Razlika između inačica stranice »ENERGETSKE TRANSFORMACIJE«

Izvor: ENERPEDIA
Jump to navigation Jump to search
(Elektrane na biomasu i otpad)
(Elektrane na biomasu i otpad)
Redak 1.623: Redak 1.623:
 
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
 
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===
  
 
[[Image:Crta.jpg]]
 
[[Image:Crta.jpg]]
Redak 1.632: Redak 1.632:
 
Postoji nekoliko tehnologija za izgaranje,a neke su:razna ložišta(u kojima se ujedno najjednostavnije izgara), te posebno građeni parni kotlovi za izgaranje biomase.
 
Postoji nekoliko tehnologija za izgaranje,a neke su:razna ložišta(u kojima se ujedno najjednostavnije izgara), te posebno građeni parni kotlovi za izgaranje biomase.
  
=====Tehnologija izgaranja na rešetci=====
+
====Tehnologija izgaranja na rešetci====
  
 
Izgaranje se događa u kotlu u kojemu je smještena rešetka u na kojoj se nalazi biomasa i otpad koji se sagorijeva.
 
Izgaranje se događa u kotlu u kojemu je smještena rešetka u na kojoj se nalazi biomasa i otpad koji se sagorijeva.
Redak 1.646: Redak 1.646:
 
Spremište goriva(1) gdje gorivo dolazi kamionima u obliku otpada,drvnih otpada i sl.Zatim se to gorivo kroz sustav za dostavu goriva(2) dovodi u prostor u kojem se nalazi rešetka(3).Ispod rešetke se dovodi zrak za izgaranje(8).Taj zrak se pomoću ventilatora dovodi ispod rešetke i tako pospješuje izgaranje.Ispod rešetke se također nalazi vlažni sakupljač troske(9).U njemu se nalazi voda koja služi da se troska,koja nastane kao otpad izgaranjem,hladi.Na rešetki se nalazi gorivo koje izgara u komori za izgaranje(4).Prilikom izgaranja oslobađaju se dimni plinovi.Dimni plinovi nastali izgaranjem prolaze kroz isparivač(5).Tamo se isparuje voda s druge strane cijevi.U njemu se voda isparava i odlazi u pregrijač vodene pare(6) a zatim odlazi u proces.Dimni plinovi odlaze u ekonomajzer(7).Pošto dimni plinovi dolaze vrući,a voda je hladna,u ovom dijelu dimne plinove hladimo,a vodu grijemo.Za okoliš je štetno da vrući plinovi odlaze u atmosfreu,pa na ovaj naćin i čuvamo okoliš i vršimo energetsku racionalizaciju postrojenja.Nakon toga dimni plinovi prolazi kroz ciklon(10).On odvaja krupne krute čestice iz dimnih plinova.Zatim dimni plinovi odlaze u prostor s filterima(11) gdje se izdvajaju sitne krute čestice filtriraju.To se radi zbog sprečavanja onečišćenja atmosfere.Nakon pročišćavanja ostatak izlazi kroz dimnjak(12) u okoliš.
 
Spremište goriva(1) gdje gorivo dolazi kamionima u obliku otpada,drvnih otpada i sl.Zatim se to gorivo kroz sustav za dostavu goriva(2) dovodi u prostor u kojem se nalazi rešetka(3).Ispod rešetke se dovodi zrak za izgaranje(8).Taj zrak se pomoću ventilatora dovodi ispod rešetke i tako pospješuje izgaranje.Ispod rešetke se također nalazi vlažni sakupljač troske(9).U njemu se nalazi voda koja služi da se troska,koja nastane kao otpad izgaranjem,hladi.Na rešetki se nalazi gorivo koje izgara u komori za izgaranje(4).Prilikom izgaranja oslobađaju se dimni plinovi.Dimni plinovi nastali izgaranjem prolaze kroz isparivač(5).Tamo se isparuje voda s druge strane cijevi.U njemu se voda isparava i odlazi u pregrijač vodene pare(6) a zatim odlazi u proces.Dimni plinovi odlaze u ekonomajzer(7).Pošto dimni plinovi dolaze vrući,a voda je hladna,u ovom dijelu dimne plinove hladimo,a vodu grijemo.Za okoliš je štetno da vrući plinovi odlaze u atmosfreu,pa na ovaj naćin i čuvamo okoliš i vršimo energetsku racionalizaciju postrojenja.Nakon toga dimni plinovi prolazi kroz ciklon(10).On odvaja krupne krute čestice iz dimnih plinova.Zatim dimni plinovi odlaze u prostor s filterima(11) gdje se izdvajaju sitne krute čestice filtriraju.To se radi zbog sprečavanja onečišćenja atmosfere.Nakon pročišćavanja ostatak izlazi kroz dimnjak(12) u okoliš.
  
=====Tehnologija izgaranja u fluidiziranom sloju=====
+
====Tehnologija izgaranja u fluidiziranom sloju====
  
 
Izgaranje u fluidiziranom sloju izgaranjem pretvara biomasu u vrući granulirani sloj na pijesku.
 
Izgaranje u fluidiziranom sloju izgaranjem pretvara biomasu u vrući granulirani sloj na pijesku.

Inačica od 13:16, 23. siječnja 2008.

Energetsketransformacije.jpg

Sadržaj

PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE

Crta.jpg


Crta.jpg

Termoelektrane


Crta.jpg


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 pak različitim procesima predaje nekom radnom mediju. Radni medij pak služi kao prijenosnik te energije do mjesta gdje će ona biti dalje transformirana i iskorištena. Samo postrojenje se sastoji od mnogo različitih dijelova koji tvore jednu kompleksnu cjelinu. Naravno treba izdvojiti neke najvažnije dijelove koji tvore zatvorene cjeline unutar jedne termoelektrane. Generator pare, turbina i generator, no o tim cjelinama će biti govora u daljnjem tekstu. Bez obzira što termoenergetska postrojenja mogu poslužiti u niz primjera (kao što je npr. promet) njihova glavna primjena i svrha je proizvodnja pare koja će pokretati turbinu, a zatim i generator električne energije.

Ter1.jpg

Slika 1.Moderna termoelektrana na ugljen

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. Naravno za grijanje se koristi para manjih toplinskih i temperaturnih parametara. Problem ovih postrojenja su gubici koji se javljaju i koji su neizbježni. Naš cilj je da te gubitke pokušamo smanjiti i samim time povećati iskoristivost samog procesa i cijelog postrojenja uopće.


Ter2.jpg

Slika 2.Presjek termoelektrane

Povijest

1629. imamo prvu ideju o korištenju vodene pare za pokretanje kola s lopaticama. Ideju je iznio Giovanni Branca u svojoj knjizi Le machine. Ideja takvog stroja bila je primitivna, sa parom koja je slobodno strujala prema kotaču s lopaticama. Sam stroj izgledao je kao vodeni mlin samo što je bio pokretan parom. Naravno revolucija je uslijedila kada je James Watt izumio parni stroj (1765.) koji je radio s pretlakom (Slika 3). U proces je bila uključena i kondenzacija. To su temelji i suvremenih termoenergetskih postrojenja Čemu možemo zahvaliti razvoj parnih postrojenja? Para kao medij je izuzetno zahvalna kod prijenosa energije. Parametri postrojenja su se mijenjali kroz povijest. Tlak, posebno temperatura rasli su kroz godine. 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. Tako smanjujemo i potrošnju goriva i podižemo iskoristivost. Tu se sad javljaju još i pregrijači i međupregrijači koji još više pridonose povećanju iskoristivosti. Nova revolucija nastaje razvojem takozvanih blok postrojenja (kotao i turbina su jedan zatvoreni upravljački krug).

Ter3.jpg

Slika 3.Parni stroj Jamesa Watta

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-tubinsko postrojenje:

Svako plinsko-turbinsko postrojenje (Slika 4) sastoji se od kompresora, komore za izgaranje i plinske turbine. Princip je uvijek isti. Kompresor služi za stlačivanje zraka kojeg usisava iz okoliša te ga komprimira do nekog zadanog tlaka. Komprimirani zrak dovodi se do komore izgaranja gdje se grije uslijed izgaranja goriva. Smjesa koja nastaje (zagrijani zrak i plinovi izgaranja) ekspandiraju u plinskoj turbini gdje stvaraju moment koji se iskorištava u proizvodnji električne energije i pri radu kompresora.

Ter4.jpg

Slika 4.Plinsko postrojenje


Kompresor:

Klasični kompresori služe kod plinsko-turbinskih postrojenja, mlaznim motorima i sl. Kompresori mogu biti radijalni ili aksijalni. Kod aksijalnih strujanje zraka vrši se u smjeru vratila, dok kod radijalnih kompresora imamo radijalno strujanje na rotorsko kolo. Radijalni kompresori lakši su i mnogo efikasniji nego aksijalni kompresori za manje kompresijske omjere. Kod većih postrojenja koriste se aksijalni kompresori (Slika 5) obzirom da su efikasniji (za veće kompresijske omjere). Isto tako u zrakoplovstvu se koriste aksijalni kompresori zbog viših kompresijskih omjera. Kompresor za rad koristi energiju nastalu zbog rada turbine obzirom da su turbina i kompresor najčešće na istom vratilu.

Ter5.jpg

Slika 5.Aksijalni kompresor


Komora izgaranja:

Komprimirani zrak s plinovima izgaranja tvori radni medij koji ekspandira kasnije u turbini. Komora izgaranja (Slika 6) se sastoji od dvaju cilindara. U prvom cilindru se odvija izgaranje prilikom čega se razvijaju visoke temperature. Tako se štiti vanjski cilindar od djelovanja zračenja topline. Cilindri su međusobno povezani te se između njih odvija prostrujavanje zraka. Za izgaranje se dovodi 3-6 puta više zraka od teoretski potrebnog zbog sniženja maksimalnih temperatura.

Ter6.jpg

Slika 6.Komora izgaranja


Komore izgaranja trebaju osigurati: stabilno izgaranje u širokim granicama opterećenja, jednoličnu raspodjelu temperatura dimnih plinova na izlazu iz komore izgaranja, da gubitak tlaka u komori izgaranja bude što manji.

U klasičnom plinsko-turbinskom postrojenju možemo imati više komora izgaranja koje se slažu uzdužno, po obodu. Takvo slaganje koristimo kao bismo smanjili dimenzije.


Plinska turbina:

Sam proces koji se dešava u plinskoj turbini (Slika 7) nije toliko različit od plinske turbine. Naravno različiti je medij koji ekspandira, postupak dobivanja radnog medija je također drugačiji, no sam proces koji se dešava u turbini je vrlo sličan. Razlika je ta što je pad entalpije u plinskoj turbini mnogo manji te porast volumena veći. Ukoliko želimo povećati stupanj iskoristivosti moramo povećati temperaturu medija koji ulazi u turbinu.

Ter7.jpg

Slika 7.Prikaz plinske turbine

Tu se javlja problem hlađenja, pogotovo samih lopatica. Da bismo ohladili lopatice koristimo komprimirani zrak iz kondenzatora. Naravno dovođenje zraka za hlađenje će smanjiti i snagu postrojenja. Današnji razvoj materijala nam je omogućio da i izborom materijal povećamo otpornost ka temperaturi. Za izradu lopatica se danas koriste visoko legirani materijali na bazi nikla koji uspješno podnose više temperature. Naravno bez obzira na ova dostignuća na području materijala moramo osigurati hlađenje lopatica.

Parno-turbinsko postrojenje:

Klasično parno-turbinsko postrojenje zasniva se na Rankinovom procesu(Slika 9), poznatom iz termodinamike. Temelj većine parno-turbinskih postrojenja (termoelektrana) jest postrojenja sa slike 8. Generator pare, turbina, generator električne energije, kondenzator, kondenzatorska pumpa, napojna pumpa i spremnik napojne vode.

Ter8.jpg

Slika 8.Shema parno-turbinskog postrojenja

Ter9.jpg

Slika 9.Proces prikazan Ts diagramom


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. Takvi generatori se nazivaju La Mont generatori pare.


Ter10.jpg

Slika 10.Generator pare s izgaranjem u prostoru


Posebni generatori pare iz ove skupine su protočni generatori pare s prisilnom cirkulacijom. Ovakvi generatori grade se za najveća postrojenja sa najvećim protocima i nadkritičkim tlakovima i temperaturama. Ovakvi generatori mogu proizvoditi oko 2500 t\h pare, temperature od oko 600 0C. Ovakav generator možemo zamisliti kao cijev u kojoj se voda zagrijeva. Isparava te ta vodena para pregrijava. Veliki nedostatak kod protočnih generatora pare je nemogućnost rada pri malim opterećenjima jer se javlja mogućnost pregaranja cijevi.

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.

Ter11.jpg

Slika 11.Prikaz pregrijanja pare u Ts diagramu

Ter12.jpg

Slika 12.Opterećenja s obzirom na vrstu prijelaza topline

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.

Ter13.jpg

Slika 13.Međupregrijanje u Ts diagramu


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. Zagrijači napojne vode: Ovdje se voda u pravilu zagrijava ispod temperature zasićenja jer u suprotnom nastaje vodena para što može izazvati oštećenja u obliku kavitacije. 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. Preko 70% svih zagrijača zraka su rotacioni (Ljungstrom) (Slika 14) zagrijači, sastavljani od limenih saća koje se griju dimnim plinovima a hlade zrakom.

Ter14.jpg

Slika 14.Ljunstrom zagrijač zraka


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. O kogeneracijama nešto kasnije.


Snaga bloka:

Snaga termoenergetskog bloka obično raste kao bismo smanjili specifične investicijske troškove (Eur\kW). Investicija ipak predstavlja važnu stavku u cijeni električne energije. Kroz zadnjih 40tak godina proizvodnja pare je ocrtavala veličinu i snagu postrojenja. 1960ih imali smo oko 500t\h te preko 2000t\h 1980tih. Ovakav razvoj omogućen je razvojem tehnologije i materijala. U SAD-u smo imali i probne generatore koji su mogli proizvoditi i 4500t\h pare, no pokazali su se relativno nestabilni pa su se parametri pare vratili na niže vrijednosti. Za više od 2500t\h pare specifični investicijski troškovi dolaze u zasićenje. Upravo zbog toga snage većine termoenergetskih blokova se kreću od oko 500 do 800 MW.


Parametri pare:

Specifična potrošnja energije u MJ\kWh opisuje ekonomičnost termoenergetskog bloka, što je zapravo recipročna vrijednost stupnja iskoristivost. Potrošnja energije bitno ovisi o parametrima pare: tlaku i temperaturi. Današnje temperature svježe pare kreću se oko 540 0C na tlakovima od oko 190 bara. Danas imamo i elektrane koje mogu raditi s nadkritičkim tlakovima od 250-260 bara i temperaturama od oko 600 0C

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 0C 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 15 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.

Ter15.jpg

Slika 15.Shema kombiniranog postrojenja

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.


Ter16.jpg

Slika 16.Prikaz rada u Ts diagramu


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.

Ter17.jpg

Slika 17.Prikaz iskoristivosti različitih vrsta postrojenja


Trebamo znati da smo u realnim postrojenjima ograničeni, po pitanju stupnja iskoristivosti, gornjim temperaturama. Kod parnih postrojenja to su temperature oko 600 0C pošto materijali koje danas poznajemo i koristimo ne mogu izdržati više temperature. Što se tiče donje granice ona je zadana temperaturom rashladnog spremnika. Kod plinske turbine temperature su od 1450 0C (izgaranje) do oko 600 0C , što je temperatura ispušnih plinova koji izlaze iz plinske turbine. Iskoristivosti ova dva procesa se kreću oko 45% i 40%, no njihovom kombinacijom postignuta je veća temperaturna razlika , a samim time i veća iskoristivost.(Slika 17)

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


Formula kombinirani.jpg

gdje je:

Ppl – električna snaga plinske turbine

Ppa – električna snaga parne turbine

Qpl – dovedena toplinska snaga u plinskom procesu

Qpa – 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 (Pps) 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:

Formula kombinirani2.jpg

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 Nox 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 proizvodnej 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.

Kogeneracija (combined heat and power ili CHP)

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 postrojenjase kreće od 35% do 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 takozvana kogeneracijska postrojenja. Kogeneracijska postrojenja najčešće služe kao toplane. Dakle dio topline se šalje vrelovodima u razna industrijska postrojenja ili kućanstvima kao centralno grijanje. Parametri pare koji se koriste za grijanja, naravno, nisu na razini onih koji su prisutni kod pare koja se koristi za pokretanje turbine. Temperatura se kreće od oko 80-200 0C dok su parametri pare na ulazu u turbinu na razini od oko 600 0C. Imamo četri osnovna tipa elektrana koje proizvode električnu energiju i toplinsku energiju:

  • postrojenje protutlačne turbine,
  • postrojenje kondenzacijske turbine s reguliranim oduzimanjem pare,
  • postrojenje plinske turbine s korištenjem otpadne topline dimnih plinova,


Ter18.jpg

Slika 18.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 6000C) 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

Stupanjiskoristivosti1.jpg

Stupanjiskoristivosti2.jpg proizlazi da je Stupanjiskoristivosti3.jpg

Stupanj ekonomske iskoristivosti:

Stupanjiskoristivosti4.jpg

Termoelektrane u Hrvatskoj:

Hrvatska elektroprivreda ima na raspolaganju devet termoelektrana + NEK. Termoelektrane su smještene u Zagrebu, Sisku, Rijeci, Konjščini, Plominu i Osijeku. Ukupna snaga iznosi 1589 MW. U ovaj broj nije uračunata snaga koju HEP dobiva od NEK-a (338 MW) te snaga četiri interventna diesel bloka (29 MW). Po informacijama iz HEP-a u 2004. iz termoelektrana proizvedeno je 4.069 GWh električne energije. To čini preko 30% električne energije potrošene u Hrvatskoj te godine. 2003. godine HEP je ponovno počeo preuzimati električnu energiju iz susjedne nam Bosne i Hercegovine (TE Tuzla i TE Kakanj) nakon što je isporuka struje iz tih elektrana obustavljena 1993. Još se očekuje rješenje spora oko termoelektrana koje je Hrvatska gradila u Srbiji. TE Obrenovac (Elektroprivreda Srbije) i TE Gacko (Elektroprivreda Republike Srpske).


Ter19.jpg

Slika 19.Prikaz raspoloživosti električne energije (HEP d.d.) u GWh





(Izvor HEP d.d.) [1]



1. TE Sisak - Čret bb, 44000 Sisak

Opći podaci:

  • položaj: Sisak, Čret, četiri kilometra nizvodno od Siska na desnoj obali Save
  • tip elektrane: termoelektrana koja koristi teško loživo ulje (mazut), prirodni plin i sirovu naftu
  • godina početka pogona: 1970. Blok A ( 210 MW ) 1976. Blok B ( 210 MW )
  • proizvodne jedinice: Blok A i Blok B služe za proizvodnju električne energije
  • snaga: maksimalna trajna snaga 420 MW (2x210)
  • energija : prosječna godišnja proizvodnja električne energije Esr = 1190 GWh ('74-'97) ,maksimalna godišnja proizvodnja električne energije ('74-'97) Emax = 2099 GWh ('77)
  • gorivo: teško loživo ulje (mazut) 40 MJ/kg, prirodni plin 36 MJ/m3,sirova nafta 43 MJ/kg
  • Kotlovi u prvom bloku mogu se ložiti mazutom ili prirodnim plinom.
  • Kotlovi u drugom bloku lože se mazutom i prirodnim plinom i njihovom kombinacijom, a za nuždu se može upotrijebiti sirova nafta.


2. TE Rijeka - Urinj bb, 51221 Kostrena

Opći podaci:

  • položaj: jugoistočno od Rijeke, na morskoj obali
  • tip elektrane: termoelektrana koja koristi teško loživo ulje (mazut)
  • godina početka pogona:1978. Blok A ( 320 MW )
  • proizvodne jedinice: Blok A služi za proizvodnju električne energije
  • snaga: maksimalna trajna snaga 320 MW
  • energija: prosječna godišnja proizvodnja električne energije Esr = 650 GWh ('78-'97), maksimalna godišnja proizvodnja električne energije ('74-'97) Emax = 1037 GWh ('93)
  • gorivo: teško loživo ulje (mazut) 9500 kcal/kg
  • Za dopremu loživog ulja izgrađen je poseban cjevovod iz INA rafinerije Urinj


3. TE Plomin I - Plomin bb, 52234 Plomin

Opći podaci:

  • položaj: Plomin
  • tip elektrane: termoelektrana koja koristi ugljen
  • godina početka pogona: 1970.
  • proizvodne jedinice: Blok A služi za proizvodnju električne energije
  • snaga: Maksimalna trajna snaga 105 MW
  • energija: prosječna godišnja proizvodnja električne energije Esr = 380 GWh ('74-'97), maksimalna godišnja proizvodnja električne energije ('74-'97) Emax = 560 GWh ('93)
  • gorivo: ugljen


4. TE PLOMIN d.o.o.

  • TE Plomin d.o.o. je tvrtka u zajedničkom vlasništvu osnivača Hrvatske elektroprivrede i RWE Power, osnovana u studenom 1996. godine. HEP i RWE Power imaju jednaki udjel u tvrtki - HEP temeljem ranije izgrađenog dijela postrojenja TE Plomin 2, a RWE Power temeljem uloženog kapitala i dobivenih kreditnih sredstava od njemačkih banaka.
  • Ta je tvrtka bila odgovorna za dovršetak TE Plomin 2, kao i za njen pogon u sljedećem razdoblju od 15 godina. Nakon isteka ugovorenog roka, Hrvatska elektroprivreda će preuzeti Elektranu i eksploatirati je još najmanje 15 godina, ili još daljnjih 10 godina nakon njene revitalizacije.
  • Izgradnja TE Plomin 2 započeta je 1986. godine, zastaje 1991., potom se pokušava dovršiti do 1992., ali ratne okolnosti zaustavljaju radove na gradilištu. Na međunarodnom natječaju, za dovršenje izgradnje je izabran Konzorcij AEE. Nakon utemeljenja tvrtke TE Plomin d.o.o., u rujnu 1997.godine otvoreno je gradiliše i radovi započinju. Premda je dovršetak izgradnje bio planiran krajem 1998. godine, zbog zakašnjelog financiranja kasnilo se godinu dana, odnosno prva sinkronizacija s mrežom obavljena je u rujnu 1999. godine.

Opći podaci:

  • položaj: Plomin
  • tip elektrane: termoelektrana koja koristi ugljen
  • godina početka pogona: 2000.
  • proizvodne jedinice: Blok A služi za proizvodnju električne energije
  • snaga: maksimalna trajna snaga 210MW
  • gorivo: ugljen
  • planirana godišnja proizvodnja: 1200GWh


5. KTE Jertovec - Jertovec bb, 49282 Konjščina

Opći podaci:

  • položaj: Konjščina, Jertovec
  • tip elektrane: kombinirana termoelektrana (plinske i parne turbine)
  • proizvodne jedinice: Kombi blok A, kombi blok B služe za proizvodnju električne energije
  • energija :prosječna godišnja proizvodnja električne energije Esr = 68 GWh ('74-'97), maksimalna godišnja proizvodnja električne energije ('74-'97) Emax = 208 GWh ('89)
  • gorivo: glavno gorivo u elektrani je plin. Kao alternativno gorivo koristi se ekstralako loživo ulje.
  • snaga: plinsko - parni energetski blokovi A, B


6. TE-TO Zagreb - Kuševačka bb, 10000 Zagreb

Opći podaci:

  • položaj: Zagreb, Žitnjak
  • tip elektrane: termoelektrana - toplana koja koristi loživo ulje i prirodni plin
  • godina početka pogona: 1962. Blok C, 1979. Blok A
  • Izgradnja novog Kombi kongregacijskog plinskoparnog postrojenja ukupne električne snage 190 MW i toplinske snage 150 MW dovršena je 2001. godine - 26. lipnja te godine su sva tri agregata bila priključena na mrežu. Nakon pretprobnog pogona i optimiranja rada, HEP je od korporacije Parsons Power Group koja je izgradila postrojenje načelom "ključ u ruke", postrojenje preuzeo 4. travnja 2003. godine, čime je započeo dvogodišnji jamstveni rok.
  • proizvodne jedinice: Blok A i Blok C služe za proizvodnju električne energije i za proizvodnju toplinske energije iz spojnog procesa
  • Blok D - Proizvodna jedinica koja služi za proizvodnju toplinske energije (tehnološke pare, Blok E, *Blok F, Blok G, Blok H - Proizvodne jedinice za proizvodnju vrele vode
  • Proizvodna jedinica za proizvodnju tehnološke pare Blok D - Toplinski učinak je 80 t/h.
  • Proizvodne jedinice za proizvodnju vrele vode Blok E, Blok F, Blok G, Blok H - ukupna toplinska snaga je 58 MW + 58 MW + 116 MW + 116 MW = 348 MW
  • energija:prosječna godišnja proizvodnja električne energije Esr = 357 GWh ('74-'97), maksimalna godišnja proizvodnja električne energije ('74-'97) Emax = 594 GWh ('80)
  • prosječna godišnja proizvodnja toplinske energije na pragu: tehnološke pare 984 GWh, vrele vode 1971 GWh



7. TE-TO Osijek - Cara Hadrijana 3, 31000 Osijek

Opći podaci:

  • položaj: Osijek
  • tip elektrane: termoelektrana toplana koja koristi prirodni plin i teško loživo ulje (mazut)
  • godina početka pogona: 1976. PTE Osijek Plinska termoelektrana 50 MW (2x25 MW,)1985. EL-TO Osijek 45 MWe/ 110 MWt
  • proizvodne jedinice: Blok A, blok B dva agregata, plinska elektrana po 25 MW (PTE Osijek) služe za proizvodnju električne energije i proizvodnju tehnološke pare (jedna od turbina)
  • Blok C (EL-TO Osijek) - parna turbina 45 MW - služi za proizvodnju električne energije
  • snaga: maksimalna trajna snaga 95 MW (PTE Osijek 2x25 MW + EL-TO Osijek 45 MW)
  • energija:Prosječna godišnja proizvodnja električne energije Esr = 131,9 GWh ('85-'97), Maksimalna godišnja proizvodnja električne energije ('85-'97) Emax = 280 GWh ('94)
  • gorivo:PTE Osijek - prirodni plin, EL-TO Osijek - teško loživo ulje (mazut) i prirodni plin



8. EL-TO Zagreb - Zagorska 1, 10000 Zagreb

Opći podaci:

  • položaj: Zagreb, Trešnjevka
  • tip elektrane: termoelektrana - toplana koja koristi loživo ulje i prirodni plin
  • godina početka pogona: 1907. proizvodnja električne energije (0,8 MW),1954. početak proizvodnje toplinske energije(33,4 MW električne snage, 14,7 MW toplinske), 1982. proizvodnja 42 MW električne snage, 478,2 MW toplinske snage, 1998. preseljenje PTE iz Splita i početak proizvodnje (dodatnih 2x25,6 MW)
  • proizvodne jedinice: Blok A, blok B služe za proizvodnju električne energije i za proizvodnju toplinske energije iz spojnog procesa
  • Blokovi C i D - Nisko tlačni parni kotao 80 t/h - Proizvodna jedinica koja služi za proizvodnju toplinske energije (tehnološke pare)
  • Blok E, Blok F, Blok G Proizvodne jedinice za proizvodnju vrele vode
  • EL - TO (Blok H1 i H2) služi za proizvodnju električne energije.
  • snaga :Proizvodne jedinice Blok A, Blok B, Blok H1, Blok H2, Proizvodne jedinice za proizvodnju tehnološke pare , niskotlačni parni kotlovi toplinskog učinka (1NK=55 t/h, 2NK=64/80 t/h). Proizvodne jedinice za proizvodnju vrele vode Blok E, Blok F, Blok G: Ukupna toplinska snaga 232 MW (Blok E = 58 MW, Blok F =58 MW, Blok G =116 MW)
  • energija :Prosječna godišnja proizvodnja električne energije Esr = 98 GWh ('74-'97), Maksimalna godišnja proizvodnja električne energije ('74-'97) Emax = 173 GWh ('89)
  • Prosječna godišnja proizvodnja toplinske energije na pragu: tehnološke pare 532 GWh ,vrele vode 635 GWh ,prosječna godišnja
  • potrošnja goriva : loživog ulja 50000 t, prirodnog plina 100 000 000 -110 000 000 Nm3

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, NOx, SO2, različiti ugljikovodici (CmHn). 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 NOx-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%.


Pogled unaprijed:

Zaštita okoliša je važna i sveprisutna tema u današnjem društvu. Čovjekov razvoj snažno utječe i na njegov životni prostor. Upravo zbog toga kad govorimo o termoelektrana moramo posebno obratiti pozornost i na ovaj dio koji se bavi zaštitom okoliša. Razvoj društva rezultira i porastom potražnje i potrošnje električne energije. To je ujedno i pokazatelj razvijenosti društva. Trenutna godišnja proizvodnja električne energije iznosi oko 13500 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. Bez obzira što u posljednje vrijeme imamo intenzivan razvoj obnovljivih izvora energije fosilna goriva će ipak dominirati u bližoj budućnosti. Očekuje se izgradnja od oko 80-100 GW termoenergetskih postrojenja godišnje, kad govorimo o svjetskoj proizvodnji električne energije.

Materijal sakupio: Tomislav Pukšec

Nuklearne elektrane

Crta.jpg


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).



Nukel2.jpg

Slika 20.Nuklearna elektrana u pogonu



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


Osnovni materijali po kojima se nuklearni reaktori razlikuju su:


Nuklearno gorivo

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

Moderator

  • obična voda
  • teška voda
  • grafit

Rashladni fluid

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


Tipovi nuklearnih elektrana, tj. reaktorski tipovi:


1. Reaktor hlađen i moderiran običnom vodom

Ovaj reaktor se izvodi u dvije varijante:


a) Voda u reaktoru ima tlak viši od tlaka zasićenja


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

PWR.jpg

Slika 21.Shematski prikaz PWR reaktora


b) Voda u reaktoru kipi (kipući reaktor)

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

BWR.JPG

Slika 22.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

HWR.jpg

Slika 23.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

GCR.JPG

Slika 24.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

Wylfa-power-station.jpg

Slika 25.NE Wylfa na sjeveru Walesa, UK, ima magnox reaktor, i jedna je od najstarijih NE u svijetu koje još uvijek rade


4. Reaktor moderiran grafitom i hlađen kipućom vodom

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


5. Reaktor moderiran grafitom i hlađen helijem

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


6. Brzi oplodni reaktor

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



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

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

  • Vjerojatnost da će atom urana-235 apsorbirati slobodan neutron je relativno velika. Ako reaktor radi u najpovoljnijem režimu (tj. u kritičnom stanju), oslobođeni neutron svake fisije će uzrokovati novu fisiju.
  • Proces apsorpcije neutrona i cijepanja jezgre je vrlo brz, reda veličine pikosekunde (10-12 sekundi).
  • Cijepanjem jedne jezgre U-235 oslobađa se zamjetno velika količina energije u obliku toplinske energije i gama zračenja. Energiju oslobođenu jednom fisijom dobivamo iz činjenice

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


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

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


Tipični parametri rashladne vode primarnog kruga jesu:


  • Tlak: 150 do 160 bar
  • Prosječna temperatura: 570 do 590 K
  • Promjena temperature u reaktoru i generatoru pare: 40 do 50 K
  • Protočni volumen pri rashladnom krugu: oko 6 m3/s


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


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

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

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

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


Izvedba pumpe mora zadovoljavati slijedeće uvjete:

  • Propuštanje rashladnog fluida reaktora treba svesti na najmanju moguću mjeru (jer rashladni fluid sadrži određeni stupanj radioaktivnosti). Rješenje je u brtvenju protutlakom.
  • Podmazivanje donjih ležajeva treba rješiti bez klasičnim maziva (kontaminacija rashladnog fluida). To se rješava tako da se donji ležaj pumpe, napravljen od grafita, podmazuje ubrizganom vodom.


Jezgru PWR reaktora čine:

1. Gorivi elementi
2. Regulacijske i zaustavne šipke
3. Moderator
4. Rashladni fluid
5. Konstrukcijski elementi, odnosno svi materijali i sklopovi za ostvarenje i samoodržavanje lančane reakcije, njezinu kontrolu i odvod generirane topline.



1. Gorivi elementi

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


a) Gorivne šipke

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


b) Kostur gorivnog elementa

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

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


2. Regulacijske i zaustavne šipke

Regulacijske i zaustavne šipke zajedno čine apsorbcijske šipke.

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


3. Moderator

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


Sigurnost

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


Tablica 1. Klasifikacija mogućih nezgoda u skladu s preporukama American Nuclear Society (ANS)*
Kategorija I Pogonski tranzijenti (u radnom vijeku elektrane njihova pojava očekuje se često tijekom redovitog pogona)
Kategorija II Nezgode srednje učestalosti (u najgorem slučaju rezultiraju obustavom rada reaktora no elektrana može po njihovom prestanku nastaviti s radom)
Kategorija II Nezgode male učestalosti (mogu rezultirati oštećenjem malog dijela goriva, i sl.)
Kategorija IV Granične nezgode (ne očekuje se da će se pojaviti u radnom vijeku NE, rezultiraju ispuštanjem značajnih količina radioaktivnog materijala u okoliš, uključuju nezgode gubitka hladioca, LOCA*, i lom cijevi generatora pare)

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


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

1. Veći lomovi cijevi sekundarnog sustava
2. Lom cijevi pojne pumpe
3. Zakočenje rotora pumpe reaktorskog hladioca
4. Lom osovine pumpe reaktorskog hladioca
5. Lom kučišta mehanizma kontrolnih štapova
6. Lom cijevi parogeneratora
7. Nezgoda gubitka hladioca (LOCA)
8. Nezgoda rukovanja gorivom u contaimentu i zgradi za pohranu istrošenog goriva


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


Distribuirana proizvodnja

Crta.jpg


Otočna proizvodnja

Crta.jpg


Crta.jpg

OBNOVLJIVI IZVORI

Crta.jpg


Hidroelektrane

Crta.jpg

UVOD

Hidroelektrane su energetska postrojenja u kojima se potencijalna energija vode pomoću turbine pretvara u mehaničku (kinetičku) energiju, koja se u električnom generatoru koristi za proizvodnju električne energije. 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 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, utjecaji na okoliš, potrebna je zaštita od potresa, a u zadnje vrijeme postoje i značajne terorističke prijetnje.


Utjecaji na okoliš dijele sa na:

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

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.

Danas je u svijetu iskorišteno oko 25 % raspoloživog vodnog potencijala, a neiskorištena većina nalazi se u nerazvijenim zemljama. Takavo 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 fosilnim i nuklearnom gorivu. 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 koriste za pokrivanje naglih povećanja potrošnje
  • 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 svim obnovljim 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. 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]


Stanje u svijetu i povijesni razvoj ukratko

Hidroelektrane proizvode oko 24% ukupne svjetske električne energije dobavljajući energiju za više od milijardu stanovnika. Ukupna instalirana snaga svih svjetskih hidroelektrana iznosi 670 000 MW, što je ekvivalentno s 3,6 milijuna toe. 1991. godine ukupna svjetska instalirana snaga hidroelektrana je iznosila 2210 TWh, a pretpostavlja se da će do 2010. taj broj iznositi 3800 TWh. Hidroelektrane su najbrojniji predstavnik energana obnovljivih izvora energije.

Mehaničku snagu koju daje voda koja pada znali su iskoristiti još i u davnoj Grčkoj i Rimu prije 2000 godina, gdje je ta snaga korištena za pokretanje vodenih mlinova za mljevenje žita ili kukuruza. U 18. stoljeću dolazi do renesanse hidroenergije i masovno se počinju graditi razni mlinovi, pumpni mehanizmi, dizalice, itd. Moderna hidroenergija svoj razvoj duguje britanskom građevinaru Johnu Smeatonu, koji je izradio prvi vodeni kotač iz lijevanog željeza.

Hidroenergija je imala značajan utjecaj na Industrijsku revoluciju kao glavni uzročnik razvoja i povećanja proizvodnje tekstilnih i sličnih industrija, iako je parni stroj već bio izumljen. Također je potakla razvitak europskih i američkih gradova u ranoj fazi industrijalizacije, i bila jedan od primarnih energenata za probijanja morskih kanala (Sueski kanal, Panamski kanal) kojima je sredinom 19. st. dovožen jeftini ugljen u industrijske zone.

Prva hidroelektrana izgrađena je 1880. godine u Northumberlandu, najsjevernijem engleskom gradu. Nakon masovne i gotovo ekskluzivne uporabe ugljena kao primarnog energenta, za preporod hidro energije je kriv razvoj električnog generatora, usavršavanje vodenih turbina, i porast potražnje za energijom na prijelazu u 20. stoljeće. Zemlje u kojima je danas hidroenergija glavni izvor za proizvodnju električne energije su Norveška sa udjelom od 99%, Zair sa 97% i Brazil sa 96% energije dobivene iz hidroelektrana od ukupno proizvedene energije. Najveća hidroelektrana na svijetu, Hidroelektrana Itaipu, nalazi se na rijeci Parana, na granici između Brazila i Paragvaja. Sagrađena je 1982. godine i ima najveći proizvodni kapacitet u svijetu od 12 600 MW.

http://powerlab.fsb.hr/osnoveenergetike/wiki/images/a/ad/Hidro.jpg

Slika 26. Voda šiklja iz izlaznog presjeka za vrijeme testa u hidroelektrani Hoover na granici Nevade i Arizone, USA.

Tehnologija gradnje hidroelektrana se nije mjenjala 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 su:

  • Brana

Većina hidroelektrana se opskrbljuje vodom iz akumulacijskih jezera. Brana prestavlja građevinu kojoj je zadaća osiguravati akumulaciju vode. Akumulacijska jezera su često urbanizacijski tako rješena 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

Voda udara i okreće lopatice turbine koja je osovinom vezana na generator. Najčešći tip turbina za hidroelektrane su Francisove turbine. Takve turbine teže do 172 tone i postižu brzinu vrtnje do 90 okretaja u minuti.

Slika 2.jpg

Slika 27.Osovina koja povezuje generator i transformator (Photo courtesy U.S. Bureau of Reclamation)

  • 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 djelovi svakog generatora su:

  • Osovina
  • Uzbudni namot
  • Rotor
  • Stator

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

Slika 3.jpg

Slika 28.Generatori električne energije u hidroelektrani

  • Transformator

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 prestavlja nul-vodič.

  • Izlazni presjek

Iskorištena voda se cjevovodima vraća u donji tok rijeke.

Gif.gif

Slika 29.Komponente hidroelektrane

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 energane 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 učikovitost 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 ova 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 drugojoj, 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 meteroloških uvjeta. Ova dva čimbenika su najbitniiji 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 rječnoj vodi
  • Sedimentacija i erozija
  • Poplave
  • Klimatske promjene
  • Potencijalno povećanje tektonske aktivnosti područja
  • Potencijalno izumiranje nekih biljnih ili životinjskih vrsta
  • Poremećenje migracija ribljih vrsta


Tipovi hidroelektrana

Tri su osnovna tipa: protočne, akumulacijske i reverzibilne.

  • 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. Vrlo su jednostavne za izvođenje, nema dizanja razine vodostaja, imaju vrlo mali utjecaj na okoliš, ali su i vrlo ovisne o trenutno raspoloživom vodenom toku.

Slika 5.jpg

Slika 30.HE "ĐALE" - protočna hidroelektrana, ukupna snaga 40.8MW


  • Akumulacijske hidroelektrane mogu biti pribranske i derivacijske. Pribranske hidroelektrane smještene su ispod same brane, dok su derivacijske smještene puno niže i spojene su cjevovodima s akumulacijom. Akumulacijske su najčešće hidroelektrane, dobra strana je mogućnost akumuklacije jeftinog izvora energije kad je ima u izobilju i planiranje potrošnje po potrebi. Nedostaci su otežan pogon ili potpuni zastoji ljeti zbog smanjenih vodenih tokova.

Slika 6.jpg

Slika 31. Akumulacijska hidroelektrana "Tri kanjona" u Kini, (potopljeno je 118 gradova i iseljeno oko 1.000.000 ljudi da bi se ostvario ovaj projekt)

  • Reverzibilne hidroelektrane

Kod klasičnih hidroelektrana voda iz akumulacijskog jezera protječe kroz postrojenje i nastavlja dalje svojim prirodnim tokom. Postoji i druga vrsta hidroelektrana, tkz. reverzibilne hidroelektrana (eng.: pumped-storage plant), koja ima dva "skladišta" vodene mase. To su:

  • Gornja akumulacija Istovjetan je akumulacijskom jezeru klasičnih hidroelektrana. Gradnjom brane osigurava se akumulacija vode, koja protiče kroz postrojenje i rezultira proizvodnjom električne energije.
  • Donja akumulacija Voda koja izlazi iz hidroelektrane ulijeva se u drugo, donje, akumulacijsko jezero, umjesto da se vraća u osnovni tok rijeke.

Reverzibilnim turbinama voda se iz donjeg akumulacijskog jezera pumpa natrag u gornje akumulacijsko jezero. Taj proces se dešava u satima u kojima nije vršno opterećenje, radi uštede energije i radi raspoloživosti potrojenja u vršnim satima. Principijelno, donja akumulacija služi za punjenje gornje akumulacije. Iako pumpanje vode zahtjeva utrošak energije, korisnost se očituje u tome što hidroelektrana raspolaže sa više vodenog potencijala za vrijeme vršnih opterećenja. Osnovna primjena je pokrivanje vršnih opterećenja. Energetski su neefikasne, ali su praktičnije od dodatne izgradnje termoelektrana za pokrivanje špice potrošnje. Jedina reverzibilna hidroelektrana u Hrvatskoj je RHE Velebit.

Slika 7.jpgSlika 8.jpg

Slika 32.RHE Velebit Slika 33.Presjek kroz tlačni cjevovod, strojarnicu i odvodni tunel RHE Velebit

Male hidroelektrane

Uvod

Velike količine vode u cjevodima 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 gravitacionom silom, postavljanje turbine i pripadnih električnih generatora su zahvati koji ne ugrožavaju dobavu pitke vode, a istovremeno proizvode električnu energiju.

Svjetski energetski trend posljednih 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.


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: kategorizacija malih hidroelektrana u nekim zemljama



Svjetski izvori Instalirana snaga hidroelektrana Instalirana snaga malih hidroelektrana
680 GW 47GW
Hidroenergetski potencijal Hidroenergetski potencijal za male hidroelektrane
3000 GW 180 GW
Tablica 3: Instalirana snaga i hidropotencijal na svjetskoj razini

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.).

  • u privatnom vlasništvu
  • u sklopu tvornice
  • vlasništvo Hrvatske elektroprivrede


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 Koprivnica* 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  
Tablica 4: Popis malih hidroelektrana u RH (izvor: "MAHE: program izgradnje malih hidroelektrana: prethodni rezultati i buduće aktivnosti", 1998.)


Glavni djelovi malih hidroelektrana su sljedeće strukture i uređaji:

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

Prikaz 1.jpg

Prikaz 1: Princip sustava male 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
  • postorojenje 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 tkz. 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 otjecaji 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 energana 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, tkz., tirolskog zahvata kanal ne smije sadržavati zaštitnu mrežu i voda sa svim tvarima koje nosi sa sobom u nepromjenjenom sadržaju struji kanalom. Ovakva filozofija gradnje i tehnologija u potpunosti isključuje ikakve štetne emisije u atmosferu.

Procjena je da male hidroelektrane, instalirane snage od cca 5 MW, godišnjom produkcijom energije zamjenjuju oko 1400 toe fosilnih goriva, a time i smanjnju emisliju 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.

Ipak, 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. Nadalje, 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 ekspolatirati ili prodavati, čime se minimiziraju pogonski troškovi postrojenja i dodatno proizvodi korisna energija uz ekonomske benificije.

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, što isključuje i potrebno djelovanje državnih organa usmjereno na banke da se otvore ka ulaganju, jer tržišni interes banaka izostaje zbog niskih kamata za ovakve investicije (u svakom slučaju nižih kamata nego za ostale tržišne aktivnosti).

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

Hidroelektrane u Republici Hrvatskoj

U Republici Hrvatskoj više od polovice električne energije proizvodi se u hidroelektranama. U pogonu je 25 hidroelektrana koje su podijeljene na 15 pogona, a koji su raspoređeni na tri teritorijalna područja (sjever, zapad, jug) i samostalni pogon HE Dubrovnik. Sve hidroelektrane u sklopu HEP-a posjeduju "Certifikat za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora".

Slika 12.jpg

Tabela.gif

Vjetroelektrane

Crta.jpg


Vjetar


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

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

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

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

Weibull.jpg

Slika 33. 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.

Parvis.jpg

Slika 34. 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

Vjturb.jpg

Slika 35. Osnovni dijelovi turbine okomitog vratila


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

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


(1) Rotor


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


  • tako da se regulaciju napadnog kuta tijekom rada vrši zakretanjem lopatice, na način da se profil namješta u optimalni položaj (eng. pitch). Ovakva regulacija je složena i rotori ovakve izvedbe su skuplji, ali nužno primjenjeni za lopatice duže od 25-30 m. Također postoji poseban motor za zakretanje, koji mijenjajući postavni kut lopatice mijenja napadni kut struje zraka. Na taj način se postiže smanjenje snage turbine za brzine vjetra manje od projektne, odnosno brzine vjetra iznad projektne (namještajući na optimalnu vrijednost na početku rada vjetroturbine).
  • tako da se regulacija snage vjetroturbine vrši korištenjem aerodinamičkog efekta poremećenog trokuta brzina (eng. stall). Dakle s promjenom brzine vjetra mijenja se na aeroprofilu napadni kut struje zraka, odnosno dolazi do poremećaja trokuta brzina te do porasta ili gubitaka uzgona (tako npr. ako brzina vjetra poraste iznad projektne vrijednosti, kut više nije optimalan). Za ovaj slučaj izvedbe rotora lopatice nemaju mogućnost zakretanja. Međutim, kako je vjetroturbina projektirana za neko područje brzina, u ovom slučaju izvedbe lopatice imaju unaprijed namješten kut za dotično područje brzina (što omogućuje najveću transformaciju energije vjetra u električnu energiju).


Lopatice


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


(2) Kočioni sustav


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


(3) Upravljački i nadzorni sustav


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


(4) Generator


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

Za pravilno i sigurno funkcioniranje vjetroturbinsko - generatorskog sustava, generator mora ispunjavati zahtjeve kao što su:

  • visok stupanj iskoristivosti u širokom krugu opterećenja i brzine okretanja
  • izdržljivost rotora na povećanim brojevima okretaja u slučaju otkazivanja svih zaštitnih sustava
  • izdržljivost, odnosno postojanost konstrukcija na visokim dinamičkim opterećenjima prilikom kratkih spojeva, te pri uključivanju i isključivanju generatora
  • uležištenje generatora na način da jamče dugotrajnost


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

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


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

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


(5) Zakretnik


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


(6) Kućište stroja


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


(7) Stup


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


Stupvj5.JPG

Slika 36. 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.

Vjcij.gif

Graf 1. Cijena električne energije iz vjetroelektrana po godinama


Vjetroenergetika u Hrvatskoj


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

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


Zastupljenost vjetroenergetike u svijetu


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

Vjkap.gif

Graf 2. Rast instaliranih vjetroenergetskih kapaciteta u svijetu


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

Vjpot.gif

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


Povijest vjetrenjača


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


Geotermalne elektrane

Crta.jpg

Da bi se getermalna 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.

Geoter.jpg

Slika 37. prikazuje 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

Crta.jpg

Svako termoenergetsko postrojenje sastoji se od 4 glavna dijela:kotla,turbine,kondenzatora i pumpe.Kod elektrana na biomasu i otpad specifično je da kao gorivo u kotao ulazi biomasa i otpad.U kotlu se događa proces izgaranja koji možemo podijeliti na izgaranje u fluidiziranom sloju i izgaranje na rešetci.

Postrojenja za izgaranje biomase i otpada mogu izgarati mnoga otpadna goriva.Tehnologija izgaranjem pretvara biomasu u toplinsku energiju, a iz nje se pomoću određenih strojeva pretvara u nekoliko oblika potrebne energije kao što su:električna energija,topli zrak,topla voda i para. Postoji nekoliko tehnologija za izgaranje,a neke su:razna ložišta(u kojima se ujedno najjednostavnije izgara), te posebno građeni parni kotlovi za izgaranje biomase.

Tehnologija izgaranja na rešetci

Izgaranje se događa u kotlu u kojemu je smještena rešetka u na kojoj se nalazi biomasa i otpad koji se sagorijeva. Izgaranje na rešetki je stari proces sličan izgaranju u fluidiziranom sloju uz razliku što fluidizirani sloj ima jednoličnije i bolje izgaranje. Za postrojenja male i srednje snage(tipično do 5 MW) izgaranje goriva iz krute biomase provodi se najčešće na rešetki,koja omogućava miješanje goriva i kontroliran dovod zraka.Izgaranje na rešetki je pouzdana i dokazana tehnologija ,a razne izvedbe omogućuju relativno visok stupanj kontrole i efikasnosti.Nedostatak izgaranja na rešetci očituje se kod goriva nejednolike kvalitete i s visokim udjelom vlage, kad postizanje ravnomjernog sagorijevanja predstavlja poseban problem.Ravnomjerno i potpuno sagorijevanje povećava efikasnost i smanjuje emisiju štetnih plinova.


Slika postrojenja.JPG Slika 38. Postrojenje

http://www.youtube.com/watch?v=GZ8PgGKUjqA

Postrojenje na slici je uobičajeno postrojenje koje se koristi izgaranjem na rešetci.Postrojenje se sastoji: Spremište goriva(1) gdje gorivo dolazi kamionima u obliku otpada,drvnih otpada i sl.Zatim se to gorivo kroz sustav za dostavu goriva(2) dovodi u prostor u kojem se nalazi rešetka(3).Ispod rešetke se dovodi zrak za izgaranje(8).Taj zrak se pomoću ventilatora dovodi ispod rešetke i tako pospješuje izgaranje.Ispod rešetke se također nalazi vlažni sakupljač troske(9).U njemu se nalazi voda koja služi da se troska,koja nastane kao otpad izgaranjem,hladi.Na rešetki se nalazi gorivo koje izgara u komori za izgaranje(4).Prilikom izgaranja oslobađaju se dimni plinovi.Dimni plinovi nastali izgaranjem prolaze kroz isparivač(5).Tamo se isparuje voda s druge strane cijevi.U njemu se voda isparava i odlazi u pregrijač vodene pare(6) a zatim odlazi u proces.Dimni plinovi odlaze u ekonomajzer(7).Pošto dimni plinovi dolaze vrući,a voda je hladna,u ovom dijelu dimne plinove hladimo,a vodu grijemo.Za okoliš je štetno da vrući plinovi odlaze u atmosfreu,pa na ovaj naćin i čuvamo okoliš i vršimo energetsku racionalizaciju postrojenja.Nakon toga dimni plinovi prolazi kroz ciklon(10).On odvaja krupne krute čestice iz dimnih plinova.Zatim dimni plinovi odlaze u prostor s filterima(11) gdje se izdvajaju sitne krute čestice filtriraju.To se radi zbog sprečavanja onečišćenja atmosfere.Nakon pročišćavanja ostatak izlazi kroz dimnjak(12) u okoliš.

Tehnologija izgaranja u fluidiziranom sloju

Izgaranje u fluidiziranom sloju izgaranjem pretvara biomasu u vrući granulirani sloj na pijesku. Ubrizgavanje zraka u taj sloj stvara turbulencije zraka koje pogoduju procesu izgaranja biomase.Naime,tako stvorene turbulencije dolaze u potpuni kontakt s gorivom pospješujući njegovo potpuno izgaranje.Na ovaj način se kontrolira razvijanje topline i omogućava da temperature procesa budu ispod 972 stupnja Celzijusa reducirajući emisiju dušičnog monoksida.Kotlovi u kojima se koristi fluidizirani sloj mogu koristiti goriva sa visokom koncentracijom pepela,niskokalorična goriva kao što su ostaci poljoprivredne proizvodnje,otpadci od sječe šuma.Ova tehnologija u odnosu na izgaranje na rešetci pruža znatno veću fleksibilnost u pogledu zahtjeva na kvalitetu i vlažnost goriva.Korištenjem ove tehnologija ,za goriva s visokim udjelom vlage i neujednačene kvalitete moguće je postizanje efikasnosti kotla i do 90% uz znatno smanjenje štetnih emisija.Osnovni nedostatak je visoka cijena ,pa se ovi sustavi koriste obično za postrojenja veća od 5MW.


Ventilatori.JPG Slika 39. Ventilatori koji se koriste u tehnologiji izgaranja u fluidiziranom sloju


Slika postrojenja.JPG

Slika 40. Postrojenje u kojem se upotrebljava fluidizirani sloj kao tehnika izgranja

PV

Crta.jpg



Solarne termalne elektrane

Crta.jpg


Slika 41. Koncentrirajuća solarna termalna elektrana

Solarne termalne elektrane su izvori električne struje dobivene pretvorbom Sunčeve energije u toplinsku (za razliku od fotovoltaika kod kojih se električna energija dobiva direktno). 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 snabdijevati veliki dio potrošača, barem dok ne uzmemo ekonomiju u obzir. Ipak, čak i na manjoj skali mogu postati vrlo bitan faktor (npr. na otocima).

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.

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 (za vrijeme smanjene insulacije - mjera energije solarne radijacije primljene ili predane od strane određene površine u određenom vremenu).

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

Slika 42. Parablolični kolektori

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 struje sintetičko ulje, rastopljena sol ili para pod tlakom koji se pod utjecajem Sunčevih zraka zagrijavaju. Te je kolektore moguće izvesti u vakumiranom staklu tako da se spriječe gubici topline kondukcijom i konvekcijom, a postižu efikasnost od 20%.

Solarni tornjevi

Ove elektrane imaju veliki broj zrcala postavljenih oko središnjeg mjesta gdje se nalazi toranj. Ovakvi sustavi postižu vrlo visoka temperature, što ih čini efikasnijim kako u proizvodnji tako i u skladištenju energije. Također im je prednost što ne zahtijevaju ravna područja (moguća je izgradnja na brdima), ali zato zrcala zahtijevaju upotrebu sustava rotacije oko dvije osi, što im podiže cijenu.

Slika 43. 11MW PS10 solarni toranj pokraj Seville u Španjolskoj

Solarni tanjuri

Slika 44. Solarni tanjuri

Zbog paraboličnog izgleda podsjećaju na satelitske tanjure, no dakako puno su veći. Zrake svjetlosti, odbijajući se od zrcala, padaju u jednu točku (kolektor) koji se nalazi iznad njih. Tu se razvijaju vrlo visoke temperature, a za dobivanje električne energije se koristi Stirlingov ili parni motor. 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.

Fresnel reflektori

Slika 45. 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%. Cijeli projekt je zasada još na bazi prototipa koji su izgrađeni u Belgiji (SolarMundo) i Australiji (CLFR).

====Solarne uzgonske elektrane==== (nisu koncentrirajuće)

Slika 46. Prikaz solarne uzgonske elektrane

Ne koriste zrcala, nego veliku ostakljenu površinu (samo odozgo), ispod koje se zagrijava zrak, u čijem je središtu toranj. Zbog nagiba te staklene površine, zrak ide prema tornju gdje se okreću turbine. Sam sustav zahtijeva izrazito velike dimenzije te faktor pretvorbe solarne energije u toplinsku nije naročito dobar, no to je kompenzirano niskim investicijskim troškovima. Prototip srednje veličine je bio izgrađen u Španjolskoj 1982. gdje su se skupljali podaci sljedećih 7 godina, sve do namjernog rušenja tornja zbog problema s vrtloženjima.

Skladištenje toplinske energije

Kao što je spomenuto, efikasnost ovih elektrana se povećava ugradnjom sustava za skladištenje energije, čime se dobiva i na pouzdanosti. 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. Također se danas koristi para pod visokim pritiskom (50 bara na 285°C), ali vrijeme pohrane je svega jedan sat. Elektrana u Cloncurryu Australiji će koristiti pročišćeni grafit, kada bude izgrađena.


Solarne elektrane u pogonu

  1. SEGS –9 solarnih elektrana, USA, Kalifornija (pustinja Mojave), kapacitet 354 MW, parabolični kolektori
  2. Nevada Solar One – USA, Nevada, kapacitet 64 MW, parabolični kolektori
  3. Lidell power station - Australia, 95 MW toplinske energije 35 MW električnog ekvivalenta količine pare na ulazu, Fresnel reflektori
  4. PS10 solar power tower – Španjolska, Sevilla, 11 MW, solarni toranj
Slika 47. Parabolični kolektori su ekonomski isplativiji od solarnih tanjura


Solarne elektrane u konstrukciji

  1. Andsol 1 – Španjolska, 50 MW sa skladištenjem topline, parabolični kolektori
  2. Andsol 2 - Španjolska, 50 MW sa skladištenjem topline, parabolični kolektori
  3. Solar Tres elektrana – Španjolska, 15 MW sa skladištenjem topline


Najavljene solarne elektrane

  1. Mojave Solar Park – USA, Kalifornija, 553 MW, parabolični kolektori
  2. Pisgah – USA, Kalifornija, 500 MW, solarni tanjuri
  3. Ivanpah Solar – USA, Kalifornija, 400 MW, solarni toranj
  4. Bez imena – USA, Florida, 300 MW, Fresnel reflektori
  5. Imperial Valley – USA, Kalifornija, 300 MW, solarni tanjuri
  6. Carrizo Energy Solar Farm – USA, Kalifornija, 177 MW, Fresnel reflektori
  7. Uppington . Južna Afrika, 100 MW, solarni toranj
  8. Yazd Plant – Iran, 67 MW količine pare na ulazu za hibridnu elektranu na plin, nepoznata tehnologija
  9. Barswtow – USA, Kalifornija, 59 MW sa skladištenjem topline, parabolični kolektori
  10. Victorville 2 Hybrid Power Project – 50 MW količine pare na ulazu za hibridnu elektranu na plin, parabolični kolektori
  11. Kuraymat Plant – Egipat, 40 MW količine pare na ulazu za elektranu na plin, parabolični kolektori
  12. Beni Mathar Plant – Maroko, 30 MW količine pare na ulazu elektranu na plin, nepoznata tehnologija
  13. Hassi R´mel – Alžir, 25 MW količine pare na ulazu za elektranu na plin, parabolični kolektori
  14. Cloncurry solar power station – Australija, 10 MW sa skladištenjem topline, solarni toranj


Crta.jpg

Elektrane na plimu i oseku

Crta.jpg



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.


Untitled.JPG Untitled9999.JPG

Slika 48. 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 49.) 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 49.) koja se također pojavljuje u dva puta u toku 29,5 dana, jedan ili dva dana nakon prve i druge mjesečeve četvrti.


Clip image002e.JPG Slika 49.


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


Untitled 0.JPG Slika 50. 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.



Clip image002ea.JPG Clip image002eb.JPG


Slika 51. 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.


Na slici 52. prikazan je način korištenja potencijalne energije plime i oseke za elektranu s ugrađenim turbinama za rad u oba smjera i mogućnošću crpljenja vodom. 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).


Clip image002ec.JPG Slika 52.

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.


800px-SeaGen marine current turbine HandW-1-.jpg

Sliak 53. 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. Dva su projekta financirana od European Commission's energy programme. Kvasalund i Devon.


KVASALUNDSKI KANAL

Brzina struje u kanalu iznosi 2,5 m/ ( 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.


Clip image002ebe.JPG

Slika 54. 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.


Image011.png 123.JPG

Slika 55. Slika prikazuje shemu i izvedbu turbine na struju plime i oseke

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.

Elektrane na valove

Crta.jpg


Uvod

Energija valova je obnovljiv izvor energije. To je energija uzrokovana najvećim djelom djelovanjem vjetra o površinu oceana. Za korištenje energije valova moramo odabrati lokaciju na kojoj su valovi dovoljno česti i dovoljne snage. Energija vala naglo opada s dubinom vala (Sl. 56.), pa u dubini od 50 m iznosi svega 2% od energije neposredno ispod površine. Snaga valova procjenjuje se na 2x109 kW, čemu odgovara snaga od 10 kW na 1m valjne linije. Ta snaga varira ovisno o zemljopisnom položaju, od 3 kW/m na Mediteranu, do 90 kW/m na Sjevernom Antlatiku. Energija valova je obnovljiv izvor, ona tijekom vremena varira (više i većih valova ima u zimskom periodu ) i ima slučajni karakter.


123 valovi.JPG Slika 56.


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.


World.JPG

Slika 57. Slika prikazuje prosječnu energiju 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.


Untitled val.JPG

Slika 58. Prikaz razdiobe snage morskih valova po dubini (h) ispod morske površine


Untitled postanak vala.JPG

Slika 59. 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.

1 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


Untitled turb.JPG Untitled turb 2.JPG Slika 60. Wellsova turbina

Untitled turb3.JPG Slika 61. Wellsova turbina 20 kW


Proto.JPG

Slika 62. prikazuje 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


Untitled pro.JPG Untitled pro2.JPG

Slika 63. Slike su vezane za pilot projek ART-OSPREY (fotografija A. Lewisa) 1995. prilikom polaganja uređaja došlo je o njegovog uništenja


Untitled pro3.JPG

Slika 64. Slika prikazuju OWC izgrađenu u Japanu ukomponiranu u lukobran, turbina je jednosmjerna sa sustavom ventila



1.1 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.


Untitled pro 4.JPG

Slika 65. Ljuljajući uređaj

2 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 .



2.1 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.



2.2 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.

Untitled arh.JPG Untitledarh2.JPG

Slika 66. Lijeva slika prikazuje shematski prikaz AWS , desna slika prikazuje prototip koji se isprobava u Portugalu

2.3 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.

Untitled snake.JPG Untitled snake3.JPG

Slika 67. Prikazi "zmije"

2.4 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.

Untitled b2b3.JPG

Slika 68. Shema konstrukcije McCabove pumpe

2.5 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.

Image048.png Image050.jpg

Slika 69. Prikazuje neka tehnička rješenja, desno gore konstrukcija obustavljenog Danskog projekta plutača


Image054.jpg Slika 70. slike iznad prikazuju plutače kompanije Ocean Power Tecnologies snage 20 kW

2.6 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.


Image056.jpg Image058.gif Kj5.JPG

Slika 71. Konstrukcije kojima je teoretski moguće iskoristiti energiju valova

Alternativne tehnologije

PROIZVODNJA TOPLINE

Crta.jpg

KOGENERACIJA

Crta.jpg

Kogeneracija (Combined Heat and Power ili CHP) je sekvencijalno korištenje primarne energije goriva za proizvodnju dvaju korisnih energetskih oblika: toplinske energije i mehaničkog rada (slika desno).
Slika 72.

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 do 85 posto (od 27 do 45 posto električne energije i od 40 do 50 posto toplinske energije), za razliku od konvencionalnih elektrana gdje je ukupna učinkovitost od 30 do 51 posto (električne energije). Prednosti kogeneracijskih sustava pred klasičnim sustavima s odvojenom opskrbom raznih oblika energije proizlaze prije svega iz visoke efikasnosti kogeneracijskih sustava. Pritom treba istaknuti da je ovakav stupanj iskoristivosti kogeneracijskog postrojenja svojstven režimu rada pri kojem se utroši sva toplinska energija proizvedena u sustavu. Direktna posljedica visoke efikasnosti kogeneracijskih postrojenja niske su vrijednosti emisija CO2 u atmosferu pri njihovom radu. Komercijalno dostupne CHP tehnologije su parne i plinske turbine, mikroturbine, motoris unutrašnjim sagorijevanjem, Stirlingov stroj i gorivne ćelije, u širokom rasponu snageod 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 domačinstva, bilo vrlo blizo 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, hlade nazivaju se i trigeneracijama, ili općenito poligeneracijama. Kogeneracija je termodinamički najpovoljniji u iskorištavanju goriva. U odvojenoj proizvodnji el. struje toplina koja se javlja kao nusprodukt mora boti 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:

  • Plinske turbine, CHP elek. koriste otpadnu toplinu iz plinova turbine
  • CHP elektrane s kombiniranim ciklusom
  • Parne turbine CHP elek. koriste otpadnu toplinsku energiju iz pare nakon što napusti turbinu.
  • gorive ćelije s rastaljenim karboratima

Manje kogeneracijske jedinice obično koriste Stirling-ov motor. Neke kogeneracijske elektrane koriste i biomasu za pogon. Također postoje i bojleri koji služe samo za grijanje tople vade za centralno grijanje.

MikroCHP

Mikrokogeneracija je također naziv 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.

===Tipična kogeneracijska elektrana===
Slika 73.

Avedore

Mjesto: Denmark

Operator: Energi E2

Specifikacije: 1 X 250 MW, 1 X 570 MW

Operativnost: 1990-2002

Gorivo: natural gas, coal, biomass, oil

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.

Kogeneracije na biomasu

KOGENERACIJSKO POSTROJENJE

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.

Kogeneracijsko postrojenje.jpg
Slika 74.

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.

Clip image003.JPG
Slika75.

KGH

Crta.jpg

Grijanje

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 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 skupaljao 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.

Klim1.jpg Slika 76. 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 iscurenja 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 ljevokretni 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 ljevokretnih 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 i apsorpcijski rashladni uređaji.

Kompresijski sustavi

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

Kompresor Kompresira radnu tvar od tlaka isparavanja do tlaka kondenzacije s ciljem da joj se temperatura podigne iznad temperature okoline. Time se povećava temperatura i tlak radne tvari. Kada temperatura naraste na potreban iznos omogućena je izmjena topline s okolinom. Kompresori se dijele na hermetičke, poluhermetičke i otvorene.

Kondenzator

Vruće pare radne tvari iz kompresora se prvo hlade, kondenziraju, te pothlađuju prije napuštanja kondenzatora. Prema načinu hlađenja kondenzatori se djele na vodom hlađene, zrakom hlađene, i kombinirano, vodom i zrakom hlađene kondenzatore.

Prigušni ventil

Dozira i 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. Najčešće je to termoekspanzijski ventil (TEV) ili ventil s plovkom na niskotlačnoj strani (VPNT).

Isparivač

Dok radna tvar isparava, ona apsorbira toplinu i hladi tvari i/ili prostor kojeg želimo rashladiti. U isparivaču se radna tvar nalazi u međusobno gusto postavljenim cjevčicama, da bi se dobila što veća površina za izmjenu topline. Prema načinu rada isparivači se djele na potopljene i suhe.

Klim2.jpg Slika 77. Shema kompresijskog rashladnog sustava

A – unutrašnjost rashladnog uređaja, B – kompresor, C – prigušni ventil

Apsorbcijski sustavi

Apsorpcijski rashladni proces se od kompresijskog samo po tome što je mehanički kompresor zamjenjen termičkim kompresorom (ili “toplinskim kompresorom”). To znači da kao kompenzacijska energije više ne služi mehanički rad (kojeg je 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 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).

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 izvaredno kemijski stabilne, prestavljaju 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 = Qc + Qgub

gdje je:

Q0 – rashladni kapacitet u kW

P – dovedena energija u kW

Qc – toplinski kapacitet u kW

Qgub – 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.

Qc = 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 = mc *cc * (tcu – tci)

Q0 = mc * (hcu – hci)

Q0 = Ac * kc * tlc

Q0 = f (tc, t0, Vm)

P = f (tc, to, Vm)

Qc = Q0 + α * P

Qc = mw * cw * (twi – twu)

Qc = Aw * kw * Tlw

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
  • tl – logaritamska temperatura u K
  • h – entalpija u kJ/kg
  • m – maseni protok u kg/s
  • tc – temperatura smrzavanja u °C
  • t0 – temperatura isparavanja u °C
  • Vm – protok kompresora u m3/h


Položaj radnih temperatura tc 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.

Klim6.jpg Slika 78.

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:

Faktor1.jpg

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:

Faktor2.jpg

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:

Faktor3.jpg

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:

Faktor4.jpg - rashladni uređaj

Faktor5.jpg- toplinska pumpa

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

Faktor6.jpg

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).

Klim12.jpg Slika 79. Split sustav

Osnovna podjela klimatizacijskih sustava prema namjeni:

Komforna klimatizacija

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.

Industrijska klimatizacija

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 idustrijskom prostoru. Prema vrsti klimatizacijskog sustava osnovna podjela je sljedeća i vrijedi i za sustave komforne klimatizacije i za sustave industrijske klimatizacije:

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 stjenki. 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.

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 mođusobna veza, i projektant u dogovoru s invetitorom određuje koje je najpogodnije rješenje za projektiranje određenog klimatizacijskog sustava.

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

1. 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.

2. sustavi djelomične klimatizacije

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

3. sustavi klimatizacije

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

a 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

Solarna energija

Geotermalna energija

Riječ geotermalno ima porijeklo u dvjema grčkim riječima geo (zemlja) i therme (toplina) i znači toplina zemlje, pa se prema tome toplinska energija Zemlje naziva još i geotermalna energija. Toplina u unutrašnjosti Zemlje rezultat je formiranja planeta iz prašine i plinova prije više od četiri milijarde godina, a radioaktivno raspadanje elemenata u stijenama kontinuirano regenerira tu toplinu, pa je prema tome geotermalna energija obnovljivi izvor energije. Osnovni medij koji prenosi toplinu iz unutrašnjosti na površinu je voda ili para, a ta komponenta obnavlja se tako da se voda od kiša probija duboko po raspuklinama i tamo se onda zagrijava i cirkulira natrag prema površini, gdje se pojavljuje u obliku gejzira i vrućih izvora.

Slika 80. Zemlja ima nekoliko slojeva. Osnovni slojevi su vanjska kruta kora (Crust), tekući omotač – plašt (Mantle), vanjska tekuća jezgra (Outer Core) i unutrašnja kruta jezgra (Inner Core).
Vanjska

kruta kora Zemlje duboka je od pet do 50 kilometara i sastavljana je od stijena. Tvari iz unutarnjeg sloja neprestano izlaze na površinu kroz vulkanske otvore i pukotine na dnu oceana. spod kore nalazi se omotač i on se proteže do dubine od 2900 kilometara, a sačinjen je od spojeva bogatih željezom i magnezijem. Ispod svega toga nalaze se dva sloja jezgre – tekući sloj i kruti sloj u samoj jezgri planeta. Polumjer Zemlje je otprilike 6378 kilometara, i nitko zapravo ne zna što se točno nalazi u unutrašnjosti, sve navedeno su zapravo znanstvene pretpostavke izgleda unutrašnjosti planeta. Te pretpostavke temelje se na eksperimentima u uvjetima visokog tlaka i velikih temperatura.

Spuštanjem kroz vanjski sloj Zemlje, tj. koru temperatura raste otprilike 17 °C do 30 °C po kilometru dubine (50 – 87 °F po milji dubine). Ispod kore nalazi se omotač koji je sastavljen od djelomično rastopljenih stijena i temperatura tog omotača je između 650 i 1250 °C (1200 – 2280 °F). U samoj jezgri Zemlje temperature bi po nekim procjenama mogle biti između 4000 i 7000 °C (7200 – 12600 °F). Budući da toplina uvijek prelazi sa toplijih dijelova na hladnije, toplina iz unutrašnjosti Zemlje prenosi se prema površini i taj prijenos topline glavni je pokretač tektonskih ploča. Na mjestima gdje se spajaju tektonske ploče može doći do propuštanja magme u gornje slojeve i ta magma se tada hladi i stvara novi sloj zemljine kore. Kad magma dođe do površine može stvoriti vulkane, ali većinom ostaje ispod površine te tvori ogromne bazene i tu se počinje hladiti, a taj proces traje od 5000 godina do milijun godina. Područja ispod kojih se nalaze ovakvi bazeni magme imaju visok temperaturni gradijent, tj. temperatura raste vrlo brzo povećanjem dubine i takva područja izuzetno su pogodna za iskorištavanje geotermalne energije.

Potencijal geotermalne energije je ogroman, ima je 50000 puta više od sve energije koja se može dobiti iz nafte i plina širom svijeta. Geotermalni resursi nalaze se u širokom spektru dubina, od plitkih površinskih do više kilometara dubokih rezervoara vruće vode i pare koja se može dovesti na površinu i iskoristiti. U prirodi se geotermalna energija najčešće pojavljuje u formi vulkana, izvora vruće vode i gejzira. U nekim zemljama se geotermalna energija koristi već tisućljećima u obliku toplica odnosno rekreacijsko-ljekovitog kupanja. No razvoj znanosti nije se ograničio samo na područje ljekovitog iskorištavanja geotermalne energije već je iskorištavanje geotermalne energije usmjerio i prema procesu dobivanja električne energije te grijanju kućanstava i industrijskih postrojenja. Grijanje zgrada i iskorištavanje geotermalne energije u procesu dobivanja struje, glavni su ali ne i jedini načini iskorištavanja te energije. Geotermalna energija također se može iskoristiti i u druge svrhe kao što su primjerice u proizvodnji papira, pasterizaciji mlijeka, plivačkim bazenima, u procesu sušenja drveta i vune, planskom stočarstvu, te za mnoge druge svrhe.

Glavni nedostatak prilikom iskorištavanja geotermalne energije je da nema puno mjesta na svijetu koja su izuzetno pogodna za eksploataciju. Najpogodnija su područja na rubovima tektonskih ploča, tj. područja velike vulkanske i tektonske aktivnosti. Sljedeća slika prikazuje tektonsku kartu svijeta i područja pogodna za iskorištavanje geotermalne energije.

Slika 81. Zemlja je podijeljena na tektonske ploče koje se cijelo vrijeme kreću i sudaraju i time stvaraju mjesta pogodna za iskorištavanje geotermalne energije. Najpogodnija područja za iskorištavanje te energije nalaze se na takozvanom Vatrenom prstenu (Ring of Fire).

Proizvodnja električne energije 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.

Slika 82. prikazuje 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
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.

Trenutno se koriste tri osnovna tipa geotermalnih elektrana:

  • (1)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.
  • (2) 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.
  • (3) 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.

Akumulatori energije

TRIGENERACIJA

Crta.jpg

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.

Jednostavna shema trigeneracije.JPG
Slika 83. Jednostavna shema trigeneracije

GORIVE ĆELIJE I VODIK

Crta.jpg

Dobivanje vodika reformiranjem

Dobivanje vodika elektrolizom

Akumulacija vodika

Gorive ćelije

Crta.jpg


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 Rightarrow.gif 2H+ + 2e
  • Katodna reakcija: O2 + 4H+ + 4e Rightarrow.gif 2H2O
Osnovnashema.gif
Slika 84. 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

Crta.jpg


Prema načinu rada gorive ćelije možemo podijeliti na:


  • primarne
  • sekundarne


Primarne gorive ćelije


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

Primarnacelija.gif
Slika 85. 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.

Primarnacelija2.gif
Slika 86. Primarna ćelija


Sekundarne gorive ćelije


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

Sekundarnacelija.gif
Slika 87. Sekundarna ćelija


Prema vrsti elektrolita

Crta.jpg


  • 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.

Alkalnacelija.gif
Slika 88. 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.

Kiselacelija.gif
Slika 89. 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 Rightarrow.gif 2H+ + 2e
  • Katodna reakcija: O2 + 4H+ + 4e Rightarrow.gif 2H2O
Pemfc.gif
Slika 90. 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-- Rightarrow.gif H2O + CO2 + 2e-
CO + CO3-- Rightarrow.gif 2CO2 + 2e-
  • Katodna reakcija: O2 + 2CO2 + 4e-Rightarrow.gif 2CO3--
Mcfc.gif
Slika 91. 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%.

Sofc.gif
Slika 92. 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

Crta.jpg


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.


Diagram polygeneration.gif

Slika 93. 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.



Untitled2.JPG

Slika 94. Shematski prikaz poligeneracije

RAFINIRANJE NAFTE

Crta.jpg


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.



Untitled raf.JPG

Slika 95. Što sve čini barel nafte (barel=158.987 l)



Oil-refining-diagram.gif

Slika 96. 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.


RefineryFlow.png

Slika 97. Shema toka rafiniranja

PODJELA RAFINERIJA PREMA TIPOVIMA

Najčešće podjele rafinerija su prema S. Baarnu i G. Heinrichu


Baarn djeli rafinerije u četri skupine:

A) NAJJEDNOSTAVNIJ 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



PROCESI KOJI SE ODVIJAJU U RAFINERIJI

Destilacija

Destilacija je prvi korak u postupaku prerade nafte. Svrha procesa je izlučivanje, (separacija) ugljikovodika iz sirove nafte u frakcije nafte koje se baziraju na njihovoj točki vrelišta. Separacija se odvija u velikim tornjevima pod djelovanjem atmosferskog pritiska, ti tornjevi sadrže velik broj plitkih posuda gdje se ugljikovodični plinovi i tekućine mješaju i poslije toga tekućina iscuri iz tornja a plinovi ostaju. Lakše tvari poput butana i nafte se uklanjaju u gornjem dijelu tornja, a teže tvari kao ostaci tekućina se ispuštaju iz donjeg dijela tornja.

Alkilacija

Sekundarni proces prerade nafte kojim se dobiva najkvalitetnij benzin. Proces se zasniva na katalitičkoj reakciji izobutana s laganima olefinima ( propanom, butanom ) Alkilat je najkvalitetnija komponenta koja se koristi za proizvodnju benzina

Hidrodesulfurizacija

Najzastupljeniji proces u preradi nafte. Hidrodesulfuriziacijom se povećava kemijska stabilnost kreking benzina. Vodik zs ovaj proces dobiva se s postrojenja katalitičkog reforminga. Faktori koji utječu na kvalitetu procesa: temperatura, tlak, udio vodika, prostorna brzina

Izomerizacija

Proces se koristi ukoliko je potrebno povećati oktanski broj benzina. Osim za spomenutu namjenu koristi se i za pripremu izobutanakao sirovine za proces alkilacije. Postupak se zasniva na promjeni strukture molekula ugljika, a da pri tome molekularna masa ostaje konstantna.

Katalitički reforming

Ukoliko se želi povećati oktanski broj grupi benzina dobivenih procesom atmosferske destilacije koristi se katalitički reforming. No prije toga potrebno je ukloniti sumporne spojeve i metale, iz postojeće grupe, jer su štetni, postupkom hidrodesulfurizacijom. Tlak, tempertaura, udio vodika su utjecajni parametri.

Proces Blending

Koristi se u postupcima rafinacije: petroleja, benzina i dizelskog goriva, na način da se različite frakcije nafte kombiniraju u svrhu dobivanja finalnih navedenih proizvoda. Ovaj proces se još i naziva slađenje jer se korozivni merkaptanski sumpor prevodi u nekorozivne disulfide. Proces zahtjeva znanje o svim komponentama koji su uključeni u postupku koji su razvijeni računalnim modelima i simulacijama.


Oil-refining-borger-refinery.jpg 140131-43931.jpg

Slika 98. Destilacijski tornjevi u rafineriji

POVIJEST

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.

No pravo značenje dobiva tek u 19. st. kad je 1859.god. Amerikanac E. L. Drake u Pennsylvanji izbušio prvu bušotinu, što se uzima kao početak industrijske proizvodnje. 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. Tek naglim razvitkom automobilske industrije i sve većom potražnjom za naftom, počinju se razvijati tehnologije dobivanja goriva iz nafte, odnoso tehnologije rafiniranja


Povijest.jpg

Slika 99. Nafta kao povod rata

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


Gas-price-breakdown-3.jpg Slika 100. Što sve utječe na cijenu goriva

Untitled32.GIF Slika 101. 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.


Oil20Refinery20CA.jpg

Slika 102. Rafinerija u pogonu