂ i paladijev hidrid, s različitim stupnjevima učinkovitosti, mogu se koristiti kao medij za akumulaciju vodika i to često reverzibilno.

Mnogi metalni hidridi se snažno vežu za vodik. Kod vrlo visokih temperatura (između 120 °C i 200 °C) oslobađaju vodik. Ovaj trošak energije može se smanjiti korištenjem legura kao što su LiNH₂, LiBH₄ i NaBH₄. Ove legure stvaraju slabije veze s vodikom što znači da je potreban manji utrošak energije kako bi se oslobodio akumulirani vodik. Međutim, ako je veza preslaba, tlak koji je potreban za ponovno stvaranje hidrida mora biti vrlo visok što eliminira ušteđenu energiju. Cilj sustava koji koriste vodik kao gorivo je ostvariti akumulaciju vodika pri temperaturi manjoj od 100 °C i tlaku manjem od 700 bara.

Alternativna metoda za smanjenje temperature pri akumulaciji vodika je korištenjem aktivatora. To se uspješno koristi kod aluminijevog hidrida ali kompleksna sinteza ove metode, čini ovu metodu nepoželjnu za mnogu primjenu.

Preporučeni hidridi za korištenje u vodikovoj ekonomiji uključuju jednostavne magnezijeve hidride ili prijelazne metale i kompleksne metalne hidride koji obično sadrže natrij, litij ili kalcij i aluminij ili bor. Hidridi koji se koriste za akumulaciju vodika pružaju nisku reaktivnost (visoku sigurnost) i visoku gustoću akumuliranog vodika. Vodeći kandidati su litijev hidrid, natrijev borohidrid i litij-aluminijev hidrid.

Nedostaci ove metode akumulacije vodika su razmjerno mali kapacitet i veliki utjecaj nečistoća metalnih hidrida. Osim toga, mase spremnika metalnih hidrida su velike što je također nepoželjna karakteristika.

Slika 6.3/3. Akumulacija vodika pomoću metalnih hidrida

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 138. 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

• 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 139. 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 140. Primarna ćelija

Sekundarne gorive ćelije

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

Slika 141. 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 142. 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 143. 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 144. Principijelna shema gorive ćelije s polimernom membranom

Prednosti gorivih ćelija sa polimernom membranom:

• niska radna temperatura omogućuje mobilnu upotrebu
• u odnosu na druge gorive ćelije ima relativno veliku snagu po jedinici volumena
• moguća je izvedba regenerativnog sistema sa membranskim elektrolizerom koji upotrebljava istu tehnologiju

Nedostaci gorivih ćelija sa polimernom membranom:

• nedovoljna količina topline za izdvajanje vodika iz metanola ili benzina
• osjetljivost na prisutnost CO i sumpora u struji vodika
• potrebno je ovlaživati struju vodika radi povećanja trajnosti membrane

Perspektive i primjena:

Intenzivno se radi na istraživanju minijaturnih PEMFC za mobilnu primjenu. Napravljeno je više prototipova vozila sa PEMFC, neki od proizvođača su Daimler-Benz, Toyota, Mazda, Renault, General Motors, Ballard, Energy Partners, Inc.. Više informacija o vozilima na alternativni pogon moguće je dobiti na internet stranici Alternative-fuel Vehicle Directory . Mnoge kompanije koje se bave istraživanjem i razvojem gorivih ćelija razvijaju i sisteme sa PEM gorivim ćelijama za opskrbu zgrada električnom energijom, jedan od takvih proizvođača je i [www.vaillant.com Vaillant].

Gorive ćelije s rastaljenim karbonatima kao elektrolitom (MCFC)

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.

Reakcije:

• Anodne reakcije: H₂ + CO₃^-- H₂O + CO₂ + 2e^-

CO + CO₃^-- 2CO₂ + 2e^-

• Katodna reakcija: O₂ + 2CO₂ + 4e^- 2CO₃^--

Slika 145. Principijelna shema 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

Perspektive i primjena:

Zbog visokih radnih temperatura predviđena je upotreba za stacionarne sisteme s iskorištenjem otpadne topline. Neke kompanije koje razvijaju ovaj tip gorivih ćelija su: Fuel Cell Energy, Inc. i M-C Power.

Gorive ćelije s čvrstim oksidima kao elektrolitom (SOFC)

Elektrolit je dopirani ZrO₂. Radna temperatura se kreće oko 1000-1100 °C. Zbog visoke radne temperature nisu potrebni skupi katalizatori. Iskoristivost ovog tipa gorivih ćelija je relativno loša zbog slabe vodljivosti elektrolita, no provode se istraživanja u cilju povećanja iskorisvosti procesa pretvorbe kemijske u električnu energiju u ovakvim gorivim ćelijama. Ukupna iskoristivost se može povećati iskorištenjem otpadne topline za proizvodnju pare. Predviđaju se iskoristivosti preko 60%.

Slika 146. Principijelna shema gorive ćelije s čvrstim oskidima

Prednosti gorivih ćelija s čvrstim oskidima:

• nema potrebe za ovlaživanjem plinova
• visoka radna temperatura smanjuje cijenu katalizatora
• mogućnost kogeneracije
• čvrsti elektrolit

Nedostaci gorivih ćelija s čvrstim oskidima:

• upotreba skupih keramičkih materijala
• potrebna je izolacija ćelije

Perspektive i primjena:

Isto kao i kod gorivih ćelija s rastaljenim karbonatima, zbog visokih radnih temperatura predviđena je upotreba za stacionarne sisteme s iskorištenjem otpadne topline. Ispituju se sistemi od stotinjak kilovata. Neke kompanije koje se bave istraživanjem gorivih ćelija s čvrstim oksidima su: Ceramic Fuel Cells Ltd. , Siemens Westinghouse, Sulzer Hexis Ltd. .

Poligeneracija

Poligeneracija bi se mogla opisati kao sustav ili proces energetske opskrbe, koji ima zadaću potrošača opskrbiti sa različitim oblicima energije npr. električnom, toplinskom, rashladnom energijom dostavljenom iz istog postrojenja, tj. poligeneracija je integrirani proces koji ima tri ili više različitih oblika izlazne energije proizvedena iz jednog ili više prirodnih resursa. S ciljem poboljšavanja energetske efikasnosti ukupnog sustava.

Slika 147. Poligeneracijski sustav

Poligeneracija uključuje kombinaciju kogeneracijskih, (tj. istodobnu proizvodnju električne i toplinske energije) i trigeneracijskih, (proizvodnja električne, i mogućnost grijanja i hlađenja) elektrana.

Za poligeneracijski sustav može se upotrebljavati širok spektar fosilnih i obnovljivih izvora energije kao što su plin, ugljen, biomasa, otpad, vjetar, itd. koristeći različite tehnologije pretvorbe za proizvodnju različitih produkata (oblika) energije.

Veličine poligeneracijskih elektrana (postrojenja) može isto tako varitati, od velikih centraliziranih elektrana do srednjih i malih, smještenih uz naseljena područja.

Slika 148. Shematski prikaz poligeneracije

Rafiniranje nafte

Uvod

Rafiniranje nafte je industrijski proces gdje se glavna sirovina nafta u određenima postrojenjima rafinira ( pretvara ) u upotrebljive produkte kao što su : tekući plin, benzin, dizelsko gorivo, mlazno gorivo, motorna ulja, bitumen, parafin, lož ulje. Po svom kemijskom satavu nafta je vrlo složena smjesa, koja se sastoji od približnog masenog udjela:

ugljika: 83-87 %

vodika: 11-15 %

sumpora: 0-5,5 %

dušika: 0-2 %

kisika: 0-2 %

Tekući plin

To je najlakši derivat nafte, sastoji se od smjese propana i butana. Kao takav mora se rafinirati da bi se uklonili korozivni sumporni spojevi,gdje tako prerađen može ići na tržište.

Benzin

Koristi se kao pogonsko gorivo u većini motornih vozila. Proizvodi se u dvije gradacije: normal benzin koji ima od 86-88 oktana i super sa 95-100 oktana. Oktanski broj je mjera za antidetonatorsko svojstvo benzina. Za povećanje oktanskog spoja dodaju se olovni spojevi, TEO, TMO, odnosno tetraetil olovo i tetrametil olovo

Dizel

Za proizvodnju dizelskog goriva koristi se petrolej i dijelovi lakog plinskog ulja, ti elementi destiliraju na 170º do 360º C. Osim temperaturne filtrabilnosti važan je i maseni udio ukupnog sumpora koji ne smije biti većo od 1,0 % zbog korozivnog djelovanja.Cetanski broj i dizel index su mjere za sposobnost paljenja dizelskog goriva.

Mlazno gorivo

To su smjese teškog benzina i petroleja, odnosno spijevi nafte koji destilirsju na 145º do 225º C. Kako tu vrstu goriva koriste mlažnjaci koji lete na niskim temperaturama, pa je temperatura zamrzivanja ispod -55º C.

Motorna ulja

Ulja se koristeu različite svrhe, osnovna im je funkcija podmazivanje motora, štednja goriva, hlađenje i vrtvljenje motora, sprečavanje korozije. Indeks viskoznost im je vrlo visok zbog specifičnih uvjeta rada, ujedno indeks viskoznosti je i mjera po kojoj se ulja klasificiraju.

Bitumen

To je derivat nafte koji se dobiva oksidacijom vakuum ostataka nafte. Važna svojsta su elastičnost, penetracija, temperatura mekšanja, rasrezljivost. Svojstva bitumena ovise o stupnju disperzije asfaltina u u maltenima. Svoju uporabu pronašao je u cestogradnji i industriji.

Parafin

Dobiva se iz uljnih destilata, što je sadržaj ulja manji to je parfin kvalitetniji. Primjenjuje se u prehrambenij industriji, proizvodnji oaoira, šibica, svijeća, itd.

Lož ulje

Za proizvodnju lož ulja iskorištavaju se nusprodukti pri preradi nafte. Uvjete koji moraju zadovoljiti su viskoznost i količina sumpora. Koristi se kao gorivo u energetici.

Slika 149. Što sve čini barel nafte (barel=158.987 l)

Slika 150. Proces prerade sirove nafte

Proces pripreme nafte za preradu

Nafta je nastala iz ostataka biljaka i životinja koje su postojale prije nekoliko stotina milijuna godina u vodi. Sam taj proces se odvijao u nekoliko faza: taloženju ostataka na dnu oceana koje je tijekom vremena prekrio pijesak i mulj, nastanak plina i sirove nafte usljed djelovanja ogromnih pritisaka i visokih temperatura.

Sam proces prerade nafte počinje istarživanjem i to geološkim i geofizičkim, područja potencijalno bogato nafom od strane znavstvenika i inžinjera, ukoliko se utvrdi postojanje nafte, (plina) koja se nalazi zbijena u sitnim porama između stijena pod vrlo velikim pritiskom, buši se eksplatacijska bušotina kroz debele slojeve pijeska, mulja i stijena iz koje se vrši crpljenje iste te transport do rafinerije za preradu. Transport se može izvršiti na različite načine: tankerima, cisternama željezničkim putem, odnosno cestovnim te naftovodima što je ujedno i najjeftinija opcija. Velik problem prilikom bušenja i transporta je mogućnost istjecanje nafte u okoliš. Nove tehnologije su doprinjele povećanju preciznosti kod pronalaženja, a to je rezultiralo manjim brojem bušotina.

Nafta transportirana u rafinerijama sadržava vodu, soli, sumporne spojeve, kiseline i neke nečistoće. Kako ovi elementi izazivaju korziju i ostale negativne efekte na postrojenje, nastoje se ukloniti. Voda se uklanja na način da se s dna spremnika u kojem se nalazi nafta, ispušta voda, jer se nafta, pošto je lakša od vode, nataložila na površini. Drugi način je dodavanja deemulgatora. Soli se uklanjaju dodavanjem visoko zagrijane vode u tok nafte. Zagrijana voda otapa soli koji se talože na dnu.

Slika 151. Shema toka rafiniranja

Podjela rafinerija prema tipovima

Najčešće podjele rafinerija su prema S. Baarnu i G. Heinrichu, a pored tih podjela rafinerije možemo još svrstati u tri grupe: 'rafinerije loživih ulja, rafinerije motornih goriva i rafinerije maziva.

Baarn djeli rafinerije u četri skupine:

A) NAJJEDNOSTAVNIJI TIP RAFINERIJE

-rafinerije koje imaju samo atmosfersku destilaciju, katalitički reforming i proces rafimacije

B) SLOŽENI TIP RAFINERIJE

-osim postrojenja iz grupe A i postrojenja za vakuum-destilaciju katalitički kreking

C) KOMPLEKSNE RAFINERIJE

-uključije i proizvodnju mazivih ulja

D) PETROKEMIJSKE RAFINERIJE

-obuhvaća i petrokemijska postrojenja

Heinrich također dijeli na četri grupe:

A) HYDROSKIMING-RAFINERIJE

-najjednostavij tip rafinerije

-benzin se dobije mješanjem primarnog benzina, butana

B) RAFINERIJE S KATALITIČKIM KREKINGOM

-ovaj tip se gradi kada se želi proizvesti veća količina benzina

C) RAFINERIJE ZA DUBOKU KONVERZIJU ( HIDROKREKING – KATALITIČKI KREKING )

-tip rafinerije koji omogućava veliku fleksibilnost prerade bez obzira na vrstu nafte, međutim troškovi investicija i prerade su vrlo visoki - proces iziskuje velike količine vodika

D) RAFINERIJE ZA DUBOKU KONVERZIJU ( HIDROKREKING – KOKING )

-koks dobivem kokingom može se iskoristiti kao gorivo u industriji, ili se spaljuje u niskokalrični plin

- troškovi proizvodnje niži nego u ostalim tipovima

RAFINERIJE LOŽIVIH ULJA

     To su rafinerije najjednostavnijeg tipa, koje mogu racionalno poslovati kad su na tržištu najvažniji proizvodi benzin, dizelsko gorivo i teško loživo ulje. U njima se naime mogu proizvoditi samo spomenuti derivati nafte.  Atmosferskom destilacijom dobivaju se i plinoviti ugljikovodici koji se upotrebljavaju kao rafinerijsko gorivo. Također se dobivaju laki i teški benzin, plinsko ulje i destilacijski ostatak. Iz nafte prikladnih svojstava može se dobiti plinsko ulje izravno upotrebljivo kao teško loživo ulje. Takvom destilacijom dobiveni laki benzin zahtijeva samo jednostavnu kemijsku obradu (tzv. slađenje). Teški benzin dobiven takvom destilacijom ima vrlo nizak oktanski broj (oko 40). Ako je potreban benzin s oktanskim brojem 90, teški se benzin mora katalitički reformirati, pa se dobiva benzin s oktanskim brojem 95 do 105. Taj se reformat miješa s lakim benzinom, pa se dobiva motorni benzin potrebne hlapljivosti i oktanskog broja. Kapacitet takvih jednostavnih rafinerija, koje imaju postrojenje za destilaciju, za slađenje i katalitičko reformiranje, obično je vrlo mali (2 do 4 tisuće tona nafte dnevno).
     Složenost se rafinerije loživih ulja dalje povećava dodavanjem postrojenja za hidrodesulfuraciju plinskog ulja. Tako se smanjuje ovisnost o vrsti nafte, pa se omogućuje prerada jeftinije nafte s većim udjelom sumpora.

     Takve rafinerije obično proizvode i ukapljeni naftni plin i kerozin, od koga se dobiva petrolej ili mlazno gorivo. Kerozin treba također sladiti, da se ukloni neugodni vonj i, već prema vrsti nafte, desulfurirati.

RAFINERIJE MOTORNIH GORIVA

     Rafinerije motornih goriva grade se kad je veća potrošnja motornih goriva, pa se želi povećati njihova proizvodnja, i kad se želi povećati ekonomičnost prerade nafte. One su složenije od rafinerija loživih ulja, ali su i vrlo efikasne, jer promjene vrste nafte ne utječu osjetno na prinose i ekonomičnost.
     Veći se prinos motornih goriva postiže primjenom termičkih procesa prerade ostataka atmosferske i vakuumske destilacije te katalitičkom preradom vakuumskog plinskog ulja. Moguća je i kombinacija tih postupaka. Takve rafinerije imaju velike proizvodne kapacitete    (obično 10 do 40, a ponegdje i 60 tisuća tona nafte dnevno).

     Od termičkih procesa koji se primjenjuju u takvim rafinerijama najčešći su koksiranje i lomljenje viskoznosti. Termičko krekiranje, koje je svojedobno bilo važan proces, danas je gotovo potpuno zamijenjeno katalitičkim procesima. Koksiranjem se dobivaju viši prinosi lakših frakcija (plina, benzina i lakog plinskog ulja) nego lomljenjem viskoznosti. Usto se dobiva i tzv. zeleni koks, koji se može preraditi kalcinacijom u koks prikladan za proizvodnju elektroda.
     Katalitičko krekiranje u fluidiziranom sloju (FCC) najrašireniji je katalitički postupak prerade teških plinskih ulja. Manje se primjenjuje hidrokrekiranje, kojim se iz sličnih sirovina dobiva benzin pogodan za katalitičko reformiranje. Prednost je hidrokrekiranja što je vrlo fleksibilno u prinosima plina, benzina i lakog plinskog ulja, a katalitičkog krekiranja što se postiže veliki prinos benzina s velikim oktanskim brojem, koji je vrlo pogodan za miješanje s motornim benzinom radi poboljšanja njegove kvalitete. Većina frakcija dobivenih tim sekundarnim procesima traži dalju rafinaciju, kao što su rekuperacija i rafinacija plinova, hidrodesulfuracija plinskih ulja i izdvajanje sumpora iz plinova.

RAFINERIJE MAZIVA

      Svaka rafinerija motornih goriva može imati i pogon za proizvodnju maziva. Ostatak  atmosferske destilacije, koji je sirovina za proizvodnju maziva, obično se frakcionira vakuumskom destilacijom na bazna ulja različite vikoznosti. Dalji postupci ovise o kvaliteti sirove  nafte i o željenim svojstvima proizvoda.
      Za proizvodnju motornih mazivih ulja potrebno je više separacijskih operacija. Najprije se iz ostatka vakuumske destilacije uklanjaju asfaltne tvari, pa se dobiva najviskoznija uljna frakcija. Iz baznih ulja uklanjaju se aromatski ugljikovodici estrakcijom furfuralom, pa se tako povisuje indeks viskoznosti i otpornost prema oksidaciji. Deparafinacijom izdvajaju se čvrsti parafinski voskovi, pa se snizuje stinište baznih ulja. Za dalje prilagođavanje koeficijenta viskoznosti i kemijske stabilnosti ulje se obrađuje vodikom. Da bi se proizvela motorna maziva ulja različite viskoznosti i različitih svojstava, dobivena se ulja miješaju u potrebnim omjerima uz dodatak aditiva. Iz izdvojenih parafinskih voskova odstranjuje se zaostalo ulje, pa se dobiva rafinirani parafinski vosak. Često se uz proizvodnju mazivih ulja proizvodi i bitumen propuhivanjem zrakom ostatka od vakuumske destilacije i nekih sporednih proizvoda prerade mazivih ulja.

Procesi koji se odvijaju u rafineriji

To su procesi kojima se iz sirove nafte dobivaju iskoristivi derivati nafte od kojih su najvažniji benzin, dizel, plin, petrolej, ulja...

Podjela

Procesi koji se odvijaju u rafineriji dijele se na primarne i sekundarne procese, te na procese obrade.

Slika 154. Procesi i produkti rafiniranja

Primarni procesi

To su procesi u kojima se pri preradi nafte ne mijenja struktura ni veličina prisutnih ugljikovodika. U tu skupinu spadaju procesi jedinične operacije kao što su destilacija, adsorpcija, apsorpcija, desorpcija, kristalizacija...

Destilacija

Prvi proces koji se provodi kod prerade nafte kojim se dobivaju temeljne frakcije nafte koje se koriste kao sirovine u sekundarnim procesima prerade nafte. Najrašireniji je i najstariji postupak prerade nafte, a svrha mu je da se različite komponente (frakcije) iz nafte odvoje na temelju njihovih različitih temperatura isparivanja. Svaka frakcija ima početak i kraj destilacije, određen početnom i krajnjom temperaturom destilacije. Vidljivo iz krivulje destilacije (SLIKA 2.) postoje preklapanja početaka destilacije jedne frakcije sa svršetkom destilacije druge frakcije. To preklapanje se naziva oštrina diobe i nastoji se postići što manje preklapanja različitih frakcija. Temeljne frakcije nafte koje se dobivaju destilacijom su plinske frakcije, laki benzin, teški benzin, lako plinsko ulje, teško plinsko ulje, vakuumski destilati, te ostatak. Destilacija se provodi u destilacijskim kolonama, a prema tlaku na kojem se provodi djeli se na atmosfersku destilaciju, vakuumsku destilaciju (destilaciju pri sniženom tlaku) i destilaciju pri povišenom tlaku . Atmosferskom destilacijom odvajaju se frakcije s vrelištem do 400°C, jer porastom na više temperature dolazi do procesa krekiranja, pa se destilacija na višim temperaturama odvija pri sniženim tlakovima, odnosno vakuumskom destilacijom. Rasponi vrelišta pojedine frakcije nafte ovise o sastavu nafte i željenim svojstvima proizvoda. Produkti destilacije su bočne frakcije ili rezovi, vršni proizvod i destilacijski ostatak.

Slika 155. Primjer krivulje destilacije

Atmosferska destilacija

Slika 156. Shema procesa rektifikacije

Slika 157. Plitica sa zvoncima

Destilacija se provodi u tri faze: zagrijavanje, isparivanje i kondenzacija. Zagrijavanje se provodi u cijevnim pećima na loživo ulje ili rafinerijski plin. Kroz cijevi struji sirova nafta i grije se, a zatim dolazi u kolonu za frakcioniranje, u kojoj se provodi rektifikacija (niz isparivanja i kondenzacija). Kolona za rektifikaciju je uspravna cilindrična posuda od čeličnog lima, visine i promjera ovisno o kapacitetu postrojenja. Pri dnu kolone uvodi se sirova nafta ugrijana do temperature koja omogućuje isparivanje onih frakcija koje se žele proizvoditi. Na taj je način osigurano da će se u koloni ispirati sve frakcije koje imaju vrelište na istoj ili nižoj temperaturi od temperature zagrijane nafte, a ostale će ostati u tekućem stanju. Kad bi kolona bila prazna posuda, sve bi pare strujile prema njezinu vrhu, pa se frakcije nebi odjeljivale. Zato su u kolonu ugrađeni horizontalni tanjuri (plitice) sa zvonima (SLIKA 4.), pa je ona po visini podijeljena u više dijelova. Pare se iz nižih tanjura dižu i ulaze u viša zvona, iz kojih im dalje strujanje onemogućuje tekućina koja se nalazi na tanjuru i djeluje kao zapor, pa se pare s njom miješaju. U toj se smjesi kondenziraju pare frakcije više temperature isparivanja pa se kao tekućina prelijevaju preko ruba cijevi (koje se nalaze na rubovima tanjura) u niže tanjure kad razina tekućine u tanjuru dostigne rub cijevi. Pare koje se nisu kondenzirale i koje su isparile iz tekućine na tanjuru, prodiru u tekućinu skupljenu u jos višem tanjuru. Tako, idući prema vrhu kolone, i pare i tekućina imaju sve niže temperature, pa se u višim dijelovima kondenziraju pare s višim temperaturama isparivanja. Zbog toga se u pojedinim visinama kolone pojavljuju pare samo određene frakcije, pa je njihovim odvođenjem i kondenziranjem moguće odjeljivati pojedine frakcije. Budući da kolona radi kontinuirano, na pojedinim njezinim visina frakcije se odvode, pa, da bi se osigurala ujednačena kvaliteta frakcija u koloni za ratifikaciju mora postojati stalni temperaturni režim. To se postiže ujednačenom temperaturom sirove nafte koja ulazi u kolonu, te hlađenjem dijelova kolone pomoću sistema kroz koji protječe voda ili ponovim dovođenjem dijela kondenzirane frakcije u kolonu. Para pojedinih frakcija dovodi se iz kolone u kondenzator, a nakon toga kondenzirana frakcija prolazi kroz hladnjak hlađen vodom, kako bi se frakcija ohladila na temperaturu okoline. Opisani postupak naziva se primarna ili atmosferska destilacija koja je naziv dobila prema tome što se odvija pod atmosferskim tlakom. Atmosferskom destilacijom destiliraju se ugljikovodici s najviše 18 atoma ugljika po molekuli.

Slika 158. Shema postrojenja za atmosfersku destilaciju

Vakuumska destilacija

Ako se destilira uz znatno niži tlak od atmosferskog, govori se o vakuumskoj destilaciji. Sa sniženjem tlaka smanjuje se i temperatura isparivanja, što je vidljivo iz p-T dijagrama za realne tvari. To smanjenje temperature isparivanja omogućit će da isparuju i frakcije s većim brojem ugljika po molekuli, a da temperatura ne premaši maksimalnu vrijednost. Vakuumska destilacija provodi se u principu na isti način kao i atmosferska destilacija, ali s tom razlikom što se u kolonu za rektifikaciju dovodi laki ostatak iz atmosferske destilacije i u koloni vlada tlak manji od 0,01 MPa (tlak atmosfere kreće se oko 0,1 Mpa). Laki ostatak zagrijava se na 350°C u cijevnim pećima na isti način kao i sirova nafta. Na vrhu kolone za vakuumsku rektifikaciju pojavljuje se teže dizelsko gorivo kao najlakša frakcija, a na pojedinim visinama kolone destilati ulja za ležajeve, specijalna i motorna ulja te cilindarska ulja. Niski tlak u koloni održava se parnim ejektorima ili vakuum-pumpama. Pri preradi lakih frakcija, atmosferska i vakuumska rektifikacija mogu se povezati u jedinstveni tehnološki proces. Izvode se mnoge kombinacije s obzirom na zagrijavanje sirove nafte i atmosferskih ostataka, a i s obzirom na broj kolona za jednu i drugu rektifikaciju. Kad se prerađuje teška sirova nafta, koja nema laganih frakcija, vakuumska rektifikacija provodi se samostalno.

Rektifikacija benzina

Rektifikacija ili ponovna destilacija benzina dobivenog atmosferskom rektifikacijom provodi se radi dobivanja tehničkih ili specijalnih benzina. To su benzini uskih granica destilacije. Postupak se obavlja u koloni kao i atmosferska destilacija. Broj frakcija ovisi o svojstvima ulaznog benzina i o potrebnim tehničkim benzinima. Ostatak rektifikacije benzina je teški benzin.

Destilacija pod tlakom

Destilacija pod tlakom se odvija da bi se mogao odijeliti suhi rafinerijski plin, koji se sastoji od vodika, metana i etana, od plinova propana, butana i težih ugljikovodika koji čine ukapljeni plin. Stlačeni na 1,0 do 2,0 Mpa (10 do 20 bara) butan i propan pri temperaturama okoline prelaze u tekuće agregatno stanje, pa ih je moguće destilacijom odijeliti od plinova s više od četiri ugljikova atoma po molekuli. U procesu destilacije pod tlakom plinovi se komprimiraju i provode kroz petrolej. Taj petrolej služi kao adsorpcijsko sredstvo jer upija sve plinove osim vodika, metana i etana, koji izlaze kao suhi rafinerijski plin. Petrolej s apsorbiranim plinovima zagrijava se u cijevnoj peći i dovodi u kolonu za rektifikaciju, gdje se odjeljuje smjesa ugljikovodika sa tri i četiri atoma ugljika po molekuli (propan i butan) te frakcije težih ugljikovodika, a ostatak je petrolej koji ponovo preuzima ulogu adsorpcijskog sredstva. Opisani postupak naziva se razdvajanje plinova.

Sekundarni procesi

To su konverzijski procesi u kojima dolazi do pretvorbe prisutnih ugljikovodika, najčešće mijenjajući njihov sastav. Provode se da bi se povećao udio pojedinih ekonomičnijih proizvoda , te da bi se povećala njihova kvalitete. Glavna namjena sekundarnih procesa je pretvorba proizvoda višeg u proizvode nižeg vrelišta. Tipični sekundarni procesi su krekiranje, alkilacija, izomerizacija, oligomerizacija i reformiranje.

Krekiranje

Ugljikovodici ugrijani do temperatura viših od 300°C počinju se raspadati stvarajući nove ugljikovodike, ali s manjim brojem ugljikovih atoma u molekuli. Proces krekiranja našao je u preradi nafte široku primjenu, a služi za dobivanje benzina iz dizelskog goriva i za dobivanje lakših derivata iz ostataka destilacije. Krekiranjem se dakle može bitno izmijeniti struktura derivata proizvedenih iz sirove nafte. To je potrebno jer redovito struktura potrošnje ne odgovara strukturi proizvodnje osnovanoj na destilaciji, pa se krekiranjem korigira struktura proizvodnje.

Termičko krekiranje

Termičko krekiranje je u širem smislu razgradnja (piroliza) ugljikovodika, prije svega dizelskog goriva i ostataka od destilacije, kako atmosferske tako i vakuumske, da bi se njihovom djelomičnom konverzijom u lakše frakcije povećala proizvodnja tih frakcija. S obzirom na to da se katalitičkim krekiranjem postiže veća količina i bolja kvaliteta proizvoda termičko se krekiranje koristi samo onda kad se ne može koristiti katalitičko krekiranje, primjerice postupci kod kojih se trebaju koristiti katalizatori koji nepoželjno reagiraju s katalitičkim otrovima. Međutim, česta je upotreba termičkog krekiranja, ostataka od destilacije, u postupku loma viskoznosti i koksiranja. Krekiranje ili raspadanje je složen proces u kojem se kao produkti dobivaju lagani alkani koji pripadaju u grupu izoalkana, olefina, cikloparafina, cikloolefina i aromata. Tlak i temperatura krekiranja ovise o tome provodi li se krekiranje u kapljevitom ili plinovitom stanju. Za kapljevito stanje temperatura iznosi oko 430°C, tlak 2,3 do 3,5 Mpa (23 do 35 bara), vrijeme reakcije traje i do 200 sekundi. Kod termičkog krekiranja u plinovitoj fazi potrebna je temperatura do 450°C i tlak od oko 1 Mpa (10 bara), ali je reakcija puno brža i prosječno trajanje iznosi oko 1 sekundu. Pri određenom tlaku i temperaturi sastav produkata ovisi o trajanju reakcije. Izvorni materijal se najprije raspada u laganije međuprodukte pa, što je proces krekiranja duži, veći je i broj međuprodukata, a izvornog materijala sve manje, te će dužim trajanjem krekiranja nastati sve više laganih frakcija nafte (benzin i dizelsko ulje). Dovoljnim trajanjem krekiranja dobit će se samo plinovi i koks (vidi sliku 7). Budući da je najvažniji produkt krekiranja benzin, proces se vodi tako dugo koliko je potrebno za nastajanje maksimalne količine benzina iz ulazne sirovine. Na slici 6 prikazano je postrojenje za krekiranje. Sirovina se dovodi u peć za grijanje i u njoj se miješa s vrućim dizelskim gorivom koje dolazi s dna kolone za destilaciju. U drugom dijelu peći ta se mješavina zagrijava na temperaturu krekiranja. Proces raspadanja dovršava se u retortama, uz dodatno zagrijavanje, u kojima se taloži koks, a na dnu ostaje teški ostatak, upotrebljiv kao loživo ulje. Mješavina plinova i para ugljikovodika s vrha retorta dovodi se u kolonu za atmosfersku destilaciju u kojoj se na dnu skuplja dizelsko ulje. Ono se vraća u proces, a produkti se s vrha kolone odvode u rezervoar u kojem se odjeljuju plinovi od benzina. Da bi se skratilo vrijeme krekiranja, ugrijanom materijalu se na izlazu iz peći dodaje dizelsko ulje.

Lom viskoznosti

Na principu termičkog krekiranja razvio se postupak za raspadanje teških ostataka destilacija nafte nazvan lomom viskoznosti, kojemu je svrha pretvaranje vrlo gustih ostataka u loživo ulje male viskoznosti. Proces se vodi iz niže temperature i tlakove nego termičko krekiranje, a vrijeme raspada je relativno kratko. Na taj način dolazi se do vrlo male količine laganijih produkata.

Koksiranje

Slika 159. Shema postrojenja za koksiranje u fluidiziranom sloju

Kad se želi proizvoditi petrolkoks, upotrijebit će se proces koksiranja. Proces koksiranja je vremenski produljeno krekiranje kojim kako je već prije opisano nastaju lagane frakcije nafte koks i plinovi. Sirovina za koksiranje su ostaci destilacije. Oni se ugriju u peći do temperature od oko 400°C pa se odvode u kolonu za destilaciju da bi se odijelile lakše frakcije. Ostatak destilacije dovodi se u drugi dio peći, gdje se zagrijava do oko 500°C. a odatle u jednu od retorta za koks. U retorti se ostaci raspadaju i stvaraju se koks i destilati. destilati s vrha retorte odlaze u kolonu za frakcioniranje, a koksa koji ostaje u retorti sve je više, pa se pogon retorte mora zaustavljati svakih 24 sata da bi se odstranio proizvedeni koks. Osim toga je moguće, kako je prikazano na slici 8, koksiranje ostvariti u fluidiziranom sloju. Reaktor i predgrijač su dijelovi postrojenja za koksiranje u fluidiziranom sloju. Predgrijač služi za ugrijavanje čestica koksa na temperaturu od 550 do 650°C. Ugrijane čestice koksa se vraćaju u reaktor. Tamo se održavaju u fluidiziranom sloju ubrizgavanjem pare koja služi za fluidizaciju i isparivanje hlapljivih sastojaka sirovine. Vruća sirovina dovodi se u reaktor gdje se raspršuje. U reaktoru se provodi koksiranje pri temperaturi od 480 do 570°C pod tlakom od 0.137 do 0.172Mpa (1.37 do 1.72 bara). Sirovi koks koji je nastao u reaktoru odvodi se u predgrijač gdje se dovršava proces.

Katalitičko krekiranje

Za katalitičko krekiranje važna su dva činitelja; temperatura i katalizator. Katalizator je materija koja inicira potrebnu reakciju, ubrzava je i proširuje, a pritom ne mijenjaju kemijski sastav produkata reakcije. Kao katalizatori upotrebljavaju se različiti spojevi aluminija i silicija. Da bi se postiglo raspadanje, moraju se pare ugljikovodika pri stanovitoj temperaturi dovesti u kontakt s katalizatorom. Pri tome se stvaraju plinovi, koks i ugljikovodici, kao pri termičkom krekiranju. Pare destilata ugrijane u peći do oko 450°C uvode se u reaktor, u kojem je temperatura nešto veća, gdje se miješaju sa zrncima katalizatora. Produkti dobiveni raspadanjem odvode se u kolonu za rektifikaciju, gdje se odjeljuju na plinove, benzin i dizelsko ulje. Ostatak je loživo ulje. Koks se taloži na katalizator čime smanjuje aktivnost katalizatora, te pada u regenerator, iz kojeg ga ponovo diže struja komprimiranog zraka. Istaloženi koks u struji zraka izgara, pa se na taj način katalizator regenerira za ponovu upotrebu.

Hidrokrekiranje

Hidrokrekiranje je proces krekiranja u prisutnosti vodika. Koristi se difunkcionalni katalizator koji istodobno pospješuje reakcije krekiranja i hidrogenacije ugljikovodika. Kao katalizatori koriste se najčešće zeoliti uz metalne okside i sulfide (Co-Mo, Ni-Mo). Poznat je veći broj izvedbi procesa (jednostupanjski i višestupanjski), a primjenjuju se s ciljem konverzije šireg spektra lakih i teških frakcija u vrijednije proizvode, kao na primjer benzin u ukapljeni naftni plin, plinsko ulje u benzin, destilacijski ostatak u dizelsko gorivo.

Katalitičko reformiranje benzina

Katalitičko reformiranje je proces kojim se frakciji benzina s atmosferske destilacije (primarni benzin) povećava vrijednost oktanskog broja. Reformiranjem dolazi do kemijske pretvorbe ugljikovodika u prisutnosti katalizatora reakcijama dehidrogenacije naftena (aromatizacije), dehidrociklizacije parafina, hidrokrekiranja parafina te izomerizacije parafina i naftena. Reakcije se zbivaju u prisustvu difunkcionalnih katalizatora, najčešće Pt-Re i Al2O3. Procesi katalitičkog reformiranja benzina koji su u primjeni su procesi s nepokretnim slojem katalizatora i procesi s kontinuiranom regeneracijom katalizatora. Na prinose i sastav reformat-benzina, uz svojstva sirovine utječu procesne varijable, prvenstveno tlak, temperatura, prostorna brzina i omjer vodika ugljikovodika.

Alkilacija

Alkilacija je sekundarni proces u proizvodnji nafte koji se temelji na katalitičkoj reakciji izobutana s laganim olefinima (propen, buten) radi proizvodnje visoko razgranatih parafina višeg vrelišta, tzv. alkilat- benzina. Tim procesom se nekom ugljikovodiku dodaje alkilna grupa (CH3) i dobivaju se ugljikovodici s bočnim lancima vrlo visokih oktanskih brojeva koji služe za proizvodnju visokooktanskih avionskih goriva. Mehanizam reakcije se temelji na stvaranju karbokationa iz izobutana uz kiseli katalizator (HF, H2SO4). Primarni proizvodi su izoparafini, izomeri heptana i oktana, dok su sekundarni proizvodi lakši ili teži od primarnih i nisu poželjni. Procesom alkilacije dobiva se primijenjivi i ekološki najprihvatljiviji benzin koji služi kao komponenta za poboljšanje kvalitete motornim benzinima.

Oligomerizacija (polimerizacija

Oligomerizacija je proces kojim se iz plinovitih alkena, nastalih uglavnom u procesima krekiranja uz kationski katalizator (H3PO4) dobivaju kapljevite komponente motornih benzina vrlo visokih vrijednosti oktanskog broja, tzv. polimer-benzin.

Izomerizacija

Izomerizacija je mijenjanje strukture ugljikovodika bez promjene molekularne mase (npr. pretvaranje alkana u izoalkane). Takve promjene strukture provode se krekiranjem i reformiranjem, ali mogući su procesi u kojima je izomerizacija osnovna reakcija. Pri izomerizaciji djeluju i posebni katalizatori. Katalizatori koji se koriste su aluminij-triklorid sa solnom kiselinom ili aluminosilikat s platinom. Izomerizacija je potrebna jer u benzinu dobivenim krekiranjem i reformiranjem nema dovoljno izoalkana, koji osiguravaju visoke oktanske brojeve motornih i avionskih goriva. Tim procesom se alkani pretvaraju u izoalkane.

Procesi obrade

Procesi obrade koriste se za poboljšanje kvalitete naftnih međuproizvoda i gotovih proizvoda, uglavnom za uklanjanje sumporovih, dušikovih i kisikovih spojeva, te poboljšanje oksidacijske stabilnosti. Najvažniji procesi obrade su obrada vodikom, oksidacijski procesi, procesi pri dobivanju mazivih ulja i kemijske metode.

Obrada vodikom

Obuhvaća procese blage hidrogenacije uz potrošnju od oko 20 m3 vodika po m3 sirovine. Njima se odstranjuju nepoželjne komponente koje su većinom spojevi sumpora, a zatim i spojevi kisika i spojevi dušika. To se provodi reakcijama hidrodesulfurizacije, hidrodenitrifikacije, hidrodeoksigenacije te hidrogenacije olefina. Parametri koji utječu na procese obrade vodikom su temperatura, tlak, prostorna brzina te omjer vodika i ugljikovodika. Zadnji se prilagođava odabirom sirovine koja mogu biti benzini, mlazna goriva, dizelska goriva, vakuumski destilati, bazna mineralna ulja i destilacijski ostaci.

Odvajanje spojeva sumpora (Proces blending)

Spojevi sumpora u lakšim se frakcijama nalaze u obliku merkaptana a iz njih se odvajaju procesima slađenja, odnosno njihovim prevođenjem u disulfide koji su neškodljivi i topljivi u lužinama. Taj se proces odvija uz dodavanje zraka. Slađenje je potrebno jer su merkaptani štetni, korozivni spojevi, lošeg mirisa, prisutni uglavnom u srednjim i lakšim frakcijama kao što su butan, benzini, otapala, kerozinska frakcija, plinska ulja. Merkaptani čine 40 do 100 % spojeva sumpora u tim frakcijama. Jedan od procesa odvajanja merkaptana je Merox proces kojim se merkaptani oksidacijom prevode u disulfide procesom tekućinske ekstrakcije, koji se potom uklanjaju natrijevom lužinom.

Uklanjanje ugljikovodika

Pod ugljikovodicima ovdje se podrazumijevaju oni koji imaju nepovoljne utjecaje na određena svojstva produkata. Oni se uklanjaju najčešće postupcima rafinacije otapalima. Ti postupci se dijele na deasfaltaciju, odvajanje aromata iz vakuum destilata, te odvajanje aromata iz kerozina.

Povijest nafte

Naziv nafta potječe iz korjena riječi nafata što u prijevodu na perzijskom jeziku znači znojiti se. Čovječanstvu je nafta odavnina poznata i kao fosilno gorivo koristilo se u različite svrhe: za impregnaciju zidova, kao sredstvo za brtvljenje brodova, za balzamiranje, za rasvjetu, u medicini itd.

Više od četiri tisuće godina ,prema Herodotu, nafta je bila zastupljena u graditeljstvu u starom Babilonu. U rimskoj provinciji Daciji, za vrijeme rimskog carstva koristila se nafta. Najstarije poznate naftne bušotine datiraju iz 4. stoljeća poslije Krista, a iskopane su u Kini. Sve do 19. stoljeća nafta je korištena u građevini, vojnom naourožanju , medicini i sl. Nafta svoju pravu važnost dobiva tek otkrićem parnoga stroja. Tek naglim razvitkom automobilske industrije i sve većom potražnjom za naftom, počinju se razvijati tehnologije dobivanja goriva iz nafte, odnoso tehnologije rafiniranja. Ignacy Lukasiewicz prvi je kemičar koji dobiva kerozin iz nafte procesom rafiniranja .Prva velika rafinerija otvorena je u Rumunjskoj, točnije u Ploiesti 1856. god. U to se doba koristila isključivo za dobivanje petroleja i kao mast za podmazivanje ( kolomast ). Najveći svjetski kompleks rafinerija je "Centro de Refinación de Paraguaná" u Venecueli čiji kapacitet iznosi 956,000 barela na dan. 1950-ih nafta prestiže ugljen ,te postaje svijetsko gorivo broj jedan. [64]

Slika 153. Nafta kao povod rata

Nafta je rudno bogatstvo zemlje, ali ona je i bitna stavka politike i ekonomije ovog planeta. 1973. I 1979. godine svijet pogađaju naftne krize nakon kojih je slijedio drastičan porast cjene nafte. Trenutno najveća tri proizvođača nafte su Saudijska Arabija, Rusija i SAD. OPEC (Organizacija zemalja izvoznica nafte) je međunarodna organizacija koju tvore Alžir, Angola, Ekvador, Irak, Iran, Kuvajt, Libija, Nigerija, Katar, Saudijska Arabija, Ujedinjeni Arapski Emirati i Venezuela. Od godine 1965. sjedište joj se nalazi u Beču. Glavni cilj ove organizacije jest čuvanje interesa zemalja izvoznica nafte , te osiguravanje dobave zemljama uvoznicama. [65]

Slika 154. Cijena nafte kroz povijest

[66]

Ekonomija rafiniranja

Problem ekonomske računice, financiranja u sferi rafiniranja uvelike ovisi o ponudi i potražnji. Cijena produkta rafiniranja ovisi o niz faktora kao što su : ekonomija (globalna, lokalna), vremenskim uvjetima, vrijednostima (rastu, padu) dionica naftnih kompanijai drugih kompanija u naftnoj branši. Cijena dionica ovisi o potražnji, određenim odlukama vlasti, i akcijama OPEC-a

(OPEC - Organization of the Petroleum Exporting Countries). To je udruženje država izvoznika nafte koje kontrolira cijenu i količinu nafte koja će se proizvesti. Države članice OPEC-a su: Alžir, Indonezija, Iran, Irak, Kuvajt, Libija, Nigerija, Katar, Saudijska Arabija, Ujedinjeni Arapski Emirati i Venezuela. Budući da je izvoz nafte najznačajniji dio gospodarstva tih država, održavaju se minimalno dva sastanka godišnje na kojima se određuje optimalna količina proizvodnje. 11 članica OPEC-a proizvodi oko 40% ukupne svjetske proizvodnje nafte, a u potvrđenim zalihama ima tri četvrtine ukupno potvrđenih zaliha u svijetu

Slika 154. Što sve utječe na cijenu goriva

4

Slika 155. Odnos potražnje i profita

Zaštita okoliša i sigurnost

Rafinerije su u dosta slučajeva smještene u blizini naseljenih područja, gdje uzrokuju povećanje zdravstveno rizične populacije i mogućnosti od ekoloških incidenata. Uzrok tome je priroda rada rafinerije koja u svom procesu ispušta velik broj različitih kemikalija i kemijskih spojeva u atmosferu što dovodi do zagađenja zraka, osim toga dovodi u pitanje i zdravstvenu ispravnost vode. Dakako tu su još opasnosti od mogućih eksplozija i požara, velikih buka, itd.

U mnogim zemljama javnost je "prisilila " vlade da tome stanu na kraj i posebnim restrikcijama, odnosno osnivanjem agencija koje će obvezati rafinerije na instalaciju opreme potrebnu za zaštitu okoliša i zaštitu od ostalih štetnih utjecaja. One rafinerije koje ne budu mogle zadovoljiti te kriterije biti će zatvorene, što u nekim slučajevima dovodi i do porasta cijena goriva.

Slika 156. Rafinerija u pogonu