Ευχαριστώ θερµά τον καθηγητή Δρ. Αντωνιάδη Παντελή για την ευκαιρία που µου έδωσε να ασχοληθώ µε το ενδιαφέρον θέµα της µετατροπής πρωτογενών µορφών

Transcript

1 T.E.I ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ Πτυχιακή εργασία Πράσινη Επιχειρηματικότητα στην Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Ενέργειας και η Μετατροπή τους σε Φοιτητής: Ιωάννης Δημητριάδης Γεώργιος Γαρυφαλλής Ηλεκτρική Ενέργεια Επιβλέπων καθηγητής: Δρ. Αντωνιάδης Παντελής 1

2 Καβάλα, 2013 Ευχαριστώ θερµά τον καθηγητή Δρ. Αντωνιάδη Παντελή για την ευκαιρία που µου έδωσε να ασχοληθώ µε το ενδιαφέρον θέµα της µετατροπής πρωτογενών µορφών ενέργειας σε ηλεκτρική καθώς και για τις χρήσιµες συµβουλές του κατά την εκπόνηση της διπλωµατικής µου εργασίας. 2

3 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Σελ. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 4 2. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΑΝΘΡΑΚΑΣ ΕΛΛΗΝΙΚΟΙ ΛΙΓΝΙΤΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΤΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΚΑΥΣΤΗΡΕΣ ΑΗΣ ΑΠΟ ΟΣΗ - ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΜΟΝΑ ΕΣ ΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΘΡΑΚΑ ΑΛΛΟΘΕΡΜΙΚΗ ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΕΛΛΗΝΙΚΩΝ 16 ΛΙΓΝΙΤΩΝ ΕΝΤΟΣ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΟΥ ΚΛΙΒΑΝΟΥ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ- ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ Η 18 ΨΥΞΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΠΑΡΚΑ ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΙΚΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΚΑΤΑΝΑΝΑΛΩΣΗ ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΠΡΟΟΠΤΙΚΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΛΛΑ Α ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο : ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΥΝΤΗΞΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο : ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 40 (ΑΠΕ) 6.1 Υ ΡΟ ΥΝΑΜΙΚΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Υ ΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ Υ ΡΟΑΝΤΛΗΤΙΚΑ ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΑ ΜΙΚΡΑ Υ ΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΑ Υ ΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΣΤΟΧΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ Η.Ε. ΜΕ ΗΛΙΑΚΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗ 64 3

4 6.3.2 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ ΩΚΕΑΝΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΥΜΑΤΩΝ) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο : ΚΟΣΤΟΣ- ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΟΙ ΠΙΝΑΚΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Ο : ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΕΠΙΒΑΡΥΝΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ - ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ 83 ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ - ΟΞΙΝΗ ΒΡΟΧΗ 8.2 ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΟΥ Ε ΑΦΟΥΣ- ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΙΑΤΑΡΑΞΗ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ- 89 ΕΞΑΝΤΛΗΣΗ ΑΠΟΘΕΜΑΤΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ 8.5 ΜΕΤΡΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΙΩΣΗ ΤΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ 90 ΕΠΙΠΤΩΣΕΩΝ Η ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 Ο : ΠΑΡΑΓΩΓΗ Η.Ε ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Δ.Ε.Η ΑΠΕΛΕΥΘΕΡΩΣΗ ΤΗΣ ΑΓΟΡΑΣ Η.Ε ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΠΙΝΑΚΩΝ 12. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ- ΑΝΑΦΟΡΕΣ

5 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σαν ενέργεια ορίζεται η ικανότητα ενός σώµατος να παράγει έργο λόγω της κίνησης, της θέσης ή της κατάστασής του. Για να πραγµατοποιήσει η ανθρωπότητα τις κάθε φύσης δραστηριότητές της, από την αρχή ακόµα της οργάνωσής της σε µικρές οµάδες, είχε ανάγκη από πηγές που θα µπορούσαν να καλύψουν τις λίγες αρχικά απαιτήσεις της σε ενέργεια. Αυτές οι πηγές ήταν τα καυσόξυλα, η δύναµη των οικιακών ζώων, η κοπριά τους, η κινητική ενέργεια των ποταµών και του αέρα, και βέβαια η ίδια η δύναµη του ανθρώπου. Με την βιοµηχανική επανάσταση όµως, οι ανάγκες για ενέργεια αυξάνονται και αρχίζουν οι πρώτες αναζητήσεις για νέες πηγές. Οι πρώτες πηγές που εξυπηρετούν την αυξηµένη ζήτηση είναι ο λιθάνθρακας, το πετρέλαιο και η εντατικότερη εκµετάλλευση των υδατοπτώσεων. Η έρευνα για πρακτική αξιοποίηση του ηλεκτρισµού έρχεται να δώσει µια νέα διέξοδο στο πρόβληµα αυτό. Το 1882 αρχίζουν την λειτουργία τους οι πρώτες µονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο Λονδίνο (60 kw) και στη Νέα Υόρκη (60 kw) µε συνεχή τάση 110 V περίπου. Με την καθιέρωση του εναλλασσόµενου ρεύµατος και της ανύψωσης της τάσης µεταφοράς γίνεται δυνατή η µεταφορά σε µεγάλες αποστάσεις από τις µονάδες παραγωγής, και έτσι δίνεται νέα ώθηση στην εξάπλωση του ηλεκτρισµού. Μετά τον β παγκόσµιο πόλεµο η αύξηση της ζήτησης της ηλεκτρικής ενέργειας είναι τέτοια, ώστε ο ηλεκτρισµός σήµερα να θεωρείται σαν είδος πρώτης ανάγκης, και η οργάνωση της καθηµερινής µας ζωής αλλά και όλων σχεδόν των οικονοµικών δραστηριοτήτων να είναι πλήρως εξαρτηµένη από αυτόν. Οι πρώτες γεννήτριες ήταν εµβολοφόροι ατµοκινητήρες που χρησιµοποιούσαν για καύσιµο τον λιθάνθρακα. Με την εµφάνιση του, το πετρέλαιο της Μ. Ανατολής αντικαθιστά σε µεγάλο βαθµό τον λιθάνθρακα, σαν πιο φθηνή πηγή ενέργειας. Το 1973, η πρώτη πετρελαϊκή κρίση έρχεται να ταράξει τα νερά, καθώς το βασικό καύσιµο εκείνης της περιόδου αυξήθηκε διεθνώς στα 15$ το βαρέλι, από 2-3$ που πωλούνταν για αρκετά χρόνια. Η ανησυχία όµως σχετικά µε την επάρκεια των αποθεµάτων του και την πλήρη εξάρτηση των περισσότερων χωρών από τις πετρελαιοπαραγωγικές χώρες γενικεύεται µε την δεύτερη πετρελαϊκή κρίση το Οι βιοµηχανικά ανεπτυγµένες χώρες έστρεψαν τις προσπάθειές τους στον περιορισµό της εξάρτησης αυτής µε δύο τρόπους: α) µε την λήψη µέτρων εξοικονόµησης και ορθολογικής χρήσης της ενέργειας και β) µε την έρευνα για νέες πηγές που θα υποκαθιστούσαν το πετρέλαιο. Τα ίδια αυτά µέτρα υπαγορεύονται και από µία ακόµη ανάγκη που έγινε κατανοητή µόλις τα τελευταία χρόνια: την προστασία του περιβάλλοντος, του οποίου η µόλυνση έχει φθάσει σε ανησυχητικά επίπεδα λόγω των έντονων δραστηριοτήτων του ανθρώπου. Το φαινόµενο του θερµοκηπίου, που δηµιουργείται από την συσσώρευση CO 2 στα ανώτερα στρώµατα της ατµόσφαιρας, είναι ένα από τα βασικότερα περιβαλλοντικά προβλήµατα στα οποία καλείται η ανθρωπότητα να βρει λύση. 5

6 Στην εργασία αυτή εξετάζονται οι πηγές ενέργειας που µετατρέπονται σε ηλεκτρική. Συγκεκριµένα, παρουσιάζονται οι τρόποι που πραγµατοποιείται αυτή η µετατροπή µέχρι σήµερα, καθώς και νέες µέθοδοι, βελτιωµένες ως προς την αποδοτικότητα ή ως προς την φιλικότητά τους προς το περιβάλλον, που βρίσκονται αυτή την εποχή υπό έρευνα. Κάθε πηγή εξετάζεται ξεχωριστά ως προς την ύπαρξη αποθεµάτων και την δυνατότητα πρόσβασης σ αυτά, την απόδοσή της (θερµική και οικονοµική), και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την χρησιµοποίησή της. Για κάθε πηγή µας απασχολεί κατά κύριο λόγο η δυνατότητα εφαρµογής τους στον ελληνικό χώρο, καθώς και η µέχρι τώρα κατάσταση. Παρουσιάζονται συγκριτικοί πίνακες της πορείας του ελληνικού συστήµατος σε αντιπαραβολή µε την παγκόσµια κατάσταση. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την ηλεκτροπαραγωγή αναλύονται ξεχωριστά και εξετάζονται τρόποι αποφυγής τους ή µείωσης και τα µέτρα που η διεθνής κοινότητα θεωρεί αναγκαία για τον σκοπό αυτό. Γίνεται τέλος µια αναφορά στο καθεστώς που ισχύει στην Ελλάδα για την ηλεκτροπαραγωγή. Με νόµο 2773/1999 αρχίζει η απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα, που θα ευνοήσει την αξιοποίηση των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας και την διανεµηµένη παραγωγή. 6

7 2. ΑΝΘΡΑΚΑΣ Ο άνθρακας µαζί µε το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο είναι τα τρία ορυκτά καύσιµα (fossil fuels). Ο άνθρακας (γαιάνθρακας) είναι ένα σκληρό, µαύρο, πετρώδες υλικό. Αποτελείτε από άνθρακα, υδρογόνο, οξυγόνο, άζωτο και θείο. Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι άνθρακα: ο ανθρακίτης, ο λιθάνθρακας και ο λιγνίτης. Ο ανθρακίτης είναι ο πιο σκληρός και περιέχει περισσότερο άνθρακα πράγµα που του δίνει µεγαλύτερη θερµογόνο δύναµη. Αντίθετα, ο λιγνίτης είναι ο µαλακότερος και µε την µικρότερη περιεκτικότητα άνθρακα αλλά και µε υψηλή περιεκτικότητα υγρασίας. Ο λιθάνθρακας είναι κάπου ενδιάµεσα. Σήµερα, σε πολλές χώρες και στην Ελλάδα υπάρχουν και κοιτάσµατα τύρφης (peat) που είναι ο πρόδροµος των γαιανθράκων. Προκειµένου να αξιολογηθεί συνολικά ένα κοίτασµα, δεν αρκεί να είναι γνωστή µόνο η ποσότητα του ανακτήσιµου άνθρακα, αλλά και η σύσταση και τα φυσικά και χηµικά χαρακτηριστικά του, εφόσον αυτά καθορίζουν το ενεργειακό περιεχόµενό του. Τα συστατικά του άνθρακα παρουσιάζονται στη λεγόµενη άµεση ανάλυσή του οµαδοποιηµένα σε τέσσερις κατηγορίες: 1)Πτητικά, τα οποία είναι οργανικής σύστασης, 2)Τέφρα, δηλαδή κυρίως άλατα και οξείδια, τα οποία εµφανίζονται ως υπόλειµµα µετά την καύση, 3)Υγρασία (όπως συλλέγεται στο ορυχείο), και 4)Μόνιµος άνθρακας (ορίζεται ως το υπόλοιπο, αφού προσδιοριστούν τα τρία προηγούµενα). Η ανάλυση των ορυκτών στα βασικά συστατικά τους και η θερµογόνος τους δύναµη παρουσιάζεται στον Πίνακα 2.1. Η σύσταση του κάθε κοιτάσµατος µας δίνει, όπως φαίνεται στον Πίνακα, και µια εικόνα για την θερµογόνο δύναµή του. Οι τιµές που δίνονται στον Πίνακα για κάθε µορφή άνθρακα είναι ενδεικτικές και στην πραγµατικότητα διαφέρουν από κοίτασµα σε κοίτασµα. Πίνακας 2.1: Περιεκτικότητα % κατά βάρος ανθρακικών κοιτασµάτων[1] Βασικά συστατικά κοιτάσµατος θερµογόνος δύναµη C H N S H2O MJ/Kg ανθρακίτης ,68 λιθάνθρακας ,40-35,59 λιγνίτης ,28-18,84 τύρφη µέχρι 8,37 Η παλαιότερη γνωστή χρήση άνθρακα ήταν στην Κίνα. Άνθρακας από το ορυχείο Fu-shun στη βορειοανατολική Κίνα ίσως είχε χρησιµοποιηθεί για λιώσιµο χαλκού πριν από 3000 περίπου χρόνια. Σίγουρα, ο άνθρακας πάντως χρησιµοποιούνταν ως καύσιµο περίπου απ το 1000 π.χ.. Παρότι είναι άφθονος στα περισσότερα µέρη του κόσµου, δεν χρησιµοποιήθηκε εκτενώς ως καύσιµο µέχρι την βιοµηχανική επανάσταση. Μέχρι τη στιγµή που εµφανίστηκαν στο προσκήνιο το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, ο άνθρακας ήταν το βασικό καύσιµο της βιοµηχανίας. Το 2001 το 38% περίπου της θερµικής ενέργειας για παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσµίως προερχόταν από τον άνθρακα. [2] Στο τέλος του 2003 τα διαθέσιµα αποθέµατα κοιτασµάτων άνθρακα παγκοσµίως ήταν Εκατοµµύρια Τόνοι[3]. Όπως φαίνεται και από τον Πίνακα 2.2 και το Σχήµα 2.1, τα µεγαλύτερα κοιτάσµατα βρίσκονται στην Β. Αµερική (Η.Π.Α.), στη Ρωσία, στην 7

8 Κίνα, στην Ινδία και στην Αυστραλία. Με βάση τα αποθέµατα αυτά και την ετήσια παραγωγή άνθρακα το 2003, υπολογίζεται ότι επαρκούν για 200 περίπου χρόνια.[3] Πίνακας 2.2: Παγκόσµια αποθέµατα άνθρακα (τέλος 2003)[3] Εκατ. τόνοι Ποσοστό παγκόσµιων άνθρακα αποθεµάτων Β. Αµερική ,2% Κεντρ. & Ν. Αµερική ,2% Κίνα ,6% Ινδία ,6% Ρωσική Οµοσπονδία ,9% Γερµανία ,7% Αφρική ,6% Αυστραλία ,3% Υπόλοιπες χώρες ,8% Σύνολο ,0% 8,3% 14,8 % 26,2% Β. Αµερική Κεντρ. & Ν. Αµερική Κίνα Ινδία 5,6% 2,2% Ρωσική Οµοσπονδία Γερµανί 6,7% 11,6% Αφρική Αυστρα λία 15,9 % 8, 6 % Υπόλοιπες χώρες Σχήµα 2.1: Παγκόσµια κατανοµή κοιτασµάτων άνθρακα. [3] 8

9 Πίνακας 2.3: Εγκατεστηµένη ισχύς ανθρακικών σταθµών παραγωγής Η.Ε. στην Ευρώπη [ΜW][8] ΑΥΣΤΡΙΑ ΒΕΛΓΙΟ ΓΕΡΜΑΝΙΑ ΑΝΙΑ ΙΣΠΑΝΙΑ ΦΙΛΑΝ ΙΑ ΓΑΛΛΙΑ Μ. ΒΡΕΤΑΝΙΑ ΕΛΛΑ Α ΙΡΛΑΝ ΙΑ ΙΤΑΛΙΑ ΛΟΥΞΕΜΒΟΥΡΓΟ ΟΛΛΑΝ ΙΑ ΠΟΡΤΟΓΑΛΙΑ , ΣΟΥΗ ΙΑ ΕΛΒΕΤΙΑ 17 ΝΟΡΒΗΓΙΑ ΒΟΥΛΓΑΡΙΑ ΚΥΠΡΟΣ ΤΣΕΧΙΑ ΕΣΘΟΝΙΑ 22 ΟΥΓΓΑΡΙΑ ΛΙΘΟΥΑΝΙΑ ΛΕΤΟΝΙΑ ΠΟΛΩΝΙΑ 20855, , ΡΟΥΜΑΝΙΑ ΣΛΟΒΕΝΙΑ ΣΛΟΒΑΚΙΑ ΤΟΥΡΚΙΑ 1370,3 5205,7 6988,9 6990, , Στον Πίνακα 2.3 [8] φαίνεται η εξέλιξη της εγκατεστηµένης ισχύος ανθρακικών σταθµών στην Ευρώπη. Παρατηρούµε ότι η εγκατεστηµένη ισχύς ανθρακικών σταθµών παρουσιάζει µια στασιµότητα ή και µείωση σε ορισµένες χώρες. Λόγω του µεγάλου όγκου του καυσίµου, τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (Η.Ε.) από άνθρακα κατασκευάζονται συνήθως στον τόπο των κοιτασµάτων, κυρίως όταν πρόκειται για φτωχά σε θερµογόνο δύναµη όπως είναι ο λιγνίτης και η τύρφη. Η µετατροπή της ενέργειας των κοιτασµάτων του άνθρακα σε ηλεκτρική γίνεται σε θερµικούς σταθµούς, όπου η θερµότητα από την καύση µετατρέπεται πρώτα σε µηχανική και στην συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο τύπος του θερµικού σταθµού που χρησιµοποιείται για την παραγωγή Η.Ε. µε καύσιµο άνθρακα είναι ο ατµοηλεκτρικός (ΑΗΣ). 9

10 2.1. ΕΛΛΗΝΙΚΟΙ ΛΙΓΝΙΤΕΣ Στην Ελλάδα βρίσκονται κυρίως λιγνίτης και τύρφη, από τα πιο φτωχά στερεά καύσιµα, ευτυχώς όµως σε µεγάλες ποσότητες. Τα συνολικά βεβαιωµένα γεωλογικά αποθέµατα λιγνίτη στη χώρα ανέρχονται σε 5 δις. τόνους, περίπου. Τα κοιτάσµατα αυτά παρουσιάζουν αξιοσηµείωτη γεωγραφική εξάπλωση στον ελληνικό χώρο. Με τα σηµερινά τεχνικο-οικονοµικά δεδοµένα τα κοιτάσµατα που είναι κατάλληλα για ενεργειακή εκµετάλλευση, ανέρχονται σε 3,2 δις τόνους, περίπου, και ισοδυναµούν µε 450 εκ. τόνους πετρελαίου [5]. Τα κυριότερα εκµεταλλεύσιµα κοιτάσµατα λιγνίτη βρίσκονται στις περιοχές Πτολεµαΐδας, Αµυνταίου και Φλώρινας µε υπολογισµένο απόθεµα 1,9 δις τόνους, στην περιοχή της ράµας µε απόθεµα 900 εκ. τόνους και στην περιοχή Ελασσόνας µε 150 εκ. τόνους. Επίσης στην Πελοπόννησο, περιοχή Μεγαλόπολης, υπάρχει λιγνιτικό κοίτασµα µε απόθεµα περίπου 250 εκ. τόνους. Στο Σχήµα 2.2 [5] φαίνονται το µεγαλύτερα κοιτάσµατα λιγνίτη στην Ελλάδα και το ποσοστό εκµετάλλευσής τους. Με βάση τα συνολικά εκµεταλλεύσιµα αποθέµατα λιγνίτη της χώρας και τον προγραµµατιζόµενο ρυθµό κατανάλωσης στο µέλλον, υπολογίζεται ότι τα αποθέµατα αυτά επαρκούν για περισσότερο από 45 χρόνια. Μέχρι σήµερα έχουν εξορυχθεί συνολικά 1,3 δισ. τόνοι λιγνίτη. Οι εξορυχθείσες ποσότητες λιγνίτη φτάνουν περίπου στο 29% των συνολικών αποθεµάτων. Tο 2003 εξορύχθησαν συνολικά 68,1 εκ. τόνοι, ενώ µόνο κατά το πρώτο εξάµηνο του 2004 παρήχθησαν 35,4 εκ. τόνοι. Έτσι, η χώρα µας κατέχει τη δεύτερη θέση σε παραγωγή λιγνίτη στην Ευρωπαϊκή Ένωση και την έκτη θέση παγκοσµίως. Εκτός από λιγνίτη η Ελλάδα διαθέτει και ένα µεγάλο κοίτασµα Τύρφης στην περιοχή των Φιλίππων (Ανατολική Μακεδονία). Τα εκµεταλλεύσιµα αποθέµατα στο κοίτασµα αυτό εκτιµώνται σε 4 δις κυβικά µέτρα και ισοδυναµούν περίπου µε 125 εκατ. τόνους πετρελαίου. Στο Σχήµα 2.3 [5] φαίνεται η παραγωγή λιγνίτη στη χώρα µας την τελευταία δεκαετία. 10

11 Σχήµα 2.2: Εκµεταλλεύσιµα λιγνιτικά κοιτάσµατα στην Ελλάδα. [5] Σχήµα 2.3: Παραγωγή λιγνίτη στην Ελλάδα την τελευταία δεκαετία [εκατ. τόνοι] [5] Γενικά η ποιότητα των ελληνικών λιγνιτών είναι χαµηλή. Η θερµογόνος δύναµη των κυριότερων ελληνικών κοιτασµάτων λιγνίτη φαίνεται στον Πίνακα 2.4 [4]. 11

12 Σηµαντικό συγκριτικό πλεονέκτηµα των λιγνιτών της χώρας µας είναι η χαµηλή περιεκτικότητα σε καύσιµο θείο.[5] Πίνακας 2.4: Βασικά ποιοτικά χαρακτηριστικά ελληνικών λιγνιτών[4] θερµογόνος δύναµη Κοίτασµα (kj/kg)* Τέφρα (%)** Υγρασία (%)*** Πτολεµαΐδα ,1 52,6 Αµύνταιο ,4 54,7 Μεγαλόπολη ,5 57,9 Φλώρινα ,0 42,0 ράµα ,0 59,0 Ελασσόνα ,0 41,0 *Net calorific value. **On dry basis. ***On as received basis. Για την αξιοποίηση των κοιτασµάτων στις περιοχές ράµας και Ελασσόνας βρίσκονται σε εξέλιξη τεχνικο-οικονοµικές µελέτες. Με βάση τα σηµερινά εθνικά και διεθνή ενεργειακά δεδοµένα και τα στοιχεία που αφορούν την ποσότητα και την ποιότητα του λιγνίτη των πιο πάνω κοιτασµάτων, προκύπτει ότι η εκµετάλλευσή των πιο πάνω κοιτασµάτων είναι οικονοµικά συµφέρουσα (βλ. Σχήµα 2.2). Τα υπάρχοντα αποθέµατα επαρκούν για τη λειτουργία µέχρι πέντε µονάδων των 300 MW στη ράµα και µίας µονάδας 500 MW στην Ελασσόνα.[5] 2.2. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΤΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ Οι ΑΗΣ χρησιµοποιούνται σαν εργοστάσια βάσης, επειδή έχουν σχετικά µεγάλο βαθµό απόδοσης όταν λειτουργούν σε πλήρη φόρτιση, µικρό συνολικό κόστος ανά παραγόµενη µονάδα ενέργειας αλλά κυρίως επειδή χρειάζονται πολλές ώρες και µια πολύπλοκη διαδικασία για την εκκίνησή τους. Λόγω του θερµικού τους µέρους η ρύθµιση ισχύος είναι πολύπλοκη και αργή. Το καύσιµο που χρησιµοποιούν είναι άνθρακας, λιγνίτης, τύρφη, µαζούτ και αέριο. Το Σχήµα 2.3 [6] δείχνει το απλοποιηµένο διάγραµµα µιας µονάδας. Το καύσιµο, αν είναι λιγνίτης, µεταφέρεται από την εξόρυξη µε ταινιόδροµους στην αυλή του σταθµού. Από εκεί ανάλογα µε την ισχύ που χρειάζεται ο λέβητας, µεταφέρεται στο λέβητα. Στο συγκρότηµα ενός λέβητα ανήκουν πολλοί µύλοι (6), π.χ. οκτώ που κονιορτοποιούν και ξηραίνουν το καύσιµο. Μετά, το καύσιµο υπό µορφή σκόνης άνθρακα, οδηγείται στους καυστήρες (7). Ατµοσφαιρικός αέρας προθερµασµένος από τα καυσαέρια σ ένα προθερµαντήρα (5) οδηγείται και αυτός στο λέβητα. Στο λέβητα γίνεται η καύση του κονιορτοποιηµένου άνθρακα και οι φλόγες και τα θερµά καυσαέρια αφού περάσουν από εναλλάκτες θερµότητας, σωληνώσεις (9,10,11), οδηγούνται προς την καµινάδα (1). Τα καυσαέρια, πριν µπουν στην καµινάδα, καθαρίζονται µε φίλτρα αιωρηµάτων. Το φίλτρο (3) είναι συνήθως ένα µηχανικό φίλτρο ή ένα ηλεκτροστατικό φίλτρο ή συνδυασµός των δύο. 12

13 Το κύκλωµα του ατµού λειτουργεί µε νερό απιονισµένο για να µην έχουµε επικαθίσεις αλάτων. Η τροφοδοτική αντλία (28) συµπιέζει το νερό, που έχει ήδη προθερµανθεί στους π.χ. 250 C, στην ατµογεννήτρια (9). Από την αντλία (28) µέχρι τον στρόβιλο (14) έχουµε, αν παραλείψει κανείς τις απώλειες τριβών, ενιαία πίεση π.χ. 180 bar. Στην ατµογεννήτρια (9) το νερό ατµοποιείται στους 356 C και διαχωρίζεται ο ατµός από το νερό. Ο ατµός υπερθερµαίνεται ακολούθως στον εναλλάκτη (10) στους π.χ. 540 C. Μετά τον εναλλάκτη (10) έχουµε ατµό µέγιστης ενθαλπίας. Ο ατµός µετά την υπερθέρµανση του λέγεται φρέσκος ή ζωντανός ατµός. Ακολούθως εισάγεται ο ατµός στο στρόβιλο. Ο στρόβιλος έχει συχνά τρία τµήµατα, της υψηλής (14) της µέσης (15) και χαµηλής πίεσης (16). Τα τµήµατα αυτά λέγονται στρόβιλος υψηλής, µέσης και χαµηλής πίεσης. Ο ατµός εκτονώνεται πρώτα στο τµήµα υψηλής πίεσης και ακολούθως εισάγεται διαδοχικά στα άλλα τµήµατα (15) και (16) για να εκτονωθεί εκεί. Στην έξοδο του στροβίλου χαµηλής πίεσης (16)έχουµε περίπου κενό p=0.005 bar και θερµοκρασία λίγο πάνω από την θερµοκρασία του περιβάλλοντος, π.χ. 35 C. Το κενό δηµιουργείται στο ψυγείο ή συµπυκνωτή (23). Ο ατµός που µπαίνει στο ψυγείο (23) συµπυκνώνεται πάνω στον ψυχρό εναλλάκτη θερµότητας που διαρρέεται από ψυχρό νερό. Στο ψυγείο γίνεται η αποβολή της µη χρησιµοποιηθείσας θερµότητας που πηγαίνει τελικά στον πύργο ψύξης (21). Ο πύργος ψύξης µεταφέρει ανάλογα µε τον βαθµό απόδοσης περί τα 60%-80% της θερµότητας που παράγεται από την καύση στο περιβάλλον. Αντί του πύργου ψύξης µπορεί το αποβαλλόµενο ποσό θερµότητας να οδηγηθεί σε στάσιµα ή τρεχούµενα νερά, π.χ. λίµνες, θάλασσες, ποτάµια. Σχήµα 2.4: Συγκρότηση ενός ατµοηλεκτρικού σταθµού (ΑΗΣ) [6] 1.καµινάδα 2.ανεµιστήρας ελκυσµού καπνοδόχου 3.φίλτρο 4.ανεµιστήρας αέρα καύσης 5.προθερµαντής αέρα 6.κονιορτοποιητικός µύλος άνθρακα 7.καυστήρας 8.λέβητας 9.ατµογεννήτρια 10.υπερθερµαντής ατµού 11.επαναθέρµανση ατµού 12,13.βαλβίδες ρύθµισης και ασφάλειας ΥΠ και ΜΠ 14,15,16.στρόβιλοι υψηλής, µέσης και χαµηλής πίεσης 17.γεννήτρια 18.διεγέρτρια 19.ΜΣ µονάδας 20.ΜΣ ιδιοκατανάλωσης 21.πύργος ψύξης 22.κυκλοφορητής νερού ψύξης 23.συµπυκνωτής (ψυγείο) 24.κυκλοφορητής συµπυκνώµατος 25,26.προθερµαντές νερού (ΜΠ, ΧΠ) µε αποµάστευση ατµού 27.διαχωριστής ατµού-νερού 28.ανλία τροφοδοσίας λέβητα 29.προθερµαντής νερού (ΥΠ). 13

14 Ο συµπυκνωµένος ατµός, οδηγείται µε κυκλοφορητή (24) στους εναλλάκτες που προθερµαίνουν το νερό, προθερµαντές (25, 26, 29). Προθέρµανση του νερού γίνεται από τους 35 C στην θερµοκρασία των 250 C µε αποµαστεύσεις του ατµού. Για την προθέρµανση του νερού χρησιµοποιούνται επίσης εναλλάκτες που βρίσκονται στην έξοδο του λέβητα και δεν φαίνονται στο σχήµα. Το νερό συµπιέζεται τελικά στο λέβητα στην πίεση των, π.χ. 180 bar, µε την αντλία τροφοδοσίας λέβητα που είναι και η µεγαλύτερη, µετά το στρόβιλο, µηχανή σ έναν ΑΗΣ. Πάνω σε κοινό άξονα µε τις βαθµίδες των στροβίλων βρίσκεται η γεννήτρια (17) και η διεγέρτρια της γεννήτριας (18). Η έξοδος της γεννήτριας συνδέεται στον υποσταθµό του εργοστασίου µε τις άλλες µονάδες και µε το δίκτυο. Η τάση της γεννήτριας κυµαίνεται από 6-30 kv. Αυτή ανυψώνεται στην τάση που απαιτείται για τη µεταφορά ηλεκτρικής ισχύος µε ειδικό µετασχηµατιστή (19), τον µετασχηµατιστή γεννήτριας ή µετασχηµατιστή µονάδας ΚΑΥΣΤΗΡΕΣ ΑΗΣ Στους ΑΗΣ ο άνθρακας καίγεται σε ειδικούς καυστήρες, υπό µορφή σωµατιδίων που λούονται από ρεύµα οξειδωτικού αερίου, συνήθως ατµοσφαιρικού αέρα. Οι καυστήρες άνθρακα είναι τριών κυρίως τύπων: 1. Καυστήρες Σταθερής Κλίνης. Στα συστήµατα αυτά η καύση γίνεται µέσα σε ένα δοχείο το οποίο τροφοδοτείται συνεχώς µε άνθρακα σε κοκκώδη µορφή. Η στιβάδα (κλίνη) των κόκκων διαρρέεται από το οξειδωτικό αέριο, δηλαδή αέρα, που περιέχει το αναγκαίο οξυγόνο για να συντηρήσει την καύση. Το σύστηµα ανάφλεξης βρίσκεται συνήθως τοποθετηµένο στην κατώτερη περιοχή του καυστήρα. Το ρεύµα αέρα µπορεί να είναι ανερχόµενο ή κατερχόµενο. Το κατερχόµενο ρεύµα πλεονεκτεί κατά το ότι εµποδίζει την διαφυγή προς τα άνω άκαυστων πτητικών, επειδή τα παρασύρει προς τον πυθµένα, δηλαδή προς την ζώνη ανάφλεξης. 2. Καυστήρες Ρευστοποιηµένης Κλίνης. Ο άνθρακας, αφού λειοτριβηθεί µέχρι µεγέθους κόκκων 2-3 mm, διοχετεύεται σε καυστήρες όπου τα σωµατίδια καίγονται ευρισκόµενα σε αιώρηση µέσα σε ανερχόµενο ρεύµα αέρα. Λόγω της συνεχούς ανάδευσης του µίγµατος αέρα - σωµατιδίων, επιτυγχάνονται υψηλοί ρυθµοί αγωγής θερµότητας προς τα τοιχώµατα του καυστήρα. Το αποτέλεσµα είναι ότι τα συστήµατα αυτά µπορούν να λειτουργούν σε θερµοκρασίες C, που είναι χαµηλότερες από αυτές των σταθερών κλινών. Το βασικό µειονέκτηµα των ρευστοποιηµένων κλινών είναι το αυξηµένο εγκατεστηµένο κόστος, το οποίο µεταξύ των άλλων οφείλεται και στον πρόσθετο εξοπλισµό (κυρίως κυκλώνες), που απαιτείται για την παγίδευση και επαναδιοχέτευση στην τροφοδοσία των παρασυρόµενων από τον αέρα ελαφρών αλλά ατελών καµένων σωµατιδίων άνθρακα. Επίσης, η ανάγκη για χρήση συµπιεστών που επιταχύνουν το ρευστό αιώρησης, δηλαδή τον αέρα, συνεπάγεται αύξηση τόσο του εγκατεστηµένου όσο και του λειτουργικού κόστους. 3. Καυστήρες Ρεύµατος Παράσυρσης. Τα σωµατίδια του λειοτριβηµένου άνθρακα παρασύρονται στο χώρο καύσης από ρεύµα αερίου (συνήθως αέρα), το 14

15 οποίο ρέει µε ταχύτητα της τάξης των 30 m/s. Η θερµοκρασία λειτουργίας είναι σχετικά υψηλή ( C) µε αποτέλεσµα οι συγκεντρώσεις των παραγόµενων NO x να κυµαίνονται σε υψηλά επίπεδα. Το βασικό πλεονέκτηµα αυτών των καυστήρων είναι ότι επιτυγχάνουν µεγάλους ρυθµούς έκλυσης θερµότητας, µε τίµηµα όµως την επιβάρυνση του κόστους από τις ενεργοβόρες συσκευές συµπίεσης και επιτάχυνσης του φέροντος αερίου ΑΠΟ ΟΣΗ - ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ Οι µέχρι σήµερα εφαρµοζόµενες µέθοδοι που χρησιµοποιούνται για την µετατροπή της θερµογόνου δύναµης του άνθρακα λειτουργούν µε βάση τον θερµοδυναµικό κύκλο Clausius-Rankine και η απόδοσή τους είναι στην καλύτερη περίπτωση µεταξύ 39 47% [7]. Πολλοί λόγοι συνηγορούν στις προσπάθειες για βελτίωση του βαθµού απόδοσης ενός εργοστασίου παραγωγής Η.Ε: οικονοµικοί. Το κόστος της ενέργειας επηρεάζει το τελικό κόστος των προϊόντων κατά την παραγωγική διαδικασία. Ο µεγαλύτερος βαθµός απόδοσης ενός ΑΗΣ επιτρέπει την οικονοµική αξιοποίηση εγχώριων κοιτασµάτων µε µικρότερη περιεκτικότητα, όπως η τύρφη, περιβαλλοντικοί. Ο µικρός βαθµός απόδοσης σηµαίνει µεγάλη διαφυγή ενέργειας υπό µορφή θερµότητας στο περιβάλλον, απαιτεί περισσότερα καύσιµα, µε αποτέλεσµα περισσότερα καυσαέρια, και εξάντληση των µη ανανεώσιµων αποθεµάτων, εθνικοί. Η εξοικονόµηση των εγχώριων πόρων που µπορεί να επιτευχθεί από την πιο αποδοτική τους χρησιµοποίηση, καθιστά δυνατή την αποφυγή της εξάρτησης της χώρας από καύσιµα εισαγόµενα µεγαλύτερης θερµογόνου δύναµης. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας διατυπώθηκαν διάφορες προτάσεις προς την κατεύθυνση της βελτίωσης του βαθµού απόδοσης. Κάποιες από αυτές εφαρµόζονται µε επιτυχία στην πράξη και τροποποιούνται συνεχώς, όπως είναι οιµονάδες συνδυασµένου κύκλου, η πρόταξη αεριοστροβίλων στις λιγνιτικές µονάδες, η συµπαραγωγή ηλεκτρισµού-θέρµανσης ή -ψύξης. Κάποιες νέες τεχνολογίες εξετάζονται ακόµη µε επιφύλαξη από τις εταιρείες παραγωγής, λόγω του µεγάλου κόστους εγκατάστασης που απαιτείται (π.χ. fuel cells), υπάρχει όµως γενικά η αισιοδοξία ότι σύντοµα η έρευνα για την ανάπτυξή τους θα εξαλείψει τις όποιες επιφυλάξεις και θα τις καταστήσει τεχνολογικά και οικονοµικά πιο προσιτές ΜΟΝΑ ΕΣ ΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΟΥ Στα πλαίσια της προσπάθειας για αύξηση του θερµικού βαθµού απόδοσης των Θερµο- Ηλεκτρικών Σταθµών (ΘΗΣ), αντί της αποκλειστικής χρήσης ατµοστροβίλων, έχει προταθεί η συνδυασµένη χρήση ατµοστροβίλων και αεριοστροβίλων. Σύµφωνα µε το σχέδιο αυτό, τα θερµά καυσαέρια, αντί να χρησιµοποιούνται για ατµοπαραγωγή, διοχετεύονται απευθείας σε αεριοστροβίλους οι οποίοι δίνουν κίνηση στις ηλεκτρογεννήτριες. Παράλληλα µε τους αεριοστροβίλους λειτουργούν και ατµοστρόβιλοι. Ο ατµός παράγεται χρησιµοποιώντας τη θερµότητα, που ούτως ή άλλως θα εξέπεµπε προς τα έξω ο 15

16 καυστήρας, και η οποία σε κάθε άλλη περίπτωση θα έµενε αναξιοποίητη (waste heat). Χάρη στην τεχνολογία αυτή, το υψηλό ενεργειακό περιεχόµενο των καυσαερίων αξιοποιείται άµεσα, χωρίς παρεµβολή του σταδίου της ατµοπαραγωγής, που εισάγει ενεργειακές απώλειες. Συµπληρωµατικά χρησιµοποιείται και η θερµότητα που αλλιώς θα απορριπτόταν στο περιβάλλον. Το αποτέλεσµα είναι αυξηµένοι βαθµοί απόδοσης. Το πρόβληµα είναι ότι για την απρόσκοπτη λειτουργία των αεριοστροβίλων, απαιτείται το καυσαέριο να είναι απαλλαγµένο από αιωρούµενα σωµατίδια, πράγµα που είναι δύσκολο έως αδύνατον να επιτευχθεί όταν το καύσιµο που χρησιµοποιείται είναι άνθρακας σε στερεά µορφή. Το γεγονός αυτό αποτέλεσε ένα από τα κίνητρα για την ανάπτυξη τεχνολογιών παραγωγής καυσίµου αερίου από άνθρακα ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΘΡΑΚΑ Προκειµένου να παραχθεί από άνθρακα ένα καθαρό καύσιµο κατάλληλο για τους αεριοστροβίλους των µονάδων συνδυασµένου κύκλου, µια λύση που έχει τύχει ευρείας αποδοχής είναι η αεριοποίηση του άνθρακα. Η ιδέα της παραγωγής καυσίµου αερίου από άνθρακα χρονολογείται από το 1860 περίπου. Με τον όρο αεριοποίηση εννοούµε την παραγωγή αερίου από αντίδραση του άνθρακα µε οξυγόνο και υδρατµό. Κατά την αεριοποίηση µετατρέπεται σε αέριο όλη η οργανική ύλη του άνθρακα και όχι µόνον τα πτητικά, όπως συµβαίνει στην απόσταξή του. Οι αντιδράσεις αεριοποίησης προχωρούν µε υπολογίσιµους ρυθµούς σε θερµοκρασία άνω των 815 C και είναι: C + O 2 CO 2 C + CO 2 2CO C + H 2 O CO + H 2 CO + H 2 O CO 2 + H 2 Σε θερµοκρασίες άνω των 1150 C και αυξηµένη πίεση λαµβάνει χώρα και η αντίδραση παραγωγής µεθανίου: C + 2H 2 CH 4 Έτσι το παραγόµενο αέριο είναι µίγµα µονοξειδίου του άνθρακα, διοξειδίου του άνθρακα, υδρογόνου και µεθανίου. Ως αντιδραστήρια για την αεριοποίηση χρησιµοποιούνται υδρατµοί και ατµοσφαιρικός αέρας, λόγω του οποίου στο προϊόν εµφανίζεται και µεγάλο ποσοστό αζώτου. Αν αντί αέρα χρησιµοποιηθεί καθαρό οξυγόνο, το τελικό αέριο είναι απαλλαγµένο από άζωτο, αυτή όµως η λύση είναι πολύ ακριβή και ενδιαφέρει κυρίως όταν το αέριο προορίζεται να αποτελέσει πρώτη ύλη για οργανικές συνθέσεις (syngas), και όχι για καύσιµο. Ουσίες όπως χλωρίδια και ανθρακικά άλατα του καλίου και του νατρίου, καθώς και ορισµένα οξείδια µετάλλων, καταλύουν τη διάσπαση των υδρατµών και την αντίδραση υδρατµού - άνθρακα. Μπορούν έτσι να επιφέρουν αύξηση του ρυθµού αεριοποίησης από 20 ως 60%. Η χρήση καταλυτών όµως απαιτεί την καλύτερη προετοιµασία του άνθρακα καθώς και το σχεδιασµό διεργασιών για την ανάκτηση και αναγέννησή τους. 16

17 Η αεριοποίηση είναι µια διεργασία συνολικά ενδόθερµη, χρειάζεται δηλαδή προσφορά θερµότητας για να λάβει χώρα. Η θερµότητα αυτή µπορεί να παράγεται από καύση µέρους άνθρακα ή του παραγόµενου αερίου. Αν η καύση λαµβάνει χώρα µέσα στον αντιδραστήρα αεριοποίησης (αεριογόνο) τότε έχουµε τη λεγόµενη αυτόθερµη αεριοποίηση. Αν η θερµότητα παρέχεται εξωτερικά (οπότε µπορεί να παράγεται και από κάποιο τρίτο καύσιµο), έχουµε την αλλόθερµη αεριοποίηση. Τα αεριογόνα είναι ουσιαστικά διφασικοί χηµικοί αντιδραστήρες στερεού - αερίου. Οι δυνατοί τύποι ποικίλουν από σταθερές ή ρευστοαιωρούµενες κλίνες µέχρι και περιστροφικούς κλιβάνους. Η σύσταση, και εποµένως η θερµογόνος δύναµη, του παραγόµενου αερίου, εξαρτάται από την πρώτη ύλη και τις παραµέτρους λειτουργίας του αεριογόνου. Το παραγόµενο αέριο µπορεί να περιέχει και ανεπιθύµητες προσµίξεις όπως π.χ. υδρόθειο (H 2 S), οπότε πρέπει να καθαριστεί πριν χρησιµοποιηθεί ως καύσιµο. Η αεριοποίηση, λόγω του ότι συνδυάζει την καθαρή καύση και τους υψηλούς βαθµούς απόδοσης, έχει αρχίσει να κερδίζει έδαφος παγκοσµίως, αν και οι µεγάλες εταιρείες ηλεκτροπαραγωγής την αντιµετωπίζουν ακόµα διστακτικά, κυρίως λόγω του ότι έχουν µικρή εµπειρία στο χώρο της χηµικής τεχνολογίας. Στη χώρα µας έχει ήδη γίνει µια πολύ σοβαρή προσπάθεια για καλύτερη αξιοποίηση του εγχώριου λιγνίτη µέσω της ανάπτυξης µιας ελληνικής τεχνολογίας αεριοποίησης ΑΛΛΟΘΕΡΜΙΚΗ ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΕΛΛΗΝΙΚΩΝ ΛΙΓΝΙΤΩΝ ΕΝΤΟΣ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΟΥ ΚΛΙΒΑΝΟΥ Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του ελληνικού λιγνίτη, καθώς και η εµπειρία από την λειτουργία των ήδη υπαρχόντων αυτόθερµων αεριογόνων, οδήγησαν στη δηµιουργία των ακόλουθων κριτηρίων για την επιλογή της κατάλληλης µεθόδου αεριοποίησης του ελληνικού λιγνίτη: 1. Η µονάδα ξήρανσης λιγνίτη πρέπει να είναι και ατµοπαραγωγός για το αεριογόνο. 2. Ο αντιδραστήρας πρέπει να είναι σε θέση να δεχτεί την ευρύτερη κατανοµή µεγέθους σωµατιδίων λιγνίτη. 3. Η µέθοδος δεν πρέπει να απαιτεί την χρήση καθαρού οξυγόνου. 4. Η µέθοδος πρέπει να έχει τον απλούστερο δυνατό σχεδιασµό και τις καλύτερες προοπτικές διαθεσιµότητας. Με βάση τα ανωτέρω κριτήρια διαπιστώθηκε ότι οι αυτόθερµοι µέθοδοι αεριοποίησης, που είναι ήδη σε εµπορική εφαρµογή, παρουσιάζουν σηµαντικά µειονεκτήµατα. Για τον λόγο αυτό εξελίχτηκε µια νέα µέθοδος αξιοποιώντας τα πλεονεκτήµατα της αλλοθερµικής αεριοποίησης και την αξιόπιστη τεχνολογία των περιστροφικών κλιβάνων. Πιο συγκεκριµένα, τα σηµαντικότερα από αυτά τα πλεονεκτήµατα είναι: υνατότητα ταυτόχρονης ξήρανσης, πυρόλυσης και αεριοποίησης εντός του αεριογόνου, πράγµα που καθιστά δυνατή την τροφοδοσία του λιγνίτη στο αεριογόνο όπως είναι και χρησιµοποίηση του παραγόµενου ατµού από την 17

18 ξήρανση ως µέσο αεριοποίησης, καταργώντας έτσι την απαίτηση για χωριστή µονάδα ατµοπαραγωγής. υνατότητα χρήσης αέρα στην καύση για την παραγωγή της απαιτούµενης θερµότητας, και όχι καθαρού οξυγόνου. Η αντίδραση αεριοποίησης και καύσης στα αλλόθερµα αεριογόνα δεν λαµβάνουν χώρα µέσα στον ίδιο χώρο. Κατά συνέπεια, εκτός της αυξηµένης θερµογόνου δύναµης του παραγόµενου αερίου, συνεπάγεται και όφελος από τη µείωση του όγκου του παραγόµενου αερίου και των εγκαταστάσεων καθαρισµού. υνατότητα αξιοποίησης οποιουδήποτε καυσίµου και ανακτώµενης θερµότητας από άλλες διεργασίες για την παραγωγή της απαιτούµενης θερµότητας και τη διατήρηση του αεριογόνου στις απαιτούµενες θερµοκρασίες. Άρα, υπάρχει το επιπλέον πλεονέκτηµα της ευελιξίας στη θερµική ολοκλήρωση της αεριοποίησης και του συνδυασµένου κύκλου για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σχετικά µε τον τύπο του αντιδραστήρα αλλοθερµικής αεριοποίησης, η τεχνολογία των περιστροφικών κλιβάνων παρουσιάζει σηµαντικά πλεονεκτήµατα. Ο βαθµός εκµετάλλευσης του διαθέσιµου χώρου του, αν και χαµηλός, είναι συγκρίσιµος µε αυτόν των αντιδραστήρων τύπου ρευστοστερεάς κλίνης. Πιο συγκεκριµένα, ο περιστροφικός κλίβανος προσφέρει: 1. Την δυνατότητα να επεξεργαστεί τον λιγνίτη χωρίς καµιά προκατεργασία όσον αφορά την κατανοµή του µεγέθους των σωµατιδίων του. 2. Ικανοποιητική ανάµειξη των φάσεων στο εσωτερικό του κλιβάνου, χάρη στη δυνατότητα χρησιµοποίησης πτερυγίων. 3. Μεγάλη ευελιξία στη λειτουργία του λόγω της ελεγχόµενης ατµόσφαιρας στο εσωτερικό του. Έτσι, θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί, ανάλογα µε τις συνθήκες λειτουργίας, για την ξήρανση, πυρόλυση και αεριοποίηση του άνθρακα. 4. Απλότητα στο σχεδιασµό και την κατασκευή, και ένα εξαίρετο ιστορικό λειτουργίας, κυρίως στη βιοµηχανία τσιµέντου. Ο λιγνίτης τροφοδοτείται από το σιλό αποθήκευσης στο αεριογόνο µέσω αυτόµατης ζυγιστικής διάταξης και ανέµης σταγώνωσης για την αποφυγή εισροής αέρα στο εσωτερικό του κλιβάνου µέσω της οδού τροφοδοσίας. Ο κλίβανος θερµαίνεται µε την βοήθεια εξωτερικών καυστήρων αερίου. Το παραγόµενο αέριο µετά τον καθαρισµό του σε κυκλώνα και πλυντρίδα για την κατακράτηση αιωρούµενων σωµατιδίων και υγρών παραπροϊόντων, εν µέρει ανακυκλώνεται στους καυστήρες αερίου χρησιµοποιούµενο για την θέρµανση του αεριογόνου, ενώ το υπόλοιπο είναι διαθέσιµο για χρήση. Η µέθοδος δοκιµάστηκε σε πιλοτική πειραµατική µονάδα στις εγκαταστάσεις της ΕΗ στο Μαρκόπουλο Αττικής, όπου προέκυψαν τα εξής συµπεράσµατα σχετικά µε την απόδοσή της: Η αλλοθερµική µέθοδος αεριοποίησης ελληνικών λιγνιτών εντός περιστροφικού κλιβάνου ALKiGAS απέδειξε µε επιτυχία τη δυνατότητα µετατροπής του χαµηλής ποιότητας ελληνικού λιγνίτη σε καύσιµο αέριο. Το παραχθέν αέριο σε όλη την κλίµακα των θερµοκρασιών της πειραµατικής λειτουργίας ( C), µπορεί να χαρακτηριστεί σαν ένα µέσης θερµογόνου δύναµης καύσιµο αέριο. Η θερµογόνος δύναµη του παραγόµενου αερίου κυµαίνεται µεταξύ MJ/Nm 3 [40]. Η 18

19 µετατροπή του λιγνίτη σε καύσιµο αέριο ευνοείται ιδιαίτερα στις υψηλές θερµοκρασίες[1] ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ- ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ Η ΨΥΞΗΣ Κατά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τους θερµικούς σταθµούς, ένα µεγάλο µέρος της αποδιδόµενης από το καύσιµο ενέργειας χάνεται µε την µορφή θερµότητας στο περιβάλλον (65-70%). Η θερµότητα που εκπέµπεται µπορεί εν µέρει µόνο να αξιοποιηθεί για την βελτίωση του βαθµού απόδοσης του σταθµού, µε χρησιµοποίηση της για την ξήρανση του καυσίµου. Γίνεται φανερή η ανάγκη για εξεύρεση τρόπων αξιοποίησης όλης ή έστω κάποιου σηµαντικού µέρους αυτής της χαµένης ενέργειας. Η καλύτερη λύση της αξιοποίησης της θερµότητας που απορρίπτεται από τους θερµικούς σταθµούς είναι η χρησιµοποίησή της ως έχει σε καταναλωτές θερµικής ενέργειας, εξοικονοµώντας αντίστοιχα τα καύσιµα που θα απαιτούνταν για την παραγωγή της, τα οποία µάλιστα είναι κυρίως εισαγόµενα (πετρέλαιο, λιθάνθρακας, φυσικό αέριο). Οι µέθοδοι που αξιοποιείται είναι η τηλεθέρµανση, η τροφοδοσία µε ζεστό νερό ξενοδοχείων, κολυµβητηρίων, µονάδων αφαλάτωσης κ.α., ή η παροχή ατµού υψηλής ενθαλπίας σε ενεργοβόρες βιοµηχανίες. Η πιο οργανωµένη αξιοποίηση της ενέργειας που αποβάλλεται µπορεί να γίνει σε κατάλληλα σχεδιασµένους χώρους λειτουργίας διαφόρων βιοµηχανικών µονάδων, τα ενεργειακά πάρκα. Η πρώτη προσπάθεια ανάκτησης θερµότητας γίνεται µε την τηλεθέρµανση περιοχών που βρίσκονται κοντά σε ΑΗΣ, όπως το Αµύνταιο, η Κοζάνη και η Πτολεµαΐδα στην χώρα µας. Αυτό επιτυγχάνεται µέσω αποµάστευσης ατµού χαµηλής πίεσης και θερµοκρασίας. Ο συντελεστής ανάκτησης θερµότητας HRR, που δείχνει πόσα θερµικά MW παράγονται για απώλεια 1 MWe είναι 4-5 για ήδη λειτουργούντες ΑΗΣ χωρίς πρόβλεψη αποµάστευσης ατµού από κατασκευής και 7-9 για ΑΗΣ που κατασκευάστηκαν µε αυτή την πρόβλεψη[1]. Ήδη από το 1993 άρχισαν να λειτουργούν συστήµατα τηλεθέρµανσης στις πόλεις της Κοζάνης και της Πτολεµαΐδας. Έγιναν οι κατάλληλες µετατροπές στους ήδη λειτουργούντες ΑΗΣ και κατασκευάστηκαν αγωγοί µεταφοράς από τους σταθµούς προς την πόλη, αντλιοστάσια µεταφοράς και διανοµής και δίκτυο διανοµής της πόλης. Και στις δύο πόλεις τα έργα χρηµατοδοτήθηκαν κατά ένα µεγάλο µέρος από το κοινοτικό πρόγραµµα VALOREN. Τα αποτελέσµατα είναι αισθητά στους κατοίκους των δύο πόλεων: 1. Το κόστος της θέρµανσης είναι χαµηλότερο για τον τελικό καταναλωτή. (Η τιµολόγηση στην Κοζάνη ανέρχεται στο 65% του κόστους θέρµανσης µε πετρέλαιο). 2. Η θέρµανση πραγµατοποιείται χωρίς τις εγκαταστάσεις καυστήρων και δεξαµενών πετρελαίου σε κάθε οικοδοµή, άρα καθαρότερα για τον καταναλωτή και πιο αξιόπιστα, αφού τον απαλλάσσουν από τις συντηρήσεις των καυστήρων και την τροφοδοσία µε καύσιµα. 3. Ελαττώθηκε η επιβάρυνση της ατµόσφαιρας από εκποµπές αερίων, όπως το SO 2, το CO 2, που είναι τα προϊόντα της καύσης σε καυστήρες µαζούτ και πετρελαίου και ρυπαίνουν αισθητά τον χειµώνα τον αέρα των πόλεων. 19

20 4. Για την χώρα είχε σαν αποτέλεσµα την εξοικονόµηση συναλλάγµατος. Ιδιαίτερη περίπτωση αποτελεί ο ΑΗΣ Αµυνταίου, ο µόνος για τον οποίο υπήρχε εξαρχής πρόβλεψη για αποµάστευση ατµού θερµικής ισχύος 35 Gcal/h από κάθε έναν από τους 2 στροβίλους του ΑΗΣ, καθώς και ο απαραίτητος χώρος για την εγκατάσταση του σχετικού εξοπλισµού (εναλλάκτες, αντλίες κλπ). Η µελέτη όµως έδειξε ότι το έργο δεν είναι βιώσιµο λόγω της µικρής θερµικής ζήτησης της πόλης. Υπάρχει όµως η πρόταση για εγκατάσταση Ενεργειακών Πάρκων στην περιοχή, όπου θα εγκατασταθούν θερµοβόρες οικονοµικές δραστηριότητες συµπληρωµατικές προς την τηλεθέρµανση. Η εφαρµογή της τηλεθέρµανσης θα πρέπει να γίνεται µετά από ολοκληρωµένη µελέτη της βιωσιµότητας του έργου, λόγω του ότι η απόδοση του ΑΗΣ µειώνεται προς όφελος βέβαια της παραγόµενης θερµικής ενέργειας. Στο Σχήµα 2.4 [34] παρατηρούµε την σύγκριση ενός συµπαραγωγικού σταθµού µε έναν κλασικό ηλεκτροπαραγωγικό σταθµό. Σχήµα 2.5: Σύγκριση απόδοσης κλασικού- συµπαραγωγικού σταθµού [34] 20

21 2.4.3.ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΠΑΡΚΑ Ενεργειακό πάρκο (Ε.Π.) είναι ένα σύµπλεγµα δραστηριοτήτων σε µια περιορισµένη έκταση, που δέχεται πρωτογενείς µορφές ενέργειας και τις µετατρέπει σε άλλες µορφές ενέργειας ή και χρήσιµα ενεργειακά προϊόντα, που στη συνέχεια διαθέτει σε πελάτες-καταναλωτές µέσα στο Ε.Π. ή κοντά σ αυτό. Το κύριο πλεονέκτηµα των Ε.Π. είναι ότι επιτυγχάνεται µείωση του κόστους της ενέργειας µε αντίστοιχη µείωση τους κόστους παραγωγής των βιοµηχανιών- πελατών και εποµένως βελτίωση της ανταγωνιστικότητάς τους. Ένα ενεργειακό πάρκο µπορεί να περιλαµβάνει και µονάδες αποθήκευσης ενέργειας διαφόρων µορφών (µπαταρίες, αποθηκευτήρες θερµότητας, υδροαντλητικές δεξαµενές κλπ), µε κριτήριο πάντα την αποδοτικότερη και πιο αξιόπιστη λειτουργία του ακόµη και για τα φορτία αιχµής. Οι µονάδες παραγωγής ενέργειας µπορεί να είναι ΑΗΣ, πυρηνικοί σταθµοί, αιολικά πάρκα, σταθµοί φωτοβολταϊκών στοιχείων, γεωθερµία ή συνδυασµοί τους, ανάλογα µε τους διαθέσιµους πόρους της περιοχής του Ε.Π. Η περίσσεια της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται σε ένα Ε.Π. µπορεί να διατίθεται στο ίκτυο, και σε περιόδους αιχµής φορτίου να καλύπτεται από αυτό ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS) Από την δεκαετία του 60 η ανάγκη για πηγές ηλεκτρικής ενέργειας µικρού µεγέθους και υψηλής απόδοσης, κυρίως για εξοπλισµό διαστηµοπλοίων και πολεµικών αεροσκαφών, οδήγησε στη δηµιουργία µιας νέας γενιάς συσσωρευτών, των λεγόµενων κυψελών καυσίµου. Οι συσσωρευτές αυτοί βασίζονται στην κατανάλωση υδρογόνου, το οποίο οξειδούµενο προς νερό, δηµιουργεί ρεύµα ηλεκτρονίων. Η λογική βάσει της οποίας λειτουργούν είναι ίδια µε αυτή των κοινών συσσωρευτών, µόνο που στην περίπτωση των κυψελών καυσίµου η ουσία- ηλεκτρονιοδότης ανανεώνεται µε συνεχή ροή. Σήµερα υπάρχουν διάφορες τεχνολογίες κυψελών καυσίµου που παίρνουν το όνοµά τους από το είδος του ηλεκτρολύτη που χρησιµοποιούν: Αλκαλικές κυψέλες καυσίµου (Alkaline Fuel Cells-AFC). Η αλκαλική κυψέλη καυσίµου (Κ.Κ.) χρησιµοποιεί αλκαλικό ηλεκτρολύτη όπως π.χ. υδροξείδιο του καλίου (ΚΟΗ). Χρησιµοποιήθηκε αρχικά από τη NASA σε διαστηµικές αποστολές. Τα διαστηµικά λεωφορεία της NASA χρησιµοποιούν αλκαλικές Κ.Κ. Κυψέλες καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cells-PEMFC). Αυτές οι Κ.Κ. χρησιµοποιούν πολυµερή µεµβράνη σαν ηλεκτρολύτη, µε πλατινένια ηλεκτρόδια. Λειτουργούν σε σχετικά χαµηλές θερµοκρασίες και µπορούν να µεταβάλλουν την ισχύ εξόδου τους ώστε να ανταποκρίνονται σε άµεσες απαιτήσεις ισχύος. Αυτές οι κυψέλες έχουν µια αρκετά συµπαγή κατασκευή κατάλληλη για εφαρµογές κίνησης οχηµάτων αλλά και για εφαρµογές αυτόνοµων οικιακών χρηστών. Ονοµάζονται επίσης και πολυµερικές ηλεκτρολυτικές Κ.Κ. (PEFC). 21

22 Κυψέλες καυσίµου µεθανόλης (Direct Methanol Fuel Cells-DMFC). Είναι ένας, σχετικά, νέος τύπος Κ.Κ. παρόµοιος µε το PEMFC ως προς το ότι χρησιµοποιεί και αυτή πολυµερή µεµβράνη σαν ηλεκτρολύτη. Ωστόσο, ένας καταλύτης στην άνοδο του DMFC παράγει υδρογόνο από την υγρή µεθανόλη, εξαλείφοντας την ανάγκη ενός αναµορφωτή καυσίµου (για παραγωγή υδρογόνου). Έτσι, µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν καύσιµο καθαρή µεθανόλη. Κυψέλες καυσίµου ανθρακικού διαλύµατος υψηλής θερµοκρασίας (Molten Carbonate Fuel Cells-MCFC). Χρησιµοποιεί ένα τηγµένο ανθρακικό άλας σαν ηλεκτρολύτη. Έχει τη δυνατότητα να χρησιµοποιεί σαν καύσιµο µεθάνιο, φυσικό αέριο ή αέρια παράγωγα γαιανθράκων. Η θερµοκρασία λειτουργίας τους ανέρχεται στους 650 ο C. Αυτές οι Κ.Κ. µπορούν να λειτουργήσουν µέχρι και µε 60% απόδοση που µπορεί να φτάσει και το 80% αν αξιοποιηθεί και η πλεονάζουσα θερµότητα. Κυψέλες καυσίµου φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cells-PAFC). Μία Κ.Κ. φωσφορικού οξέος αποτελείται από µια άνοδο και µια κάθοδο από άνθρακα καλυµµένο µε καταλύτη πλατίνας και µια κατασκευή από καρβίδιο του πυριτίου που συγκρατεί τον ηλεκτρολύτη φωσφορικού οξέος. Αυτός είναι ο περισσότερο εµπορικά ανεπτυγµένος τύπος Κ.Κ. και χρησιµοποιείται σε πολλά εµπορικά κτίρια για την παροχή ηλεκτρικής ισχύος. Τα Σ.Κ. φωσφορικού οξέος µπορούν να χρησιµοποιηθούν και σε µεγάλα οχήµατα, όπως για παράδειγµα σε λεωφορεία. Έχουν κατασκευαστεί πάνω από 200 µονάδες έως το τέλος του Κυψέλες καυσίµου στερεών οξειδίων (Solid Oxide Fuel Cells-SOFC). Αυτές οι Κ.Κ. λειτουργούν σε ακόµη µεγαλύτερες θερµοκρασίες από τις Κ.Κ. ανθρακικού διαλύµατος. Χρησιµοποιούν κεραµικό ηλεκτρολύτη, όπως το οξείδιο του ζιρκονίου σταθεροποιηµένο µε οξείδιο του υττρίου, αντί υγρού και λειτουργούν σε θερµοκρασία 800 µε 1000 βαθµούς Κελσίου. ιαθέτουν εσωτερικό αναµορφωτή καυσίµου και δεν εκπέµπουν σχεδόν τίποτα στο περιβάλλον. Λόγω της υψηλής τους απόδοσης (50 65%) προβλέπεται ότι στο µέλλον θα χρησιµοποιηθούν ευρέως. Στον Πίνακα 2.5 φαίνονται ορισµένα χαρακτηριστικά των διαφόρων τεχνολογιών κυψελών καυσίµου.[23] Προφανώς, οι Κ.Κ. έχουν ποικίλα πλεονεκτήµατα συγκρινόµενα µε τις συµβατικές πηγές ισχύος. Αν και κάποια από τα χαρακτηριστικά τους είναι αποτελεσµατικά µόνο για ορισµένες εφαρµογές, τα περισσότερα πλεονεκτήµατά τους είναι γενικά. Ορισµένα απ αυτά είναι: η ελάχιστη εκποµπή αερίων θερµοκηπίου, η δυνατότητα για διανεµηµένη παραγωγή Η.Ε., η υψηλή απόδοση και αθόρυβη λειτουργία σε σύγκριση µε τις µηχανές εσωτερικής καύσης και η απλή συντήρηση. Ωστόσο, η εµπορευµατοποίησή τους αντιµετωπίζει ορισµένα µειονεκτήµατα. Βασικό µειονέκτηµά τους είναι το µεγάλο τους κόστος.[23] Θα πρέπει να σηµειώσουµε πως οι τεχνολογίες Κ.Κ. µε υψηλή θερµοκρασία λειτουργίας (ανθρακικού διαλύµατος και κεραµικού καταλύτη) παράγουν στην κάθοδο υδρατµούς σε υψηλή θερµοκρασία. Έτσι, µπορούν να χρησιµοποιηθούν είτε σε σταθµούς συµπαραγωγής Η.Ε. & θερµότητας, είτε σε σταθµούς συνδυασµένου κύκλου Κ.Κ. & ατµοστροβίλου για µεγιστοποίηση της ηλεκτρικής απόδοσης. 22

23 Πίνακας 2.5: Χαρακτηριστικά διαφόρων τεχνολογιών [23] AFC DMFC MCFC PAFC PEMFC SOFC Ηλεκτρολύτης Τηγµένο Μεµβράνη Κεραµικός Υδροξείδιο του Πολυµερής Φωσφορικό ανθρακικό ανταλλαγής (στερεό καλίου µεµβράνη οξύ άλας ιόντων οξείδιο) Θερµοκρασία λειτουργίας ο C ο C 650 ο C 200 ο C 80 ο C 1000 ο C Απόδοση 45-60% 40% 45-60% 35-40% 40-60% 50-65% Τυπική Έως Έως 20kW <10kW >1MW >50kW ηλεκτρ. Ισχύς 250kW >200kW Οχήµατα, Σταθµοί Σταθµοί Σταθµοί Πιθανές Υποβρύχια Φορητές µικρές ηλεκτρο- ηλεκτρο- ηλεκτροεφαρµογές ιαστηµόπλοια συσκευές σταθ. παραγωγής παραγωγής παραγωγής µονάδες Κόστος εγκατάστασης Μ.. Μ (2003 /kw)[38] 22

24 3. ΠΕΤΡΕΛΑΙΟ Το πετρέλαιο άρχισε να «διαµορφώνεται» πριν από πολλά εκατοµµύρια χρόνια, τότε που η θάλασσα σκέπαζε ακόµη ένα µεγάλο µέρος από τις σηµερινές ηπείρους. Τα υπολείµµατα των διαφόρων οργανισµών που ζούσαν σ αυτές τις θάλασσες αναµίχθηκαν µε την λάσπη, τις πέτρες κ.λ.π. που κατέβαζαν τα ποτάµια από την στεριά, δηµιουργώντας σιγά-σιγά στρώµατα πάχους εκατοντάδων µέτρων στον βυθό. Οι τεράστιες γεωφυσικές ανακατατάξεις που έγιναν στον πλανήτη µας µε το πέρασµα του χρόνου είχαν σαν αποτέλεσµα την «παγίδευση» της απολιθωµένης οργανικής ύλης σε πορώδη στρώµατα, όπου κάτω από την επίδραση των πιέσεων, των υψηλών θερµοκρασιών και των βακτηριδίων «µεταµορφώθηκε» σε υγρούς υδρογονάνθρακες, σε πετρέλαιο. Το 1859 ο Αµερικανός Έντ.Ντρέηκ έκανε την πρώτη επιτυχή γεώτρηση στην Πενσυλβάνια των Η.Π.Α. Από τότε βέβαια έχει προχωρήσει πολύ η τεχνολογία στις µεθόδους αναζήτησης πετρελαίου, µε αποτέλεσµα σήµερα να έχουν επεκταθεί οι γεωτρήσεις ακόµη και στις θάλασσες και στους πάγους της Ανταρκτικής. Το πετρέλαιο είναι το καύσιµο, που λόγω της φύσης του βοήθησε στην ανάπτυξη της βιοµηχανίας και των µεταφορών. Στον τοµέα της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας χρησιµοποιήθηκε αρχικά σε µεγάλη έκταση, λόγω του χαµηλού κόστους του, αλλά µετά την ενεργειακή κρίση, την αύξηση της τιµής του και την συνειδητοποίηση ότι τα αποθέµατά του θα εξαντληθούν µέσα σε λίγες δεκαετίες, δηµιουργήθηκε η τάση του περιορισµού και της αντικατάστασής του από άλλες πηγές ενέργειας. Εξακολουθεί όµως σε πολλές περιπτώσεις να χρησιµοποιείται, λόγω των πλεονεκτηµάτων του έναντι άλλων πηγών. Είναι καύσιµο υψηλής θερµογόνου δύναµης, γι αυτό και είναι εύκολη η µεταφορά του σε αποµακρυσµένες περιοχές, όπως τα νησιά που δεν είναι στο διασυνδεδεµένο σύστηµα. Το αργό πετρέλαιο, δηλαδή το πετρέλαιο στη φυσική του µορφή, δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί. Η κατεργασία του γίνεται στα διυλιστήρια, όπου µε µια σειρά διεργασιών επιτυγχάνεται ο διαχωρισµός του σε υδρογονάνθρακες διαφορετικού ειδικού βάρους και διαφορετικού σηµείου ζέσεως. Τα βασικότερα προϊόντα του είναι: προπάνιο, βουτάνιο, υγραέριο, νάφθα, βενζίνες, καύσιµα αεροπορίας, πετρέλαιο εσωτερικής καύσης (ντίζελ) και εξωτερικής καύσης (µαζούτ). Ανάλογα µε τις εκάστοτε απαιτήσεις σε απόδοση καυσίµου, οικονοµική απόδοση, ρύπανση του περιβάλλοντος, επιλέγεται για κάθε χρήση κάποιο από τα παραπάνω προϊόντα. Για την παραγωγή Η.Ε. χρησιµοποιούνται το ντίζελ και το µαζούτ. Το ντίζελ χρησιµοποιείται σε αεριοστροβιλικούς σταθµούς και σε µηχανές εσωτερικής καύσης. Το µαζούτ χρησιµοποιείται σε ατµοηλεκτρικούς σταθµούς (ΑΗΣ) ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΙΚΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ Οι αεριοστροβιλικοί σταθµοί έχουν µικρό κόστος εγκατάστασης, µικρές απαιτήσεις χώρου, χαµηλό κόστος συντήρησης, µικρές ή και καθόλου απαιτήσεις σε ψυκτικό νερό αλλά µικρό σχετικά βαθµό απόδοσης. Γι αυτό και δεν προτιµούνται για συνεχή λειτουργία στο διασυνδεδεµένο δίκτυο. Τα πλεονεκτήµατά τους είναι η γρήγορη εκκίνηση, η γρήγορη ρύθµιση αποδιδόµενης ισχύος και η 23

25 πλήρως αυτοµατοποιηµένη λειτουργία και µάλιστα µε δυνατότητα τηλεχειρισµού. Έτσι, προτιµούνται για σκοπούς ρύθµισης ισχύος, κάλυψη αιχµών ζήτησης και σε µικρά αποµονωµένα νησιωτικά δίκτυα, όπου το µεγάλο επενδυτικό κόστος, οι µεγάλες µεταβολές του φορτίου και η µεταφορά του καυσίµου σε µεγάλες αποστάσεις καθιστούν ασύµφορη και προβληµατική την λειτουργία ενός ΑΗΣ. Σχήµα 3.1: ιάγραµµα αεριοστροβιλικού σταθµού[6] Οι αεριοστροβιλικές µονάδες αποτελούνται από τέσσερα βασικά στοιχεία, δηλαδή τον συµπιεστή του αέρα καύσης, τον θάλαµο καύσης, τον αεριοστρόβιλο και την γεννήτρια. Όπως δείχνει το σχήµα 3.1 ο συµπιεστής, ο στρόβιλος και η γεννήτρια βρίσκονται σε κοινό άξονα. Ο συµπιεστής απορροφά περίπου τα 2/3 της ισχύος του άξονα. Η ενέργεια αυτή δεν ρέει προς τα έξω, δεν χάνεται, αλλά προσδίδεται στον αέρα που συµπιέζει ο συµπιεστής. Ο ατµοσφαιρικός αέρας, αφού συµπιεστεί, οδηγείται στον θάλαµο καύσης. Εκεί ψεκάζεται µε πετρέλαιο ή φυσικό αέριο. Τα αέρια προϊόντα της καύσης έχουν θερµοκρασία µέχρι περίπου 850 C. Αυτά οδηγούνται στον στρόβιλο και εκτονώνονται, µετατρέπεται δε κατά την εκτόνωση τους µέρος της ενέργειάς τους σε µηχανική ενέργεια.[1] 3.2. ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΚΑΤΑΝΑΝΑΛΩΣΗ Από τότε που το πετρέλαιο αναδείχτηκε σε βασική πηγή ενέργειας σε όλο τον κόσµο, ήταν φυσικό να µπει στο κέντρο του ενδιαφέροντος πολλών κρατών, τόσο από οικονοµική όσο και από πολιτική άποψη. Σαν αποτέλεσµα είχαµε σε πρώτη φάση την πληθώρα ερευνητικών γεωτρήσεων, πολλές από τις οποίες µε την επιτυχή έκβασή τους άλλαξαν ριζικά την οικονοµική κατάσταση των χωρών που τις πραγµατοποίησαν. Στην συνέχεια το πετρέλαιο ήταν πολλές φορές η αιτία για την 24

26 δηµιουργία πολέµων. Αξιοσηµείωτο είναι ότι οι µεγαλύτερες πολυεθνικές εταιρείες είναι εταιρείες εµπορίας πετρελαίου. Το 1960 δηµιουργείται ο ΟΠΕΚ (Οργανισµός ΠΕτρελαιο-παραγωγών Κρατών) για την προάσπιση των συµφερόντων των χωρών-µελών του έναντι των χωρών- εισαγωγέων αλλά κυρίως για µια αντεπίθεση προς την στρατηγική που εφάρµοζαν µέχρι τότε οι µεγάλες εταιρείες πετρελαίου. Πράγµατι, µέχρι το 1976 ολοκληρώνεται η αγορά των µετοχών όλων των ξένων επιχειρήσεων που λειτουργούσαν στο έδαφός τους. Για ένα χρονικό διάστηµα µέχρι το 1981 ο ΟΠΕΚ µπορεί και ελέγχει τις τιµές του πετρελαίου µε συνεχείς αυξήσεις. Το 1981 όµως η κατάσταση ξεφεύγει τελείως από τον έλεγχο του ΟΠΕΚ, καθώς η παγκόσµια οικονοµική ύφεση προκαλεί την µείωση της ζήτησης και συνεπώς την πτώση των τιµών. Από αυτές τις εξελίξεις ζηµιωµένες είναι οι οικονοµίες των πετρελαιοπαραγωγών κρατών, που είχαν στηρίξει τα κυβερνητικά τους προγράµµατα στις συναλλαγµατικές εισροές, που κατά % βασίζονταν στις εξαγωγές πετρελαίου. Οι ΗΠΑ είναι ο µεγάλος κερδισµένος, αφού κατορθώνει να µειώσει τα έξοδα για αγορά πετρελαίου επί του συνόλου των εισαγωγών από 34% το 1981 στο 15% το Τα συνολικά, τεχνικοοικονοµικώς εκµεταλλεύσιµα, αποθέµατα πετρελαίου στο τέλος του 2003 ήταν 1147,7 δις βαρέλια. Στον Πίνακα 3.1[3] και στο σχήµα 3.2 φαίνεται η παγκόσµια κατανοµή κοιτασµάτων πετρελαίου στο τέλος του Με βάση τα πιστοποιηµένα αποθέµατα και µε σταθερή ετήσια παραγωγή, υπολογίζεται ότι τα αποθέµατα διαρκούν για 40 περίπου χρόνια [3]. Πίνακας 3.1: Παγκόσµια αποθέµατα πετρελαίου (τέλος του 2003) [3] ΙΣ. ΤΟΝΟΥΣ ΙΣ. ΒΑΡΕΛΙΑ Ποσοστό(κατ όγκο) Β. Αµερική 8,8 63,6 5,5% Κεντρ. & Ν. Αµερική 14,6 102,2 8,9% Ρωσική Οµοσπονδία 9,5 69,1 6,0% Ιράν 18,0 130,7 11,4% Ιράκ 15,5 115,0 10,0% Κουβέιτ 13,3 96,5 8,4% Σαουδική Αραβία 36,1 262,7 22,9% Ηνωµένα Αραβικά Εµιράτα 13,0 97,8 8,5% Αφρική 13,5 101,8 8,9% Υπόλοιπες χώρες 14,5 108,3 9,4% Σύνολο 156,7 1147,7 100,0% Στον πίνακα 3.2 [8] φαίνεται η εγκατεστηµένη ισχύς πετρελαϊκών σταθµών σε χώρες τις Ευρώπης. Παρατηρούµε µία τάση για µείωση της εγκατεστηµένης ισχύος πετρελαϊκών σταθµών. 25

27 8,9% 8,5% 9,4 % 5,5 % 8,9% 6,0% 11,4% Β. Αµερική Κεντρ. & Ν. Αµερική Ρωσική Οµοσπονδία Ιράν Ιράκ Κουβέιτ Σαουδική Αραβία Ηνωµένα Αραβικά Εµιράτα 22,9% 8,4% 10,0% Αφρική Υπόλοιπες χώρες Σχήµα 3.2: Παγκόσµια κατανοµή κοιτασµάτων πετρελαίου [3] Πίνακας 3.2: Εγκατεστηµένη ισχύς πετρελαϊκών σταθµών παραγωγής Η.Ε. στην Ευρώπη [ΜW][8] ΑΥΣΤΡΙΑ ΒΕΛΓΙΟ ΓΕΡΜΑΝΙΑ ΑΝΙΑ ΙΣΠΑΝΙΑ ΦΙΛΑΝ ΙΑ ΓΑΛΛΙΑ Μ. ΒΡΕΤΑΝΙΑ ΕΛΛΑ Α ΙΡΛΑΝ ΙΑ ΙΤΑΛΙΑ ΛΟΥΞΕΜΒΟΥΡΓΟ ΟΛΛΑΝ ΙΑ ΠΟΡΤΟΓΑΛΙΑ ,1 2937,1 2839,9 1214,3 15 ΣΟΥΗ ΙΑ ΕΛΒΕΤΙΑ 17 ΝΟΡΒΗΓΙΑ ΒΟΥΛΓΑΡΙΑ ΚΥΠΡΟΣ ΤΣΕΧΙΑ ΕΣΘΟΝΙΑ ΟΥΓΓΑΡΙΑ ΛΙΘΟΥΑΝΙΑ ΛΕΤΟΝΙΑ ΠΟΛΩΝΙΑ 384,7 384, ΡΟΥΜΑΝΙΑ ΣΛΟΒΕΝΙΑ ΣΛΟΒΑΚΙΑ ΤΟΥΡΚΙΑ 1421,1 1747,8 1585,6 1999,6 3258,

28 3.3. ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ Πριν από την κρίση του 1973 η χαµηλή τιµή του πετρελαίου, καθώς και η αντίληψη που επικρατούσε ότι οι ενεργειακοί µας πόροι είναι πολύ περιορισµένοι, είχαν οδηγήσει σε ανάπτυξη της παραγωγής µε πολύ µεγάλη συµµετοχή του πετρελαίου(1973: 48.3%). Η κρίση όµως, µε την ραγδαία αύξηση της τιµής του πετρελαίου, οδήγησε σε αναζήτηση τρόπων για την υποκατάστασή του. Σ αυτό συνέβαλε και η ανακάλυψη µεγάλων κοιτασµάτων αξιοποιήσιµου εγχώριου λιγνίτη. Το πετρέλαιο περιορίστηκε αρκετά, µε αποτέλεσµα σήµερα να συµµετέχει µε 18% περίπου στην εγκατεστηµένη ισχύ και 15% περίπου στην ετήσια παραγωγή Η.Ε.[8]. Σε πολλές περιπτώσεις, όπου είναι αδύνατη ή ασύµφορη η χρήση του λιγνίτη, χρησιµοποιείται σαν καύσιµο το πετρέλαιο. Αυτό συµβαίνει για παράδειγµα στα νησιά, τα οποία είναι αποκοµµένα από το διασυνδεδεµένο σύστηµα, και όπου απαιτείται ένα καύσιµο µε µεγάλη θερµογόνο δύναµη και εύκολο στη µεταφορά, όπως είναι το πετρέλαιο. Επίσης, στους θερµικούς σταθµούς, οι οποίοι βρίσκονται κοντά στην Αθήνα (Λαύριο, Αλιβέρι) χρησιµοποιείται πετρέλαιο επειδή έχει λιγότερες εκποµπές ρύπων από τον λιγνίτη. Το πετρέλαιο που χρησιµοποιείται στην Ελλάδα για την παραγωγή Η.Ε. είναι το µαζούτ 3500 REDW και το diesel. Στον Πίνακα 3.3 φαίνονται οι πετρελαϊκοί ΑΗΣ της ΕΗ. Πίνακας 3.3: Πετρελαϊκοί ΑΗΣ της ΕΗ. [5] ΟΝΟΜΑΣΙΑ ΤΟΠΟΣ ΒΑΣΙΚΟ ΑΡΙΘ. ΚΑΥΣΙΜΟ ΜΟΝΑ ΩΝ ΣΥΝ. ΙΣΧΥΣ 1 ΑΗΣ Αλιβερίου Εύβοια Μαζούτ. 4 µονάδες 380 ΜW 2 ΑΗΣ Λαυρίου Λαύριο, Μαζούτ, Φυσικό Αττική Αέριο 4 µονάδες 1190 MW 3 ΑΗΣ Ηράκλειο, Λινοπεραµάτων Κρήτη Μαζούτ, Ντίζελ 12 µονάδες 192,87 ΜW 4 ΑΗΣ Ρόδου Ρόδος Μαζούτ, Ντίζελ 10 µονάδες 206,11 ΜW 5 ΑΗΣ Χανίων Χανια, Κρήτη Ντίζελ 6 µονάδες 321,22 ΜW 27

29 4. ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Το φυσικό αέριο προέρχεται από την αποσύνθεση οργανικών ουσιών, διαδικασία που έλαβε χώρα σε διάστηµα εκατοµµυρίων χρόνων µέσα στη γη, όπου και βρίσκεται «ξηρό» ή και ανάµεικτο µε πετρέλαιο. Η εξόρυξή του γίνεται όπως και στο πετρέλαιο µε χερσαίες ή υποθαλάσσιες γεωτρήσεις. Στο παρελθόν η εύρεση κοιτασµάτων φυσικού αερίου (φ.α.) χωρίς πετρέλαιο θεωρούνταν αποτυχία. Η µεγαλύτερη δε ποσότητα του φ.α. που παράγονταν στις χώρες του ΟΠΕΚ πριν δύο δεκαετίες απλά καιγόταν στον τόπο εξόρυξής του. Ο βασικός λόγος ήταν το αυξηµένο κόστος µεταφοράς του αερίου από τους χώρους παραγωγής στους χώρους κατανάλωσης που είναι πολλές φορές υψηλότερο από αυτό του πετρελαίου, το οποίο είναι υγρό σε συνθήκες περιβάλλοντος και συνεπώς µεταφέρεται ευκολότερα [1]. Η προοπτική εξάντλησης των πετρελαϊκών κοιτασµάτων σε λίγα χρόνια, η πολιτική και κοινωνική αστάθεια των περισσότερων πετρελαιοπαραγωγών χωρών, η µεγάλη αύξηση της τιµής του πετρελαίου και η αγωνία σχετικά µε τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις από την χρήση των διαφόρων καυσίµων ήταν οι αιτίες για την αλλαγή πολιτικής σχετικά µε την χρήση του φ.α. διεθνώς. Παράλληλα, ανακαλύφθηκαν νέα µεγάλα κοιτάσµατα, κυρίως στην Ρωσία, που έδωσαν µια νέα διάσταση ως προς την επάρκεια του φ.α. Η µεταφορά του γίνεται µε δύο τρόπους: 1. Μέσω αγωγού ο οποίος συνδέει τον τόπο παραγωγής µε τον τόπο κατανάλωσης. Αυτό προϋποθέτει βέβαια µια µακροχρόνια συµφωνία µεταξύ των δύο χωρών, ώστε να µπορέσει να αποσβεστεί το µεγάλο κόστος κατασκευής του αγωγού. Πολλές φορές είναι απαγορευτική η κατασκευή ενός τέτοιου αγωγού, είτε λόγω µεγάλης απόστασης, είτε λόγω παρεµβολής θάλασσας ή κρατών µε πολιτική αστάθεια. 2. Με υγροποίηση του φ.α. ως εξής: αφαιρούνται σταδιακά το CO 2, το υδρόθειο, οι υδρατµοί, το βουτάνιο και το προπάνιο που περιέχονται στο φ.α. και στη συνέχεια στους -162 C υγροποιείται το µεθάνιο, που είναι και το κύριο συστατικό του. Στην συνέχεια, το υγροποιηµένο αέριο αποθηκεύεται σε ειδικές δεξαµενές, κατασκευασµένες από αλουµίνιο και ανοξείδωτο ατσάλι. Και αυτή η µέθοδος απαιτεί τεράστιες επενδύσεις, γι αυτό και προηγούνται ειδικές πολυετείς συµφωνίες πριν από την κατασκευή των σχετικών εγκαταστάσεων. Το φ.α. έχει πολλά πλεονεκτήµατα σε σχέση µε άλλα καύσιµα: Σταθερή ποιότητα φλόγας, σταθερή θερµοκρασία καύσης, µη ύπαρξη τέφρας, µηδενική περιεκτικότητα σε θείο, άκαπνη καύση, δυνατότητα καύσης µε ελάχιστο αέρα, υψηλό σηµείο ανάφλεξης (640 C), απλή κατασκευή καυστήρων και εύκολη επιτήρησή τους. Χρησιµοποιείται είτε σε κλασσικούς ΑΗΣ, είτε σε αεριοστροβιλικούς. Ωστόσο, η πλειοψηφία των νέων σταθµών που κατασκευάζονται για χρήση φ.α. είναι σταθµοί συνδυασµένου κύκλου αεριοστροβίλου ατµοστροβίλου. 28

30 4.1. ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΚΑΤΑΝΟΜΗ Η χρήση του φυσικού αερίου σαν υποκατάστατο του πετρελαίου άρχισε να µελετάται µετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση κατά τις αρχές του Ο τετραπλασιασµός της τιµής του αργού πετρελαίου, που µέχρι τότε παρέµενε σε σταθερά επίπεδα, κατέστησε ανταγωνιστική την χρήση του, και άρχισαν έρευνες για τον εντοπισµό και νέων κοιτασµάτων. Η ανακάλυψή τους µάλιστα άλλαξε το διεθνές σκηνικό των ενεργειακών πόρων. Στον Πίνακα 4.1[3] φαίνονται τα αποθέµατα φ.α. παγκοσµίως. Στο τέλος του 2003 τα παγκόσµια αποθέµατα ήταν 175,78 τρισεκ. κυβ. µέτρα. Με βάση τα αποθέµατα αυτά και την παραγωγή φ.α. το 2003 υπολογίζεται ότι επαρκούν για 70 περίπου χρόνια. Στο σχήµα 4.1[3] φαίνεται η ποσοστιαία κατανοµή των κοιτασµάτων φ.α. παγκοσµίως. Παρατηρούµε ότι το 56% περίπου του φ.α. είναι συγκεντρωµένο σε τρεις χώρες (Ρωσία, Ιράν, Κατάρ). Αν εξαιρέσουµε αυτές τις τρεις χώρες, τα υπόλοιπα κοιτάσµατα είναι, σχετικά, οµοιόµορφα κατανεµηµένα παγκοσµίως. Πίνακας 4.1: Παγκόσµια αποθέµατα φ.α. (τέλος του 2003)[3] τρισ. κυβ. µέτρα Ποσοστό Β. Αµερική 7,31 4,2% Κεντρ. & Ν. Αµερική 7,19 4,1% Ρωσική Οµοσπονδία 47,00 26,7% Ιράν 26,69 15,2% Ιράκ 3,11 1,8% Κατάρ 25,77 14,7% Σαουδική Αραβία 6,68 3,8% Ην. Αραβικά Εµιράτα 6,06 3,4% Αλγερία 4,52 2,6% Νιγηρία 5,00 2,8% Αυστραλία 2,55 1,4% Ινδονησία 2,56 1,5% Μαλαισία 2,41 1,4% Υπόλοιπες χώρες 28,94 16,5% Σύνολο 175,78 100,0% Στον Πίνακα 4.2 [8] φαίνεται η εγκατεστηµένη ισχύς σταθµών φ.α. σε χώρες της Ευρώπης. Παρατηρούµε ότι, σε αντίθεση µε τους ανθρακικούς και πετρελαϊκούς σταθµούς, η εγκατεστηµένη ισχύς σταθµών παραγωγής Η.Ε. µε φ.α. αυξάνει στην πλειοψηφία των χωρών. 29

31 16,5% 4,2% 4,1% 1,4% 1,5% 1,4% 2,8% 26,7% 2,6% 3,4% 3,8% 14,7% 1,8% 15,2% Β. Αµερική Κεντρ. & Ν. Αµερική Ρωσική Οµοσπονδία Ιράν Ιράκ Κατάρ Σαουδική Αραβία Ην. Αραβικά Εµιράτα Αλγερία Νιγηρία Αυστραλία Ινδονησία Μαλαισία Υπόλοιπες χώρες Σχήµα 4.1: Παγκόσµια κατανοµή κοιτασµάτων φ.α. [3] Πίνακας 4.2: Εγκατεστηµένη ισχύς σταθµών µε καύσιµο φυσικό αέριο στην Ευρώπη [MW].[8] ΑΥΣΤΡΙΑ ΒΕΛΓΙΟ ΓΕΡΜΑΝΙΑ ΑΝΙΑ ΙΣΠΑΝΙΑ ΦΙΛΑΝ ΙΑ ΓΑΛΛΙΑ Μ. ΒΡΕΤΑΝΙΑ ΕΛΛΑ Α ΙΡΛΑΝ ΙΑ ΙΤΑΛΙΑ ΛΟΥΞΕΜΒΟΥΡΓΟ ΟΛΛΑΝ ΙΑ ΠΟΡΤΟΓΑΛΙΑ ,6 8176,4 15 ΣΟΥΗ ΙΑ ΕΛΒΕΤΙΑ 17 ΝΟΡΒΗΓΙΑ ,1 1379,4 18 ΒΟΥΛΓΑΡΙΑ ΚΥΠΡΟΣ ΤΣΕΧΙΑ ΕΣΘΟΝΙΑ ΟΥΓΓΑΡΙΑ ΛΙΘΟΥΑΝΙΑ ΛΕΤΟΝΙΑ ΠΟΛΩΝΙΑ ΡΟΥΜΑΝΙΑ ΣΛΟΒΕΝΙΑ ΣΛΟΒΑΚΙΑ ΤΟΥΡΚΙΑ ,7 4850, ,

32 4.2. ΠΡΟΟΠΤΙΚΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΛΛΑ Α Η εισαγωγή του φυσικού αερίου στην χώρα µας πραγµατοποιείται βάσει ενός ολοκληρωµένου σχεδίου εισαγωγής, διανοµής και κατανάλωσής του. Την εισαγωγή και διανοµή του φ.α. διαχειρίζεται η δηµόσια επιχείρηση αερίου ( ΕΠΑ). Μέχρι σήµερα προµηθευτές φ.α. είναι η ρωσική GAZPROM και η αλγερινή SONATRACH. Η σύµβαση της GAZEXPORT αφορά προµήθεια 2,24 δις κυβ. µέτρων µε δυνατότητα επέκτασης στο 2,8 δις κυβ. µετρά ετησίως µέχρι το 2016 και πρόβλεψη ανανέωσής της µέχρι το Το 2003 παρελήφθησαν συνολικά 1766 εκατ. κυβ. µέτρα ρωσικού φ.α. Η εισαγωγή του ρωσικού φ.α. άρχισε το Σεπτέµβριο του Η SONATRACH προµηθεύει την ΕΠΑ µε LNG που φτάνει στην Ελλάδα µε ειδικό πλοίο και εκφορτώνεται στον τερµατικό σταθµό της Ρεβυθούσας. Η σύµβαση προβλέπει την ετήσια προµήθεια συνολικής ποσότητας που αντιστοιχεί σε 0,51 έως 0,68 δις. κυβ. µέτρα ετησίως, µέχρι το Στη διάρκεια του 2003 εκφορτώθηκαν στη Ρεβυθούσα 32 φορτία LNG που αντιστοιχούν σε 526 εκατ. κυβ. µέτρα υγροποιηµένου φυσικού αερίου. Η εισαγωγή του αλγερινού φ.α. άρχισε τον Φεβρουάριο του Το 2003 υπεγράφη σύµβαση µε την Τουρκική BOTAS που αφορά στην προµήθεια από την πλευρά της ΕΠΑ, σταδιακά, 750 εκατ. κυβ. µέτρων φ.α. ετησίως. Η έναρξη παραδόσεων του αερίου αναµένεται να αρχίσει στο τέλος του 2006 µετά την ολοκλήρωση των έργων διασύνδεσης. Η σύµβαση αυτή έχει ιδιαίτερη σηµασία διότι δίνει στην ΕΠΑ την ευκαιρία να διαφοροποιήσει τις πηγές προµήθειας φ.α. και να επιδιώξει στο µέλλον νέες συµβάσεις προµήθειας φ.α. από παραγωγούς χώρες της ευρύτερης περιοχής της Κασπίας.[9] Πίνακας 4.3: Σύσταση Φ.Α. εισαγόµενου στην Ελλάδα [9] ΣΥΣΤΑΣΗ ΡΩΣΙΚΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΑΛΓΕΡΙΝΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Περιεκτικότητα (% κ.ο.) σε : Μεθάνιο (C1) 98,0 91,2 Αιθάνιο (C2) 0,6 6,5 Προπάνιο (C3) 0,2 1,1 Βουτάνιο (C4) 0,2 0,2 Πεντάνιο (C5) και βαρύτερα 0,1 - Aζωτο (Ν2) 0,8 1,0 ιοξείδιο του άνθρακα (CO2) 0,1 - Avωτέρα Θερµογόνος ύναµη 36,006 38,519 MJ/Nm 3 40,361-44,589 MJ/Nm 3 Το φυσικό αέριο δεν περιέχει στερεά σώµατα. Στο πίνακα 4.3 φαίνεται η σύσταση του φ.α. που έρχεται στην Ελλάδα καθώς και η ανώτερη θερµογόνος δύναµή του. Η ΕΗ έχει ορίσει (Ν.2165/93) ως έναν από τους βασικούς στρατηγικούς στόχους της ενεργειακής πολιτικής της τη χρήση του φυσικού αερίου σε 31

33 ηλεκτροπαραγωγικούς σταθµούς συνδυασµένου κύκλου και έχει προχωρήσει σε σηµαντικές επενδύσεις. Η ΕΗ αποτελεί το µεγαλύτερο πελάτη της ΕΠΑ µε ετήσια απορρόφηση 1,5 δισ. κυβ. µέτρα φυσικού αερίου για τις ανάγκες λειτουργίας των θερµοηλεκτρικών Σταθµών της στον Αγ. Γεώργιο Κερατσινίου και στο Λαύριο, καθώς και της νέας µονάδας συνδυασµένου κύκλου στην Κοµοτηνή.[9] Ήδη σήµερα, στα πλαίσια της απελευθέρωσης της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας στη χώρα µας σε εφαρµογή της Οδηγίας της Ευρωπαϊκής Ένωσης έχουν χορηγηθεί άδειες για Σταθµούς Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας αποκλειστικά µε χρήση Φυσικού Αερίου συνολικής ισχύος MW. Η υλοποίηση των επενδύσεων αυτών αναµένεται να επιφέρει σηµαντική αύξηση στην κατανάλωση Φυσικού Αερίου το 2010 κατά περίπου 2 δισ. κυβ. µέτρα. Πίνακας 4.4: Κατανάλωση φ.α. ανά κατηγορία στην Ελλάδα [9] ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ - ΧΗΜΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ - ΘΕΡΜΙΚΗ ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ - ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΤΑΙΡΙΕΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΑΕΡΙΟΥ ΜΕΓΑΛΟΙ ΕΜΠ. ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΕΣ (ΑΕΡΙΟΚΙΝΗΣΗ κλπ.) ΣΥΝΟΛΟ Όλα τα µεγέθη είναι σε εκ. Nm 3 32

34 5. ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Από το 1951, που αρχίζει η λειτουργία του πρώτου πυρηνικού αντιδραστήρα στο Arco της Πολιτείας Idaho των ΗΠΑ, µέχρι σήµερα έχουν γίνει πολλά βήµατα στον τοµέα της τεχνολογίας των πυρηνικών αντιδραστήρων, όχι όµως τέτοια που να έχουν καταστήσει την ατοµική ενέργεια µια ασφαλή και οικονοµική µέθοδο παραγωγής Η.Ε. Η «επέµβαση» στον πυρήνα ενός ατόµου πραγµατοποιείται είτε µε σχάση είτε µε σύντηξη. Το αποτέλεσµα είναι µία µη ελεγχόµενη απελευθέρωση ενέργειας, όπως συµβαίνει στα πυρηνικά όπλα, ή µία ελεγχόµενη απελευθέρωση θερµικής ενέργειας, όπως συµβαίνει στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Η αντίδραση που χρησιµοποιούν µέχρι σήµερα οι πυρηνικοί αντιδραστήρες είναι η πυρηνική σχάση. Για την πραγµατοποίησή της απαιτούνται κάποια ισότοπα βαρέων στοιχείων που διασπώνται εύκολα, όπως είναι το ουράνιο-235 και το πλουτώνιο-239. Για την έναρξη της διαδικασίας της σχάσης, οι πυρήνες βοµβαρδίζονται µε νετρόνια και καθώς διαχωρίζονται εκπέµπουν µε την σειρά τους 2-3 νέα νετρόνια, που και αυτά διασπούν τα κοντινότερα σχάσιµα άτοµα, προκαλώντας έτσι µία αλυσιδωτή αντίδραση. Τα δύο τµήµατα που προέρχονται από τον διασπασµένο πυρήνα αποτελούν διαφορετικά χηµικά στοιχεία, τα οποία σχεδόν πάντα είναι πολύ ραδιενεργά. Τέτοια είναι το στρόντιο-90, το καίσιο-137 και το ιώδιο-131. Για να µπορεί να αξιοποιηθεί η αντίδραση θα πρέπει να είναι ελεγχόµενη, ώστε κάθε σχάση να προκαλεί µόνο µία νέα σχάση. Είναι η λεγόµενη «κρίσιµη κατάσταση» του αντιδραστήρα. Για την διατήρηση της ισορροπίας, στο εσωτερικό του αντιδραστήρα υπάρχουν οι ράβδοι ελέγχου που αποτελούνται από υλικά που έχουν µεγάλη ικανότητα απορρόφησης νετρονίων, ώστε να δεσµεύουν τα επιπλέον νετρόνια που δηµιουργούνται από την σχάση. Τέτοια υλικά είναι το κάδµιο, το βόριο και άλλα. Οι ράβδοι έχουν δυνατότητα κίνησης στο εσωτερικό του αντιδραστήρα, ώστε όσο βαθύτερα εισέρχονται, τόσο µειώνεται ο αριθµός των νετρονίων, και άρα η ισχύς. Εκτός όµως από τον αριθµό των νετρονίων, σηµαντικό ρόλο παίζει και η ταχύτητά τους. Για την οµαλή και σωστή διάσπαση του ουρανίου-235 πρέπει να είναι µειωµένη. Η επιβράδυνση των νετρονίων επιτυγχάνεται µε κατάλληλες ουσίες, τους επιβραδυντές, όπως το νερό, ο γραφίτης, το βηρύλλιο και το βαρύ ύδωρ. Οι ουσίες αυτές βρίσκονται στο εσωτερικό των αντιδραστήρων και καθώς τα νετρόνια διέρχονται µέσα τους υφίστανται πολλαπλές συγκρούσεις, µε αποτέλεσµα να µειώνεται η ταχύτητά τους. Τα προϊόντα της σχάσης απελευθερώνουν την ενέργειά τους µε την µορφή θερµότητας. Η θερµική αυτή ενέργεια µετατρέπεται σε ηλεκτρική µε την βοήθεια στροβίλων κατά παρόµοιο τρόπο, όπως στους θερµοηλεκτρικούς σταθµούς. Σαν ψυκτικά µέσα χρησιµοποιούνται νερό, βαρύ ύδωρ, αέρας, διοξείδιο του άνθρακα, ήλιο, νάτριο, µπορεί δε να είναι και ο ίδιος ο επιβραδυντής[1]. Υπάρχουν διάφοροι τύποι αντιδραστήρων, θα αναφέρουµε όµως εδώ τους περισσότερο διαδεδοµένους: BWR- Boiling Water Reactors (Αντιδραστήρες Ατµού). Χαρακτηριστικό γνώρισµα αυτών των αντιδραστήρων είναι η απλή κατασκευή τους λόγω του ότι 33

35 έχουν ένα µόνο θερµικό κύκλο. ηλαδή, το νερό που χρησιµοποιείται στον αντιδραστήρα ως ψυκτικό, ατµοποιείται µέσα στον αντιδραστήρα και χρησιµοποιείται κατευθείαν για την κίνηση του ατµοστροβίλου. Λόγω της απλής κατασκευής τους, έχουν σχετικά µικρό κόστος κατασκευής.[32] PWR- Pressurized Water Reactors (Αντιδραστήρες πεπιεσµένου ύδατος). Χαρακτηρίζονται σαν αντιδραστήρες συµβατικής σχεδίασης και είναι σε θέση να αναπαράγουν µεγάλο µέρος από τα καύσιµα που χρησιµοποιούν. Η πρώτη εµφάνισή τους ήταν το 1957 και ο κύριος στόχος τους ήταν η κάλυψη του προγράµµατος των πυρηνοκίνητων υποβρυχίων των ΗΠΑ σε καύσιµα. Η λειτουργία τους γίνεται µε διπλό θερµικό κύκλο. Στον πρώτο κύκλο το νερό ψύχει τον πυρήνα χωρίς να φτάνει σε σηµείο βρασµού λόγω της υψηλής πίεσης, και στον δεύτερο κύκλο παράγεται ο ατµός. Το νερό εκτελεί και τον ρόλο του επιβραδυντή νετρονίων. Τα συνηθέστερα ατυχήµατα οφείλονται στην διακοπή παροχής νερού στον πυρήνα του αντιδραστήρα. Το γεγονός αυτό προκαλεί µερική ή ολική τήξη του πυρήνα, µε αποτέλεσµα την διάχυση ραδιενεργών υλικών στην ατµόσφαιρα και το περιβάλλον.[1] LMR- Liquid Metal Reactors (Αντιδραστήρες υγρού µετάλλου). Αυτός ο τύπος αντιδραστήρα µεταστοιχειώνει το φυσικό ουράνιο (U238) σε πλουτώνιο (Pu238). Κύριο χαρακτηριστικό τους η υψηλή απόδοση. Τα υψηλά επίπεδα ενέργειας των ταχέων νετρονίων που παράγονται κατά την σχάση προκαλούν τον ταχύτατο εκφυλισµό τους. Αυτό είναι πολύ σηµαντικό καθώς τα νετρόνια, επειδή δεν εµφανίζουν ηλεκτρικό φορτίο, είναι τα µόνα σωµατίδια που δεν δεσµεύονται από τις ηλεκτροµαγνητικές διατάξεις ασφαλείας. Απαιτούν έτσι ειδικές και βαριές θωρακίσεις. Ο τύπος αυτός του αντιδραστήρα παράγει 70 φορές περισσότερη ενέργεια µε την ίδια ποσότητα καυσίµου από ότι οι αντίστοιχοι αντιδραστήρες συµβατικής τεχνολογίας και είναι ιδιαίτερα ελκυστικός για τους κατασκευαστές πυρηνικών όπλων, λόγω της υπερπαραγωγής πλουτωνίου. Στον τύπο αυτό ανήκουν όλοι οι αναπαραγωγικοί αντιδραστήρες, επειδή έχει αποδειχθεί ότι οι LΜR αποτελούν ιδανικούς «καυστήρες» πυρηνικών αποβλήτων. Ένα από τα σηµαντικότερα προβλήµατά τους είναι η καυστικότητα της σόδας στον αέρα και στο νερό.[1] Άλλοι τύποι αντιδραστήρων είναι οι: CANDU Reactors. Είναι αντιδραστήρες καναδικού σχεδιασµού µε καύσιµο φυσικό ουράνιο και επιβραδυντή βαρύ νερό. Gas Cooled Reactors και Advanced Gas Cooled Reactors. Αντιδραστήρες που χρησιµοποιούν για ψυκτικό διοξείδιο του άνθρακα. RBMK Reactors. Αντιδραστήρες Ρωσικού σχεδιασµού µε επιβραδυντή γραφίτη. Λειτουργία παρόµοια µε τους BWR. VVER Reactor. Είναι η Ρωσική έκδοση του αντιδραστήρα πεπιεσµένου ύδατος (PWR) [32] Το Υπουργείο Ενέργειας των Η.Π.Α. και η βιοµηχανία πυρηνικής ενέργειας κατηγοριοποιούν τους πυρηνικούς αντιδραστήρες σε γενεές. Σήµερα λειτουργούν εµπορικά αντιδραστήρες των τριών πρώτων γενεών. Από το 2010 υπολογίζεται ότι θα αναπτυχθούν εµπορικά οι αντιδραστήρες γενιάς ΙΙΙ+ που αναπτύχθηκαν κατά τη 34

36 δεκαετία του 90. Είναι οι αντιδραστήρες: α) PBMR (Pebble-Bed Modular Reactor) που αναπτύχθηκε από την Eskom της Νότιας Αφρικής και β) AP1000 που αναπτύχθηκε από την Westinghouse. Σήµερα βρίσκονται σε εξέλιξη δύο ερευνητικά έργα για αντιδραστήρες τέταρτης γενιάς (IV): α) Το IRIS (International Reactor Innovative & Secure) Project, προϊόν συνεργασίας επτά χωρών: Βραζιλίας, Ιταλίας, Ιαπωνίας, Μεξικού, Ισπανίας, Μ. Βρετανίας και Η.Π.Α. β) Το GT-MHR- Gas Turbine Modular Helium Reactor, αντιδραστήρας που αναπτύσσεται από την General Atomics.[15] 5.1. ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΚΑΤΑΝΟΜΗ Στο τέλος του 2002 λειτουργούσαν σε 31 χώρες του κόσµου 441 πυρηνικοί αντιδραστήρες συνολικής εγκατεστηµένης ισχύος MW, βρίσκονταν δε υπό κατασκευή άλλοι 32 µε συνολική ισχύ MW [11]. Στον Πίνακα 5.1 παρουσιάζεται η εξέλιξη της εγκατεστηµένης ισχύος πυρηνικών σταθµών παγκοσµίως καθώς και το ποσοστό της πυρηνικής ως προς την συνολική εγκατεστηµένη ισχύ. Στον Πίνακα 5.2 φαίνεται η κατανοµή των πυρηνικών αντιδραστήρων παγκοσµίως. Παρατηρούµε ότι, στο τέλος του 2002, πυρηνικοί σταθµοί υπό κατασκευή υπήρχαν κυρίως σε Ασιατικές χώρες. Η Ελλάδα δεν έχει πυρηνικά εργοστάσια, ούτε και πρόκειται να κατασκευάσει, τουλάχιστον για το εγγύς µέλλον. Είχε προγραµµατιστεί η κατασκευή ενός αντιδραστήρα για το 1985, αλλά τελικά η ιδέα αυτή εγκαταλείφθηκε. Οι λόγοι είναι δύο: α) Η µεγάλη αντίδραση φορέων και πολιτών σχετικά µε τις επιπτώσεις µιας τέτοιας απόφασης στο περιβάλλον και β) Η ανησυχία για την ασφαλή λειτουργία ενός πυρηνικού σταθµού, δεδοµένης της µεγάλης σεισµικότητας της χώρας µας [1]. 35

37 Πίνακας 5.1: Εγκατεστηµένη ισχύς πυρηνικών εργοστασίων [12] Χώρα Εγκατ. Εγκατ. Εγκατ. Συνολ. Ποσοστό Συνολ. Ποσοστό Συνολ. Ποσοστό ισχύς ισχύς ισχύς εγκατεστ. ισχύος εγκατεστ. ισχύος εγκατεστ. ισχύος πυρην. πυρην. πυρην. Ισχύς πυρην. Ισχύς πυρην. Ισχύς πυρην. Σταθµών Σταθµών Σταθµών [GW] Σταθµών [GW] Σταθµών [GW] Σταθµών [GW] [GW] [GW] 1 Αργεντινή 13,480 0,370 2,74% 17,474 1,018 5,83% 27,013 1,018 3,77% 2 Αρµενία NA NA NA 2,812 0,000 0,00% 3,188 0,376 11,79% 3 Βέλγιο 10,726 1,666 15,53% 12,791 5,485 42,88% 14,223 5,738 40,34% 4 Βουλγαρία 9,499 1,760 18,53% 12,146 3,538 29,13% 11,758 3,760 31,98% 5 Βραζιλία 37,668 0,657 1,74% 54,141 0,657 1,21% 76,242 1,966 2,58% 6 Γαλλία 69,714 21,634 31,03% 100,055 56,780 56,75% 111,211 63,183 56,81% 7 Γερµανία 105,878 11,654 11,01% 113,672 22,527 19,82% 115,011 22,396 19,47% 8 Ελβετία 14,110 1,940 13,75% 13,978 2,950 21,10% 15,632 3,200 20,47% 9 Η.Π.Α. 598,300 56,042 9,37% 739,870 99,589 13,46% 848,254 98,159 11,57% 10 Ιαπωνία 141,532 16,255 11,49% 181,780 33,404 18,38% 237,876 45,907 19,30% 11 Ινδία 36,664 0,860 2,35% 78,367 1,785 2,28% 120,318 2,860 2,38% 12 Ισπανία 31,780 1,986 6,25% 38,718 6,987 18,05% 50,423 7,519 14,91% 13 Καζακστάν NA NA NA 18,862 0,135 0,72% 16,891 0,000 0,00% 14 Καναδάς 85,333 6,547 7,67% 104,451 13,052 12,50% 111,037 10,615 9,56% 15 Κίνα 69,130 0,000 0,00% 151,473 0,300 0,20% 338,310 2,167 0,64% 16 Λιθουανία NA NA NA 6,078 3,000 49,36% 5,756 3,000 52,12% 17 Μ.Βρετανία 69,098 6,490 9,39% 67,510 11,353 16,82% 77,009 12,486 16,21% 18 Μεξικό 19,774 0,000 0,00% 30,070 0,675 2,24% 42,300 1,365 3,23% 19 Νότια Αφρική 22,859 0,000 0,00% 34,840 1,842 5,29% 40,481 1,800 4,45% 20 Νότια Κορέα 10,115 1,266 12,52% 20,110 7,616 37,87% 54,463 13,716 25,18% 21 Ολλανδία 17,723 0,530 2,99% 17,545 0,505 2,88% 20,378 0,449 2,20% 22 Ουγγαρία 5,393 0,000 0,00% 7,193 1,760 24,47% 8,392 1,866 22,24% 23 Ουκρανία NA NA ΝΑ 54,422 12,880 23,67% 51,866 11,835 22,82% 24 Πακιστάν 4,135 0,137 3,31% 8,356 0,137 1,64% 18,038 0,462 2,56% 25 Ρουµανία 16,612 0,000 0,00% 22,268 0,000 0,00% 22,406 0,705 3,15% 26 Ρωσία NA NA ΝΑ 213,099 20,242 9,50% 205,565 21,242 10,33% 27 Σλοβακία NA NA ΝΑ NA NA NA 7,778 2,640 33,94% 28 Σλοβενία NA NA ΝΑ 2,531 0,632 24,97% 2,735 0,676 24,72% 29 Σουηδία 29,591 6,415 21,68% 34,053 10,000 29,37% 33,635 9,453 28,10% 30 Ταϊβάν 11,890 3,242 27,27% 20,462 5,144 25,14% 30,134 5,144 17,07% 31 Τσεχία NA NA NA NA NA ΝΑ 15,298 2,760 18,04% 32 Φιλανδία 10,859 2,200 20,26% 13,348 2,360 17,68% 16,475 2,640 16,02% 36

38 Πίνακας 5.2: Πυρηνικοί αντιδραστήρες ανά τον κόσµο (τέλος του 2002) [11] Χώρα Παραγωγή ενέργειας Σε λειτουργία Υπό κατασκευή από πυρην. σταθµούς το 2002 Αρ. µονάδων Συνολ. Συνολ. Ποσοστό της Αρ. ισχύς ισχύς TWh συνολ. µονάδων [GW(e)] [GW(e)] Ενέργειας 1 Αργεντινή 2 0, ,692 5,4 7,2 2 Αρµενία 1 0,376 2,1 40,5 3 Βέλγιο 7 5,760 44,7 57,3 4 Βόρεια Κορέα 1 1,040 5 Βουλγαρία 4 2,722 20,2 47,3 6 Βραζιλία 2 1,901 13,8 4,0 7 Γαλλία 59 63, ,5 78,0 8 Γερµανία 19 21, ,3 29,9 9 Ελβετία 5 3,200 25,7 39,5 10 Η.Π.Α , ,1 20,3 11 Ιαπωνία 54 44, , ,8 34,5 12 Ινδία 14 2, ,420 17,8 3,7 13 Ιράν 2 2, Ισπανία 9 7,574 60,3 25,8 15 Καναδάς 14 10,018 71,0 12,3 16 Κίνα 7 5, ,275 23,4 1,4 17 Λιθουανία 2 2,370 12,9 80,1 18 Μ.Βρετανία 31 12,252 81,1 22,4 19 Μεξικό 2 1,360 9,4 4,1 20 Νότια Αφρική 2 1,800 12,0 5,9 21 Νότια Κορέα 18 14, , ,1 38,6 22 Ολλανδία 1 0,450 3,7 4,0 23 Ουγγαρία 4 1,755 12,8 36,1 24 Ουκρανία 13 11, ,800 73,4 45,7 25 Πακιστάν 2 0,425 1,8 2,5 26 Ρουµανία 1 0, ,655 5,1 10,3 27 Ρωσία 30 20, , ,0 16,0 28 Σλοβακία 6 2, ,776 18,0 54,7 29 Σλοβενία 1 0,676 5,3 40,7 30 Σουηδία 11 9,432 65,6 45,7 31 Ταϊβάν 6 4, ,700 33,9 20,5 32 Τσεχία 6 3,468 18,7 24,5 33 Φιλανδία 4 2,656 21,4 29,8 Σύνολο , , ,3 16, ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Το βασικότερο µειονέκτηµα ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι η επίδρασή του στο περιβάλλον. Κατά την λειτουργία του παράγονται διάφορα ραδιενεργά υλικά, σαν αποτέλεσµα της πυρηνικής αντίδρασης. Για να εµποδιστεί η διαφυγή επικίνδυνης ακτινοβολίας στο περιβάλλον και στο προσωπικό του αντιδραστήρα περιβάλλεται ο χώρος που βρίσκεται ο πυρήνας του µε ειδικές βαριές θωρακίσεις, 37

39 υπάρχει σύστηµα τηλεχειρισµού για διάφορες λειτουργίες µέσα στην επικίνδυνη περιοχή και γενικά υπάρχει ένα σύστηµα ελέγχου υψηλής τεχνολογίας για την πρόληψη ατυχηµάτων, που ανεβάζει το κόστος κατασκευής τους. Παρόλα αυτά τα ατυχήµατα συµβαίνουν αρκετά συχνότερα από ότι θα ήθελαν οι κατασκευαστές των αντιδραστήρων. Πολλές φορές οφείλονται σε ανθρώπινο λάθος, άλλες πάλι σε απρόβλεπτους παράγοντες, γεγονός όµως είναι ότι κάθε φορά έχουν σαν αποτέλεσµα την µόλυνση κάποιων ατόµων από ραδιενέργεια µε όχι πάντα άµεσα ορατές τις συνέπειες. Στο σχετικά πρόσφατο ατύχηµα στο Τσερνοµπίλ πάνω από θάνατοι τα επόµενα χρόνια έχουν αποδοθεί στο τραγικό γεγονός, πολλά από τα παιδιά που γεννήθηκαν αργότερα έχουν γενετικές ανωµαλίες (γύρω στο 60%), ενώ τα κρούσµατα καρκίνου του θυρεοειδούς και λευχαιµίας αυξάνουν συνεχώς. Η υποτιθέµενη φθηνή ενέργεια του πυρηνικού αντιδραστήρα έχει επιβαρυνθεί µε το κόστος της αποκατάστασης των θυµάτων του ατυχήµατος, καθώς το ένα τέταρτο σχεδόν του προϋπολογισµού της Λευκορωσίας διατίθεται για τον σκοπό αυτό. Το δεύτερο µεγάλο πρόβληµα των πυρηνικών σταθµών σε σχέση µε το περιβάλλον είναι ο µεγάλος όγκος ραδιενεργών αποβλήτων, πολλά από τα οποία παραµένουν ενεργά για εκατοντάδες ή και χιλιάδες χρόνια. Η ασφαλής απόρριψή τους αποτελεί έναν ακόµη παράγοντα αύξησης του κόστους, αλλά και προκαλεί αµφιβολίες, κατά πόσο είναι δυνατόν να πραγµατοποιηθεί, διότι δεν υπάρχει επαρκής γνώση για την ανθεκτικότητα των υλικών που τα σφραγίζουν, όταν βρίσκονται κάτω από συνεχή ακτινοβολία για τόσο µεγάλα χρονικά διαστήµατα. Το ίδιο πρόβληµα υπάρχει και στους σταθµούς, οι οποίοι έχουν συµπληρώσει τον χρόνο ασφαλούς λειτουργίας τους και κλείνουν. Επίσης σε εκείνους, οι οποίοι λόγω κάποιου ατυχήµατος και εκτεταµένης διαρροής πρέπει να καλυφθούν µε ασφάλεια από υλικά που δεν θα επιτρέπουν την περαιτέρω διαφυγή ραδιενεργών στοιχείων ή ακτινοβολίας ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΥΝΤΗΞΗ Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η αντίδραση που χρησιµοποιείται µέχρι σήµερα στα πυρηνικά εργοστάσια για την εκµετάλλευση της πυρηνικής ενέργειας είναι η σχάση του πυρήνα, κατά την οποία ο πυρήνας ενός ατόµου, ύστερα από τον βοµβαρδισµό του µε νετρόνια διασπάται σε δύο άλλα στοιχεία, εκλύοντας παράλληλα ενέργεια. Η αντίθετη αντίδραση, δηλαδή η ένωση δύο στοιχείων σε ένα κάτω από ορισµένες συνθήκες είναι η πυρηνική σύντηξη. Η πυρηνική σύντηξη είναι µία «καθαρή» µέθοδος γιατί δεν έχει σαν προϊόντα ραδιενεργά στοιχεία. Η έρευνα γύρω από την πυρηνική σύντηξη έχει αρχίσει από τη δεκαετία του 50. Από τότε, έχει σηµειωθεί σηµαντική πρόοδος. Η πιο «εύκολη» αντίδραση σύντηξης είναι η σύντηξη δευτερίου και τριτίου (ισοτόπων του Υδρογόνου) που παράγει ένα σωµατίδιο α και ένα νετρόνιο. Η σύντηξη ενός χιλιόγραµµου καυσίµου δευτερίου- τριτίου (D-T) απελευθερώνει χιλιάδες φορές περισσότερη ενέργεια απ ότι η καύση ενός χιλιόγραµµου άνθρακα. Για να επιτευχθεί όµως αυτή η σύντηξη πρέπει το καύσιµο να θερµανθεί σε θερµοκρασία περίπου C πράγµα που σηµαίνει και µεγάλη κατανάλωση ενέργειας. Σε τέτοιες θερµοκρασίες, το καύσιµο βρίσκεται σε κατάσταση πλάσµατος. Αυτό το καυτό πλάσµα πρέπει να περιοριστεί για να αποφευχθεί η καταστροφή του δοχείου της σύντηξης. Η µέθοδος 38

40 περιορισµού που επικράτησε είναι ο µαγνητικός περιορισµός. Ο πιο διαδεδοµένος αντιδραστήρας είναι ο tokamak ένας αντιδραστήρας σε σχήµα ντόνατ. Ο µεγαλύτερος έως τώρα tokamak είναι ο JET (Joint European Torus) ο οποίος το 1997 κατάφερε να φτάσει την κατάσταση breakeven : η συνολική ισχύς εξόδου να ισούται µε την συνολική ισχύ εισόδου.[13] Ο επόµενος µεγαλύτερος πειραµατικός αντιδραστήρας που θα κατασκευαστεί είναι ο ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Ο ITER είναι προϊόν συνεργασίας της Ευρωπαϊκής Ένωσης, των ΗΠΑ, της Ρωσίας, της Κίνας, της Ιαπωνίας, του Καναδά και της Ν.Κορέας. Υπάρχουν ήδη λεπτοµερή σχέδια για την κατασκευή, λειτουργία και τον παροπλισµό ακόµη του ITER. Αν η τοποθεσία κατασκευής του ITER αποφασιστεί και ο οργανισµός του ITER ιδρυθεί πριν το τέλος του 2005, µπορεί να επιτευχθεί η πρώτη παραγωγή πλάσµατος από τον ITER µε το τέλος του 2015 [14]. Στον Πίνακα 5.3 φαίνονται οι βασικές τεχνικές παράµετροι του ITER [14]. Πίνακας 5.3: Βασικές Τεχνικές παράµετροι του ITER. [14] Παράµετρος Μονάδες Μεγάλη ακτίνα πλάσµατος 6,2 m Μικρή ακτίνα πλάσµατος 2,0 m Όγκος πλάσµατος 840 m 3 Ρεύµα πλάσµατος 15,0 MA Τοροϊδές πεδίο στον άξονα 5,3 T Ισχύς σύντηξης 500 MW Burn Flat Top >400 s Ενίσχυση ισχύος >10 Σύµφωνα µε τους ερευνητές, αν τελικά η σύντηξη αποδειχθεί εµπορικά βιώσιµη, η κατασκευή των πρώτων εµπορικών αντιδραστήρων σύντηξης θα µπορούσε να αρχίσει γύρω στο 2040 µε 2050.[13] 39

41 6. ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΑΠΕ) Οι πηγές ενέργειας για την παραγωγή Η.Ε. που εξετάσαµε µέχρι τώρα έχουν σαν κοινό χαρακτηριστικό ότι είναι ορυκτά καύσιµα αποθηκευµένα από χιλιάδες χρόνια µέσα στη γη. Οι ποσότητες που υπάρχουν, όπως είναι φυσικό, κάποια στιγµή θα εξαντληθούν, είτε σε 50, είτε σε 100, είτε σε 300 χρόνια, ανάλογα µε τον ρυθµό αύξησης των αναγκών της ανθρωπότητας σε ενέργεια. Επίσης, τόσο κατά την καύση των ορυκτών, όσο και κατά την χρήση των πυρηνικών καυσίµων, παράγονται είτε ρυπογόνα αέρια, είτε ραδιενεργά κατάλοιπα. Με τον όρο Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) αναφέρονται οι πηγές που είναι πρακτικά ανεξάντλητες και δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον και είναι οι εξής: 1. υδραυλική ενέργεια 2. ηλιακή ενέργεια 3. αιολική ενέργεια 4. γεωθερµική ενέργεια 5. ενέργεια από βιοµάζα 6. ενέργεια των κυµάτων Η χρήση ανανεώσιµων πηγών ενέργειας δεν είναι και τόσο νέα υπόθεση. Όταν ο άνθρωπος άρχισε να αυξάνει τις δυνατότητές του χρησιµοποιώντας και άλλα µέσα πέρα από την δύναµή του, ανακάλυψε και τις ΑΠΕ. Ενδεικτικά µπορούµε να αναφέρουµε ορισµένα παραδείγµατα όπως: 1. εκµετάλλευση της ενέργειας των ποταµών για την κίνηση µύλων, πριονιστηρίων ξυλείας, µπατανιών, δριστελλών, υφαντουργείων 2. χρήση της ηλιακής ενέργειας για παραγωγή αλατιού, καλλιέργεια σε θερµοκήπια 3. χρήση της αιολικής ενέργειας σε ανεµόµυλους, κίνηση ιστιοφόρων, άντληση νερού Με την καθιέρωση όµως των ορυκτών καυσίµων, των οποίων η χρήση ήταν σαφώς ευκολότερη και αποδοτικότερη, η εκµετάλλευση των ΑΠΕ περιορίστηκε σηµαντικά. Σ αυτό συνέβαλε βέβαια και η χαµηλή αρχικά τιµή του πετρελαίου, που στην αρχή αντιµετωπίστηκε σαν είδος εν αφθονία. Στον τοµέα της παραγωγής Η.Ε. η χρήση των ΑΠΕ περιορίζονταν στην εκµετάλλευση των υδατοπτώσεων. Με την συνειδητοποίηση των προβληµάτων που αναφέρθηκαν παραπάνω για τα ορυκτά καύσιµα, αλλά και µε την απαίτηση των πολιτών για χρήση τεχνολογιών φιλικότερων προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο, άρχισε η έρευνα προς αυτόν τον τοµέα. Βέβαια, τα βήµατα που έχουν γίνει µέχρι σήµερα, δεν αρκούν για την πλήρη αντικατάσταση των ορυκτών καυσίµων από τις ΑΠΕ, ήδη όµως ένα µικρό τµήµα της ηλεκτροπαραγωγής έχει αντικατασταθεί από αυτές. Συνοπτικά µπορούµε να δούµε τα κυριότερα πλεονεκτήµατα των ΑΠΕ: 1. Είναι πρακτικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας. 2. Συµβάλλουν στη µείωση της εξάρτησης από εισαγόµενους ενεργειακούς πόρους, ενισχύοντας την ενεργειακή ανεξαρτησία σε εθνικό επίπεδο. 40

42 3. Είναι κατανεµηµένες στην επικράτεια, συµβάλλοντας στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήµατος. Με τον τρόπο αυτό µειώνονται οι απώλειες µεταφοράς ενέργειας, και δηµιουργούνται θέσεις εργασίας σε πολλές περιοχές. Μπορούν µάλιστα να συµβάλλουν στην αναζωογόνηση υποβαθµισµένων περιοχών. 4. Έχουν χαµηλό λειτουργικό κόστος, που δεν επηρεάζεται από τις διακυµάνσεις των συµβατικών καυσίµων. 5. Είναι φιλικές προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Βέβαια, δεν είναι όλα ευνοϊκά ως προς την χρήση των ΑΠΕ για την παραγωγή Η.Ε. υστυχώς υπάρχουν και πολλά προβλήµατα, κάποια από τα οποία ελπίζουµε ότι στο µέλλον θα περιοριστούν ή θα εκλείψουν. 1. Το κόστος επένδυσης ανά µονάδα εγκατεστηµένης ισχύος είναι υψηλό. Αυτό µπορεί να αντισταθµιστεί από το πολύ χαµηλό κόστος λειτουργίας. Εδώ υπάρχει κάποια ασάφεια ως προς το κόστος των συµβατικών µονάδων µε τις οποίες γίνεται η σύγκριση, γιατί δεν υπολογίζεται σωστά το περιβαλλοντικό κόστος που συνεπάγεται η λειτουργία τους. 2. Παρουσιάζουν διακυµάνσεις στη διαθεσιµότητά τους που µπορεί να είναι µεγάλης διάρκειας, απαιτώντας την εφεδρεία άλλων ενεργειακών πηγών ή διαφορετικά την ύπαρξη δαπανηρών συστηµάτων αποθήκευσης. Η χαµηλή διαθεσιµότητά τους οδηγεί σε χαµηλό συντελεστή χρησιµοποίησης των εγκαταστάσεών τους. 3. Έχουν χαµηλή πυκνότητα ισχύος και ενέργειας, οπότε για µεγάλες ποσότητες ισχύος απαιτούνται συχνά εκτεταµένες εγκαταστάσεις. Τα παραπάνω προβλήµατα αποτελούν και τον στόχο της σύγχρονης έρευνας και τεχνολογίας, σε δεκάδες πανεπιστήµια, ερευνητικά κέντρα αλλά και ιδιωτικές εταιρείες ανά τον κόσµο. Η επίλυσή τους θα δώσει νέες δυνατότητες στη χρήση των ΑΠΕ µε προφανή για όλους αποτελέσµατα. Στο σηµείο αυτό θα πρέπει να γίνουν δύο διευκρινήσεις. Η µελέτη των µεγάλων υδροηλεκτρικών πολλές φορές δεν εξετάζεται µαζί µε τις υπόλοιπες ΑΠΕ διότι η χρήση τους είναι ήδη από δεκαετίες καθιερωµένη και η επέµβαση που προκαλούν στο τοπικό περιβάλλον είναι σηµαντική. Εδώ προτιµήθηκε η συνολική εξέταση της εκµετάλλευσης του υδροδυναµικού σαν τµήµα των ΑΠΕ. Η δεύτερη αφορά την πυρηνική ενέργεια, την οποία ορισµένοι την κατατάσσουν στις ΑΠΕ, αν και είναι βέβαιο, ότι τα αποθέµατα των ορυκτών από τα οποία λαµβάνονται οι πρώτες ύλες για τα πυρηνικά καύσιµα είναι πεπερασµένα, και η δράση τους αρνητική για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Στον Πίνακα 6.1 [16] µπορούµε να δούµε την ποσοστιαία συµµετοχή των ΑΠΕ στην παραγωγή Η.Ε. στις χώρες του ΟΟΣΑ σε σύγκριση µε αυτή των συµβατικών καυσίµων. Χαρακτηριστικά παραδείγµατα χωρών µε καθαρή τεχνολογία είναι η Νορβηγία και η Ισλανδία µε παραγωγή 99,31% και 81,89% αντίστοιχα από υδροηλεκτρικούς σταθµούς. Αντίθετα, χώρες όπως η Ελλάδα, η Ιταλία και άλλες ιδιαίτερα προικισµένες σε ανανεώσιµες πηγές δεν έχουν αξιοποιήσει ακόµη αυτές τους τις δυνατότητες. 41

43 Πίνακας 6.1: Ποσοστό Η.Ε. από χρήση Α.Π.Ε. σε σύγκριση µε συµβατικά καύσιµα. [16] ΑΠΕ Αιολική, Συνολική Υδροδυναµική Ηλιακή & Συµβατικά Πυρηνική παραγόµενη ενέργεια λοιπες ΑΠΕ καυσιµα Ενεργεια Η.Ε. (TWh) 1 Αυστραλία 7,73% 0,73% 91,54% 0,00% 217,238 2 Αυστρία 67,86% 3,37% 28,77% 0,00% 64,074 3 Βέλγιο 2,06% 2,03% 37,84% 58,07% 79,821 4 Γαλλία 14,28% 0,68% 8,50% 76,54% 550,132 5 Γερµανία 3,98% 4,08% 62,53% 29,41% 582,540 6 ανία 0,08% 17,01% 82,91% 0,00% 37,708 7 Ελβετία 59,34% 2,11% 1,27% 37,28% 71,912 8 Ελλάδα 5,07% 1,75% 93,18% 0,00% 53,704 9 Η.Π.Α. 5,74% 2,35% 71,11% 20,80% 3885, Ην.Βασίλειο 1,66% 1,57% 73,42% 23,35% 385, Ιαπωνία 9,00% 1,59% 58,74% 30,67% 1042, Ιρλανδία 3,69% 1,72% 94,59% 0,00% 24, Ισλανδία 81,89% 18,06% 0,05% 0,00% 8, Ισπανία 18,46% 4,33% 50,39% 26,82% 237, Ιταλία 19,33% 3,26% 77,41% 0,00% 279, Καναδάς 56,66% 1,30% 29,00% 13,04% 587, Λουξεµβούργο 70,61% 6,93% 22,46% 0,00% 1, Μεξικό 13,59% 2,92% 79,33% 4,16% 209, Νέα Ζηλανδία 53,76% 11,37% 34,87% 0,00% 39, Νορβηγία 99,31% 0,26% 0,43% 0,00% 124, Νότια Κορέα 2,11% 0,15% 58,16% 39,58% 283, Ολλανδία 0,12% 4,85% 90,79% 4,24% 93, Ουγγαρία 0,51% 0,35% 60,35% 38,79% 36, Πολωνία 2,90% 0,53% 96,57% 0,00% 145, Πορτογαλία 30,91% 4,22% 64,87% 0,00% 46, Σλοβακία 15,97% 0,66% 30,00% 53,37% 32, Σουηδία 48,97% 2,48% 3,96% 44,59% 161, Τουρκία 19,56% 0,27% 80,17% 0,00% 122, Τσεχία 3,30% 0,96% 75,98% 19,76% 74, Φιλανδία 17,74% 11,76% 39,91% 30,59% 74,451 42

44 Πίνακας 6.2: Εξέλιξη της συµµετοχής των ΑΠΕ στην Ε.Ε.[ΕΕ-15][17] Παραγωγή Παραγωγή Μέση ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΠΕ Η.Ε. (GWh) Η.Ε. (GWh) ετήσια αύξηση Βιοαέριο ,2% Στερεά βιοµάζα & απόβλητα ,5% Γεωθερµική Ενέργεια ,9% Υδροηλεκτρική Ενέργεια ,4% Ηλιακή Ενέργεια (PV) ,9% Αιολική Ενέργεια ,7% Στον Πίνακα 6.2 [17] παρατηρούµε την εξέλιξη στην συµµετοχή των ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης (των 15) από το 1997 µέχρι το Παρατηρούµε ότι τους µεγαλύτερους µέσους ρυθµούς ανάπτυξης έχουν τα φωτοβολταϊκά, η αιολική ενέργεια και το βιοαέριο Υ ΡΟ ΥΝΑΜΙΚΟ Η κινητική ενέργεια των τρεχούµενων υδάτων είναι από τις πρώτες µορφές ενέργειας που χρησιµοποιήθηκαν για την παραγωγή µηχανικής ενέργειας, οπότε µε την αύξηση σε ανάγκες για ηλεκτρική ενέργεια χρησιµοποιήθηκε µε κάποιες σχετικά µικρές µετατροπές. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω εδώ θα εξετάσουµε συνολικά το θέµα της εκµετάλλευσης του υδροδυναµικού µε κάποια ιδιαίτερη αναφορά στα µικρά υδροηλεκτρικά, προς τα οποία είναι περισσότερο στραµµένο το ενδιαφέρον των υποστηρικτών των ΑΠΕ. Στον Πίνακα 6.3 [12] παρουσιάζεται η εξέλιξη της εγκατεστηµένης ισχύος των υδροηλεκτρικών εργοστασίων στις χώρες του ΟΟΣΑ, σε σύγκριση µε την συνολικά εγκατεστηµένη ισχύ της κάθε χώρας. 43

45 Πίνακας 6.3: Εγκατεστηµένη ισχύς υδροηλεκτρικών σταθµών στις χώρες του ΟΟΣΑ (GW) [12] ΥΗΣ ΣΥΝΟΛΟ ΥΗΣ ΣΥΝΟΛΟ ΥΗΣ ΣΥΝΟΛΟ 1 Αυστραλία 6,428 26,113 6,882 33,512 6,203 45,312 2 Αυστρία 9,510 14,241 11,026 15,776 7,982 14,096 3 Βέλγιο 0,884 10,726 0,094 12,791 0,111 14,223 4 Γαλλία 18,121 69,714 20, ,055 20, ,211 5 Γερµανία NA NA 4, ,672 4, ,011 6 ανία 0,010 7,668 0,010 9,585 0,010 12,769 7 Ελβετία 11,470 14,110 10,226 13,978 11,604 15,632 8 Ελλάδα 1,716 5,964 2,197 8,597 2,377 10,292 9 Η.Π.Α. 82, ,300 94, ,870 98, , Ην.Βασίλειο 2,451 69,098 1,412 67,510 1,508 77, Ιαπωνία 23, ,532 20, ,780 22, , Ιρλανδία 0,225 3,043 0,226 3,527 0,236 4, Ισλανδία 0,755 0,921 0,779 0,969 1,109 1, Ισπανία 13,707 31,780 11,429 38,718 12,729 50, Ιταλία 16,877 48,838 12,692 51,494 13,456 69, Καναδάς 50,007 85,333 60, ,451 67, , Λουξεµβούργο 0,030 0,185 0,032 0,138 0,040 0, Μεξικό 6,621 19,774 7,993 30,070 9,636 42, Νέα Ζηλανδία 3,992 5,825 4,619 7,088 5,260 8, Νορβηγία 22,122 22,370 25,823 26,074 26,766 27, Νότια Κορέα 0,802 10,115 1,445 20,110 1,614 54, Ολλανδία 0,000 17,723 0,037 17,545 0,038 20, Ουγγαρία 0,046 5,393 0,048 7,193 0,048 8, Πολωνία 0,647 24,086 0,677 27,046 0,866 29, Πορτογαλία 2,615 4,627 2,772 6,887 3,963 10, Σλοβακία Μ.. Μ.. Μ.. Μ.. 1,947 7, Σουηδία 15,215 29,591 15,891 34,053 16,544 33, Τουρκία 3,082 6,264 7,114 17,210 11,673 28, Τσεχία Μ.. Μ.. Μ.. Μ.. 1,000 15, Φιλανδία 2,474 10,859 2,648 13,348 2,895 16,475 Στον Πίνακα 6.4 [12] βλέπουµε την παραχθείσα ενέργεια από αυτές τις µονάδες για τις ίδιες χώρες για τα έτη Οι σηµαντικές διαφορές που εµφανίζονται στην παραγωγή κάθε χώρας σε διαφορετικά έτη σχετίζονται µε δύο παράγοντες. Ο πρώτος είναι ο διαφορετικός σχεδιασµός κάθε συστήµατος. Σε ορισµένες χώρες οι ΥΗΣ είναι εργοστάσια αιχµής, οπότε η συνεισφορά τους επηρεάζεται από τις αιχµές του συστήµατος. Πολλές φορές, ο σχεδιασµός αυτός είναι καθορισµένος εκ των πραγµάτων, επειδή το υδροδυναµικό της χώρας δεν αρκεί για την κάλυψη του φορτίου βάσης. Ο δεύτερος παράγοντας είναι η µειωµένη υδραυλικότητα που υπάρχει σε ορισµένα έτη λόγω µειωµένων βροχοπτώσεων. 44

46 Πίνακας 6.4: Παραγωγή Η.Ε. από ΥΗΣ στις χώρες του ΟΟΣΑ (TWh) [12] Αυστραλία 13,461 13,463 15,194 16,565 16,329 2 Αυστρία 29,893 25,401 34,483 35,627 35,572 3 Βέλγιο 0,325 0,425 0,338 0,302 0,354 4 Γαλλία 68,600 68,623 67,181 61,598 60,540 5 Γερµανία Μ.. Μ.. 17,223 17,183 22,968 6 ανία 0,028 0,029 0,028 0,020 0,032 7 Ελβετία 35,974 34,328 32,373 33,703 34,809 8 Ελλάδα 3,551 2,768 2,181 3,843 2,692 9 Η.Π.Α. 312, , , , , Ην.Βασίλειο 4,543 4,130 5,329 4,087 4, Ιαπωνία 80,798 74,033 81,720 88,856 81, Ιρλανδία 0,792 0,673 0,809 0,671 0, Ισλανδία 3,407 3,918 4,267 5,155 6, Ισπανία 25,990 27,016 18,731 34,430 22, Ιταλία 41,216 39,050 41,778 41,187 40, Καναδάς 255, , , , , Λουξεµβούργο 0,084 0,101 0,069 0,079 0, Μεξικό 22,686 18,243 25,908 26,167 24, Νέα Ζηλανδία 18,120 22,067 20,425 23,592 23, Νορβηγία 91, , , , , Νότια Κορέα 1,560 3,925 3,066 2,785 3, Ολλανδία 0,000 0,001 0,119 0,091 0, Ουγγαρία 0,158 0,167 0,156 0,214 0, Πολωνία 2,578 4,011 3,534 3,778 2, Πορτογαλία 6,820 9,005 4,599 12,974 7, Σλοβακία Μ.. Μ.. Μ.. 4,314 5, Σουηδία 54,369 70,950 73,588 68,365 65, Τουρκία 13,810 18,314 26,302 39,418 33, Τσεχία Μ.. Μ.. Μ.. 1,682 2, Φιλανδία 12,958 13,658 14,956 12,120 10,684 45

47 6.1.1.ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Υ ΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ Στους υδροηλεκτρικούς σταθµούς (ΥΗΣ) µετατρέπεται η κινητική ή και δυναµική ενέργεια του τρεχούµενου νερού σε µηχανική ενέργεια µέσω ενός υδροστροβίλου που λειτουργεί, σ αυτή την περίπτωση, σαν µετατροπέας ενέργειας. Η γεννήτρια, που είναι σε κοινό άξονα µε τον υδροστρόβιλο, µετατρέπει την µηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Ανάλογα µε την υψοµετρική διαφορά του νερού που διεργάζονται τα εργοστάσια τα διακρίνουµε σε σταθµούς χαµηλής (0-20m), µέσης (20-100m), και υψηλής πίεσης (>100m). Οι υψοµετρικές διαφορές που διεργάζονται είναι από µερικά µέτρα, π.χ. 3 m, µέχρι και 1500 m περίπου. Η κατασκευή του ΥΗΣ µπορεί να γίνει είτε µε δεξαµενή, µε κατάλληλο φράγµα σε κάποιο ποτάµι, είτε σαν σταθµός φυσικής ροής σε µεγάλα ποτάµια. Οι περισσότεροι υδροηλεκτρικοί σταθµοί στη χώρα µας είναι σταθµοί δεξαµενής, ρυθµιζόµενοι στην ισχύ τους. Ο βαθµός απόδοσης των ΥΗΣ κυµαίνεται συνήθως µεταξύ 80% έως 95% [7]. Οι ΥΗΣ χρησιµοποιούνται σαν ρυθµιστικά εργοστάσια, δηλαδή για την ρύθµιση της ισχύος στο δίκτυο εκεί όπου απαιτούνται µικρές χρονικές σταθερές ρύθµισης. Η κατασκευή τους απαιτεί µεγάλα κεφάλαια µιάµιση µε δύο φορές το κόστος ενός ανθρακικού ΑΗΣ και τρεις φορές το κόστος ενός αεριοστροβιλικού σταθµού φ.α. (Πίνακας 7.2). Σε αντιστάθµισµα έχουν πολύ µικρότερο λειτουργικό κόστος γιατί το καύσιµό τους είναι µηδενικού κόστους. Στο κόστος κατασκευής τους θα πρέπει να υπολογιστεί και το γεγονός ότι ένα φράγµα για ΥΗΣ είναι έργο πολλαπλής σκοπιµότητας γιατί συγχρόνως εξυπηρετεί και άλλους σκοπούς, όπως η ύδρευση και η άρδευση. Εποµένως το κεφάλαιο της αρχικής επένδυσης δεν θα πρέπει να βαρύνει αποκλειστικά την Επιχείρηση Ηλεκτρισµού αλλά και τους άλλους φορείς οι οποίοι αποκοµίζουν οφέλη από το σχετικό έργο. Ανάλογα µε την υψοµετρική διαφορά H και την παροχή του νερού στον υδροηλεκτρικό σταθµό χρησιµοποιούνται διαφορετικοί στρόβιλοι. Με λίγες εξαιρέσεις ανήκουν οι στρόβιλοι στις εξής κατηγορίες: Ελεύθερης δέσµης ή PELTON για Η 100 m FRANCIS για Η = m KAPLAN για Η = m Στο Σχήµα 6.1[6] φαίνεται ένας στρόβιλος τύπου Pelton σε τοµή. Στους στροβίλους Pelton, το νερό προσάγεται σε πολλά ακροφύσια διατεταγµένα ισοµετρικά γύρω από τον τροχό Pelton. Εκεί το νερό εκρέει και η δυναµική του ενέργεια µετατρέπεται σε κινητική ενέργεια. Η δέσµη του νερού που εκρέει από κάθε ακροφύσιο κτυπά εφαπτοµενικά στον τροχό Pelton που φέρει πτερύγια. 46

48 Σχήµα 6.1: Εγκατάσταση στροβίλου Pelton. Τοµή [6] 1.ωστικό έδρανο, 2.γεννήτρια, 3.οδηγόν έδρανο, 4.Pelton τροχός, 5.βελονοειδής βαλβίδα Η ρύθµιση ισχύος γίνεται µε βελονοειδείς βαλβίδες όπως φαίνεται και στο Σχήµα 6.2 [6]. Υπάρχουν, όµως, εµπρός από τα ακροφύσια και ανακλαστές της δέσµης νερού που µπορούν να τεθούν σε µικρό χρόνο µπρος στη δέσµη νερού και να την αποκλίνουν από το να πέσει πάνω στα πτερύγια. Έτσι, µπορεί η ισχύς να µηδενιστεί σε διάστηµα µερικών δεκάτων δευτερολέπτων. Στους στροβίλους Pelton η υδροστατική πίεση στα πτερύγια είναι παντού η ίδια. Σε κάθε στιγµή µόνο 47

49 ορισµένα πτερύγια, π.χ. 6, έχουν επαφή µε το νερό και έτσι όπως κινείται ο τροχός, αυτά τα πτερύγια εναλλάσσονται. Σχήµα 6.2: Εγκατάσταση στροβίλου Pelton. Κάτοψη. [6] 1.αποφρακτικό όργανο, 2.σωλήνας σπειροειδής µε 6 ακροφύσια, 3.οπλισµένο σκυρόδεµα. 48

50 Στο σχήµα 6.3 [6] φαίνεται η λειτουργία των στροβίλων Francis. Το νερό, αφού περάσει ρυθµιστικές διατάξεις, οδηγείται σε ένα δακτυλιώδη, τοροειδή σωλήνα. Εκεί εκρέει από σχισµές στην εσωτερική περιφέρειά του και πέφτει στα πτερύγια του στροβίλου. Στις σχισµές εκροής υπάρχουν τα πτερύγια ρύθµισης. Αλλάζοντας την θέση τους το νερό εκρέει µε αλλαγµένη κατεύθυνση. Έτσι, ρυθµίζεται η ισχύς. Όλος ο στρόβιλος βρίσκεται στο νερό και η υδροστατική πίεση είναι µεγαλύτερη στην είσοδο απ ότι στην έξοδο. Σχήµα 6.3: Εγκατάσταση στροβίλου Francis και γεννήτριας στην Cabora Bassa, Mosambique, Αφρική.[6] 1.γεννήτρια, 2.στρόβιλος, 3.ακίνητα πτερύγια, ρυθµιζόµενα. Οι στρόβιλοι Kaplan έχουν ανάλογη αρχή λειτουργίας, όπως οι Francis, πλην των κινητών πτερυγίων τα οποία είναι και αυτά ρυθµιζόµενα, όπως τα σταθερά πτερύγια [Σχήµα 6.4][6]. Στους στροβίλους Kaplan και Francis υπάρχει διαφορά πίεσης µεταξύ εισόδου και εξόδου της µηχανής σε αντιδιαστολή µε τους στροβίλους Pelton, όπου η πίεση είναι ενιαία. Γι αυτό οι δύο προαναφερθέντες τύποι ονοµάζονται στρόβιλοι υπερπίεσης. Σε στροβίλους υπερπίεσης χρησιµοποιεί κανείς συνήθως στην έξοδο του νερού ένα σωλήνα που οδηγεί µέχρι τη στάθµη φυγής. Στην άκρη αυτού του σωλήνα αναρρόφησης δηµιουργείται, λόγω της ροής του νερού στην στάθµη φυγής, µια υποπίεση (φαινόµενο αντλίας διάχυσης). Έτσι, γίνεται καλύτερη εκµετάλλευση της υψοµετρικής διαφοράς. Στους στροβίλους 49

51 Kaplan και Francis το νερό προσάγεται κάθετα στον άξονα του στροβίλου& ο σωλήνας αναρρόφησης δεν είναι παράλληλος µε τον άξονα του στροβίλου. Σχήµα 6.4: Εγκατάσταση στροβίλου Kaplan. [6] 1. Γεννήτρια, 2. ωστικό έδρανο, 3. ρυθµιζόµενα ακίνητα πτερύγια, 4. στρόβιλος Υ ΡΟΑΝΤΛΗΤΙΚΑ ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΑ Οι µεγάλοι ΥΗΣ εργάζονται µε µικρό κόστος ανά παραγόµενη µονάδα ενέργειας (kwh) και εκτός αυτού είναι, για τεχνικούς και οικονοµικούς λόγους, επιθυµητή µια σταθερή συνεχής λειτουργία. Όταν η ζήτηση είναι µικρή, π.χ. τη νύχτα, µπορεί κανείς να αποθηκεύσει την περίσσια, φθηνή ενέργεια που παράγουν αυτά τα εργοστάσια. Σε αιχµές ζήτησης, αντί να εξυπηρετήσει κανείς το δίκτυο µε εργοστάσια παραγωγής, π.χ. αεριοστροβίλους, που ενδεχόµενα εργάζονται όχι τόσο οικονοµικά όσο οι µεγάλοι ΥΗΣ, µπορεί να χρησιµοποιήσει την φθηνή αποθηκευµένη ενέργεια. Η αποθήκευση µεγάλων ποσοτήτων ενέργειας είναι προβληµατική. Γίνεται σε λογικά οικονοµικά πλαίσια επί του παρόντος µόνο µε υδράντληση στους υδροαντλητικούς σταθµούς. ηλαδή, χρησιµοποιούµε ενέργεια του δικτύου για την άντληση του νερού σε µια δεξαµενή υψηλά. Όταν θέλουµε να πάρουµε αυτή την ενέργεια πίσω στο δίκτυο, αφήνουµε το νερό της δεξαµενής να τρέξει και να κινήσει ένα στρόβιλο. Αν οι βαθµοί απόδοσης των κύκλων αντλίας και στροβίλου είναι n p 50

52 και n t αντίστοιχα, τότε ο βαθµός απόδοσης του κύκλου άντλησης- παραγωγής είναι n pt =n p.n t και µπορεί κανείς να φτάσει το n pt =0.75. Οι υδροαντλητικοί σταθµοί, όπως φαίνεται και στο Σχήµα 6.5 [6] αποτελούνται από δύο δεξαµενές, την δεξαµενή πάνω στάθµης και την δεξαµενή κάτω στάθµης, µία αντλία, ένα στρόβιλο και µία γεννήτρια. Ο στρόβιλος και η αντλία, πολλές φορές είναι ενσωµατωµένοι σε µια µοναδική υδροµηχανή τον αντλιοστρόβιλο. Ο αντλιοστρόβιλος, ανάλογα µε την φορά περιστροφής του, αντλεί νερό ή κινείται από το νερό, δηλαδή παίρνει ή δίνει ισχύ στο δίκτυο. Σχήµα 6.5: Υδροαντλητικό συγκρότηµα- Σχηµατική παράσταση [6] α) σταθµός µε δύο µηχανές, την αντλία και τον στρόβιλο, β) σταθµός µε αντλιοστρόβιλο ΜΙΚΡΑ Υ ΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΑ Ένα Υδροηλεκτρικό έργο χαρακτηρίζεται διεθνώς ως µικρό όταν η ονοµαστική εγκατεστηµένη ισχύς του είναι µικρότερη των 10 MW. Η διαφορά βέβαια ενός µικρού από ένα µεγάλο δεν είναι το µέγεθός του, καθώς διαφέρει σε πολλά άλλα χαρακτηριστικά, αλλά κυρίως στον σκοπό κατασκευής του. Ένα µεγάλο ΥΗΕ έχει σαν σκοπό την κάλυψη των αιχµών ενός διασυνδεδεµένου δικτύου, και για τον λόγο αυτό απαιτεί την κατασκευή µεγάλου φράγµατος και µεγάλου ταµιευτήρα. Σαν αποτέλεσµα, επιτυγχάνονται µικρές τιµές του συντελεστού φορτίου του έργου και σηµαντική επιβάρυνση του κόστους, που όµως υπερκαλύπτεται από την λογιστική αξία της ενέργειας σε ώρες αιχµής. Αντίθετα, στα µικρά ΥΗΕ δεν απαιτείται η ύπαρξη ταµιευτήρα, δεδοµένου ότι αξιοποιούν κάθε φορά την διαθέσιµη παροχή. Η κατασκευή τους είναι απλή και δεν επιβάλλει αλλοιώσεις στο περιβάλλον. Ένα µεγάλο πλεονέκτηµα τους σε σχέση µε άλλες µορφές ΑΠΕ είναι η αξιοπιστία τους και η σταθερή τους ποιότητα. Στην Ευρώπη λειτουργούν σήµερα περισσότερα από µικρά ΥΗΕ µε συνολική εγκατεστηµένη ισχύ που πλησιάζει τα 11GW (Πίνακας 6.5). Στον Πίνακα 6.5 [19] φαίνεται η εξέλιξη της εγκατεστηµένης ισχύος µικρών ΥΗΕ στην Ε.Ε. την τριετία Παρατηρούµε ότι ο ρυθµός ανάπτυξης είναι πολύ µικρός. Στον Πίνακα 6.6 [17] φαίνεται η παραγωγή Η.Ε. στην Ε.Ε. από µικρά ΥΗΕ το 1997 και το

53 Πίνακας 6.5: Εγκατεστηµένη ισχύς µικρών ΥΗΕ στην Ε.Ε.-15 (MW)[19] Αυστρία Βέλγιο Γαλλία Γερµανία ανία Ελλάδα Ην. Βασίλειο Ιρλανδία Ισπανία Ιταλία Λουξεµβούργο Ολλανδία Πορτογαλία Σουηδία Φιλανδία Σύνολο Πίνακας 6.6: Παραγωγή Η.Ε. από µικρα υδροηλεκτρικά στην Ε.Ε.-15 [17] 1997 [GWh] 2002 [GWh] Μέση ετήσια αύξηση [%] Αυστρία % Βέλγιο % Γαλλία % Γερµανία % ανία % Ελλάδα % Ην. Βασίλειο % Ιρλανδία % Ισπανία* % Ιταλία % Λουξεµβούργο % Ολλανδία 1 1 3% Πορτογαλία % Σουηδία % Φιλανδια % *Στην Ισπανία, σε αντίθεση µε τις υπόλοιπες χώρες, µικρά υδροηλεκτρικά θεωρούνται από 50MW και κάτω. Τελευταία έχει αναγνωρισθεί η συµβολή των µικρών ΥΗΕ στην παραγωγή Η.Ε. διεθνώς, και γίνονται προσπάθειες για µεγαλύτερη εκµετάλλευση της ενέργειας των υδάτινων πόρων. Σύµφωνα µε κάποιες εκτιµήσεις το οικονοµικά και τεχνικά εκµεταλλεύσιµο παγκόσµιο υδροδυναµικό ανέρχεται σε 8100 TWh/έτος [36] ενώ η καθαρή παραγωγή Η.Ε. από υδροηλεκτρικά παγκοσµίως το 2002 ήταν µόλις 2627 TWh [12]. 52

54 6.1.4.Υ ΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α Σύµφωνα µε εκτιµήσεις, το σύνολο του οικονοµικά εκµεταλλεύσιµου υδροδυναµικού της χώρας µας ανέρχεται στις 10 ΤWh/έτος (µε θεωρητικό επιφανειακό υδροδυναµικό 80 TWh και τεχνικά εκµεταλλεύσιµο 21,5 TWh) [37], δηλαδή το 19% περίπου της παραγωγής Η.Ε. της χώρας (53,5 TWh το 2002 [38]). Η παραγωγή από τα ήδη εγκατεστηµένα ΥΗΕ έφθασε το 2003 τις 3463GWh, ποσοστό 6,4% της συνολικής ετήσιας παραγωγής [38]. Η συνολική εγκατεστηµένη ισχύς το 2003 ανερχόταν σε 3077,3 MW ποσοστό 24,2% της συνολικής εγκατεστηµένης ισχύος [38]. Το 10% περίπου του οικονοµικά εκµεταλλεύσιµου υδροδυναµικού της χώρας (1 TWh) θεωρείται ότι είναι δυνατό να αξιοποιηθεί µέσω µικρών υδροηλεκτρικών έργων (µέχρι 5 MW) [37]. Κι όµως τα µικρά ΥΗΕ δεν έχουν αναπτυχθεί ακόµη όσο θα έπρεπε. Το 2003 ήταν εγκατεστηµένα µικρά ΥΗΕ (<10MW) συνολικής ισχύος 65MW. Οι διάφορες νοµικές δυσκολίες που καθυστερούν την έκδοση των αδειών, το σχετικά υψηλό κόστος κεφαλαίου καθώς και η έντονη αντίδραση διαφόρων τοπικών φορέων λόγω ελλείψεως ενηµερώσεως είναι οι βασικοί λόγοι που εµποδίζουν την ανάπτυξη των µικρών ΥΗΕ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η ηλιακή ενέργεια είναι η πιο απαραίτητη µορφή ενέργειας για τον άνθρωπο αλλά και για τα περισσότερα όντα στη γη. Η βασικότερη επίδρασή της στη γη είναι η συµβολή της στην διατήρηση της θερµοκρασίας σε σταθερά επίπεδα, ώστε να είναι δυνατή η ύπαρξη ζωής. Η ηλιακή ενέργεια είναι η ενέργεια που ευθύνεται για την ύπαρξη πολλών άλλων µορφών ενέργειας. Η εξάτµιση του νερού, την οποία προκαλεί ο ήλιος, ώστε µε την βροχή και την επανατροφοδότηση των πηγών να έχουµε την υδροδυναµική ενέργεια. Η αλλαγή στις µετεωρολογικές συνθήκες, που προκαλείται από την ηλιακή ακτινοβολία και δηµιουργεί το αιολικό δυναµικό. Και βέβαια, η επίδραση µέσω της φωτοσύνθεσης στον φυτικό κόσµο (έµµεσα και στον ζωικό), για την ζωή και πολλαπλασιασµό των φυτών, άρα και της βιοµάζας σαν ενεργειακή µορφή. Η ηλιακή ακτινοβολία παρέχει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας στη γη. Το συνολικό ποσό ενέργειας που ακτινοβολείται από τον ήλιο στην επιφάνεια της γης είναι ίσο µε φορές περίπου την ετήσια παγκόσµια ενεργειακή κατανάλωση [18]. Το µεγάλο µειονέκτηµα όµως είναι ότι η ενέργεια αυτή είναι αρκετά αραιά λόγω της µεγάλης επιφάνειας στην οποία µοιράζεται. Κατά µέσω όρο, προσπίπτουν 1700 kwh σε κάθε τετραγωνικό µέτρο κάθε χρόνο. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας µπορεί να φθάσει στην καλύτερη περίπτωση το 1KW/m 2. Η τιµή αυτή εξαρτάται βέβαια από την εποχή, το γεωγραφικό µήκος και πλάτος και άλλους παράγοντες. Η εκµετάλλευση της ηλιακής ενέργειας γίνεται µε τα παθητικά και τα ενεργητικά συστήµατα. Παθητικά είναι τα συστήµατα εκείνα, όπου η κατασκευή ενός κτιρίου αποσκοπεί στην κατά το δυνατόν µεγαλύτερη απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας για την θέρµανσή του. Η τεχνική σχεδίασης τέτοιων συστηµάτων είναι αρκετά ανεπτυγµένη στην Ευρώπη, µε δυνατότητα εξοικονόµησης σηµαντικών ποσοτήτων καυσίµων για την θέρµανση. Το µειονέκτηµα είναι ότι έχει µικρή 53

55 εφαρµογή σε ήδη υπάρχοντα κτίρια, και άρα ο ρυθµός εξάπλωσής της είναι αρκετά αργός. Τα ενεργητικά ηλιακά συστήµατα είναι αυτά, τα οποία απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία για την θέρµανση νερού ή για την παραγωγή Η.Ε. Θα αναφέρουµε απλά τις διάφορες τεχνολογίες χωρίς να επεκταθούµε όµως σ αυτές που δεν αφορούν την παραγωγή Η.Ε. Φωτοβολταϊκά στοιχεία (PhotoVoltaics) Θερµικές (εµπορικές εφαρµογές): επίπεδοι συλλέκτες (flat plate collectors) σωληνοειδείς συλλέκτες κενού (evacuated tubular collectors) συγκεντρωτικοί συλλέκτες- γραµµικοί (concentrating collectors - linear) συλλέκτες χωρίς επισµάλτωση (unglazed collectors) ηλιακά πλαίσια (solar panels) εφαρµογές ισχύος (σε ερευνητικό στάδιο):[18] παραβολικά κοίλα (parabolic troughs) ηλιακοί πύργοι ισχύος (power towers) συστήµατα δίσκου/µηχανής (dish/engine system) ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ Το φωτοβολταϊκό φαινόµενο έχει παρατηρηθεί από το 1839 από τον Γάλλο φυσικό Becquerel. Η βασική αρχή λειτουργίας του είναι η εξής: Όταν µία υψηλή ποσότητα φωτεινής ενέργειας προσπέσει πάνω σε έναν ηµιαγωγό µε προσµίξεις τύπου n-p ή p-n, αναγκάζει έναν αριθµό ηλεκτρονίων της ζώνης σθένους των ατόµων του ηµιαγωγού να µετακινηθούν στη ζώνη αγωγιµότητας. Οι κενές θέσεις που αφήνουν τα µετακινούµενα ηλεκτρόνια συµπεριφέρονται σαν θετικά φορτία (οπές). Ο αριθµός των παραγόµενων ζευγών ηλεκτρονίων-οπών εξαρτάται από την ένταση και φασµατική σύσταση του προσπίπτοντος φωτός. Υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου αντίστροφης πολικότητας που δηµιουργείται στην επιφάνεια επαφής των τµηµάτων n και p του ηµιαγωγού, τα ηλεκτρόνια και οι οπές κινούνται αντίστοιχα προς το τµήµα n και προς το τµήµα p του ηµιαγωγού. Αν οι δύο πλευρές του ηµιαγωγού συνδεθούν µε ένα εξωτερικό ηλεκτρικά αγώγιµο στοιχείο, τα ηλεκτρόνια κινούνται µέσω αυτού από τον αρνητικό προς τον θετικό πόλο, όπου επανασυνδέονται µε τις οπές, δηµιουργείται δηλαδή ηλεκτρικό ρεύµα. Η πρώτη ύλη για την κατασκευή των φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι το πυρίτιο, υλικό που βρίσκεται σε αφθονία και χρησιµοποιείται σε πάρα πολλές εφαρµογές στον τοµέα της ηλεκτρονικής, µε αποτέλεσµα την ύπαρξη πλούσιας τεχνογνωσίας γύρω από την επεξεργασία του. Βασικό κίνητρο για την ανάπτυξη της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας ήταν η διαστηµική έρευνα που απαιτούσε κάποια µορφή ενέργειας µικρού βάρους, αλλά µεγάλης διάρκειας ζωής, καταρχήν για την τροφοδοσία ποµπών για την αποστολή µηνυµάτων πίσω στην γη. Πράγµατι, από την δεκαετία του 1950 µέχρι σήµερα οι 54

56 δορυφόροι τροφοδοτούνται µε φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Μετά τα µέσα της δεκαετίας του 1970 δηµιουργήθηκε ενδιαφέρον για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από διάφορες εναλλακτικές ανανεώσιµες µορφές ενέργειας µε χρήση µεταξύ αυτών και της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Από τότε έχουµε µεγάλη βελτίωση στον συντελεστή µετατροπής (απόδοση) των φ/β από 6% στην δεκαετία του 1950 µέχρι 18% σήµερα σε επίπεδο παραγωγής και 25% σε επίπεδο εργαστηρίου [18]. Παρά την εντυπωσιακή εξέλιξη στην τεχνολογία κατασκευής φ/β στοιχείων, δεν έγινε ακόµη δυνατό να µειωθεί το κόστος τους τόσο, ώστε να αποτελούν µια ανταγωνιστική πρόταση προς τις συµβατικές µεθόδους παραγωγής Η.Ε. Εξάλλου, η µεγάλη πλειοψηφία των φ/β εγκαταστάσεων µέχρι σήµερα χρησιµοποιούνται για εφαρµογές µικρής σχετικά ισχύος σε θέσεις που δεν έχουν άµεση πρόσβαση σε κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο. Στις περιπτώσεις αυτές, τα φ/β επιλέγονται γιατί προσφέρουν µια ασφαλή και αξιόπιστη παροχή ηλεκτρικής ισχύος, και αποτελούν συχνά τη φθηνότερη ενεργειακή επιλογή. Στο Σχήµα 6.6 [18] φαίνεται η πορεία του κόστους των φ/β. Σχήµα 6.6: Κόστη ενός φ/β συστήµατος και µείωση αυτών µε το χρόνο [18] Σήµερα κατασκευάζονται φ/β στοιχεία σε διάφορους τύπους, οι περισσότεροι µε βάση το πυρίτιο σε διάφορες µορφές ( µονοκρυσταλλικό, πολυκρυσταλλικό, άµορφο) καθώς και κάποια άλλα υλικά όπως δισεληνιούχος ινδικός χαλκός, τελλουριούχο κάδµιο κλπ. Στο εργαστήριο δοκιµάζονται και νέες µέθοδοι µε στόχο πάντα την κατασκευή αποδοτικότερων και φθηνότερων φ/β στοιχείων. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µε φ/β στοιχεία έχει πολλά πλεονεκτήµατα: 55

57 ¾ Χρησιµοποιεί σαν «καύσιµο» την ηλιακή ακτινοβολία που υπάρχει παντού, διατίθεται δωρεάν και είναι ανεξάντλητη. ¾ εν χρειάζονται συντήρηση και επίβλεψη της λειτουργίας τους. ¾ Μεγάλοι φωτοβολταϊκοί σταθµοί είναι δυνατόν να κατασκευαστούν µέσα σε λίγο χρονικό διάστηµα και εξίσου εύκολα και σύντοµα να γίνει επέκτασή τους έτσι και χρειαστεί. ¾ εν επιβαρύνουν το περιβάλλον ούτε µε καυσαέρια, ούτε µε απόβλητα ή ηχορύπανση. ¾ Χρησιµοποιούν το ηλιακό φως ακόµη και µε νεφελώδη καιρό, σε αντίθεση µε τις διατάξεις θερµικής εκµετάλλευσης, αυξάνοντας έτσι τον συντελεστή χρησιµοποίησής τους. Βέβαια, µέχρι στιγµής σηµαντικά είναι και τα µειονεκτήµατά τους, αποτελώντας εµπόδιο στην εξάπλωσή τους. ¾ Σχετικά υψηλό κόστος κατασκευής. ¾ Μη αδιάλειπτη λειτουργία, µε αποτέλεσµα την ανάγκη για αποθήκευση της ενέργειας. ¾ Απαίτηση για κάλυψη µεγάλης επιφάνειας εδάφους λόγω µικρής πυκνότητας της ηλιακής ακτινοβολίας. Το δεύτερο σηµαντικό πρόβληµα για την χρήση των φ/β στοιχείων µετά το κόστος είναι το ότι η ηλιακή ακτινοβολία περιορίζεται σε ένα τµήµα του 24ώρου, ανάλογα µε την εποχή. εδοµένων όµως των αναγκών των καταναλωτών για Η.Ε. και κατά τις υπόλοιπες ώρες, δηµιουργείται ετεροχρονισµός µεταξύ παραγωγής και ζήτησης. Όταν η φ/β συστοιχία είναι συνδεδεµένη σε κεντρικό δίκτυο διανοµής, προσφέρει την περίσσεια της παραγωγής της στο δίκτυο και αντλεί από αυτό όταν δεν καλύπτεται η ζήτηση του συστήµατος λόγω αιχµής ή φυσικών συνθηκών. Στην περίπτωση αποµονωµένου δικτύου όµως, η µόνη λύση για την συνεχή εξυπηρέτηση των καταναλωτών είναι η χρήση συσσωρευτών. Έτσι ανεβαίνει το κόστος της αρχικής εγκατάστασης, αλλά και της συντήρησης, δεδοµένου ότι οι συσσωρευτές απαιτούν συχνότερη αλλαγή από τα φ/β πλαίσια ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Σήµερα τα φ/β στοιχεία βρίσκουν πολλές εφαρµογές σε αυτόνοµα κυρίως συστήµατα όπως είναι οι φάροι, τηλεπικοινωνιακοί αναµεταδότες, προειδοποιητικές σηµάνσεις, όργανα µετρήσεων, ηλεκτροδότηση αποµονωµένων κτισµάτων κ.α. Επίσης, χρησιµοποιούνται σε αναπτυσσόµενες χώρες, που το ηλεκτρικό δίκτυο περιορίζεται στις κύριες αστικές περιοχές, για βασικές ανάγκες του αγροτικού πληθυσµού: συστήµατα άντλησης νερού, συστήµατα ψύξης, φωτισµός κ.α. Σε πολλές περιπτώσεις χρησιµοποιούνται για τροφοδότηση µικρών οικισµών, κατασκηνώσεων, ξενοδοχειακών µονάδων, ή ακόµη και σε µικρά και αποµονωµένα νησάκια. Από πολλές Εταιρείες Ηλεκτρισµού σε όλο τον κόσµο γίνεται χρήση των φ/β στοιχείων, κυρίως για την απόκτηση µιας ικανής εµπειρίας, δεδοµένου ότι ακόµη δεν είναι από οικονοµική άποψη τουλάχιστον ανταγωνιστικά. Η εγκατεστηµένη 56

58 ισχύς φ/β στις 1 Ιανουαρίου 2002 στην Ευρωπαϊκή Ένωση αντιστοιχούσε στο 0,05% της συνολικής εγκατεστηµένης ισχύος. Η Γερµανία έχει την µεγαλύτερη φωτοβολταϊκή εγκατεστηµένη ισχύ µε 410,3 MWp (τέλος του 2003), δηλαδή 9 περίπου φορές την ισχύ φ/β της Ολλανδίας, 15 φορές της Ισπανίας και 126 φορές της Ελλάδας[19]. Εκτιµάται, µε βάση την ισχύουσα τάση, ότι µέχρι το 2010 η εγκατεστηµένη ισχύς φ/β στην Ευρωπαϊκή Ένωση των 15 θα φτάσει περίπου τα 2000 MWp ενώ ο στόχος της Λευκής Βίβλου για το 2010 είναι τα 3000 MWp. Πίνακας 6.7: Εγκατεστηµένη ισχύς φ/β στην Ε.Ε. (MWp) [19] χώρα on-grid off-grid συνολική on-grid off-grid συνολική on-grid off-grid συνολική Αυστρία 4,68 1,96 6,64 8,36 1,98 10,34 14,66 2,17 16,83 Βέλγιο 0,40 0,00 0,40 0,73 0,00 0,73 1,06 0,00 1,06 Γαλλία 0,97 12,88 13,86 1,63 15,42 17,05 4,39 17,32 21,71 Γερµανία 178,00 16,70 194,70 258,00 19,60 277,60 390,60 19,70 410,30 ανία 1,29 0,21 1,50 1,38 0,22 1,59 1,68 0,22 1,89 Ελλάδα 0,55 0,85 1,40 1,04 1,33 2,37 1,11 2,14 3,25 Ην.Βασίλειο 2,23 0,52 2,75 3,57 0,57 4,14 5,19 0,71 5,90 Ιρλανδία Ισπανία 5,35 10,30 15,63 7,71 12,71 20,42 13,20 14,06 27,26 Ιταλία 8,35 11,65 20,00 10,34 11,67 22,00 14,34 11,69 26,02 Λουξεµβούργο 1,57 0,00 1,57 3,50 0,00 3,50 Ολλανδία 16,18 4,33 20,51 21,69 4,63 26,33 41,24 4,68 45,92 Πορτογαλία 0,27 0,98 1,25 0,39 1,28 1,67 0,40 1,67 2,07 Σουηδία 0,15 2,88 3,03 0,16 3,14 3,30 0,17 3,40 3,57 Φιλανδια 0,12 2,64 2,76 0,13 2,92 3,05 0,16 3,24 3,40 Σύνολο 218,54 65,90 284,43 316,70 75,47 392,16 491,70 81,00 572, ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΣΤΟΧΟΙ Σήµερα στην Ελλάδα παρόλο το άριστο Ηλιακό υναµικό, ελλείψει κατάλληλου νοµοθετικού πλαισίου και πολιτικών στήριξης της ηλεκτροπαραγωγής στον βιοµηχανικό αλλά και οικιακό τοµέα, η κατάσταση παραµένει απελπιστικά στάσιµη. Έτσι, η ελληνική αγορά φ/β παραµένει µικρή και περιθωριακή και η χώρα µας έχει εγκαταστήσει µόλις το 0,57% των συνολικών φ/β συστηµάτων της Ε.Ε. Παρόλα αυτά η αγορά φ/β στην Ελλάδα αναπτύσσεται µε υψηλούς ρυθµούς τα τελευταία χρόνια. Η συνολικά εγκατεστηµένη ισχύς φωτοβολταϊκών στην Ελλάδα έφτασε τα 3,25 MW στα τέλη του 2003, έναντι 2,37 MW το Ένα σηµαντικό βήµα στην ανάπτυξη των φ/β στην Ελλάδα είναι η κατασκευή του πρώτου εργοστασίου παραγωγής φωτοβολταϊκών στην Ελλάδα. Το εργοστάσιο κατασκευάστηκε από την εταιρία «ΗΛΙΟ ΟΜΗ» (θυγατρική της κατασκευαστικής «ΘΕΜΕΛΙΟ ΟΜΗ») σε συνεργασία µε την αµερικανική εταιρία EPV (συµµετέχει µε 20%). Το εργοστάσιο ασχολείται µε την κατασκευή φ/β άµορφου πυριτίου (a-si double junction 4ης γενιάς) και έχει παραγωγική 57

59 δυνατότητα 5 MW ετησίως µε προοπτική επέκτασης στα 10 MW και στροφή στην τεχνολογία λεπτού υµενίου CIGS (Copper indium gallium diselenide) ΠΑΡΑΓΩΓΗ Η.Ε. ΜΕ ΗΛΙΑΚΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ Εκτός από τα συστήµατα φ/β στοιχείων, µία ακόµη µέθοδος εκµετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας παρουσιάζει ενδιαφέρον. Είναι η παραγωγή Η.Ε. µε ηλιακή συγκέντρωση. Οι τεχνολογίες ηλιακής συγκέντρωσης είναι διατάξεις που συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία σ ένα σηµείο ή µία γραµµή εστίασης. Τα πλέον ώριµα συστήµατα Ηλεκτροπαραγωγής µε Ηλιακή Συγκέντρωση (ΗΗΣ) που χρησιµοποιούν τεχνολογίες αυτού του είδους βρίσκονται ήδη στο στάδιο της εµπορευµατοποίησης, και µονάδες ισχύος πολλών MW παράγουν τη φθηνότερη ηλιακή ηλεκτρική ενέργεια παγκοσµίως. Τα τελικά στάδια της ηλεκτροπαραγωγής µε χρήση συστηµάτων ΗΗΣ είναι όµοια µε αυτά της συµβατικής ηλεκτροπαραγωγής, καθώς η τελική διεργασία ενεργειακής µετατροπής βασίζεται στη χρήση ατµού ή αερίου για την περιστροφή στροβίλων ή την κίνηση ενός εµβόλου σε µια µηχανή Stirling. Όλες οι τεχνολογίες ηλιακής θερµικής ηλεκτροπαραγωγής περιλαµβάνουν έναν αριθµό βασικών σταδίων: Συλλογή της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας µέσω ενός συστήµατος συλλεκτών. Συγκέντρωση (ή εστίαση) της ακτινοβολίας σε ένα δέκτη. Μετατροπή της από το δέκτη σε θερµική ενέργεια. Μεταφορά της θερµικής ενέργειας στο σύστηµα ενεργειακής µετατροπής. Μετατροπή της θερµικής ενέργειας σε ηλεκτρισµό. Πολλά τέτοια συστήµατα είναι δυνατά, τα οποία µάλιστα µπορούν να συνδυάζονται και µε άλλες ανανεώσιµες και µη τεχνολογίες σε υβριδικά συστήµατα. Ωστόσο θεωρείται ότι οι τρεις πολλά υποσχόµενες αρχιτεκτονικές θερµικής ηλιακής ηλεκτροπαραγωγής, είναι: [18] ¾ ¾ ¾ Παραβολικά κοίλα Τα παραβολικά κοίλα, Οι ηλιακοί πύργοι ισχύος, και Τα συστήµατα δίσκου. Η ανακλαστική επιφάνεια ενός παραβολικού κοίλου συγκεντρώνει το ηλιακό φως σε ένα σωληνωτό δέκτη που είναι τοποθετηµένος κατά µήκος της εστιακής γραµµής του κοίλου και ζεσταίνει το ρευστό συνήθως ένα θερµικό έλαιο που ρέει στο σωλήνα. Κατόπιν, µέσω 58 Σχήµα 6.7: Παραβολικό κοίλο[18]

60 συµβατικών εναλλακτών θερµότητας παράγεται υπέρθερµος ατµός στους 390 ο C περίπου για τη λειτουργία ενός ατµοστροβίλου. Εν γένει τα κοίλα σχεδιάζονται ώστε να παρακολουθούν τον ήλιο κατά µήκος ενός άξονα, συνήθως κατά τον άξονα βοράνότου. Οι σταθµοί ηλεκτροπαραγωγής µε παραβολικά κοίλα (SEGS) λειτουργούν στη βάση µιας αναλογίας 75% από ηλιακά και 25% από φυσικό αέριο. Η απόδοση της µετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική σε τέτοιους σταθµούς κυµαίνεται µεταξύ 14% και 18% [7]. Το κόστος των σταθµών τύπου SEGS υπολογίζεται περίπου σε $2700/kW. Μια διάταξη που βρίσκεται σε πειραµατικό στάδιο και µπορεί να µειώσει αισθητά το κόστος της ηλιακής ισχύος είναι η ISCCS: µονάδα συνδυασµένου κύκλου µε ενσωµατωµένα ηλιακά (παραβολικά κοίλα). Το κόστος ενός τέτοιου σταθµού (ISCCS) υπολογίζεται σε περίπου $850/kW.[18] Ηλιακοί πύργοι ισχύος Στα συστήµατα πύργου ισχύος, οι ηλιοστάτες παρακολουθούν την τροχιά του ήλιου µε µηχανισµό δύο αξόνων ο οποίος ακολουθεί τις γωνίες αζιµουθίου και ανύψωσης ώστε να ανακλάται και να συγκεντρώνεται το άµεσο ηλιακό φως σε ένα κεντρικό δέκτη που είναι τοποθετηµένος σε πύργο. Από εκεί η ενέργεια µεταφέρεται σ ένα ρευστό µεταφοράς της θερµότητας, το οποίο στη συνέχεια διοχετεύεται προαιρετικά στο σύστηµα Σχήµα 6.8: Ηλιακός πύργος ισχύος[18] αποθήκευσης και, εν τέλει, στο σύστηµα ηλεκτροπαραγωγής. Σαν ρευστό µεταφοράς χρησιµοποιείται συνήθως τηγµένο νιτρικό άλας ή αέρας. Στον κύκλο ισχύος χρησιµοποιούνται συστήµατα µετατροπής ατµού κύκλου Rankine µε πιθανή εναλλακτική λύση αυτή των συστηµάτων µετατροπής ανοιχτού κύκλου Brayton. Η απόδοση των συστηµάτων πύργου ισχύος κύµαίνεται µεταξύ 14 και 19% [7]. Συστήµατα δίσκου/µηχανής Ένας δίσκος σε σχήµα δορυφορικού πιάτου συγκεντρώνει την άµεση ηλιακή ενέργεια σε ένα δέκτη στο εστιακό του σηµείο, όπου απορροφάται και µετατρέπεται σε θερµική ενέργεια. Η θερµική ενέργεια µπορεί να µεταφερθεί σε µια κεντρική γεννήτρια για µετατροπή ή µπορεί να µετατραπεί άµεσα σε ηλεκτρισµό µε µια ενσωµατωµένη στο δέκτη γεννήτρια. Οι δίσκοι παρακολουθούν την τροχιά του ήλιου σε δύο άξονες όπως και τα συστήµατα πύργου ισχύος. Το ιδανικό σχήµα για τον εστιαστή είναι το παραβολοειδές εκ περιστροφής. Ορισµένοι εστιαστές προσεγγίζουν Σχήµα 6.9: Σύστηµα δίσκου/µηχανής [18] 59

61 το σχήµα αυτό µε πολλαπλά κάτοπτρα σφαιρικής διαµόρφωσης. Μολονότι έχουν εξεταστεί για τα συστήµατα που χρησιµοποιούν ενσωµατωµένες στο δίσκο µηχανές τόσο οι µηχανές κύκλου Rankine όσο και οι κύκλου Brayton, η προσοχή έχει στραφεί στα συστήµατα µηχανής τύπου Stirling. Πάντως, ο ανταγωνισµός ανάµεσα στις µηχανές Stirling και Brayton είναι έντονος. Οι απόδοση των συστηµάτων δίσκου/µηχανής κυµαίνεται µεταξύ 18 και 23%.[7] Από όλες τις ηλιακές τεχνολογίες, ο µεγαλύτερος βαθµός απόδοσης µετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρισµό έχει αναφερθεί στα συστήµατα δίσκου/µηχανής (29,4%), και γι αυτό το λόγο έχουν το δυναµικό να καταστούν µια απ τις λιγότερο ακριβές πηγές ανανεώσιµης ενέργειας ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η αιολική ενέργεια έχει συµβάλλει πάρα πολύ στην ανάπτυξη των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Από τα αρχαία χρόνια µέχρι την βιοµηχανική επανάσταση και τα πρώτα ατµόπλοια, ο άνεµος ήταν η βασική πηγή ενέργειας για τον τοµέα των µετακινήσεων. Αλλά, εκτός από τον τοµέα των µετακινήσεων συναντούµε πολλές εφαρµογές στην εκµετάλλευση του ανέµου µε τους ανεµόµυλους για το άλεσµα, την άρδευση από πηγάδια και αλλού. Η σηµερινή αξιοποίηση του ανέµου δεν γίνεται πλέον µε τους παραδοσιακούς, γραφικούς ανεµόµυλους, αλλά µε σύγχρονες ανεµογεννήτριες που αποδίδουν περισσότερο. Η σύγχρονη τεχνολογία συνέβαλλε στην κατασκευή αξιόπιστων και αποδοτικών Α/Γ. Υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες Α/Γ, οριζοντίου άξονα και κατακόρυφου. Στην πράξη χρησιµοποιούνται οι Α/Γ οριζοντίου άξονα. Οι συνθήκες στις οποίες λειτουργούν είναι εξαιρετικά δύσκολες, δεδοµένου ότι εργάζονται σε σκληρές κλιµατολογικές συνθήκες, µε υψηλές ταχύτητες ανέµου και σε συνθήκες εναλλασσόµενων φορτίσεων. Για να είναι αξιόπιστες πρέπει κατά τον σχεδιασµό τους να τηρούνται συγκεκριµένες προδιαγραφές: ¾ Ο χρόνος ζωής του συστήµατος πρέπει να είναι χρόνια. ¾ Να υπάρχει ασφαλής λειτουργία της Α/Γ σε ταχύτητες ανέµου m/sec. ¾ Να εξασφαλιστεί η επιβίωση της Α/Γ σε ταχύτητες ανέµου m/sec ¾ Να εξαλειφθούν οι κίνδυνοι συντονισµού. Οι ιδιοσυχνότητες των διαφόρων υποσυστηµάτων (πυλώνας, πτερύγια, κλπ) και η συχνότητα περιστροφής του δροµέα, καθώς και οι αρµονικές της πρέπει να συµπίπτουν. ¾ Να υπάρχει αντοχή σε εναλλασσόµενα φορτία. ¾ Να γίνει κατάλληλη σχεδίαση του συστήµατος, ώστε να επιτυγχάνεται απόσβεση των πρόσθετων φορτίων και των στρεπτικών ταλαντώσεων που οφείλονται στις ριπές και στην τύρβη του ανέµου. ¾ Να διενεργηθεί ακριβής έλεγχος όλων των συνθηκών φόρτισης της Α/Γ και για κάθε εξάρτηµα ή υποσύστηµα, στις δυσµενέστερες συνθήκες φόρτισης που µπορεί να εµφανιστούν. Απαιτείται επίσης αντιδιαβρωτική προστασία. Στις περισσότερες περιπτώσεις οι εγκαταστάσεις Α/Γ αναπτύχθηκαν µε την µορφή αιολικών πάρκων. Για να γίνει µία σύγκριση ενός αιολικού πάρκου και µιας Α/Γ θεωρούµε ένα αιολικό πάρκο που αποτελείται από 10 Α/Γ των 100 KW και µία 60

62 ανεµογεννήτρια µόνη των 1000 KW. Στην περίπτωση του πάρκου έχουµε µεγαλύτερο κόστος εγκατάστασης φυσικά, αλλά τα πλεονεκτήµατα του είναι µάλλον περισσότερα. Η δυνατότητα της σταδιακής ζεύξης ή απόζευξης του κατάλληλου κάθε φορά αριθµού Α/Γ επιτρέπει ένα σαφή έλεγχο του επιθυµητού ορίου της ισχύος. Στην περίπτωση µιας µόνο ανεµογεννήτριας ο έλεγχος των ορίων της ισχύος είναι δυνατός µόνο στην περίπτωση που η Α/Γ διαθέτει έλεγχο της κλίσης των πτερυγίων. Επίσης, στην περίπτωση της σταδιακής ζεύξης αποφεύγονται τα πολύ ισχυρά υπερρεύµατα ζεύξης που δηµιουργούνται όταν έχουµε ζεύξη όλης της ισχύος ταυτόχρονα. Αλλά και η συντήρηση των Α/Γ µπορεί να πραγµατοποιηθεί χωρίς να απαιτείται διακοπή της παροχής ισχύος από το πάρκο. Ακολουθείται ένα πρόγραµµα «κυκλικής» συντήρησης που απασχολεί κάθε φορά µόνο µία Α/Γ, ενώ οι υπόλοιπες εξακολουθούν να παρέχουν ισχύ. Έτσι αυξάνεται η διαθεσιµότητα της εγκατεστηµένης ισχύος. Όταν υπάρχει µία Α/Γ µόνη, θα πρέπει αναγκαστικά να διακόψει την λειτουργία της για την συντήρησή της. Το µειονέκτηµα των αιολικών πάρκων είναι ότι απαιτούνται µεγάλες εκτάσεις για την εγκατάστασή τους, επειδή η απόσταση µεταξύ δύο γεννητριών πρέπει να τηρεί κάποιους περιορισµούς ώστε να µην «σκιάζει» η µία την άλλη. Σε τέτοια περίπτωση ο άνεµος που φτάνει σε µερικές ανεµογεννήτριες έχει χάσει µέρος της ενέργειάς του και έχει αποκτήσει δυσµενή χαρακτηριστικά (στροβιλότητα), που µειώνουν την απόδοση των Α/Γ και του πάρκου συνολικά. Η µείωση αυτή «µεγαλώνει» περισσότερο, όσο πιο κοντά είναι οι Α/Γ µεταξύ τους. Βέβαια η έκταση που καταλαµβάνει ένα αιολικό πάρκο είναι δυνατόν να φιλοξενήσει άλλες χρήσεις, όπως π.χ. αυτοκινητόδροµους, αρκεί να µην παρεµποδίζουν την λειτουργία του. ηλαδή δεν θα µπορούσε να αναγερθούν µέσα στο πάρκο κτίρια ή ψηλά δένδρα γιατί θα αλλοίωναν τα χαρακτηριστικά του ανέµου. 61

63 Σχήµα 6.10: Ανεµογεννήτρια 900kW [21] Στο Σχήµα 6.10 [21] φαίνεται µια ανεµογεννήτρια ονοµαστικής ισχύος 900kW όπως µετρήθηκε σε ταχύτητα ανέµου 14m/s. Η Α/Γ αυτή έχει ταχύτητα εκκίνησης 3m/s και ταχύτητα διακοπής 25m/s. Όλα τα µέρη που συνιστούν την Α/Γ παρουσιάζονται στο σχήµα Ειδικότερα: 62

64 ¾ ¾ Ο κινητήρας περιλαµβάνει πτερύγια διαµέτρου 57m. Η ταχύτητα περιστροφής κυµαίνεται µεταξύ 15 και 25 rpm (στροφές ανά λεπτό) και το ύψος του πυλώνα φθάνει τα 60 έως 70m. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι 3 βηµάτων πλανητικού τύπου, και η γεννήτρια ασύγχρονη. ¾ Το κύκλωµα ελέγχου αποτελείται από ένα διαµορφωτή πλάτους παλµών (Pulse Width Modulator) για τον έλεγχο της συχνότητας και σύστηµα µε P.L.C. ¾ Το σύστηµα πέδησης µπορεί να είναι είτε ηλεκτροµαγνητικό και εφαρµόζεται σε κάθε πτερύγιο, είτε υδραυλικό. ¾ Τέλος περιλαµβάνει σύστηµα ασφαλείας και ελαχιστοποίησης του θορύβου. Στο σχήµα 6.11 [21] δίδεται η ισχύς εξόδου συναρτήσει της ταχύτητας του ανέµου για µια ανεµογεννήτρια της εταιρίας Enron. Σχήµα 6.11: Μεταβολή της ισχύος εξόδου συναρτήσει της ταχύτητας του ανέµου για ανεµογεννήτρια µε κατώτατο όριο 3m/s και άνω όριο 25m/s. Η ταχύτητα του ανέµου που αντιστοιχεί στην ονοµαστική ισχύ της ανεµογεννήτριας είναι 14m/s.[21] Στο σχήµα 6.12 [22] φαίνεται το κόστος της παραγόµενης Η.Ε. από ανεµογεννήτριες συναρτήσει της ταχύτητας του ανέµου για τρία διαφορετικά προεξοφλητικά επιτόκια σύµφωνα µε στοιχεία της Ευρωπαϊκής Εταιρίας Αιολικής Ενέργειας (EWEA) 63

65 Σχήµα 6.12: Κόστος Αιολικής Ενέργειας [22] ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗ Η αιολική ενέργεια είναι µία µορφή ΑΠΕ µε πολύ µεγάλη ανάπτυξη την τελευταία 15ετία (ρυθµός ανάπτυξης 40%). Στο τέλος του 2003 η συνολική εγκατεστηµένη ισχύς ανεµογεννητριών παγκοσµίως έφτασε τα MW. Στον Πίνακα 6.8 [22] βλέπουµε την εγκατεστηµένη ισχύ Α/Γ στην Ευρώπη στο τέλος του 2003 καθώς και την αύξησή της σε σχέση µε το Στον Πίνακα 6.8 [20] βλέπουµε τις χώρες µε την µεγαλύτερη εγκατεστηµένη ισχύ ανεµογεννητριών παγκοσµίως. Οι χώρες µε τα µεγαλύτερα ποσοστά εγκατεστηµένης ισχύος Α/Γ ως προς τη συνολική τους εγκατεστηµένη ισχύ, είναι η ανία µε ποσοστό που πλησιάζει το 25%, και ακολουθούν η Γερµανία και η Ισπανία µε ποσοστό κοντά στο 10%. 64

66 Πίνακας 6.8: Εγκατεστηµένη ισχύς Α/Γ στην Ευρώπη (MW). [22] Τελος 2002 Τελος 2003 Αύξηση Ε.Ε. -15 Γερµανία ,8% Ισπανία ,5% ανία ,6% Ολλανδία ,6% Ιταλία ,7% Ην. Βασίλειο ,6% Σουηδία ,7% Ελλάδα ,3% Γαλλία ,5% Αυστρία ,4% Πορτογαλία ,3% Ιρλανδία ,8% Βέλγιο ,3% Φιλανδία ,6% Λουξεµβούργο ,4% Ε.Ε ,1% Πολωνία ,1% Λετονία ,0% Τσεχία ,3% Ουγγαρία 3 3 0,0% Εσθονία ,0% Κύπρος 2 2 0,0% Λιθουανία 0 0 Μάλτα 0 0 Σλοβακία 0 3 Σλοβενία 0 0 Ε.Ε ,2% Υπόλοιπες χώρες Νορβηγία ,1% Ουκρανία ,9% Ελβετία 5 5 0,0% Ρουµανία 1 1 0,0% Σύνολο ,2% 65

67 Σχήµα 6.13: Εγκατεστηµένη αιολική ισχύς στην Ευρώπη.[22] Πίνακας 6.9: Οι χώρες µε τη µεγαλύτερη εγκατεστηµένη αιολική ισχύ παγκοσµίως ( εκέµβριος 2003) [20] Χώρα Εγκατεστηµένη ισχύς (MW) Γερµανία ΗΠΑ 6374 Ισπανία 6202 ανία 3110 Ινδία 2110 Ολλανδία 912 Ιταλία 904 Ιαπωνία 686 Ην. Βασίλειο 649 Κίνα

68 Σύµφωνα µε µελέτη του ιεθνούς Οργανισµού Ενέργειας (ΙΕΑ), το έτος 2020 η παγκόσµια ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας θα έχει φθάσει τις TWh. Σύµφωνα µε εκτιµήσεις (και στόχους) της Ευρωπαϊκής Ένωσης Αιολικής Ενέργειας (EWEA) είναι δυνατή η παραγωγή TWh ανά έτος παγκοσµίως µέχρι το Σύµφωνα µε λεπτοµερή µελέτη του εν λόγω οργανισµού δεν υπάρχουν σοβαρά τεχνικά ή γεωµορφολογικά εµπόδια στην αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας και θεωρητικά µπορούν να παραχθούν TWh ανά έτος από αιολικές εγκαταστάσεις σε όλο τον πλανήτη. Βέβαια τίθεται θέµα κατάλληλων ηλεκτρικών δικτύων για την απορρόφηση και µεταφορά τέτοιων τεραστίων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας ως και αντίστοιχες ισόποσες (τουλάχιστον) κλασσικής εγκατεστηµένης ισχύος, αφού η παρεχόµενη από αιολικές µονάδες ηλεκτρική ενέργεια δεν είναι συνεχής και απαιτείται κάλυψη στο δίκτυο από µονάδες ηλεκτροπαραγωγής ενέργειας βάσης. Οι εκτιµήσεις της EWEA για τη µελλοντική ανάπτυξη των εφαρµογών αιολικής ενέργειας παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον και αποκαλύπτουν τα πραγµατικά µεγέθη του πιο γρήγορα αναπτυσσόµενου τοµέα ενεργειακών εφαρµογών. Η EWEA εκτιµά ότι οι αιολικές εγκαταστάσεις παγκοσµίως θα αυξάνονται µε ετήσιο ρυθµό 15% µέχρι το 2010 φθάνοντας τα MW παγκόσµιας εγκατεστηµένης ισχύος. Τη δεκαετία ο ρυθµός ανάπτυξης της αιολικής αγοράς αναµένεται να σηµειώσει πτώση και να διαµορφωθεί στο 10-15% κατ έτος και µε τη συνολική εγκατεστηµένη ισχύ να διαµορφώνεται στα MW το 2020, δηλ GW. Το έτος 2040 η EWEA υπολογίζει ότι θα έχουν εγκατασταθεί GW αιολικών συστηµάτων και το 23% της παγκόσµιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας θα καλύπτεται από την εκµετάλλευση του ανέµου ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ Στην Ελλάδα η ΕΗ ξεκίνησε το 1977 να πραγµατοποιεί εκτεταµένες µετρήσεις στα νησιά του Αιγαίου για να διερευνηθεί κατά πόσον ήταν αξιοποιήσιµη η αιολική ενέργεια. Οι µετρήσεις έδειξαν πολύ θετικά αποτελέσµατα, καθώς αποδείχθηκε ότι υπάρχει πολύ υψηλό αιολικό δυναµικό. Το δυναµικό της χώρας µας είναι το δεύτερο ισχυρότερο στην Ευρώπη µετά την Σκοτία. Εκτιµάται ότι το εκµεταλλεύσιµο αιολικό δυναµικό ανέρχεται σε 6,46 TWh κατ έτος. Το 1982, ξεκίνησε ένα πρόγραµµα εγκατάστασης αιολικών πάρκων πρώτα στα νησιά όπου το κόστος παραγωγής ενέργειας ήταν ήδη υψηλό και το αιολικό δυναµικό ήταν ευνοϊκότερο. Το πρώτο πειραµατικό αιολικό πάρκο εγκαταστάθηκε στην Κύθνο. Το πάρκο αυτό είχε 5 Α/Γ των 20 KW η καθεµία, δηλαδή συνολικής ισχύος 100 KW, και προσέφερε πολύτιµη εµπειρία στο τεχνικό προσωπικό της ΕΗ. Η /νση Εναλλακτικών Μορφών Ενέργειας ( ΕΜΕ) της ΕΗ έχει εκπονήσει σε µεγάλο µέρος της Πατρίδας µας έρευνα των ανεµολογικών συνθηκών, µε βάση την οποία έχει εγκαταστήσει 156 Α/Γ συνολικής ισχύος 38MW, σε 12 νησιά και µία στην ηπειρωτική Ελλάδα.[5] 67

69 Σήµερα, στην Ελλάδα η Αιολική ενέργεια είναι η πλέον ανεπτυγµένη µορφή ΑΠΕ. Συνολικά έως το τέλος του 2003 είχαν εγκατασταθεί ανεµογεννήτριες συνολικής ισχύος 375MW ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ Γεωθερµική ενέργεια είναι η ενέργεια που βρίσκεται αποθηκευµένη υπό την µορφή θερµού νερού ή ατµού στο υπέδαφος σε µικρή απόσταση από την επιφάνεια της γης. Το θερµικό ενεργειακό δυναµικό του υπεδάφους οφείλεται στην λεγόµενη γεωθερµική ανωµαλία, δηλαδή σε αύξηση της θερµοκρασίας στο υπέδαφος µεγαλύτερη από την κανονική γεωθερµική βαθµίδα που είναι 1 C ανά 33 m. Σε περιοχές µε ενεργή ή πρόσφατη ηφαιστειακή δραστηριότητα συναντάται έντονα το φαινόµενο αυτό, έχουµε δηλαδή ιδιαίτερα µεγάλη θετική θερµική ανωµαλία. Η θερµοκρασία των γεωθερµικών ρευστών φτάνει πολλές φορές µέχρι 350 C σε σχετικά µικρά βάθη. Σε περιοχές χωρίς πρόσφατη ηφαιστειότητα, αλλά µε ενεργό τεκτονική εφελκυστικού κυρίως τύπου, έχουµε πιο εύκολη άνοδο των θερµών υπογείων ρευστών προς την επιφάνεια. Αυτή είναι και η πιο συνηθισµένη περίπτωση και πρακτικά παρουσιάζει µεγαλύτερο ενδιαφέρον, αν και οι θερµοκρασίες των ρευστών είναι αισθητά χαµηλότερες ( C). Ανάλογα µε την θερµοκρασία του ρευστού, χαρακτηρίζεται το γεωθερµικό πεδίο σαν χαµηλής ενθαλπίας όταν είναι t<100 C, µέσης για 100<t<150 C και υψηλή όταν t>150 C. Η γεωθερµική ενέργεια είναι πρακτικά ανεξάντλητη, επειδή προέρχεται από την θερµοκρασία στο εσωτερικό της γης. Η αξιοποίησή της ποικίλλει ανάλογα µε την θερµοκρασία των γεωθερµικών ρευστών. Για θερµοκρασίες π.χ. 40 C ενδείκνυται η εφαρµογή σε θέρµανση χώρων, ενώ για περιοχές γύρω στους 280 C στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Άλλος τοµέας αξιοποίησης των γεωθερµικών ρευστών είναι η ανάκτηση στερεών ή αέριων ουσιών που βρίσκονται διαλυµένα σ αυτά, όπως κοινό αλάτι, διοξείδιο του άνθρακα, πολύτιµα µέταλλα κ.α. [1] Οι γεωθερµικές πηγές παρέχουν σήµερα άµεσα αξιοποιήσιµη θερµική ισχύ πάνω από MW σε περισσότερες από 30 χώρες παγκοσµίως. Οι κυριότερες θέσεις όπου γίνεται άµεση χρήση της γεωθερµικής ενέργειας στην Ευρώπη είναι η Ισλανδία (30% της τελικής κατανάλωσης ενέργειας, κυρίως θέρµανση χώρων), η λεκάνη του Παρισιού (νερό ~70 ο C χρησιµοποιείται για την τηλεθέρµανση των κοινοτήτων Melun, Creil και Villeneuve la Garenne) και η λεκάνη Pannonian στην Ουγγαρία. Ένα µειονέκτηµα στην αξιοποίηση των γεωθερµικών πεδίων είναι η διαφυγή αερίων, όταν η γεώτρηση γίνεται σε περιοχή µε πρόσφατη ηφαιστειότητα. Το πρόβληµα αυτό δεν είναι ανυπέρβλητο, αυξάνει όµως σηµαντικά το κόστος λόγω των µέτρων που πρέπει να ληφθούν. Επίσης δηµιουργούνται πολλές φορές άλατα στις σωληνώσεις και τις βάνες, αλλά και αυτό αντιµετωπίζεται µε την επιλογή κατάλληλων υλικών. Το 2002 η παγκόσµια παραγωγή Η.Ε. από γεωθερµία ανερχόταν σε 52,2TWh (µόλις 0,32% της συνολικής παραγωγής Η.Ε.). Στην Ε.Ε. την ίδια χρονιά η 68

70 παραγωγή ήταν 4,76ΤWh (0,18% της συνολικής παραγωγής) από την οποία οι 4,66TWh παρήχθησαν στην Ιταλία. Στον Πίνακα 6.10 (διάγραµµα Lindal)[1] βλέπουµε το διαχωρισµό των χρήσεων της γεωθερµίας ανάλογα µε τη θερµοκρασία του υγρού. Ο διαχωρισµός αυτός βέβαια δεν είναι απόλυτος. Στην περιοχή θερµοκρασιών ο C µπορεί να γίνει αξιοποίηση της γεωθερµίας και για παραγωγή Η.Ε. Πίνακας 6.10: ιάγραµµα Lindal- χρήσεις γεωθερµίας [1] C ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Εξάτµιση πυκνών διαλυµάτων Ψύξη µε απορρόφηση αµµωνίας Χρήση στην βιοµηχανία χάρτου. 170 Παραγωγή βαρέως ύδατος µε την µέθοδο του H 2 S Ξήρανση γης διατόµων 160 Ξήρανση ξυλείας 150 Παραγωγή αλουµίνας µε την µέθοδο Bayer 140 Ξήρανση γεωργικών προϊόντων Κονσερβοποιία 130 Εξάτµιση στη βιοµηχανία ζάχαρης Απόληψη αλάτων µε εξάτµιση Νερό αποσταγµένο 120 Εξάτµιση- συµπύκνωση διαλυµάτων 110 Ξήρανση τσιµεντένιων στοιχείων 100 Ξήρανση οργανικών υλικών, φυκιών, λαχανικ κα Πλύσιµο και ξήρανση µαλλιού 90 Ξήρανση ψαριών. ιεργασίες απόψυξης 80 Θέρµανση χώρων 70 Ψύξη (χαµηλότερο όριο) 60 Καθαρισµός κτηνοτροφικών µονάδων Θέρµανση θερµοκηπίων 50 Λουτροθεραπεία. Καλλιέργεια µανιταριών 40 Θέρµανση χώµατος για καλλιέργειες 30 Βιοαποικοδόµηση. Ζυµώσεις. Κολυµβητήρια Χρήση σε µεταλλεία 20 Ιχθυοκαλλιέργειες Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας 69

71 6.4.1.ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α Η Ελλάδα διαθέτει πλούσια γεωθερµικά πεδία υψηλής, µέσης και χαµηλής ενθαλπίας. Είναι γνωστή σε όλους η ύπαρξη ιαµατικών λουτρών σε όλο τον Ελλαδικό χώρο, που µαρτυρούν πλούσιο γεωθερµικά υπέδαφος. Η αξιοποίησή τους γίνεται από τα πολύ παλιά χρόνια στον τοµέα των θεραπευτικών χρήσεων. Έρευνες που έχουν γίνει από το ΙΓΜΕ έδειξαν ότι είναι δυνατή η αξιοποίηση πολλών από αυτά και σε άλλες χρήσεις, όπως είναι η θέρµανση θερµοκηπίων, ιχθυοκαλλιεργειών, η τηλεθέρµανση πόλεων, κυρίως στην Β. Ελλάδα. Η θέρµανση θερµοκηπίων είναι ο τοµέας, όπου κυρίως µέχρι στιγµής αξιοποιείται το γεωθερµικό δυναµικό της χώρας µας. Έρευνες της ΕΗ σε συνεργασία µε το ΙΓΜΕ έδειξαν ότι υπάρχουν αρκετά πεδία υψηλής και µέσης ενθαλπίας µε µεγάλο ενδιαφέρον για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, στην Μήλο, την Νίσυρο, την Σαντορίνη, την Κω, το Σουσάκι, την Λέσβο κ.α. Τελικά, οι πρώτες έρευνες στην Μήλο έδειξαν την ύπαρξη γεωθερµικού δυναµικού που σύµφωνα µε τις πρώτες εκτιµήσεις ανέρχεται σε MWe. Στο διάστηµα έγιναν 5 συνολικά γεωτρήσεις σε βάθος µέτρα, που παράγουν συνολικά 350 t/h. Οι θερµοκρασίες των ρευστών στον ταµιευτήρα είναι C και στην κεφαλή των γεωτρήσεων C. Το 1985 η ΕΗ εγκατέστησε την πρώτη πειραµατική γεωθερµική µονάδα ισχύος 2 MW. Κατά την λειτουργία της παρουσιάστηκαν κάποια προβλήµατα τεχνικής φύσης, όχι πάντως ανυπέρβλητα, όπως η δηµιουργία επικαθήσεων πυριτικών και θειούχων αλάτων στις βάνες, τους αγωγούς µεταφοράς και τον στρόβιλο, και εκποµπές υδρόθειου στην ατµόσφαιρα. Το τελευταίο πρόβληµα ήταν και η αφορµή για τις έντονες διαµαρτυρίες των κατοίκων του νησιού για την δυσοσµία που προκαλούσε, γεγονός που υποχρέωσε την ΕΗ στην αναστολή της λειτουργίας της µονάδας. Τα τελευταία χρόνια έχει ξεκινήσει πάλι µια προσπάθεια αξιοποίησης της γεωθερµίας για παραγωγή Η.Ε.. Η ΕΗ έχει πάρει από τη ΡΑΕ (4/3/2003) άδεια παραγωγής Η.Ε. από γεωθερµικό πεδίο για ένα σταθµό ισχύος 8MW στη Λέσβο. Επίσης, η ΡΑΕ εξετάζει προτάσεις για χρήση γεωθερµικών πεδίων για ηλεκτροπαραγωγή έως 120 MW στο νησιωτικό σύµπλεγµα Μήλος Κίµωλος Πολύαιγος και έως 50 MW στη Νίσυρο. Ωστόσο, η ανάπτυξη της χρήσης της γεωθερµίας αναµένεται να προοδεύσει µε την επιβολή του πρόσφατου νόµου 3175/2003 που ενθαρρύνει την εκµετάλλευση των γεωθερµικών πεδίων εξασφαλίζοντας το νοµικό πλαίσιο [38]. Στο Σχήµα 6.14 βλέπουµε τις περιοχές της Ελλάδας µε γεωθερµικό ενδιαφέρον για την αξιοποίησή τους για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή άλλες χρήσεις. 70

72 Σχήµα 6.14: Κύριες Γεωθερµικές περιοχές της Ελλάδας 6.5. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΒΙΟΜΑΖΑ Ο όρος βιοµάζα περιλαµβάνει τα προϊόντα, τα υποπροϊόντα και τα κατάλοιπα της φυτικής, ζωικής, δασικής και αλιευτικής παραγωγής, καθώς και τα αστικά λύµατα και απορρίµµατα. Η παραγωγή της γίνεται µε την µετατροπή της ηλιακής ενέργειας µε βασικές πρώτες ύλες το νερό και τον άνθρακα. Η βασική ανανεώσιµη πηγή είναι ο άνθρακας που ανακτάται µέσω της φωτοσύνθεσης. Η βιοµάζα µπορεί να χρησιµοποιηθεί για άµεση παραγωγή θερµικής και ηλεκτρικής ενέργειας, για παραγωγή στερεών, υγρών και αερίων καυσίµων, για 71

73 παραγωγή λιπασµάτων, για παραγωγή τροφών καθώς και για παραγωγή βιοµηχανικών υλικών (π.χ. χαρτοπολτός). Οι πρώτες ύλες βιοµάζας που χρησιµοποιούνται, ή αξιολογείται η χρήση τους, για την τροφοδοσία των µονάδων ηλεκτροπαραγωγής συνήθως εµπίπτουν σε µια από τις ακόλουθες γενικές κατηγορίες: 1. ξύλο (δασικό ξύλο, υπολείµµατα ξύλου και λόχµες σύντοµου κύκλου), 2. γεωργικά υπολείµµατα, που περιλαµβάνουν τη βαγάσση (ζαχαροκαλαµόσκονη), τα υπολείµµατα ελιάς, κελύφη ρυζιού και άχυρα, 3. ενεργειακές καλλιέργειες (όπως είναι ο µισκανθός, η φάλαρις και το αρούντο), 4. απόβλητα, τα οποία περιλαµβάνουν τα αστικά στερεά απόβλητα, καύσιµο από σκουπίδια, λύµατα και κοπριά. Οι τεχνολογίες µετατροπής της βιοµάζας για την παραγωγή ηλεκτρισµού είναι η άµεση καύση, η αεριοποίηση, η πυρόλυση και η αναερόβια χώνευση. Η άµεση καύση αντιστοιχεί στην οξείδωση της βιοµάζας µε περίσσεια αέρα, η οποία παρέχει θερµά καυσαέρια που χρησιµοποιούνται για την παραγωγή ατµού στους τοµείς εναλλαγής θερµότητας των λεβήτων. Κατόπιν, ο ατµός χρησιµοποιείται για την ηλεκτροπαραγωγή, εκτονούµενος µέσω ατµοστροβίλου σ έναν κύκλο Rankine. Στους κύκλους αεριοποίησης µε βάση αέρα, η βιοµάζα οξειδώνεται µερικώς µε υποστοιχειοµετρικές ποσότητες οξυγόνου, παρουσία ατµού, παρέχοντας ενέργεια για τη θερµική µετατροπή της υπόλοιπης βιοµάζας σε αέρια και οργανικούς ατµούς. Για την παραγωγή ηλεκτρισµού, τα καθαρισµένα αέρια της αεριοποίησης (αεριογόνο) τροφοδοτούνται απευθείας σ ένα λέβητα ή στο θάλαµο καύσης ενός αεριοστροβίλου. Στους κύκλους έµµεσης αεριοποίησης χρησιµοποιείται εξωτερική πηγή θερµότητας, αντί για οξυγόνο, για να προσδώσει την ενέργεια για την αεριοποίηση. Έµµεση θέρµανση εφαρµόζεται επίσης στις διεργασίες πυρόλυσης για την µετατροπή της βιοµάζας σ ένα µίγµα αερίων και οργανικών ατµών. Ως πυρόλυση ορίζεται η θερµική καταστροφή των οργανικών υλικών εν απουσία οξυγόνου. Συνεπώς, τεχνικά, η έµµεση αεριοποίηση είναι µια διεργασία πυρόλυσης. Εν προκειµένω, εάν το κύριο προϊόν της πυρόλυσης είναι αέριο η διαδικασία θεωρείται αεριοποίηση, ενώ εάν είναι συµπυκνώσιµοι ατµοί η διαδικασία θεωρείται πυρόλυση. Η αναερόβια χώνευση είναι µία βιολογική διεργασία µε την οποία τα οργανικά απόβλητα µετατρέπονται σε βιοαέριο, ένα µίγµα µεθανίου (40-75% κατ όγκο) και διοξειδίου του άνθρακα. Η διεργασία βασίζεται στην αποδόµηση των οργανικών µακροµορίων της βιοµάζας από φυσικά υφιστάµενους πληθυσµούς βακτηρίων.[18] 72

74 Πίνακας 6.11: Παραγωγή Η.Ε. από βιοµάζα στις χώρες του ΟΟΣΑ το 2001 [16] Μονάδα: GWh Η.Ε. από: Ποσοστό Συνολική παραγωγή "καθαρή" βιοµάζα απόβλητα "καθαρή" βιοµάζα απόβλητα Η.Ε. 1 Αυστραλία ,63% 0,00% Αυστρία ,68% 0,41% Βέλγιο ,38% 1,61% Γαλλία ,28% 0,27% Γερµανία ,45% 1,78% ανία ,10% 3,51% Ελβετία ,24% 1,85% Ελλάδα ,15% 0,19% Η.Π.Α ,20% 0,62% Ην.Βασίλειο ,94% 0,37% Ιαπωνία ,69% 0,54% Ιρλανδία ,39% 0,00% Ισλανδία 0 0 0,00% 0,00% Ισπανία ,12% 0,27% Ιταλία ,34% 0,58% Καναδάς ,23% 0,00% Λουξεµβούργο ,64% 4,11% Μεξικό ,24% 0,00% Νέα Ζηλανδία ,16% 0,00% Νορβηγία ,19% 0,05% Νότια Κορέα ,00% 0,12% Ολλανδία ,04% 2,65% Ουγγαρία ,04% 0,31% Πολωνία ,30% 0,22% Πορτογαλία ,34% 1,10% Σλοβακία ,48% 0,02% Σουηδία ,90% 0,27% Τουρκία ,11% 0,04% Τσεχία ,69% 0,27% Φιλανδία ,03% 0,64% Στον Πίνακα 6.11 [16] φαίνεται η παραγωγή Η.Ε. από βιοµάζα το 2001 στις χώρες του ΟΟΣΑ. Όπως φαίνεται, στη χρήση «καθαρής» βιοµάζας για παραγωγή Η.Ε. (ποσοστιαία) είναι πρώτη η Φιλανδία µε µεγάλη διαφορά από τις υπόλοιπες χώρες (11,03% της συνολικής παραγωγής Η.Ε.), ενώ στην χρησιµοποίηση των αποβλήτων τα πρωτεία έχει το Λουξεµβούργο µε 4,11% της συνολικής παραγωγής Η.Ε. από απόβλητα. Σηµείωση: Σε ορισµένες χώρες, τα αστικά στερεά απόβλητα (ΑΣΑ) δεν θεωρούνται ως βιοµάζα, παρότι είθισται να καίγονται για την παραγωγή ηλεκτρισµού και θερµότητας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, αν και το µεγαλύτερο 73

75 µέρος της µάζας των ΑΣΑ προέρχεται από φυτικές ουσίες, τα ΑΣΑ περιέχουν επίσης έναν αριθµό πιθανά τοξικών υλικών. Συνεπώς, στα συστήµατα ηλεκτροπαραγωγής ΑΣΑ πρέπει να αφαιρούνται τα υλικά αυτά από τις πρώτες ύλες πριν την καύση τους, ή να φιλτράρονται πολύ προσεκτικά τα καυσαέρια για την αποφυγή τοξικών εκποµπών. Η συνήθης βιοµάζα δεν περιέχει τοξικά χηµικά και, όταν χρησιµοποιείται σε σύγχρονα συστήµατα ισχύος, παράγει λιγότερες εκποµπές από τους συµβατικούς ΣΠΗΕ. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο χρησιµοποιείται ο όρος «απόβλητα» σε αντίθεση µε την «καθαρή» βιοµάζα. Η χρησιµοποίηση της βιοµάζας στην παραγωγή Η.Ε. είναι διαδεδοµένη µε την καύση και την συµπαραγωγή θερµότητας. Η δυσκολία βρίσκεται στην µεταφορά της πρώτης ύλης και στον οµοιόµορφο τεµαχισµό της. Βέβαια, υπάρχουν περιπτώσεις, όπου αυτό είναι και εφικτό και λύνει προβλήµατα όπως η διάθεση των απορριµµάτων. Σε βιοµηχανικές µονάδες παραγωγής ζάχαρης ή επεξεργασίας άλλων αγροτικών προϊόντων, η παράλληλη λειτουργία µονάδας παραγωγής Η.Ε. είναι ιδιαίτερα αποδοτική ΩΚΕΑΝΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΥΜΑΤΩΝ) Μια όχι και τόσο ανεπτυγµένη µορφή ΑΠΕ είναι η µηχανική και θερµική ενέργεια των ωκεανών που χωρίζεται σε τρεις κυρίως κατηγορίες: 1. Ενέργεια των κυµάτων 2. Παλιρροιακή ενέργεια 3. Θερµική ωκεάνια ενέργεια. Ενέργεια θαλάσσιων κυµάτων. Ως γνωστόν, ο άνεµος ο οποίος διέρχεται ακριβώς πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας µεταφέρει µέρος της ενέργειάς του σ αυτήν δηµιουργώντας τα κύµατα. Η εκµετάλλευση της ενέργειας των κυµάτων είναι πιο εύκολη στις παράκτιες περιοχές. Στο σχήµα 6.15 [21] δίδονται περιοχές ανά την υφήλιο όπου η ισχύς των κυµάτων παρουσιάζεται σε kw ανά τρέχον µέτρο ακτής. Σχήµα 6.15: Περιοχές ανά την υφήλιο όπου η ισχύς των θαλάσσιων κυµάτων δίνεται σε kw ανά τρέχον µέτρο ακτής.[21] 74