Ήπιες Μορφές Ενέργειας E306

Transcript

1 Ήπιες Μορφές Ενέργειας E306 Διδάσκοντες: Καθηγητής Μ. Σανταμούρης Επ. Καθηγήτρια Μ. Ασημακοπούλου Βιβλία: Αιολική και άλλες ανανεώσιμες μορφές ενέργειας (Λιώκη-Λειβαδά, Ασημακοπούλου) ΣΥΜΜΕΤΡΙΑ Συμβατικές και Ηπιες μορφές ενέργειας (Μπαλαράς, Αργυρίου, Καραγιάννης) ΤΕΚΔΟΤΙΚΗ

2 Ενεργειακή κατανάλωση: Χτες και σήμερα 1970: η δεκαετία της πετρελαϊκής κρίσης Μείωση των αποθεμάτων πετρελαίου και γαιανθράκων Αύξηση ζήτησης Εξάρτηση για εισαγωγή καυσίμων Αύξηση της ρύπανσης Ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηπίου Ήπιες πηγές ενέργειας

3 Παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας

4 Εγχώριοι ενεργειακοί πόροι Κατανομή χρήσης ενεργειακών πόρων

5 Κατανάλωση ενέργειας ανά τομέα και ενεργειακή μορφή

6 Ήπια πηγή ενέργειας: κάθε μορφή ενέργειας που δεν ρυπαίνει το περιβάλλον Ανανεώσιμη πηγή ενέργειας: κάθε πηγή ενέργειας που θεωρητικά είναι ανεξάντλητη Η αιολική ενέργεια είναι η ενέργεια του ανέμου που προέρχεται από τη μετακίνηση αερίων μαζών της ατμόσφαιρας αποτέλεσμα της μετατροπής του 2% της ηλιακής ενέργειας Το συνολικό εκμεταλλεύσιμο αιολικό δυναμικό της Ελλάδας μπορεί να καλύψει ένα μεγάλο μέρος των ηλεκτρικών αναγκών της Αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας -> οικονομικά συμφέρουσα - > αξιόλογο αιολικό δυναμικό

7 Γενική ατμοσφαιρική κυκλοφορία Ηλιακή ακτινοβολία (ελάττωση από τον ισημερινό προς τους πόλους) Περιστροφή Γης (αδράνεια) Εναλλαγή ξηράς/θάλασσας (ανομοιόμορφη ψύξη του πλανήτη) Γενική ή πλανητική ατμοσφαιρική κυκλοφορία (υψηλές/χαμηλές πιέσεις) οριζόντια μεταφορά Οφείλεται σε συνοπτικούς λόγους (διαφορές πιέσεων και θερμοκρασιών) ή Γενικότερα χαρακτηριστικά που αποκτούν οι αέριες μάζες όταν περάσουν μέσα από περιοχές με διαφορετικά χαρακτηριστικά

8 Άνεμος Ηλιακή ακτινοβολία (ελάττωση από τον ισημερινό προς τους πόλους) Περιστροφή Γης Ανομοιομορφία γήινου ανάγλυφου (εναλλαγή ξηράς/θάλασσας) Δημιουργία συνεχούς κίνησης του αέρα προς όλες τις κατευθύνσεις Η οριζόντια συνιστώσα της κινήσεως του αέρα καλείται άνεμος Οι δυνάμεις που ρυθμίζουν την κίνηση του αέρα: Δύναμη βαροβαθμίδας Δύναμη coriolis (οριζόντια εκτρεπτική δύναμη) Δύναμη τριβής

9 Χαρακτηριστικές παράμετροι του ανέμου Ταχύτητα του ανέμου Διεύθυνση του ανέμου Επικρατούσα στην περιοχή ανατάραξη Στροβιλισμός του ανέμου Μεταβλητότητα του ανέμου Μεταβολή με το ύψος πάνω από την επιφάνεια του εδάφους της ταχύτητας του ανέμου (κατατομή)

10 Ταχύτητα Ταχύτητα του ανέμου Στιγμιαία ταχύτητα του ανέμου ( t) ( t) Μέση ταχύτητα του ανέμου 50 1 T t 0 T t 0 ( t) dt Ταχύτητα Ανέμου Τ = 10 min T -10 Χρόνος

11 (m/sec) Μέγιστη ταχύτητα του ανέμου (αντοχή συστήματος αιολικής μηχανής) Γεωγραφική θέση περιοχής Χαρακτηριστικά ανάγλυφου Στατιστική επεξεργασία χρονοσειράς >20 χρόνια -> στατιστικός νόμος ακραίων τιμών 2-3 χρόνια -> στατιστικός νόμος υπερβάσεων Ριπές του ανέμου Ξαφνική μικρής διάρκειας αύξηση της ταχύτητας του ανέμου ( ριπής > 9.3 m/s και Δ = 4.6 m/s) Καθορίζει την κόπωση της πτερωτής της ανεμογεννήτριας Αν οι ριπές διαρκέσουν περισσότερο από 30 sec θα πρέπει να υπάρχει πρόβλεψη η αιολική μηχανή να τεθεί εκτός λειτουργίας Ριπές Ανέμου Ριπή sec

12 Διεύθυνση ανέμου Ορισμός: το σημείο του ορίζοντα από το οποίο φυσάει ο άνεμος σε σχέση με τη θέση από την οποία μετράμε Ταλαντεύεται γύρω από μια θέση (< διακυμάνσεις από ότι η ταχύτητα) Αρκετός χρόνος για σημαντική αλλαγή διεύθυνσης Ροδογράμματα: συχνότητες εμφάνισης των διαφόρων διευθύνσεων του ανέμου Επικρατούσα διεύθυνση ανέμου: αυτή που εμφανίζει στο σημείο μέτρησης τη μεγαλύτερη συχνότητα Μια για κάθε δείγμα Συνήθως αλλάζει με την εποχή

13

14 Κύρια διεύθυνση ανέμου: κάθε διεύθυνση που συνεισφέρει τουλάχιστον 10% στη συνολική διαθέσιμη αιολική ενέργεια Προσανατολισμός λόφων, βουνών, κοιλάδων και άλλων χαρακτηριστικών εδάφους (κτίρια, βλάστηση κλπ.) Μια ή περισσότερες κύριες διευθύνσεις Προσήνεμη περιοχή: ο χώρος μεταξύ του σημείου που τοποθετείται μια αιολική μηχανή και του σημείου του ορίζοντα από το οποίο πνέει ο άνεμος Υπήνεμη περιοχή: προστατευμένη από τον άνεμο

15 Ορισμός επικρατουσών διευθύνσεων του ανέμου Ταξινόμηση εδάφους Επίπεδο έδαφος Σύνθετο έδαφος Ομοιόμορφη τραχύτητα Προσδιορισμός Ανομοιόμορφη τραχύτητα τοπογραφικών χαρακτηριστικών Καταγραφή εμποδίων Ορισμός τραχύτητας Ορισμός τραχύτητας και αλλαγών τραχύτητας

16 Ανατάραξη αέρα Διακύμανση της ταχύτητας του αέρα (γύρω από τη μέση τιμή) t T ( t) ( t) T 0 t 0 dt, T 10min Ένταση της ανατάραξης: f(χαρακτηριστικά εδάφους) Εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του εδάφους 2 I Τυπική απόκλιση

17 Επιφανειακή τραχύτητα Επιφανειακή τραχύτητα: σύνολο όμοιων χαρακτηριστικών τραχύτητας Το μήκος τραχύτητας μπορεί να αλλάζει με τις εποχές (εποχές, συγκομιδή,...) Χαρακτηρίζεται από την τραχύτητα του εδάφους z 0 η οποία απεικονίζει το μέσο ύψος ανωμαλιών του εδάφους Επιφανειακή τραχύτητα: το μέσο ύψος των χαρακτηριστικών τραχύτητας, χωρίς να ληφθούν υπόψη το σχήμα των στοιχείων τραχύτητας αλλά και άλλες ιδιότητές τους Μήκος τραχύτητας (logh0.88) z 0 10 ( m) h: μέσο ύψος στοιχείων τραχύτητας

18 Ανατάραξη του αέρα Όταν τα επιφανειακά χαρακτηριστικά είναι πολύ μικρά ή ευλύγιστα στον άνεμο -> z 0 f () I 1 z ln z 0 για z m I 0.14 ln ln z z z για z m Το μήκος τραχύτητας και η ένταση ανατάραξης είναι βασικά μεγέθη για την εγκατάσταση αιολικής μηχανής

19 Τάξεις τραχύτητας: Ανοιχτές περιοχές χωρίς σημαντικά εμπόδια (τάξη τραχύτητας 1) Καλλιεργημένη περιοχή με ορισμένα εμπόδια σε απόσταση >1000μ μεταξύ τους (τάξη τραχύτητας 2) Συνδυασμός δάσους και καλλιεργημένης περιοχής με πολλά εμπόδια στα περίχωρα της πόλης (τάξη τραχύτητας 3) Κατηγορία Τραχύτητας Τύπος εδάφους Ζο(m) 0 Πηλώδες έδαφος, Πάγος * Ήρεμη θάλασσα 2* * Αμμώδες έδαφος Χιονοκαλυμμένο επίπεδο έδαφος 4.9* Χέρσο έδαφος Χλοερό έδαφος Επίπεδο ακαλλιέργητο έδαφος Χαμηλή βλάστηση, Στέπα Υψηλά χόρτα Σιτοβολώνες Καλλιέργειες Θαμνώδες έδαφος Δάση με χαμηλά δένδρα Δάση με υψηλά δένδρα Προαστιακές περιοχές Πόλεις 1-4

20 Μεγάλοι αργής περιστροφής Στροβιλισμός αέρα Οφείλεται στην ύπαρξη διαφόρων φυσικών χαρακτηριστικών της επιφάνειας του εδάφους σε επιφάνειες κάθετες στο έδαφος (τοίχοι, κτίρια κλπ): οργανωμένοι στρόβιλοι Στενοί στρόβιλοι, μεγάλη ταχύτητα Αποτέλεσμα: ανατάραξη, επηρεάζουν την παρεχόμενη ισχύ αλλά και την εγκατάσταση μια αιολικής μηχανής

21

22 Μεταβλητότητα του ανέμου Μεταβλητότητα της μέσης ετήσιας ταχύτητας του ανέμου Κλίμα - Εκτίμηση αιολικού δυναμικού περιοχής: μεγάλη χρονοσειρά δεδομένων ->μέση τιμή + μεταβλητότητα Περιοδικές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου Εποχική μεταβολή Αποτέλεσμα της μετατόπισης των χαμηλών και υψηλών πιέσεων Σταθερές παρατηρούμενες εποχικές μεταβολές ανά περιοχή Μεγαλύτερες ταχύτητες ανέμου (χειμώνας) Ημερήσια μεταβολή Μέγιστο: μεσημβρινές και πρώτες απογευματινές ώρες (μέγιστο κατακόρυφης κυκλοφορίας) Διαφορά ειδικής θερμότητας επιφανειών Αιφνίδιες μεταβολές στη διεύθυνση και την ταχύτητα του ανέμου Διέλευση ψυχρού μετώπου

23 Τοπικοί μηχανισμοί Θαλάσσια αύρα Μεγαλύτερη ένταση: απογευματινές ώρες θαλάσσιας αύρας > απόγειας αύρας Αναβάτες και καταβάτες άνεμοι Ασθενής συνοπτικός άνεμος ισχυρή θέρμανση ψύξη Καλοκαιρινοί μήνες Αύρα κοιλάδας Αύρα βουνών

24 z Κατατομή (profile) του ανέμου Κοντά στο έδαφος (λόγω τριβής) τείνει στο 0 Αυξάνει καθ ύψος Σταθεροποίηση σε ύψος (χωρίς την επίδραση του εδάφους) Λογαριθμικό προφίλ Η κατατομή μπορεί να διαταραχθεί από διατμητικό άνεμο (καταιγίδα, τυφώνας, πολύ ευσταθές νυκτερινό οριακό στρώμα) R z H

25 Στατιστική μελέτη του ανέμου Εκτίμηση του διαθέσιμου αιολικού δυναμικού περιοχής Ετήσια καμπύλη διάρκειας των διαφόρων ταχυτήτων του ανέμου Ετήσια καμπύλη συχνότητας (διάρκεια ημερών που η μέση βρίσκεται σε ορισμένο πεδίο τιμών) Καμπύλες διαστημάτων νηνεμίας Ταχύτητα ανέμου Συχνότητα Καμπύλη Διάρκειας Καμπύλη Συχνότητας Διάρκεια (ημέρες) Ταχύτητα ανέμου

26 Προσδιορισμός περιόδου εκτός λειτουργίας ΑΜ Μέσος αριθμός περιόδων με ταχύτητα ανέμου <u 5 m/s 2 m/s 3 m/s Εύρος (ημέρες)

27 Θεωρητική προσέγγιση στην κατανομή συχνοτήτων των ταχυτήτων του ανέμου Απαιτήσεις Ωριαίες τιμές ταχυτήτων ανέμου Μετατροπή από κλίμακα Beaufort Κατανομή συχνοτήτων p() των ταχυτήτων του ανέμου Μέση τιμή της ταχύτητας του ανέμου (πρώτη ροπή) 3 1 N 3 (τρίτη ροπή) / Ν:πλήθος μετρήσεων της ταχύτητας N 1 του ανέμου Ειδικός παράγοντας ενέργειας 3 Πιθανότητα p( i ) μέσα σε ορισμένα διαστήματα ταχυτήτων i Κατανομή συχνοτήτων των ταχυτήτων -> θεωρητική κατανομή Weibull Οι παράμετροι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιπτώσεις γραμμικών παρεμβολών για την εκτίμηση κατανομής συχνοτήτων των ταχυτήτων ανέμου

28 Στηρίζεται στον υπολογισμό 2 παραμέτρων (k: παράμετρος μορφής, c: βαθμωτή παράμετρος) -> ακρίβεια για μεταβολή 100m από το έδαφος Ισοδύναμη αθροιστική πυκνότητα πιθανότητας: Διαδοχικές λογαριθμήσεις : Ορίζοντας: Κατανομή Weibull k c k e c c k p 1 ) ( k x x c x e d p p 1 ) ( ) ( 0 x x k c k p ln ln ln 1 ln ln y x p 1 ln ln ln( x ) x x k c k ln

29 Με την ευθεία παλινδρόμηση: a bx b k και a k ln c c e a b Η αναγωγή των τιμών της παραμέτρου c σε διάφορα ύψη μπορεί να γίνει με βάση το μοντέλο κατανομής του ανέμου το οποίο χρησιμοποιούμε για την συγκεκριμένη περιοχή της μελέτης. Η μεταβολή της παραμέτρου k καθ ύψος υπολογίζεται από νομόγραμμα το οποίο δίνει την μεταβολή της καθ ύψος

30 Κατανομή Weibull Κατανομή της πυκνότητας πιθανότητας Συνολική επιφάνεια=1 Ο μέσος της κατανομής=6.6m/sec (ίσα εμβαδά) Τον μισό χρόνο η ταχύτητα του ανέμου έχει τιμή μικρότερη από 6.6m/sec και τον άλλο μισό μεγαλύτερη από 6.6m/sec Μέση τιμή ανέμου: 7m/sec Η συχνότερη τιμή: 5.5m/sec Η μορφή της κατανομής διαφέρει από τόπο σε τόπο και εξαρτάται από τις τοπικές κλιματολογικές συνθήκες, το ανάγλυφο του εδάφους,...

31 Αιολικό δυναμικό

32 Επίδραση του εδάφους στη ροή του αέρα Επίπεδες περιοχές Επικρατούσες διευθύνσεις του ανέμου Έλεγχος κάλυψης προϋποθέσεων των αποστάσεων από το σημείο εγκατάστασης της αιολικής μηχανής Μήκος τραχύτητας z 0 Ταξινόμηση επίπεδης περιοχής Ομοιογενής περιοχή Περιοχή που παρατηρείται αλλαγή στην τραχύτητα εδάφους Περιοχή που παρεμβάλλονται εμπόδια

33 Επίπεδη ομοιογενής περιοχή Ομοιόμορφη τραχύτητα εδάφους σε όλη την επιφάνεια Ομοιογενής περιοχή διαφορές ύψους θέσης εγκατάστασης της ΑΜ και του πεδίου σε ακτίνα 12km < 60m Σε ακτίνα 4km στα προσήνεμα και 0.8 km στα υπήνεμα θέσης εγκατάστασης της ΑΜ h l h: ύψος λόφου στα προσήνεμα ( z H R) 3h R

34 Επίπεδη μη ομοιογενής περιοχή περιοχή που δεν χαρακτηρίζεται από το ίδιο μήκος τραχύτητας περιοχές με μία αλλαγή τραχύτητας αν η αλλαγή > 10% : επηρεάζεται η κατατομή του ανέμου δημιουργία 3 κατώτερων οριακών στρωμάτων (1: επίπεδη περιοχή με z 0,2, 2: μεταβατικό, 3: περιοχή με z 0,1 ο χώρος (οριζόντια) που μπορεί να φτάσει το υπόστρωμα 2 L * 2 10 z0, i1 z 0,1 z 0, Εμπειρικός υπολογισμός ύψους/πάχους στρώματος 2 0, ( x) 0, ln x z0,2 z0,1 z

35 περιοχές με περισσότερες αλλαγές τραχύτητας ορισμός ύψους κατώτερων οριακών στρωμάτων αριθμός υποστρωμάτων (4km) 3 απόσταση αλλαγών τραχυτητών ταχύτητα ανάπτυξης υποστρωμάτων ύψος πτερωτής της ΑΜ η πτερωτή της ΑΜ επηρεάζεται από 1 ή 2 τραχύτητες αν η απόσταση εγκατάστασης της ΑΜ από το τελευταίο σημείο αλλαγής τραχύτητας είναι μεγαλύτερη του μήκους L * x L * 0, i(max) 0, i(max) ο χώρος που μπορεί να φτάσει το υπόστρωμα i

36 Απε Απεικόνιση των υψών των εσωτερικών οριακών στρωμάτων που δημιουργούνται λόγω αλλαγής τραχύτητας στην περιοχή μιας ΑΜ 0, ( x) 0, ln x z0,2 z0,1 z

37 βέλτιστη θέση εγκατάστασης ΑΜ η μεγαλύτερη προσλαμβανόμενη ενέργεια επιτυγχάνεται πάνω στην επιφάνεια με την μικρότερη τραχύτητα να ληφθεί υπόψη το ύψος του άξονα περιστροφής της ΑΜ (z H ) σε σχέση με το ποσό της προσλαμβανόμενης ενέργειας σε ύψος m από το έδαφος και η ακτίνα R της πτερωτής z H -R πάνω από το έδαφος > 3h c (h c μέσο ύψος τραχύτητας) -> ικανοποιητική προσλαμβανόμενη αιολική ενέργεια R

38 η ΑΜ επηρεάζεται από μια τραχύτητα αν δ 0,i >z H +R x 0,i L * 0,i η ΑΜ επηρεάζεται από δυο τραχύτητες αν δ 0,i(max-1) -δ 0,i(max) >0.33δ 0,i(max) δ 0,i(max) <z H +R δ 0,i(max) >z H -R Εναλλακτικά, ορισμός αριθμού θέσεων εγκατάστασης ΑΜ λαμβάνοντας υπόψη άλλους παράγοντες R

39 Μη επίπεδες περιοχές Η ροή του αέρα επηρεάζεται με τον ίδιο τρόπο αλλά ισχυρότερα μέχρι ένα ύψος Μη επίπεδες περιοχές: διαφορετική επίδραση στη ροή του αέρα Εξάρσεις (λόφοι, οροσειρές, σχηματισμοί με απότομες πλαγιές) Κοιλότητες (κοιλάδες, λεκανοπέδια κλπ) Επιλογή θέσης εγκατάστασης ΑΜ Τοπογραφικά χαρακτηριστικά Εμπόδια Τραχύτητα εδάφους

40 Εξάρσεις (ταχύτητα ανέμου αυξάνει με το υψόμετρο + μεγαλύτερη εμμονή) Ημερήσια και ετήσια πορεία θερμοκρασίας αέρα Αύρες βουνών Κοιλότητες Έκθεση στον επικρατούντα άνεμο Παρουσία τοπικών ανέμων -> ισχυρότερη ημερήσια και εποχική διακύμανση αιολικής ισχύος

41 Μεταβολή του ανέμου με το ύψος Αιολικό δυναμικό: μερικές εκατοντάδες μέτρα πάνω από την επιφάνεια του εδάφους (κατώτερα τμήματα ΑΟΣ) Ορισμός: το κατώτερο μέρος της τροπόσφαιρας (κοντά στην επιφάνεια του εδάφους - 50m με 2km) που επηρεάζεται από τα χαρακτηριστικά του εδάφους (θερμικά + μηχανικά) Τραχύτητα εδάφους Υπάρχοντα εμπόδια τοπογραφία

42 Κατατομή (profile) του ΑΟΣ Το ΑΟΣ χωρίζεται σε 3 περιοχές: Επιφανειακό στρώμα (cm λίγα m ) Μικρές κατακόρυφες μεταφορές Ομαλή ροή Στρώμα Prandtl (m δεκάδες m) Έντονες μεταβολές των μετεωρολογικών παραμέτρων Στρώμα ΕΚΜΑΝ (δεκάδες m 2 km) Σταθερή ικανότητα ανάδευσης και κατακόρυφης μεταφοράς Ομαλή μεταβολή ανέμου

43 Ριπές + στροβιλοειδείς κινήσεις 10min Η μορφή εξαρτάται από το τοπικό περιβάλλον και την ευστάθεια της ατμόσφαιρας Μεταβολή ταχύτητας ανέμου με το ύψος στη θέση και ύψος εγκατάστασης ΑΜ Λόγω τριβής

44 Γενικό μοντέλο κατατομής ανέμου Ταχύτητα τριβής = ( z) u Σταθερά von Karman 0.4 Μήκος τραχύτητας * 0 k zz z 0 0 z z Παράμετρος ευστάθειας Μonin-Obukhov f(g, T, H F, c p ) L dz τ: διατμητική τάση g= επιτάχυνση βαρύτητας Τ= απόλυτη θερμοκρασία Η f = κατακόρυφη ροή θερμότητας C p = ειδική θερμότητα σε σταθερή πίεση Επειδή η H f είναι δύσκολο να μετρηθεί αντικαθιστούμε την παράμετρο L με συνάρτηση αυτής L (σχετίζεται με τον αριθμό Ri (τυπική παράμετρο ευστάθειας) Παραδοχές ισχύος: 1. Η δύναμη Coriolis πάνω από το στρώμα της ατμόσφαιρας F=2*m*ω*u*ημφ <<< F ιξώδους 2. Η βαροβαθμίδα πάνω από μια περιοχή με z=σταθ. είναι αμελητέα

45 Ατμοσφαιρική ευστάθεια: η τάση αέριας μάζας να μετακινηθεί κατακόρυφα μέσα στην ατμόσφαιρα, να επιστρέψει ή όχι στην αρχική θέση που ξεκίνησε Τυπική παράμετρος ευστάθειας Κατακόρυφη θερμοβαθμίδα Ri Ri < 0 (ασταθείς συνθήκες) dt dz g c p Ri = 0 (ουδέτερες ατμοσφαιρικές συνθήκες) dt dz g c p Ri > 0 (ευσταθείς συνθήκες) dt dz g c p

46 Ανάλογα με την ευστάθεια της ατμόσφαιρας η Λοιπές συνιστώσες γίνεται ) ( ln ) ( 0 0 * Ri f z z z k u z x ) ( ln ) ( 0 0 * L z f z z z k u z x 0 ) ( 0 ) ( ) ( 0 0 * 0 z z dz z L z k u z z y z z z x

47 Ri < 0 (ασταθείς συνθήκες) Τ ελαττώνεται με το ύψος γρηγορότερα από την αδιαβατική θερμοβαθμίδα x ( z) u k ln z z z 1 xˆ 1 xˆ 2ln ln tan 2 * γρήγορη σταθεροποίηση (σε μικρά h) της u για οποιοδήποτε z 0 xˆ 2 xˆ f ( Ri) Ri = 0 (ουδέτερες ατμοσφαιρικές συνθήκες) Όσο μικρότερο το z 0 τόσο μικρότερο το h σταθεροποίησης της u * ln k z z z Ri > 0 (ευσταθείς συνθήκες) Τ ελαττώνεται με το ύψος αργότερα από την αδιαβατική θερμοβαθμίδα Όσο μικρότερο το z 0 τόσο μικρότερο το h σταθεροποίησης της αλλά για το ίδιο z 0 η σταθεροποίηση σε μεγαλύτερο h 0 3z0 z 1000z 0 x ( z) 0 u * z z0 x ( z) ln 4. 5 k z0 z L z L Ri 1 4.5Ri

48 Εκθετικός νόμος κατατομής ανέμου u 1 u 2 z z 1 2 n f ( z 0, Ri) n Εφαρμόζεται 1.Σε στατικά δεδομένα 2. Αν Ζ 1 -Ζ 2 >30m (ακριβείς υπολογισμοί) Για z 2 =10 οι τιμές του n μπορούν να ληφθούν απευθείας Κατηγορία τραχύτητα ς Είδος εδάφους z 0 (m) n 0 Εξομαλυμένο (θάλασσα, χιόνι, άμμος) Μέτρια τραχύτητα (χαμηλή βλάστηση και καλλιέργειες, αγροτικές περιοχές) Τραχύ έδαφος (δάση, προάστια πόλεων) Πολύ τραχύ έδαφος (αστικές περιοχές, ψηλά κτίρια)

49 Για z 2 10m Σε ουδέτερες συνθήκες (U 6m/s) 2 z n 0.04ln z ln 0 z 1, z 2 από το επίπεδο μηδενικού ανέμου (Εμπειρική σχέση) n ln 1 z z 1 0 z 2

50 Κατατομή του ανέμου σε ομοιογενείς επίπεδες περιοχές Ομοιογενής περιοχή ομοιόμορφη κατανομή στοιχείων τραχύτητας με πυκνότητα 10-20% του συνόλου z 0 =0.15h (μέσο ύψος τραχύτητας) Επίδραση z 0 μέχρι ύψους δ=0.08x ( ) 2.5 ln z u z u ισχύει για ύψη >>z * * =3h z Αν η πυκνότητα στοιχείων τραχύτητας >25% 0 Απόσταση από το σημείο μέτρησης μέχρι το σημείο που αλλάζει η τραχύτητα u( z) ( zd ) 2.5u * ln, d z 0 0.7h Ύψος μετατόπισης

51 Κατατομή του ανέμου σε ομοιογενείς επίπεδες περιοχές Αεροδρόμιο (ομοιογενείς επίπεδη περιοχή) - μετρήσεις ανέμου σε ύψος 10m z 0 =0.07 u( 10) 2.5u * 10 ln Για u z) u(10) ln ln ( z) * z ( u 0 u *10 u 1 a * u 10 *10 ln

52 Κατατομή του ανέμου σε ομοιογενείς επίπεδες περιοχές Κατηγορία εδάφους u( z) u(10) a ln z 0 z z α Τοποθέτηση ανεμογράφων στα 10m δεν απαιτεί μέτρηση της ταχύτητας τριβής για την εκτίμηση ταχύτητας ανέμου σε κάποιο ύψος Αστικός θόλος

53 Κατατομή του ανέμου σε μη ομοιογενές πεδίο 1. Ανομοιόμορφη κατανομή εδαφικών χαρακτηριστικών 2. Μέγεθος εδαφικών χαρακτηριστικών ~ μέγεθος αιολικής μηχανής 2hB R 0.75 Εδαφικά εμπόδια: αν z \ για να αγνοηθούν θα πρέπει 2 ( z) az ln (10) 01 z z 02 H z R 6 H h B Ύψος εμποδίου 6 h B Τραχύτητα εδάφους, μοναχικά τεχνητά εμπόδια -> ελάττωση Φυσικά εμπόδια -> ελάττωση ή αύξηση 20 h B

54 Ποσοστό μεταβολής καθ ύψος της ταχύτητας του ανέμου

55 Κατατομή παρουσία εμποδίου Μορφή λόφου ( z) ( z) a 1 C ln L z 0 H L ln z L Πεδίο ροής ανέμου πάνω από ημιτονοειδή λόφο a ( z) ( z) 1 a1 x h m Διαχωρισμός ροής d/h α1 m Θόλος διαχωρισμού της ροής γύρω από κτίριο

56 Υπολογισμός διαθέσιμης αιολικής ισχύος από στιγμιαίες ταχύτητες ανέμου E U 0.5AS 0.5( At ) 2 0.5m 0.5 Πυκνότητα αέρα E E P t 0.5At 3 0.5A p kgr / m const. Επιφάνεια σάρωσης D A 4 2 R P1 0.5A( 1 ) 0.5A(11) Ταχύτητα του ανέμου P 0.5A( ) 0.5A(10) 2 2

57 Συμπεράσματα Η ισχύς του ανέμου στα μέσα γεωγραφικά πλάτη δεν επηρεάζεται σημαντικά από την πυκνότητα του αέρα (μόνο για >1000m) Η ισχύς είναι ανάλογη της επιφάνειας που διαπερνά ο άνεμος (Α σάρωσης ) Η ισχύς είναι συνάρτηση του κύβου της ταχύτητας του ανέμου

58 Υπολογισμός διαθέσιμης αιολικής ισχύος από μέσες ταχύτητες ανέμου A dt dt dt dt T A P T T T T T T T T dt T A dt t T A A P ) ( Εξ ορισμού 0 και με δεδομένο ότι I max min max ) ( ) ( i i i i i T T f I A d f I A P I A P 0 Κατανομή συχνοτήτων των δεδομένων ταχύτητας για ορισμένο διάστημα Συμμετρία στατιστικής κατανομής στιγμιαίων ταχυτήτων ανέμου

59 Υπολογισμός της ετήσιας διαθέσιμης αιολικής ενέργειας T E E E 4.38A (24365)0.5A 1 3I max I f ( ) ( kwh/ ) i min i 2 i max i min f ( i ) 3 i Για Α=1m 2 και ρ αέρα =σταθ.=1.225kgr/m 3 E E max I f ( ) ( kwh/ m ) i min i i

60 Εκμεταλλεύσιμη αιολική ισχύς Υπολογισμός ορίου του Betz Συντελεστής ισχύος: μέγιστο ποσοστό κινητικής ενέργειας που μπορεί να δεσμεύσει μια ΑΜ Παραδοχή: ιδανική πτερωτή Χωρίς μηχανισμό Απεριόριστος αριθμός πτερυγίων χωρίς αντίσταση στον αέρα Θεώρηση: Ομοιόμορφες συνθήκες σε όλη την περιοχή σάρωσης Ταχύτητα παντού αξονική 1 =μηχανική ενέργεια + 2 -> 1 > 2 Ο αέρας είναι ασυμπίεστος Οι συνθήκες πίεσης στα προσήνεμα και στα υπήνεμα παραμένουν ίδιες 2 Νόμος Bernoulli p p p 0.5. i i Α 1 <Α 2 Στατική πίεση Δυναμική πίεση

61 Εκμεταλλεύσιμη αιολική ισχύς Υπολογισμός ορίου του Betz Νόμος Bernoulli p p Πίσω από την ιδανική πτερωτή i 2 p 0.5. i p p Εμπρός από την ιδανική πτερωτή 2 p 0.52 p 0. 5 Αφαίρεση κατά μέλη 2 p p P - P +

62 Εκμεταλλεύσιμη αιολική ισχύς Υπολογισμός ορίου του Betz Θεώρημα Euler (δύναμη που ασκεί ο άνεμος στην πτερωτή) F A ( ) 1 2 Ώθηση από τις 2 πλευρές της πτερωτής A Στη μονάδα του χρόνου F=Ω Εφόσον < 1 -> = 1 (1-α), 0<α<1 1 (1-α)= => 1-1 α= => 1-1 α = => 1 α = => α=0.5( 1-2 )/ 1 p p Αν όλη η κινητική ενέργεια είχε μετατραπεί σε μηχανική τότε 2 =0 => α=0.5 0<α<0.5 P - P +

63 Απορροφούμενη Ισχύς Ρ Εκμεταλλεύσιμη αιολική ισχύς Υπολογισμός ορίου του Betz P F A (1 a) 2 a 2A a(1 a) 1 A ( ) A a 1 όριο του Betz C p(max) Για μέγιστη Ισχύ (Ρ=max) α=1 ή α=1/3 P A A (1 1 ) 3 P 2A A dp da 0 a a P - P +

64 Μέγιστη εκμεταλλεύσιμη αιολική ενέργεια Ετήσια διαθέσιμη αιολική ενέργεια εξαρτάται από την κατανομή συχνοτήτων των ταχυτήτων του ανέμου δεν απορροφάται όλη Ο αέρας εξακολουθεί να έχει ταχύτητα και μετά την απομάκρυνση του από την πτερωτή Η μάζα του αέρα που διαπερνά την πτερωτή είναι μικρότερη από τη θεωρητική τιμή Μέγιστη εκμεταλλεύσιμη αιολική ενέργεια Διαθέσιμη αιολική ενέργεια Όριο του Betz = E E c P I ) max I f ( ) kwh / m i 2 min max i min i f ( 1 i 3 1

65 Απόδοση αιολικών μηχανών Μέγιστη εκμεταλλεύσιμη αιολική ενέργεια =59,3% της διαθέσιμης αιολικής ενέργειας Συντελεστής απόδοσης Επικρατούσες ταχύτητες του ανέμου P 0.5 A max min cp ( ) 3 p( ) d Μεταβλητότητα των διευθύνσεων του ανέμου Λόγος της ταχύτητας ακροπτερυγίου (λ) R Γωνία προσβολής β (χορδή του πτερυγίου με το επίπεδο περιστροφής των πτερυγίων)

66 P M c P ( ) n 1 n 2 n 3 P E M P M T n 1 = απόδοση του πολλαπλασιαστή n 2 =απόδοση συσσωρευτή n 3 =απόδοση γεννήτριας Τ = χρονικό διάστημα λειτουργίας

67 Απόδοση αιολικής μηχανής είναι μικρή Σε πολύ χαμηλές ταχύτητες οι ΑΜ δεν λειτουργούν Σε ένα πεδίο ταχυτήτων η ΑΜ εκμεταλλεύεται μέρος μόνο της κινητικής ενέργειας του ανέμου Σε πολύ υψηλές ταχύτητες οι ΑΜ τίθενται εκτός λειτουργίας ή ελαττώνεται η επιφάνεια σάρωσης 3 χαρακτηριστικές ταχύτητες από τις οποίες εξαρτάται η παρεχόμενη ισχύς

68 Ταχύτητα έναρξης λειτουργίας (cut-in speed) Για < 0 η ΑΜ δεν αποδίδει ισχύ λόγω τριβών Εμπειρικά 0 P P R Ισχύς του ανέμου που χάνεται για Ονομαστική Ισχύς < 0 της AM P0 8 PR PR cp D Μέγιστη τιμή του συντελεστή ισχύος =

69 Ονομαστική ταχύτητα (rated speed) Για > 0 και όσο αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου -> παράλληλη αύξηση της ωφέλιμης ισχύος της ΑΜ μέχρι ταχύτητα R (σταθερή παραγόμενη ισχύς) Για > R -> απώλεια εκμεταλλεύσιμης ισχύος ανέμου Η καλύτερη δυνατή σχέση μεταξύ παρατηρούμενων ταχυτήτων ανέμου και ονομαστικής ισχύος της ΑΜ R 1. 9 Μέση ετήσια ταχύτητα

70 Ταχύτητα εξόδου (furling speed ή cut-out speed) Η ταχύτητα του ανέμου πέραν από την οποία η ΑΜ τίθεται εκτός λειτουργίας ( 1 ) Κυμαίνεται από 22 έως 28 m/s Εναλλακτικά υπάρχει σύστημα μείωσης της επιφάνειας σάρωσης Απώλεια διαθέσιμης ισχύος

71 Υπολογισμός παρεχόμενης ισχύος ΑΜ Αν ληφθούν υπόψη: κατανομή ταχυτήτων + χαρακτηριστικές ταχύτητες ΑΜ 0, 1, R P g max min P( ) p( ) d P()=0 για 0 P()=A+B+C 2 για 0 < R 0 c R 1 P()=P R για R < 1 P()=0 για > 1 Λύση συστήματος A+B 0 +C 02 =0 A+B R +C R2 = P R c = ( 0 + R )/2 A+B c +C c2 = P R ( c / R ) 3

72 Υπολογισμός αιολικής ισχύος (παραμέτρους Weibull) Μη διαθέσιμες μετρήσεις ταχύτητας ανέμου Γνωρίζοντας k,c k c k e c c k p 1 ) ( R R k k g p p P d c c c k C B A P R exp

73 c P Παρεχόμενη ισχύς P g P 2P g A 3 Τύποι αιολικών μηχανών Οι ΑΜ διακρίνονται σε μηχανές με οριζόντιο άξονα περιστροφής και σε μηχανές με κατακόρυφο άξονα περιστροφής c P () λ=1 αντιστοιχεί σε αιολική μηχανή με 8-24 πτερύγια λ=2 αντιστοιχεί σε αιολική μηχανή με 6-12 πτερύγια λ=3 αντιστοιχεί σε αιολική μηχανή με 3-6 πτερύγια λ=4 αντιστοιχεί σε αιολική μηχανή με 2-4 πτερύγια λ=5 αντιστοιχεί σε αιολική μηχανή με 2-3 πτερύγια f R Λόγω Σχηματισμό στροβίλων Μηχανικών τριβών Λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου

74 Αιολικές Μηχανές οριζόντιου άξονα περιστροφής Παραδοσιακός ανεμόμυλος μεγαλύτερη απόδοση: 2>λ >3 c p Μέγιστη παραγόμενη ισχύς P R W Αργή αιολική μηχανή: (12-24 πτερύγια, χαμηλές ταχύτητες, μεγάλο βάρος, άντληση νερού) D=6-8m μεγαλύτερη απόδοση: λ =1 c p 0.3 Μέγιστη παραγόμενη ισχύς R W P R

75 Αιολικές Μηχανές οριζόντιου άξονα περιστροφής Γρήγορη αιολική μηχανή (2-4 πτερύγια, υψηλές ταχύτητες ανέμου) - cp 0.4 μεγαλύτερη απόδοση Μέγιστη παραγόμενη ισχύς R W P 0.2 2R πτερύγια μικρό βάρος μικρό κόστος Μικρότερη κόπωση

76 Nacelle Rotor Blades Low speed shaft Gearbox High speed shaft Electrical generator Electronic control Cooling unit Tower Anemometer Wind Πτερωτή vane Κέλυφος ατράκτου Μέρη Α/Γ οριζόντιου άξονα Άξονας (high speed) Μέτρηση Ταχύτητας Διεύθυνσης ανέμου Κύριος άξονας (low speed) Πολλαπλασιαστής στροφών Ηλεκτρική Γεννήτρια Ηλεκτρονικός Έλεγχος

77 διάταξη εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας

78 Αιολικές Μηχανές οριζόντιου άξονα περιστροφής Άλλοι τύποι αιολικών μηχανών οριζόντιου άξονα περιστροφής (μονόπτερη, ηθμό διάχυσης, με εγκάρσιες επιφάνειες στα άκρα των πτερυγίων) Αύξηση της ταχύτητας κατά 50%

79 Χαρακτηριστικά ΑΜ οριζόντιου άξονα περιστροφής Σχεδιασμός πτερωτής Συμπεριφορά της μηχανής στην εκκίνηση, επιβράδυνση κλπ Ρύθμιση βήματος των πτερυγίων Μελέτη αυτοματισμών σε σχέση με την ταχύτητα έναρξης λειτουργίας και την ταχύτητα εξόδου Προσανατολισμός πτερωτής Αντοχή των υλικών κατασκευής των πτερυγίων Προσδιορισμός του ύψους από το έδαφος του άξονα της πτερωτής Κατασκευή και θεμελίωση του πύργου στήριξης Επίδραση του πύργου στήριξης στη ροή του αέρα Μορφή του πεδίου ροής πίσω από την πτερωτή Δυνατότητα τοποθέτησης πολλών ΑΜ σε σειρές

80 Αιολικές μηχανές κατακόρυφου άξονα περιστροφής i) Κυπελλοφόρο ανεμόμετρο 0.3<λ<0.9 cp<0.35 ii) iii) iv) Πανεμόνιο (αργόστροφη μηχανή) cp= μικρό Μηχανή του LAFOND 0.4<λ<0.9 cp= μικρό 0 =2.5m/s Μηχανή Τύπου SAONIUS 0.9<λο<1 cp=0.25 Μέγιστη παραγόμενη ισχύς 3 P 0.16 S W S h( 2d e)

81 Αιολικές μηχανές κατακόρυφου άξονα περιστροφής 1. Μηχανές σταθερών πτερυγίων (DARRIEUS) 1. C p = c m λ, c m =συντελεστής ροπής του συστήματος 2. cp Μέγιστη παραγόμενη ισχύς P 0.16 S W ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ R 5 bl 1. Απλότητα και οικονομία κατασκευής 2. Σύστημα ελαφρό δεν χρειάζεται μεγάλο πύργο στήριξη 3. Δεν απαιτείται σύστημα προσανατολισμού 4. Δεν χρειάζεται ρύθμιση περιορισμού ισχύος 5. Τοποθέτηση κοντά στο έδαφος ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 1. Χαμηλή απόδοση 2. Έλλειψη ροπής εκκίνησης b: σύνθετη συνάρτηση εξαρτώμενη από τη γεωμετρία του συστήματος l:μήκος χορδής πτερυγίων R: μέγιστη απόσταση του πτερυγίου από το κέντρο του συστήματος, κάθετα στον κατακόρυφο άξονα

82 Αιολικές μηχανές κατακόρυφου άξονα περιστροφής i) Προφυλαγμένες μηχανές (τύπος πανεμόνιο) ii) iii) Μέγιστη ισχύς για 0.2>λ>0.6 Μηχανές με περιστρεφόμενα πτερύγια Μηχανές τύπου TORNADO (μόνο πειραματικό μοντέλο)

83 Περιβαλλοντικοί κίνδυνοι για τις αιολικές μηχανές Ατμοσφαιρικές αναταράξεις Ελάττωση της συλλεγόμενης αιολικής ισχύος Ταλαντώσεις στο σύστημα και άνισες πιέσεις στην πτερωτή, ελαττώνουν το χρόνο ζωής Διατμητικός άνεμος Μέγιστες ταχύτητες ανέμου (πτερωτή και πύργο στήριξης) Καταιγίδες (ισχυροί άνεμοι, δυνατή βροχή, χαλάζι κλπ.) Πλημμύρες/Κατολισθήσεις Ακραίες θερμοκρασίες του αέρα Αλάτι και σκόνη

84 Περιβαλλοντικοί κίνδυνοι από τις αιολικές μηχανές Αλληλεπίδραση αιολικών μηχανών Αλλοίωση της αισθητικής του περιβάλλοντος χώρου Κλιματολογικές αλλοιώσεις (?) Επίδραση στην πανίδα Ηχορύπανση Ηλεκτρομαγνητικές επιδράσεις Απαλλοτρίωση ή αγορά γης Ασφάλεια του πληθυσμού Διαστήματα σκίασης

85 Πλεονεκτήματα Απεξάρτηση από χώρες παραγωγής συμβατικών καυσίμων Δεν υπάρχει κόστος πρώτης ύλης και αύξησης της τιμής Δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον Δεν υπάρχουν διυλιστήρια, αγωγοί και προβλήματα αποθεμάτων Απασχόληση πληθυσμού Τα αιολικά πάρκα μπορούν να ενισχύσουν τοπικά το ηλεκτρικό δίκτυο

86 ΒΙΟΜΑΖΑ Ηλιακή ενέργεια που δεσμεύεται από τον φυτικό κόσμο δια μέσου της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης (μη διακοπτόμενη και με μικρότερο κόστος συλλογής) Νερό + Διοξείδιο του άνθρακα + Ηλιακή ενέργεια (φωτόνια) + Ανόργανα στοιχεία Βιομάζα + Οξυγόνο Ύλη με οργανική προέλευση (υδρογόνο, οξυγόνο και άνθρακα στην αναλογία που βρίσκονται στους υδρογονάνθρακες [(CH 2 0) x ])

87 ΒΙΟΜΑΖΑ Βιομάζα: η ύλη που έχει βιολογική (οργανική) προέλευση Οι φυτικές ύλες που προέρχονται είτε από φυσικά οικοσυστήματα τα υποπροϊόντα και κατάλοιπα της φυτικής, ζωικής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής τα υποπροϊόντα που προέρχονται από τη μεταποίηση ή επεξεργασία των υλικών αυτών το βιολογικής προέλευσης μέρος των αστικών λυμάτων και σκουπιδιών

88 ΒΙΟΜΑΖΑ (CH₂O)x ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΞΗΡΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 22.10¹⁰ kgr/έτος ¹¹ kwh ~1% ενεργού ηλιακής φωτοσυνθετικής ενέργειας. Υγρασία (πρώτη ύλη): 8-60% -> φυτικές καλλιέργειες (κατάλοιπα) και ξυλεία Πάνω από 75% -> ζωικά απόβλητα και υδατάνθρακες (γαιάνθρακας: 2-30%, λιγνίτης: πάνω από 35%) Μικρότερη πυκνότητα ενέργειας ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΣΗ: 6 CO₂+6H₂0+φώς C₆H₁₂O₆+6O₂ Μέγιστη απόδοση έχουμε αν Συνεχή παραγωγή όλο τον χρόνο Χωρίς πολύ χαμηλές θερμοκρασίες Χωρίς ξηρασία Με ικανή λίπανση του εδάφους Χωρίς ασθένειες

89 1 τόνος βιομάζας = 0,4 τόνους πετρελαίου Χρήσεις: παραγωγή, κατά τον παραδοσιακό τρόπο, θερμότητας στον οικιακό τομέα (μαγειρική, θέρμανση), θέρμανση θερμοκηπίων, σε ελαιουργεία, στη βιομηχανία (εκκοκκιστήρια βαμβακιού, παραγωγή προϊόντων ξυλείας, ασβεστοκάμινοι κ.ά.), σε περιορισμένη, όμως, κλίμακα % βιομάζας στην παγκόσμια κατανάλωση

90 ενεργειακές καλλιέργειες Είδος φυτού Ξηρή βιομάζα (gr/m 3 /ημέρα) Απόδοση ενέργειας μετατροπής Ζαχαροκάλαμο (C 4 ) Καλαμπόκι (C 4 ) Ευκάλυπτος (C 3 ) Υψηλότερη παραγωγή ανα μονάδα επιφάνειας Ευκολότερη συλλογή Προσπάθεια περιορισμού περιβαλλοντικών, ενεργειακών προβλημάτων και γεωργικών πλεονασμάτων Απόδοση : ανάλογα με το φυτό (φωτοσυνθετική ικανότητα, διαστημα για την πλήρη ανάπτυξη)

91 ΠΗΓΕΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Ξύλο (καύση) Αγροτικά απορρίμματα (άχυρο) και Δασικά υπολείμματα (παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας παραγωγή καυσίμων μεταφοράς) Συσσωματώματα βιομαζας (πελέτες) Ζωικά απορρίμματα (παραγωγή θερμότητας ή αερίου καυσίμου) Σακχαρούχες ύλες (μεγάλη φωτοσυνθετική απόδοση/άμεση ζύμωση) Δημοτικά απορρίμματα Απόβλητα βιομηχανιών τροφίμων

92 ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Θερμοχημικές μέθοδοι (ξηρές) Άμεση καύση (μετατροπή χημικής ενέργειας της βιομάζας σε θερμότητα) Αεριοποίηση (ατελής καύση βιομάζας) Πυρόλυση (εσώθερμη θερμοχημική διαδικασία θέρμανση βιομάζας σε περιβάλλον χωρίς οξυγόνο) Υδρογονοποίηση (εμπλουτισμός με υδρογόνο) Χημικές μέθοδοι (υγρές) Εστεροποίηση (χημική μετατροπή φυτικών ελαίων σε ελαιοεστέρες) Βιολογικές μέθοδοι (υγρές) Αναερόβια χώνευση (μετατροπή βιομάζας με μικροοργανισμούς σε συγκεκριμένες συνθήκες) Οξειδική υδρόλυση (παρουσία οξέων και θερμότητας) Ενζυμική υδρόλυση (παρουσία γενετικά τροποποιημένων ενζύμων) Ζύμωση

93 ΘΕΡΜΟΧΗΜΙΚΕΣ (ΞΗΡΕΣ) ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΚΑΥΣΗ (περιεκτικότητα σε νερό <15%) C₆H₁₀O₅(βιομάζα)+6O₂ 6CO₂+5H₂O+ θερμότητα ΑΠΟΔΟΣΗ εξαρτάται από ποσοστό νερού (<15%) Από την ποσότητα του αέρα που χρειάζεται Από τον βαθμό πληρότητας κάυσης ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Οικονομικά συμφέρουσα Μείωση ρύπανσης από SO₂ Λίγες συγκεντρώσεις CO, NOx, ακαύστων Η στάχτη σαν λίπασμα. ΑΜΕΣΑ ΕΜΜΕΣΑ θέρμανση, ξήρανση θερμότητα ηλεκτρισμός

94 ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ Ατελής καύση με λίγο ή καθόλου Ο₂ (αερίου σύνθεσης CO +H₂) + καταλύτες υποκατάστατο φυσικού αερίου ή μεθανόλη ή ΝΗ₃ -> καύση θερμότητα ΠΥΡΟΛΥΣΗ (μη αμφίδρομη /περιεκτικότητα σε νερό <40%) Θέρμανση σε περιβάλλον χωρίς Ο₂ στους C (χρήση μέρους των προϊόντων βιομάζας) + πίεση λίγο μεγαλύτερη από 1 Atm Η αναλογία των προϊόντων εξαρτάται: Από την θερμοκρασία Από τον ρυθμό θέρμανσης στερεά, υγρά ή αέρια προϊόντα (μεγάλο ενεργειακό περιεχόμενο) Από την διάρκεια της επεξεργασίας ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Δεν μπορούν να προβλεφθούν πάντα τα προϊόντα Υψηλές Τ & διάβρωση μειώνουν χρόνο ζωής εγκαταστάσεων Τα παραγόμενα πυρολυτικά έλαια έχουν μεγάλο ιξώδες ΧΡΗΣΗ: οικιακή, θερμοκήπια, ξηραντήρια, βιομηχανία ΥΔΡΟΓΟΝΟΔΙΑΣΠΑΣΗ Η βιομάζα σε C και πίεση 150 Αlm εμπλουτίζεται σε Η₂ για παραγωγή καυσίμου

95 ΧΗΜΙΚΕΣ (ΥΓΡΕΣ) ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΣΤΕΡΟΠΟΙΗΣΗ Μετατροπή φυτικών ελαίων σε ελαιοεστερές (παρουσία καταλύτη ΝαΟΗ ή ΚΟΗ) + αιθυλίο (ή μεθύλιο) αιθυλοεστέρες (ή μεθυλοεστέρες)) RME Ποιοτική και ποσοτική απόδοση χρήσης βιομάζας Παραγωγή φυτικών ελαίων 3x10 3 kgr (σπασμένοι σπόροι) +μηχανικές διαδικασίες -> 1.9 x10 3 kgr (ζωοτροφή) kgr (φυτικά έλαια) Εστεροποίηση 10 3 kgr (φυτικά έλαια) + καταλύτης + μεθύλιο -> 110 kgr (γλυκερίνη) kgr RME (φυτικοί μεθυλεστέρες) ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Λίγα καυσαέρια σε σχέση με πετρέλαιο (προστασία από καρκίνο) Απουσία S και κατά συνέπεια SO₂(όξινη βροχή, πνευμονολογικά) ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Οσμή όταν χρησιμοποιείται αυτοτελώς Κόστος σε σχέση με βιοαιθανόλη Μικρότερη ενεργειακή ικανότητα ως προς βιοαιθανόλη

96 ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ (υγρές) ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ Βιομάζα+ μικροοργανισμοί (Τα(20-45 C)) βιοαέριο(μείγμα:ch₄,co₂,h₂o,h₂s) Απομάκρυνση υδρατμών με ψύξη + υδρόθειου με κατάλληλες παγίδες -> μείγμα CH₄+ CO₂ (κυμαινόμενη αναλογία) CH₄+2O₂ CO₂+2H₂O+212kcal Χρήσεις: θέρμανση, παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Μικρό κόστος Κατάλοιπα ως λίπασμα (με κατάλληλη επεξεργασία) Μειωμένες εκπομπές αερίων θερμοκηπίου ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Πολύ νερό Κόστος αποθήκευσης αερίου (υψηλές Ρ και χαμηλό Τ ) ΥΔΡΟΛΥΣΗ Προεργασία βιομάζας (κυτταρινές και ημικυτταρινές) για ζύμωση -> παραγωγή βιοενέργειας (μη οικονομικά συμφέρουσα τεχνολογία)

97 ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ (υγρές) ΖΥΜΩΣΗ C₆H₁₂O₆ 2(CH₃CH₂OH)+2CO₂ (εξώθερμη αντίδραση) Πλεονεκτήματα: 8. Άφθονη πρώτη ύλη Μειονεκτήματα: 1. Εύκολη παραγωγή 9. Εμπειρία 1. Υψηλό κόστος 2. Σε ανάμιξη με βενζίνη 10. Εύκολη μεταφορά 2. Αλλαγή κινητήρων 3. Σαν ΕΤΒΕ στην βενζίνη 11.Μικρή ρύπανση στο νερό 4. Σε ανάμιξη με πετρέλαιο 12.Απεξάρτηση κρατών 5. Υψηλή ενεργειακή απόδοση 13.Θέσεις εργασίας 6. Καθαρότερο καύσιμο 14.Μείωση φόρτου αστικών λυμάτων 7. Χρησιμοποιείται Για καύση σε λέβητες Παραγωγή βιοαερίου Λίπασμα Ζωοτροφές Χημική βιομηχανία

98 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΠΡΟΙΟΝΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ 1. Βιοαιθανόλη (μόνη σαν καύσιμο ή σε ανάμιξη με βενζίνη ή ισοβουτάνιο) 2. Αιθυλεστέρες - ΕΤΒΕ (Ethyl-tertiary-Butyl Ether) Παράγεται από αντίδραση αιθανόλη + υδατανθρακικού βουτανίου Πλεονεκτήματα: Χαμηλή πτητικότητα Μικρή διαλυτότητα στο νερό Καλύτερη θερμογόνο δύναμη Δεν διαβρώνει Σε αναλογία 15% με αμόλυβδη χωρίς τροποποίηση μηχανών 3. Μεθυλεστέρες (πιο γνωστός ο RME rape methyl ester) Χρησιμοποιείται σαν πρόσθετο σε πετρελαιομηχανές σε αναλογία μεγαλύτερη από 50% χωρίς μετατροπές και με ελάττωση ρύπανσης. 4. Βιομεθανόλη Χρησιμοποιείται στην χημική βιομηχανία 5. Πυρολυτικά έλαια Χρησιμοποιούνται για συμπαραγωγή θερμότητας + ηλεκτρισμού

99 ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ Μέσω άμεσης καύσης βιομάζας ή αερίου σύνθεσης (παραγόμενου από την αεριοποίηση ) ή τη χρήση πυρολυτικών ελαίων ή RME Παραγωγή θερμότητας Βιομηχανική συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού Επιπλέον παροχή ενέργειας σε υπάρχοντες συμβατικούς σταθμούς ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Από ζωικά περιττώματα Από ξύλα δασών Από φυτικά υπολείμματα Από ζαχαρότευτλα Από σκουπίδια Από φυτικά έλαια Από οργανικές ύλες υπονόμων Από ενεργειακές καλλιέργειες

100 ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 1. Αποτροπή φαινομένου του θερμοκηπίου 2. Ελάττωση εκπομπών S που γίνεται SO₂ 3. Μπορεί να αντικαταστήσει ελαττούμενα συμβατικά καύσιμα 4. Καθαρότερο και ασφαλέστερο καύσιμο 5. Ορισμένα έχουν ανταγωνιστικό κόστος 6. Ενεργειακή απεξάρτηση 7. Η καλλιέργεια ενεργειακών φυτών προσφέρει θέσεις εργασίας 8. Αναδάσωση 9. Βοηθά αγρότες για αλλαγή χρήσης Γης ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 1. Δυνατότητα εξασφάλισης πρώτης ύλης 2. Δεν είναι γνωστά από την αρχή τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά και η σταθερότητα της βιομάζας 3. Μεγάλη χρονική και χωρική διασπορά 4. Κόστος 5. Αποδοχή από τον κόσμο 6. Χρήση ζιζανιοκτόνων +αζωτούχων λιπασμάτων

101 Κύκλος διοξειδίου του άνθρακα

102 Ενεργειακή Αξιοποίηση της Βιομάζας- Εφαρμογές Κάλυψη των αναγκών θέρμανσης-ψύξης ή/και ηλεκτρισμού σε γεωργικές και άλλες βιομηχανίες Συμπαραγωγή (θερμική και ηλεκτρική ενέργεια) Τηλεθέρμανση κατοικημένων περιοχών προμήθεια θέρμανσης χώρων και θερμού νερού χρήσης σε ένα σύνολο κτιρίων από έναν κεντρικό σταθμό παραγωγής θερμότητας. H θερμότητα μεταφέρεται με προ-μονωμένο δίκτυο αγωγών Θέρμανση θερμοκηπίων Σε περιοχές με μεγάλες ποσότητες διαθέσιμης βιομάζας, χρησιμοποιείται η βιομάζα σαν καύσιμο σε κατάλληλους λέβητες για τη θέρμανση θερμοκηπίων Παραγωγή υγρών καυσίμων με βιοχημική μετατροπή βιομάζας Βιοαιθανόλη (σακχαρούχα, κυταρινούχα κι αμυλούχα φυτά όπως σιτάρι, καλαμπόκι, σόργο, τεύτλα, κ.ά.)

103 Ενεργειακή Αξιοποίηση της Βιομάζας- Εφαρμογές Παραγωγή υγρών καυσίμων με θερμοχημική μετατροπή βιομάζας Αστραπιαια πυρόλυση για παραγωγή υγρού καυσίμου υποκατάστατου του πετρελαιου + παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Αεριοποίηση για αέριο καύσιμο καυστήρες αερίου για παραγωγή ενέργειας Ενεργειακές καλλιέργειες Καλάμι, αγριοαγκινάρα, μικροφύκια, σόργο, ιτιά κλπ. Παραγωγή οργανοχημικών λιπασμάτων από πτηνοτροφικά απόβλητα

104 Βιοαέριο Παραγωγή θερμότητας ηλεκτρισμού (μηχανές εσωτερικής καύσης) λύμματα των χοιροστασίων, πτηνοτροφίων, βουστασίων, βιομηχανικών και αστικών οργανικών απορριμμάτων Αστικά απορρίμματα: ΧΥΤΑ απο το δευτερο ή τρίτο χρόνο απόθεσης (ανάλογα με αποτιθέμενα απορρίμματα υλικό επικάλυψης)

105 Ενεργειακές καλλιέργειες μεγάλης κλίμακας

106 Γεωθερμία Ήπια και σχετικά ανανεώσιμη μορφή ενέργειας Ενέργεια με τη μορφή θερμότητας που μεταδίδεται από το κέντρο της γης προς την επιφάνεια της Εμφανίζεται με τη μορφή θερμού νερού ή ατμού Μέση κανονική γεωθερμική βαθμίδα T 33 C/km h για h εως 5km Γεωθερμικό πεδίο = θέση με γεωθερμική ανωμαλία

107 Γεωθερμικά πεδία Υδροθερμικά πεδία Πεδία χαμηλής θερμοκρασίας (Τ<150 C σε βάθος ~3km) Ανοικτός ταμιευτήρας ρευστού (οριζόντιο φρεάτιο τοπικη διήθυση νερού) Κλειστός ταμιευτήρας ρευστού Πεδία υψηλής θερμοκρασίας (Τ>150 C σε βάθος ~2km) Ανοικτός ταμιευτήρας ρευστού (μέτρια συγκέντρωση ενέργειας) Κλειστός ταμιευτήρας ρευστού (μεγάλη συγκέντρωση ενέργειας) Πεδία ατμού (Τα>200 C σε βάθος ~1.5km) Κλειστός ταμιευτήρας κάτω από αδιαπέραστο έδαφος πυριοσχιστολιθικών πετρωμάτων (μεγάλη συγκέντρωση ενέργειας)

108 Ξηροί βράχοι Χαμηλής θερμοκρασίας (>150 C και βάθος < 3km) Υψηλής θερμοκρασίας (<250 C και βάθος ~3km) Πιεζογεωθερμικά πεδία πεδία αλμυρών νερών πεδία μάγματος Πιεζοθερμικά πεδία (Τ C υψηλή πίεση σε βάθος 6-8 km) Πεδία με ρευστό μεγάλης αλμυρότητας (Τ>300 C και βάθος ~3km) Πεδία μάγματος (Τ>500 C και βάθος ~λίγα km)

109 Πρακτικά εκμεταλλευσιμα γεωθερμικά πεδία Γεωθερμικά πεδία με ταμιευτήρες ατμού Υγρός ή ξηρός ατμός με % αερίων Ρευστό υπο πίεση Κατα την άνοδο ελάττωση πίεσης Γεωθερμικά πεδία με ταμιευτήρες νερού Ταμιευτήρας μεγάλης χωριτικότητας Πυκνότητα ροής θερμότητας Μεγάλη παροχή νερού/πηγάδι Γεωθερμικά πεδία ξηρών βράχων Δεν έχουν την ικανότητα να μεταφέρουν θερμότητα Μικρή επιφάνεια σε σχέση με τον όγκο τους Κατασκευή τεχνητού ταμιευτήρα

110 Πρακτικά εκμεταλλευσιμα γεωθερμικά πεδία Πιεζοθερμικά πεδία Νερό υπο πίεση ( Atm) Εκμετάλλευση : Θερμικής ενέργειας(τ~ C) Υδραυλικής ενέργειας (λόγω μεγάλης πίεσης) Θερμικής ενέργειας των φυδικών αερίων που περιέχουν Γεωθερμικά πεδία μάγματος Εκμεταλλευσιμα πεδία βάθους μέχρι 3km-> δυνατή η διάνοιξη πηγαδιών και η κυκλοφορία ρευστου μέσα σε αυτα

111 ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ α) Γεωθερμικός Εναλλάκτης (σύστημα απορρόφησης ή αποβολής θερμότητας) Γεωθερμικοί Εναλλάκτες Κλειστού Κυκλώματος Γεωθερμικοί Εναλλάκτες Ανοιχτού Κυκλώματος β) Αντλία Θερμότητας (αντίστοιχη με αντλίες νερού μόνο που ανυψώνει, αντί για νερό, θερμική ενέργεια) γ) Σύστημα που προσδίδει ή απορροφά θερμότητα από το σπίτι

112 Χρήση γεωθερμικής ενέργειας Άμεσα (θερμική ενεργεια) Έμμεσα (ηλεκτρική ενέργεια) Γεωθερμικά ρευστά με Τ>170 C (μεγάλο θερμικό περιεχόμενο) -> μεγάλο εύρος πρακτικών εφαρμογών παραγωγή ηλεκτρισμού ή συμπαραγωγή Γεωθερμικά ρευστά με Τ~ C (μέση ενθαλπία) -> ηλεκτροπαραγωγή και άλλες ηλεκτρικές χρήσεις Γεωθερμικά ρευστά με Τ<80 C -> παραγωγή θερμότητας

113 Εφαρμογές γεωθερμικής ενέργειας Παραγωγή ισχύος Απευθείας εκτόνωση σε τουρμπίνα και εξοδος στο περιβάλλον Απευθείας εκτόνωση σε τουρμπίνα με ψυγείο Έμμεση μεταβίβαση θερμότητας ατμού (περίπτωση διάβρωσης - μικρή ενθαλπία με ενδιάμεσο πτητικό ρευστό) Ομαδική θέρμανση ή ψύξη (όταν) Το ρευστο έχει Τ σταθερη Παροχή πηγαδιού σταθερη Χωρίς τρέχον κόστος παραγωγής Χωρίς διαβρωτικές ουσίες Χώρος θέρμανσης κοντα στο πεδίο

114 Εφαρμογές γεωθερμικής ενέργειας Βιομηχανικές χρήσεις θέρμανση/ψύξη Απόσταξη Ξήρανση Βαφή Παραγωγή ατμού Παραγωγή γλυκού νερού Παραγωγή αλάτων που περιέχονται στο γεωθερμικό ρευστό Αγροτικές χρήσεις Θερμοκήπια Θέρμανση εδάφους Καλλιέργεια ψαριών και εκτροφή ζώων

115

116 Υλικα που περιέχονται στα γεωθερμικά ρευστά Αιωρούμενα κομματάκια πετρωμάτων Ορυκτά άλατα Πτητικά συστατικά (Br, Cl, Ca, Li κλπ.) Αέρια (H 2, H 2 S, CO 2 και μικρές ποσότητες CH 4, N 2, NH 3 κλπ.)

117 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Απαλλοτρίωση γης και αλλοίωση του φυσικού περιβάλλοντος Θόρυβος Αέριοι ρύποι και τοξικές ουσίες Στερεά και υγρά απόβλητα Μικροσεισμοί και κατολισθήσεις Στάδιο κατασκευής