Modeliranje stohastičnosti kombinacije različitih obnovljivih izvora

Transcript

1 SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA DIPLOMSKI RAD br. 153 Modeliranje stohastičnosti kombinacije različitih obnovljivih izvora Zagreb, srpanj 2009.

2 i

3 Sažetak Obnovljivi izvori energije prema svojim su prirodnim obilježjima nestalni i nepredvidivi. Takva prirodna obilježja ograničavaju mogućnost njihovog prihvata u elektroenergetski sustav. Uzrokuju poteškoće u reguliranju i planiranju rada elektroenergetskog sustava. Zadatak je ovog rada bio analizirati kako kombinacija različitih obnovljivih izvora na različitim lokacijama utječe na ukupno smanjenje stohastičnosti. Ideja je da elektroenergetski sustav sve obnovljive izvore na svim lokacijama gleda kao jednu virtualnu proizvodnu jedinicu. Da bi se to istražilo, napravljen je model jednog sustava obnovljivih izvora energije u programskom paketu MATLAB. U njemu je simulirana proizvodnja električne energije iz nekoliko obnovljivih izvora energije (Sunce, vjetar, voda) u satnoj rezoluciji kroz vremensko razdoblje od jedne godine. Izvođenjem simulacije dobivena je dovoljno velika količina podataka na temelju koje su se mogli izvući zaključci do kojih se u praksi može doći tek nakon višegodišnjih mjerenja. Nakon analize podataka može se zaključiti da se početna pretpostavka pokazala ispravnom. Kombiniranjem različitih obnovljivih izvora može se postići smanjenje ukupne stohastičnosti, odnosno povećanje predvidljivosti proizvodnje energije iz obnovljivih izvora, a time i povećanje stabilnosti samog elektroenergetskog sustava. ii

4 SADRŽAJ 1. UVOD KARAKTERISTIKE OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJA VJETRA I VJETROELEKTRANE Snaga i energija vjetra i vjetroagregata Krivulja snage Raspodjela brzina i smjera vjetra Podjela vjetroelektrana Osnovni djelovi vjetroelektrane Vjetroelektrane i stabilnost EES-a ENERGIJA SUNČEVA ZRAČENJA I FN ELEKTRANE Potencijal Sunčeva zračenja Fotonaponske ćelije ENERGIJA VODE I MALE HIDROELEKTRANE Male hidroelektrane STOHASTIČKA PRIRODA OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE UTJECAJ VJETROELEKTRANA NA EES PROMJENJIVI OBNOVLJIVI IZVORI ( VAR-RE ) MODEL SUSTAVA U MATLABU PROGRAMSKI PAKET MATLAB OPIS MODELA Opće blok sheme Model stohastičnosti solarnog ozračenja i FN elektrane Model stohastičnosti brzine vjetra i vjetroelektrane Model protoka vode PRIKAZ REZULTATA DOBIVENIH SIMULACIJOM Stohastičnost snage na satnoj razini kroz jednu godinu Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje Variranje snage kroz razne vremenske periode ZAKLJUČAK LITERATURA DODATAK SADRŽAJ DATOTEKE BRZINA_VJETRA_KNIN.M iii

5 7.2. SADRŽAJ DATOTEKE BRZINA_VJETRA_OSIJEK.M SADRŽAJ DATOTEKE BRZINA_VJETRA_SPLIT.M SADRŽAJ DATOTEKE EXTRATERRESTRIAL.M SADRŽAJ DATOTEKE PROZRACNOST_DNEVNA_DUBROVNIK.M SADRŽAJ DATOTEKE PROZRACNOST_DNEVNA_KNIN.M SADRŽAJ DATOTEKE PROZRACNOST_DNEVNA_OSIJEK.M SADRŽAJ DATOTEKE PROZRACNOST_SATNA.M SADRŽAJ DATOTEKE SIMULACIJA.M SADRŽAJ DATOTEKE VJETROELEKTRANA1.M SADRŽAJ DATOTEKE VJETROELEKTRANA2.M iv

6 Popis oznaka i kratica OIE eng. EES Kt β H FN el. en. MHE HE VE Var-RE obnovljivi izvori energije engleski Elektroenergetski sustav indeks prozračnosti upadni kut Sunčevog zračenja gustoća solarne energije fotonaponski električna energija mala hidroelektrana hidroenergije, hidroelektrana vjetroelektrana variable renewable energy v

7 Popis tablica Tablica 1 Pretežno ispunjena poželjna svojstva nekonvencionalnih izvora [3.]... 2 Tablica 2 Pretežno neispunjena poželjna svojstva nekonvencionanih izvora [3.]... 4 Popis slika Slika 1 Usporedba troškova izgradnje pojedinih energetskih tehnologija [4.]... 8 Slika 2 Usporedba troškova proizvodnje električne energije [4.]... 9 Slika 3 Udio pojedinih izvora energije u svjetskoj proizvodnji električne energije godine [3.] Slika 4 Ovisnost snage vjetra o brzini vjetra [4.] Slika 5 Ovisnost snage vjetrogeneratora o brzini vjetra [11.] Slika 6 Postavljanje turbina s obzirom na tok vjetra [3.] Slika 7 Normalizirani histogram brzine vjetra na dvije različite lokacije: Atlantski ocean (66 o N 4 o W, tamnoplavo) i sjeverna Njemačka (52 o N 11 o E, svjetlosmeđe). Maksimalna vjerojatnost odgovarajuće Weibullove razdiobe prikazana je punom (crvenom) linijom. (a) linearna skala (b) polulogaritamska skala [9.] Slika 8 Općenita shema djelovanja vjetroelektrane [11.] Slika 9 Prosječna dnevna ozračenost na ravnu površinu [kwh/m2] [3.] Slika 10 Ukupna godišnja ozračenost [kwh/m2] za površinu pod optimalnim kutom [3.] Slika 11 Utjecaj stanja u atmosferi i naoblake na intenzitet Sunčeva zračenja tijekom dana [3.] Slika 12 Spektar Sunčeva zračenja na ulasku u atmosferu i na površini Zemlje [3.] Slika 13 Teorijska efikasnost za razne poluvodičke materijale i prosječne uvjete [3.] Slika 14 Kako radi solarna ćelija [10.] Slika 15 I-U karakteristika za Si FN ćeliju [3.] Slika 16 Podudarnost Sunčeve energije i potreba za el. en. tijekom dana [3.] Slika 17 Krivulja protoka kroz godinu [3.] Slika 18 Moguće izvedbe malih HE Slika 19 Područje primjene različitih vrsta turbina (prema protoku i padu) [3.] Slika 20 Promjena stupnja djelovanja turbine u ovisnosti o protoku vode [3.] Slika 21 Danska primjer odstupanja plana proizvodnje vjetroelektrana od realizacije [6.] Slika 22 Krivulja trajanja proizvodnje vjetroelektrana i raspoloživosti konvencionalnih elektrana(vattenfall Njemačka) [6.] Slika 23 Efekt zaglađivanja kombiniranjem vjetroelektrana na različitim lokacijama [5.] Slika 24 Mjesečni faktori opterećenja za vjetrelektrane i solarne panele (2005. godina) [5.] Slika 25 Blokovska shema kompletnog modela Slika 26 Opća blok shema modela za Sunce vi

8 Slika 27 Opća blok shema modela za vjetar Slika 28 Blok shema stohastičnosti solarnog ozračenja i jednostavni model FN elektrane Slika 29 Blok shema FN elektrane Slika 30 Blok shema stohastičnosti brzine vjetra i jednostavni model vjetroelektrane Slika 31 Slika 32 Blok shema stohastičnosti protoka vode kroz jednu godinu i jednostavan model male hidroelektrane Prikaz proizvodnje električne snage male hidroelektrane (1500 kw) na razni sata kroz jednu godinu Slika 33 Prikaz proizvodnje električne snage FN elektrane (1500 kw) na razni sata kroz jednu godinu. 52 Slika 34 Slika 35 Prikaz proizvodnje električne snage vjetroelektrane (1500 kw) na razni sata kroz jednu godinu 52 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim elektranama kroz jednu godinu Slika 36 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz jednu godinu Slika 37 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim elektranama kroz jedan mjesec Slika 38 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz jedan mjesec Slika 39 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim elektranama kroz jedan dan 55 Slika 40 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz jedan dan Slika 41 Srednja satna snaga FN elektrane (interval od 8 dana) Slika 42 Variranje snage FN elektrane Slika 43 Variranje snage vjetroelektrane Slika 44 Variranje snage male hidoelektrane Slika 45 Usporedba proizvodnje el. en. jedne i svih VE Slika 46 Usporedba proizvodnje el. en. iz jedne FN elektrane i svih OIE zajedno vii

9 1. Uvod U današnjem modernom svijetu energija iz obnovljivih izvora zauzima posebno mjesto, jer donosi obećanje o ostvarivosti ciljeva održivog razvoja. Nove tehnologije omogućavaju nam iskorištavanje novih, obnovljivih izvora energije (OIE) za proizvodnju električne energije, a time i odmak od sveprisutnih obrazaca ovisnosti o fosilnim gorivima. Srednje i dugoročno gledano, za očekivati je da će obnovljivi izvori energije biti ekonomski konkurentni konvencionalnim izvorima energije. Teorijski, ali i tehnički iskoristivi prirodni energetski potencijali obnovljivih izvora ogromni su u usporedbi s ukupnom svjetskom potrošnjom energije. Ipak, njihovo iskorištavanje u budućnosti prije svega će ovisiti o ekonomskim karakteristikama energetskih tehnologija. Nastojimo postati svjesni činjenice o značenju energije i važnosti njenog racionalnoge korištenja. Svjetski trovi zaliha fosilnih goriva imaju strogo padajuću dinamiku i očekuje se skoro njihovo potpuno iscrpljivanje. Fosilna goriva koja danas predstavljaju dominantni energent imaju negativan utjecaj na okoliš. Svakodnevno se diljem svijeta iz naftno petrokemijskih postrojenja i energetskih procesnih postrojenja emitiraju velike količine stakleničkih plinova, ugljik-dioksida, oksidi dušika, ugljika i sumpora te odgovarajuće količine sumporovodika, amonijaka i ostalih kiselih plinova. Uz plinove prisutne su i male količine lebdećih čestica koje imaju kancerogeno djelovanje i žive koja također ima toksično djelovanje na ljudski organizam. Ne manje važan efekt je i termičko opterećenje okoliša koje ponajprije utječe na čitav niz klimatskih promjena i inicira proces globalnog zagrijavanja na našem planetu. Svjesni smo činjenice da će nafta i naftni derivati biti dominantan pokretač svjetskog energetskog i gospodarskog rasta do krajnje eksploatacije i posljednjih zaliha fosilnih goriva, no nameće se i pitanje što nakon iscrpljivanja posljednje kapi nafte i zemnog plina i kako sačuvati okoliš u što boljem stanju za buduće generacije. Odgovor valja potražiti u obnovljivim izvorima energije. Dobro nam je poznato da je danas trenutna situacija na energetskom planu takva da su fosilna goriva još uvijek dominantan izvor energije i energenata na svjetskom tržištu, a obnovljivi izvori energije mogu u tom slučaju poslužiti kao alternativa za pokrivanje vršnih opterećenja u energetskom sustavu. 1

10 2. Karakteristike obnovljivih izvora Svojstva nekonvencionalnih izvora energije ne možemo promatrati izdvojeno od općenito znanih svojstava konvencionalnih izvora, tek uspoređivanjem s tim svojstvima možemo utemeljeno donositi kvalifikative nekonvencionalnih izvora. Neka svojstva nekonvencionalnih izvora su poželjna, a neka nepoželjna. U tablici 1 iznose se neka važnija opća i pojedinačna svojstva, ali u kojima pretežu poželjna svojstva. Zatamnjenja pojedinih polja u tablici znače ispunjenje i neispunjenje poželjnih svojstava: Tablica 1 Pretežno ispunjena poželjna svojstva nekonvencionalnih izvora [3.] Značenje kolona u tablici je: MHE - korištenje vodnih snaga u malim hidroelektranama Su-T - korištenje Sunčeva zračenja toplinskim kolektorima Su-E - korištenje Sunčeva zračenja fotoelektričnim ćelijama Vj. - korištenje energije vjetra vjetroelektranama Bio. - korištenje biomase i otpada Geo. - korištenje geotermalne energije Obnovljivost pojedinog izvora energije najlakše pojmimo ako kažemo da je obnovljiv izvor onaj čiji se prosječni dotok svake godine ponavlja, bez smanjenja barem za ljudsko poimanje vremena. U tom pogledu, svi promatrani 2

11 nekonvencionalni izvori su obnovljivi. Geotermalnoj energiji izvor su energetski procesi u Zemljinoj nutrini koji će prema ljudskom poimanju vremena trajati praktički do u nedostižnu budućnost. U pogledu ogrjevnog drveta, istaknimo da je uvjet obnovljivosti neprekidno pošumljavanje prostora barem toliko da godišnji prinos bude jednak godišnjem iskorištenju drvne mase. Općenito, nekonvencionalni izvori imaju ogroman potencijal što je poželjno svojstvo. Sa Sunca na tlo Hrvatske dostruji približno 500 puta više energije nego li je godišnja hrvatska potrošnja svih oblika energije! Ipak, male hidroelektrane predstavljaju ograničeni potencijal, kojega naprosto nema na znatnom dijelu ogromnih prostranstava globusa. Biomase predstavljaju velik ali ipak znatno manji potencijal od energije Sunčeva zračenja. Geotermalna energija ima pri današnjem načinu korištenja ograničeni potencijal, ali prikriveni potencijal je ogroman, ako dođe do prihvatljivog korištenja topline Zemljine unutrašnjosti s velikih dubina. Ima li se na umu energija potrebna za proizvodnju opreme i materijala koje treba ugraditi u postrojenja za korištenje nekonvencionalnih izvora, a ne samo toj energiji odgovarajući novac, onda izlazi da pojedini izvor mora neprekidno raditi nekoliko godina, da bi tek tada postao netto-proizvođač energije. A kako za pojedine oblike energije treba mnogo takvog materijala (temelji i nosači fotoćelija i kolektora, same fotoćelije i kolektori, visoki betonski ili čelični stupovi vjetrogeneratora) to se energija za njihovu proizvodnju ne smije zanemariti. Naglašeni utrošak energije je pri proizvodnji fotoćelija. Kod većine nekonvencionalnih izvora nema utroška energije prilikom pridobivanja izvornog oblika (kao što postoji značajan utrošak energije pri eksploataciji ugljenokopa), niti utroška energije za transport izvornog oblika, jer je transport u pravilu nemoguć. Treba naprosto postrojenja za pretvorbu nekonvencionalnog izvora u povoljniji oblik izložiti djelovanju tog nekonvencionalnog izvora. Jedino se kod ogrjevnog drveta, biomase i otpada javljaju ti utrošci energije (koji mogu biti toliko značajni da cijela stvar postane neracionalna), primjerice za sječu drvne mase, za pošumljavanje i uzgoj šume, za transport od mjesta sječe do mjesta korištenja te za pripremu drveta za korištenje. Slično je s biomasom i otpadom, jedino tu može izostati utrošak pri uzgoju jer se uzgoj odvija neovisno od eventualnog energetskog korištenja, primjerice slama nastaje kao rezultat poljoprivredne proizvodnje pšenice te će ili strunuti ili se energetski iskoristiti. Lokalno 3

12 opterećenje okoline emisijom štetnih tvari ili bukom na mjestu pretvorbe nekonvencionalnog oblika energije u iskoristljiviji oblik općenito je maleno ili ga uopće nema. Ali korištenje vjetra izaziva buku, a sagorijevanje biomase izaziva emisiju plinova eventualno manje štetnih od konvencionalnih goriva jer praktički nema sumpora (kao u ugljenu ili nafti). Ipak je emisija iz tih postrojenja nešto veća nego li iz konvencionalnih postrojenja, jer radi se o manjem stupnju djelovanja pri pretvorbi energije i manjim jedinicama. Emisija kod korištenja otpadaka može biti i opasna ako se prethodno iz otpadaka (smeća) ne izdvoje evidentno štetni sastojci. Najznačajnije praktično poželjno svojstvo nekonvencionalnih izvora energije je mogućnost posvemašnje diverzificirane primjene. Praktički, svi izvori nekonvencionalne energije dakako ako se raspoloživi na promatranom mjestu mogu se koristiti u malome, u vlastitoj režiji, djelomice ili potpuno u samogradnji time se trošak rada kod instaliranja, pogona i održavanja praktički dade izbjeći ili barem prikriti («radim za sebe, u slobodno vrijeme dakle besplatno»). Konačno, o kumulativnoj CO 2 neutralnosti nekonvencionalnih izvora energije. Kumulativnoj, znači promatranoj u ukupnom lancu od pridobivanja energije, izrade i montaže pogonskih uređaja, do korištenja i zbrinjavanja nakon korištenja. Iako se često govori o CO 2 neutralnosti apsolutno svih nekonvencionalnih izvora, najčešće se misli na tu neutralnost prilikom pretvorbe nekonvencionalnog oblika u iskoristljiviji oblik i tada je takvo gledanje točno. (Za biomasu, to je dakako ispunjeno samo ukoliko je godišnje iskorištavanje mase jednako ili manje od godišnjeg prirasta nove mase. Tada će emisija CO 2 pri korištenju te biomase biti jednaka apsorpciji CO 2 prilikom fotosinteze te biomase.) Međutim, ako se ima na umu proizvodnja materijala za izgradnju fotoćelija, a donekle i kolektora, onda izlazi da je primjena Sunčevog zračenja kumulativno «kvazi-co 2 -neutralna», a emisija ostalih postrojenja podjednaka kumulativnoj emisiji CO 2 iz konvencionalnih postrojenja. U tablici 2 daje se pregled pretežno neispunjenih poželjnih svojstava nekonvencionalnih izvora energije. Tablica 2 Pretežno neispunjena poželjna svojstva nekonvencionanih izvora [3.] 4

13 Površinska distribucija (površinska raspodjela) Sunčeva zračenja po Zemlji najpravednija je od svih primarnih oblika energije, donekle biomase i otpada (otpada ima svugdje gdje ima aktivnosti ljudi, a tu je potrebna i energija, nema ga tamo gdje nema ikakve ljudske aktivnosti pak tamo nema niti potrebe za energijom). Ostali nekonvencionalni oblici energije nisu ravnomjerno raspoređeni po Zemljinu globusu. Površinska gustoća mala je za Sunčevo zračenje, još manja za biomase i otpad, te nešto veća za vjetar (tamo gdje ga uopće ima raspoloživog za energetsko korištenje), jedino je kod malih hidroelektrana i kod toplih izvora površinska gustoća primjereno visoka. Na jedan četvorni metar na našoj geografskoj širini dostruji godišnje približno 1000 kilovatsati Sunčeva zračenja, a ako uzgojimo pšenicu na tom četvornom metru, slama će imati energetski sadržaj od samo 2 kilovatsata. Gdje je to usporedbi s naftnom bušotinom s godišnjim iscrpkom od recimo 100 tisuća tona čiji je energetski sadržaj otprilike 1 milijarda kilovatsati, a zauzima površinu od par stotina četvornih metara! Općenito, izvorno se ne daju transportirati gotovo svi nekonvencionalni oblici energije, kao niti uskladištiti u izvornom obliku. Moraju se trošiti na mjestu i u ritmu 5

14 svoga nastanka. Jedino se ogrjevno drvo, te biomasa i otpad daju transportirati na razumno veliku udaljenost (jer bi pretjerana udaljenost tražila više energije za transport od energetskog sadržaja tvari koja se prevozi, te bi to bilo nerazumno) i svakako se daju uskladištiti i koristiti u ritmu potreba. Oscilacija prirodnog dotoka velika je kod svih nekonvencionalnih oblika energije, jedino geotermalna energija ne poznaje oscilaciju, ravnomjerno dotječe iz svog izvora. Donekle, oscilacija dotoka ogrjevnog drveta manja je uzevši u obzir i mogućnost njegova uskladištenja, oscilacija se dade kompenzirati. Biomase sazrijevaju praktički trenutno i onda se to ponavlja tek u pravilu za godinu dana. Vjetar ima oscilaciju od nula do preko sto posto, jer pri olujnom vjetru mora se obustaviti korištenje vjetrogeneratora, kao i pri vrlo malim brzinama vjetra. Kako je snaga vjetroturbine proporcionalna brzini vjetra na treću potenciju, to i mala promjena brzine predstavlja znatniju promjenu snage. Udvostručenje brzine vjetra vodi uosmerostručenju snage! Sunčevo zračenje jednako tako predstavlja izvor s oscilacijom 0-100%, jer ga noću uopće nema. Male HE također mogu biti na takvim vodotocima, koji u određenim prilikama znaju posve presušiti. Trajanje iskorištenja instalirane snage, dakle omjer godišnje proizvedene energije i instalirane snage, malo je kod svih izvora čije su prirodne oscilacije velike, jer su samo mali dio godišnjeg vremena u punom pogonu. Za sve oblike energije čije je trajanje godišnjeg iskorištenja malo mora se osigurati akumulacija energije, pak je onda koristiti iz akumulatora ako je dotok malen ili posve izostao a potražnja postoji. Ali, akumulacija praktički dolazi u obzir kod toplinskog korištenja Sunčeva zračenja (akumulator je dobro toplinski izoliran bojler) ili akumulacija manje količine električne energije u električnom akumulatoru kod fotonaponskog korištenja Sunčeva zračenja. Veću količinu električne energije ne dade se ekonomično akumulirati u akumulatorima jer bi oni bili velikih masa i time preskupi, tako da se praktički kod svih drugih obnovljivih izvora poseže za elektroenergetskim sustavom kao rezervnim rješenjem ili dizel-generatorom. Ogrjevno drvo, biomasa i otpaci te geotermalna energija ne traže takvu rezervu. Potrebna rezerva u konvencionalnim postrojenjima može biti znatna, praktički može doći do udvostučenja instalacije na nacionalnoj razini. S jedne strane 6

15 instaliramo postrojenja na nekonvencionalni izvor, a s druge strane isto toliku konvencionalnu rezervu, koja će, k tome, biti slabije iskorištena jer neće raditi u razdobljima kada je nekonvencionalni izvor raspoloživ. Regulacijska svojstva takve rezerve moraju biti iznimno visoka jer je za dio nekonvencionalnih izvora karakteristična njihova brza, a nepredvidljiva promjena. Prijenosna električna mreža koja povezuje područja gdje su takvi nekonvencionalni izvori s područjima u kojima je konvencionalna rezerva također mora biti pojačana. U Njemačkoj, gdje je trenutno instalirano preko 20 gigavata vjetroelektrana u pogonu (najviše u svijetu), moraju za svaki megavat u vjetroelektranama držati u rezervi još 0,85 megavata u konvencionalnim elektranama. Zauzimanje prostora na mjestu pretvorbe primarnog oblika energije u iskoristljiviji oblik veliko je pri korištenju svih nekonvencionalnih oblika, kod kojih je površinska gustoća mala. Za fotonaponsko korištenje Sunčeva zračenja to je izrazito naglašeno, a kod korištenja vjetra i kolektorskog korištenja Sunčeva zračenja nešto manje. Ogrjevno drvo te biomasa i otpaci traže nešto više prostora od onoga kojeg bi tražila konvencionalna termoelektrana jednake snage, uz nešto veći skladišni prostor. Ogrjevno drvo dade se i neposredno koristiti u štednjaku, peći za zagrijavanje prostora ili sanitarne vode pak onda traži samo prostor za uskladištenje. Geotermalna energija, ukoliko se koristi neposredno za zagrijavanje, troši najmanje prostora jednostavno se cijev zabije u tlo i razvede po kućama. Stupanj djelovanja pri pretvorbi u koristan oblik općenito je malen ili manji nego li kod konvencionalnih izvora energije. Osobito je to naglašeno pri fotonaponskom korištenju Sunčeva zračenja kod kojega je prosječni stupanj djelovanja samo oko 10%, dakle za jedan kilovatsat dobiven iz sunčanih ćelija treba izložiti toliko površine da bude osunčana s deset kilovatsati. Veći je kod malih hidroelektrana, toplinskog korištenja Sunčeva zračenja kolektorima i neposrednog toplinskog iskorištavanja geotermalne energije. Suvremeni energetski pristup zalaže se za primjenu kogeneracije dakle spregnutu proizvodnju toplinske i električne energije, što je više moguće, jer se time postiže veće iskorištenje primarnog oblika energije. Moguća je samo kod nekonvencionalnih izvora upotrebljenih kao gorivo u termoelektrama-toplanama ili ako se geotermalna energija koristi za pogon takve elektrane, dakle mora se raditi 7

16 o vrlo vrućem izvoru (kakvih ima na Islandu). Također, u blizini postrojenja za pretvorbu mora biti primjereno velik toplinski konzum, inače se nema kamo isporučivati proizvedena toplina. Troškovi pogona i održavanja postoje kod svih izvora. Neki se mogu ne iskazati, ako su radovi izvedeni u vlastitoj režiji, ali oni teoretski postoje. Podmazivanje, zaštita od korozije, elementarno čišćenje, redoviti periodički remonti... samo su neki od primjera troškova pogona i održavanja koji se ne daju izbjeći ako se hoće ostvariti poželjna životna dob pojedinog uređaja za prihvat i pretvorbu nekonvencionalnog oblika energije. Energetski objekti općenito imaju relativno visoku cijenu gradnje u odnosu na objekte koji se koriste za stanovanje ili kao poslovni prostori, zbog svoje specifične namjene i visokih zahtjeva sigurnosti. Međutim, cijena gradnje nije jedini trošak vezan za gradnju obnovljivih izvora energije. Pojedinosti navodimo u nastavku. Slika 1 Usporedba troškova izgradnje pojedinih energetskih tehnologija [4.] Visoka cijena gradnje: kod izgradnje objekata obnovljivih izvora energije veće snage, trošak izgradnje po kw je manji, nego kod izgradnje objekata manjih snaga. 8

17 Najskuplje tehnologije po kw su za obnovljive izvore energije koji koriste valove i plimu i oseku, zbog specifičnosti lokacije (sve je smješteno u vodi), potom fotonaponske sustave zbog složenosti izrade solarnih panela (zahtijeva se visoka čistoća sirovine za izradu, posebni uvjeti vezani za temperaturu, vlagu i slično) te geotermalne elektrane zbog dubokih bušotina. Usporedbe radi, najskuplja konvencionalna tehnologija po kw instalirane snage je nuklearna tehnologija, zbog iznimno visokih zahtjeva sigurnosti. Slika 2 Usporedba troškova proizvodnje električne energije [4.] Cijena gradnje ne uključuje cijenu sirovine (goriva) koje se koristi za proizvodnju električne energije, kao ni troškove rada i održavanja postrojenja, a one su iznimno važne u ukupnom formiranju cijene proizvodnje električne energije iz nekog postrojenja. Cijena proizvodnje uključuje sve te čimbenike, kao i cijenu gradnje postrojenja i obično se izražava u valuti po kwh (primjerice, kn/kwh). Tako je nuklearna elektrana najskuplja pri gradnji, ali ima najnižu cijenu proizvodnje električne energije, jer koristi najjeftinije gorivo i proizvodi veliku količinu električne energije pa je, prema tomu, cijena po kwh manja. Kod obnovljivih izvora energije, izvor može biti i besplatan, ali visoki troškovi gradnje i 9

18 mali broj godišnjih sati rada uzrok su visoke cijene električne energije iz takvih izvora. Na slici 3 prikazan je udio pojedinih izvora energije u svjetskoj proizvodnji električne energije. Iz dijagrama je vidljivo da se trenutno oko dvije trećine električne energije dobija iz fosilnih goriva (ugljena 40 %, prirodnog plina 20 % i nafte 7 %), dok su od ostalih izvora značajnije zastupljeni samo nuklearna i hidroenergija ( s udjelima od 16 %) i to uglavnom zbog konvencionalnih velikih hidroelektrana. Svi ostali, tj. nekonvencionalni izvori energije (isključujući hidroelektrane), usprkos njihovom značajnom poticanju i razvoju u posljednje vrijeme, u svjetskoj prizvodnji električne energije sudjeluju ukupno samo s 2 %, od čega daleko najviše biomasa (62%), potom energija vjetra (22%) i geotermalna energija (15%). Izravno korištenje energije sunčevog zračenja, kao plime i oseke u usporedbi s ostalim oblicima obnovljivih izvora gotovo je zanemarivo u ovom trenutku, ali ipak treba naglasiti da ulažu veliki znanstveno-istraživački napori kako bi se ubrazo tehnološki razvoj fotonaponskih ćelija s ciljem smanjenja investicijskih troškova i njihove značajnije uporabe. Slika 3 Udio pojedinih izvora energije u svjetskoj proizvodnji električne energije godine [3.] 2.1. Energija vjetra i vjetroelektrane Sva obnovljiva energija dolazi od sunca. Sunce prema Zemlji zrači 1015 kwh po četvornome metru. Oko 1 do 2 posto energije koja dolazi od sunca pretvara se 10

19 u energiju vjetra. To je primjerice od 50 do 100 puta više od energije pretvorene u biomasu od svih biljaka na Zemlji. Zbog zemljine rotacije, svaka kretnja na sjevernoj polutki je usmjerena prema desno. Ta pojava iskrivljena sile je poznata kao Coriolisova sila. Na sjevernoj polutki vjetar ima smjer rotacije obrnutu smjeru kazaljke na satu kako se približava području niskog tlaka. Na južnoj polutki vjetar ima smjer rotacije u smjeru kazaljke na satu oko područja niskog tlaka. Vjetroturbina dobiva ulaznu snagu pretvaranjem sile vjetra u okretnu silu koja djeluje na elise rotora. Količina energije koju vjetar prenosi na rotor ovisi o površini kruga koji čini rotor u vrtnji, brzini vjetra i gustoći zraka. Pri normalnom atmosferskom tlaku pri temperaturi od 15 C zrak teži otprilike kg/m3, ali se povećanjem vlažnosti i gustoća povećava. Također vrijedi da je zrak gušći kada je hladniji nego kad je topliji. Na visokim nadmorskim visinama tlak zraka je niži, pa je zrak rjeđi. Vjetroturbina iskrivljuje putanju vjetra i prije nego što vjetar dođe do elisa rotora. To znači da se ne može iskoristiti sva energiju iz vjetra Snaga i energija vjetra i vjetroagregata Energija vjetra je kinetička energija ovisna o kvadratu brzine vjetra: Maksimalna teorijska energija vjetra računa se nadalje kao: gdje je: ρ gustoća zraka (približno 1,25 kg/m3); A površina rotora vjetroelektrane (volumen V = A v) v brzina vjetra Dakle, maksimalna teorijska energija vjetra ovisi o brzini vjetra na treću potenciju. Ukupna kinetička energija zraka ne može se sva iskoristiti, jer zrak mora dalje strujati da bi načinio mjesta onome koji dolazi, pa je moguće iskoristiti samo energiju koja je proporcionalna razlici brzina vjetra na treću potenciju: 11

20 Maksimalnu snaga koja se može dobiti pogonom pomoću vjetroturbine iz konstrukcijskih razloga iznosi 16/27 odnosno 0,59259 od teoretske maksimalne moguće snage vjetra. Uzmemo li u obzir i maksimalni stupanj djelovanja zračne turbine je 0.65, te stupanj djelovanja generatora 0.8, za maksimalnu energiju vjetroelektrane vrijedi: Teorijski dakle, iskoristi se samo 31% (0,193/0,625) kinetičke energije vjetra za proizvodnju električne energije u vjetroelektranama. Često se za proračun energije umjesto površine uvrštava promjer (D) turbine: S obzirom na gornja razmatranja poznavanje brzine vjetra ima osnovnu važnost za ocjenu mogućnosti iskorištavanja vjetra u energetske svrhe. Brzina vjetra je jako promjenjiva, pa je stoga potrebno mjeriti brzinu vjetra kako bi se mogle odrediti krivulje frekvencija (statistika vjetra). Brzina vjetra se povećava sa visinom iznad tla. Može se računati da je omjer brzina razmjeran petom korijenu iz omjera visina nad zemljom. Na slici 4 prikazana je ovisnost maksimalne i teorijski iskoristive snagu vjetra, kao i one na osovini vjetroturbine i priključcima generatora u ovisnosti o brzini vjetra. 12

21 Slika 4 Ovisnost snage vjetra o brzini vjetra [4.] Krivulja snage Graf koji nam pokazuje koliko će turbina proizvesti električne energije na različitim brzinama vjetra je krivulja snage. Vjetroturbine su dizajnirane tako da počnu raditi pri brzini vjetra između 3 do 5 metara po sekundi. Tu pojavu nazivamo brzina uključenja vjetra. Turbina se programira tako da prestane raditi pri velikoj brzini vjetra, pri otprilike 25m/s, da se turbina ili okolina turbine ne bi oštetila. Prestanak brzine vjetra nazivamo brzinom isključenja vjetra. 13

22 Slika 5 Ovisnost snage vjetrogeneratora o brzini vjetra [11.] Problem krivulje snage je u tome što nam govori koliko snage će proizvesti vjetroturbina pri prosječnoj brzini vjetra. Obujam energije vjetra se mjenja sa brzinom vjetra. Koeficijent snage govori koliko se energije vjetra pretvori u električnu energiju. Efikasnost turbina je malo veća od 20%, ipak ona se mijenja sa brzinom vjetra. Za ukupnu količinu energije koju zračna turbina pretvara u električnu energiju brzina vjetra je vrlo bitna. Energija vjetra odgovara prosječnoj brzini vjetra na treću potenciju, što znači da ako je brzina vjetra dvostruko veća, dobiva se 8 puta više energije Raspodjela brzina i smjera vjetra Prikaz informacije o raspodjeli brzina i smjerova vjetrova, na osnovi meteoroloških promatranja brzina i smjerova naziva se ruža vjetrova. Ruža vjetrova daje nam informaciju o relativnoj brzini vjetrova iz različitih smjerova, tj. svaki od podataka (frekvencija, prosječna brzina vjetra, prosječni kub brzine vjetra) je pomnožen brojem koji jamči da se najveća kriška točno podudara sa radijusom vanjskog kruga u dijagramu. Na velikim visinama od oko 1 km, površina zemlje ne utječe previše na vjetar, dok u nižim slojevima atmosfere trenje o površinu zemlje jako utječe na brzinu vjetra. Za veća nepravilnosti terena, vjetar je više usporen. 14

23 Primjerice šume i veliki gradovi, logično će više usporiti vjetar, dok će velike betonske površine na aerodromima tek neznatno utjecati na brzinu vjetra. Vodene površine su još više uglađenije od betonskih imaju još manji utjecaj, dok visoka trava i grmlje imaju znatan utjecaj na brzinu vjetra. Dobra lokacija za zračne turbine je duž obale. Pretpostavka da bi se postigao bolji efekt postavljanjem turbina na sam rub litice nije točna, jer litica stvara turbulenciju i usporava vjetar čak i prije nego što dolazi do same litice, te znatno smanjuje životni vijek turbine zbog jačeg trošenja uslijed turbulencije. Puno povoljnije bilo bi kada bi litica bila zaobljena prema moru, jer bi u tom slučaju došlo do efekta ubrzanja vjetra. Zbog stalnog variranja brzine vjetra, količina energije stalno se mijenja. Promjena ovisi o vremenskim prilikama, o uvjetima na tlu i preprekama. Izlazna energija vjetroturbine ovisi o variranju vjetra, iako su najveće varijacije do neke mjere kompenzirane zbog tromosti rotora turbine. Na većini mjesta na svijetu danju je vjetrovitije nego noću. Vjetar je mnogo turbulentniji danju i češće mijenja smjer. Veća proizvodnja danju je prednost jer je i potrošnja danju veća. Snažne oluje često su popraćene čestim udarima vjetra koji naglo mijenjaju smjer i brzinu vjetra. U područjima sa nejednakim izgledom terena, i iza prepreka poput zgrada, dolazi do turbulencije sa vrlo nepravilnim tokovima vjetra i vrtlozima. Turbulencija smanjuje mogućnost iskorištavanja energije vjetra, te uzrokuje veće trošenje turbina. Površine mora i jezera su glatke pri konstantnoj brzini vjetra, nepravilnost površine je vrlo mala. Povećanjem brzine vjetra dio energije vjetra se iskorištava na podizanje valova što čini površinu nepravilnom. Pošto je nepravilnost na morskoj površini vrlo mala, brzina vjetra se previše ne mijenja pa visina osovine turbine ne mora biti visoka kao na kopnu. Najekonomičnija visina osovine turbine smještene na površini mora je 0,75 puta promjer rotora. Tornjevi turbina obično se prave dovoljno visoki da bi izbjegli turbulencije od vjetra blizu tla. Vjetar na moru je manje turbulentan nego na kopnu, zato turbine na moru imaju veći životni vijek od onih na kopnu. Svaka vjetroturbina usporava vjetar iza sebe nakon što iz njega izvuče energiju i pretvori je u električnu. Iz tog razloga bi turbine trebalo smjestiti što je moguće dalje jednu od druge. Iskoristivost zemljišta i cijena spajanja turbina na električnu mrežu, traže da ih smjestimo što bliže jednu drugoj. Vjetroturbine su udaljene između 5 do 9 dužina promjera rotora u smjeru dolaska vjetra i između 3 do 5 15

24 dužina promjera rotora u smjeru okomitom na smjer vjetra. Gubitak energije zbog zavjetrine koje stvaraju jedna drugoj iznosi negdje oko 5 posto. Na vjetrovitoj strani zgrada ili planina, zrak se kompresira i njegova se brzina između prepreka znatno povećava. Ta je pojava znana kao efekt tunela. Tunel bi trebao biti što pravilniji. Slika 6 Postavljanje turbina s obzirom na tok vjetra [3.] Meteorološki podaci, proračunati za posljednjih 30 godina najbolji su vodič pri izboru lokacije za vjetroturbinu, ali potrebno je biti oprezan zbog toga što ti podaci nisu prikupljeni baš na toj točnoj lokaciji. Ako u području već postoje turbine, njihovi rezultati proizvodnje daju najbolji uvid u osobine vjetra. Velike turbine se spajaju na električnu mrežu. Kod manjih projekata pazi se da vjetroturbine postavimo dovoljno blizu srednjenaponskih 10 do 35 kv dalekovoda da troškovi proširenja električne mreže ne budu previsoki. Generatori u velikim modernim 16

25 zračnim turbinama najčešće proizvode struju pri naponu od 690 V. Transformator smješten uz turbinu ili u samom tornju turbine pretvara energiju na viši naponski nivo (obično kv). Ako je više turbina već spojeno na mrežu, trebalo bi povećati presjek kabela. Projektanti vjetro-elektrana moraju poznavati informaciju promjene brzine vjetra, time smanjuju troškove izgradnje i sama elektrana ima veću korisnost. Razdioba brzine vjetra na tipičnom položaju dobija se mjerenjem, a matematički opisuje Weibullovom razdiobom. Weibullova razdioba je najšire prihvaćeni model za određivanje vjerojatnosti pojave vjetra određene brzine je dvoparametarska Weibullova razdioba. gdje s 0 i k označavaju parametar razmjera odnosno oblika. Rayleighova razdioba (koja se također može koristiti za modeliranje brzine vjetra) je specijalan slučaj Weibullove razdiobe sa k = 2, dok k = 1 daje jednostavnu eksponencijalnu razdiobu. Weibullova funkcija gustoće razdiobe je najpopularniji model za određivanje distribucije kvarova. U kontekstu histograma brzina vjetra, radije je možemo razmotriti kao generalizaciju Rayleighove razdiobe s kojom dobivamo povećanu fleksibilnost da se bolje može prilagoditi empirijskim podacima. Karakteristike Weibullove razdiobe su detaljno istražene i brojne studije pokazuju da je vrlo dobra za modeliranje brzine vjetra na nekoliko lokacija. Slika 7 Normalizirani histogram brzine vjetra na dvije različite lokacije: Atlantski ocean (66 o N 4 o W, tamnoplavo) i sjeverna Njemačka (52 o N 11 o E, svjetlosmeđe). Maksimalna vjerojatnost odgovarajuće Weibullove razdiobe 17

26 prikazana je punom (crvenom) linijom. (a) linearna skala (b) polulogaritamska skala [9.] Primjeri aproksimacije stvarnih izmjerenih podataka Weibullovom razdiobom su na slici 7 gdje su lokacije odabrane tako da ilustriraju posebno dobre i loše aproksimacije. Općenito, Weibullova funkcija gustoće razdiobe je relativno dobar model za oceane i mora, pa ipak, histogrami za velika kopnena područja aproksimiraju se s relativno velikom pogreškom. Slika 7 pokazuje da ni srednje brzine vjetra niti rep sa velikom brzinama vjetra nisu dobro aproksimirani Weibullovom funkcijom. U praksi je posebno problematična netočnost aproksimacije velikih brzina vjetra jer je tipična brzina ( cut in brzina) vjetra ispod koje turbine ne rade 3-5 m/s i zbog toga je adekvatna aproksimacija repa koji sadrži velike brzine vjetra ključna za predviđanje proizvodnje Podjela vjetroelektrana Općenito postoje dva tipa vjetroelektrana: s okomitim i s vodoravnim rotorom. Vjetroelektrane s okomitim rotorom se rjeđe koriste. Većina vjetroturbina sa vodoravnom osovinom koriste mehanizam koji pomoću elektromotora i prijenosa drži turbinu zakrenutu prema smjeru dolaska vjetra. Tornjevi za velike turbine mogu biti okrugli čelični, rešetkasti, ili betonski. Uski okrugli tornjevi se koriste za male zračne turbine. Velike zračne turbine se izvode sa okruglim čeličnim tornjevima, koji se proizvode u dijelovima od metara koji se spajaju na mjestu postavljanja turbine. Promjer tornja se povećava prema temelju, da bi povećali čvrstoću i uštedili na materijalu. Rešetkasti tornjevi se izvode varenjem čeličnih profila. Osnovna prednost ovih tornjeva je u cijeni, pošto se koristi upola manje materijala a postiže se ista čvrstoća. S obzirom na mjesto postavljanja vjetroelektrane se dijele na one koje se postavljaju na kopnu i one na morskoj pučini. S obzirom na snagu uobičajena je podjela na male (1 do 30 kw), srednje i velike (30 do 1500 kw), te one na pučini (>1500 kw). Male se koriste obično na dalekim izoliranim mjestima, pri čemu postoji velika raznolikost rješenje. Vjetroelektrane srednje i velike snage obično rade na mreži, kao samostalne ili u grupi (vjetroparkovi). One instalirane snage veće od 650 kw danas su su komercijalne i proizvode se u velikim serijama. Vjetroelektrane na 18

27 pučini mogu imati instaliranu snagu i do nekoliko stotina MW, trenutno su u razvoju, a glavna zapreka je velika cijena postolja Osnovni djelovi vjetroelektrane Slika 8 Općenita shema djelovanja vjetroelektrane [11.] Lopatice (eng. blades) - većina vjetroturbina ima sustav s dvije ili tri lopatice. S obzirom na izvedbu možemo razlikovati lopatice sa zakretnim vrhovima (kao aerodinamičnim kočnicama) ili s krilcima. Obje izvedbe su ujedno sekundarni kočni sustavi, koji u slučaju otkaza primarnog kočnog sustava (mehanička kočnica) stvaraju moment kočenja (zakretanjem vrha lopatice ili pomičnom ravnom površinom (eng. spoiler), te na taj način ograničavaju brzinu vrtnje. Rotor - sastavni dijelovi rotora vjetroturbine su glava (eng. hub) i lopatice. Kočnica (eng. brake) - kada generator ispadne iz mreže, odnosno brzina naleta vjetra prijeđe maksimalnu vrijednost (isključnu vrijednost, npr. 25 m/s) dolazi do izrazitog dinamičkog opterećenja mora postojati kočni sustav kako bi rasteretio prijenosnik snage, odnosno zaustavio rotor. Osim toga, bitno je reći da je također zadatak ovog sustava održati projektnu brzinu vrtnje konstantnom, odnosno osigurati sustav čije je djelovanje dinamički uravnoteženo. Disk kočnica je 19

28 najčešća izvedba kočnog sustava (kojom se na suvremenim strojevima upravlja mikroprocesorski), a smještena je na sporookretnoj osovini prije prijenosnika ili na brzookretnoj osovini generatora. Prijenosnik snage (eng. gear box) - prijenosnik vjetroturbine spaja sporookretnu s brzookretnom osovinom i povećava brzinu vrtnje s oko o/min na oko o/min tj. na brzinu vrtnje, za većinu generatora, nužnu za stvaranje električne energije. Prijenosnik je u većini slučajeva multiplikator i može biti različitih izvedbi. Hlađenje prijenosnika se najčešće vrši zrakom, a podmazivanje sintetičkim uljem. Prilikom analiziranja načina na koji se vrtnja prenosi s vjetroturbinskog dijela na električni generator, naročitu važnost zauzimaju materijali izrade elemenata sklopa, vrsta prijenosa i prijenosni omjer. Prijenosnik je skup i težak dio vjetroturbine pa zbog toga inženjeri istražuju mogućnost izravnog pogona generatora bez prijenosnika. Generator - turbinski dio vjetroelektrane s rotorom, kočnicama i prijenosnikom snage predstavlja važan dio cjelokupnog sustava, čija je osnovna funkcija pogon generatora. Za pravilno i sigurno funkcioniranje čitavog vjetroturbinsko - generatorskog sustava, generator mora ispunjavati zahtjeve kao što su: visok stupanj iskoristivosti u širokom krugu opterećenja i brzine okretanja, izdržljivost rotora na povećanim brojevima okretaja u slučaju otkazivanja svih zaštitnih sustava, izdržljivost, odnosno postojanost konstrukcija na visokim dinamičkim opterećenjima prilikom kratkih spojeva, te pri uključivanju i isključivanju generatora. Uzimajući u obzir uvjete povećane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost na krute čestice, povišenu temperaturu i slične uvjete, pred generatore se također postavlja zahtjev pouzdanosti sa što je moguće manje održavanja. Razni su kriteriji prema kojima se može izvršiti podjela generatora. Upravljački i nadzorni sustav (eng. controller) - kao što samo ime kaže, ovaj mikroprocesorski upravljan sustav je u osnovi zadužen za cjelokupno upravljanje i nadziranje rada vjetroturbinsko-generatorskog sustava. Ako ovakav sustav nije u cijelosti smješten na vjetroturbinskoj jedinici (kao što može biti slučaj), već je jednim dijelom na nekom udaljenijem mjestu onda sustav zahtjeva i posebnu telekomunikacijsku opremu. 20

29 Oprema za zakretanje (eng. yaw gear) - služi za zakretanje turbinskogeneratorskog sustava. Nalazi se ispod kućišta vjetroturbine, na vrhu stupa. Preko pužnog prijenosa (omjera reda veličine 1:1000) s velikim zupčastim prstenom, učvršćenim na stupu, izravnava se os osovine rotora s pravcem vjetra. Zakretanje zapravo vrši motor. On na sebi ima ugrađenu kočnicu koja onemogućuje zakretanje kućišta zbog naleta vjetra. Zakretanje kućišta regulira sustav koji je izvan funkcije kad su poremećaji smjera vjetra manji (u prosjeku - jednom u deset minuta dogodi se zakretanje kućišta). Gondola (eng. nacelle) - kućište s jedne strane štiti generatorski sustav sa svim komponentama od okolišnih utjecaja, a s druge štiti okoliš od buke dotičnog sustava. Stup (eng. tower) - može biti izveden kao cjevasti, konusni, teleskopski, rešetkasti, učvršćeni ili povezani. Danas se najčešće koristi cjevasta konstrukcija, a prednost joj se nalazi u tome što ju osim visoke čvrstoće karakterizira i veća otpornost na vibracije. Prednost rešetkaste konstrukcije nalazi se u jednostavnosti, a budući da ju je moguće rastaviti na manje dijelove prikladnija je za transport i montažu Vjetroelektrane i stabilnost EES-a Priključenje vjetroelektrana na elektroenergetsku mrežu je značajan problem obzirom na to da vjetroelektrane mogu bitno utjecati na stabilnost sustava i kvalitetu električne energije u mreži. Kriteriji priključenja se definiraju u obliku Mrežnih pravila za vjetroelektrane (eng. wind grid codes). Iako se Mrežna pravila ne izrađuju na način da isključe ili diskriminiraju određenu vrstu generatora, njihove su odredbe obično definirane imajući u vidu konvencionalne termoelektrane i hidroelektrane. Vjetroturbinski generatori se znatno razlikuju od sinkronih generatora zbog čega se uobičajeno izrađuju dvije vrste Mrežnih pravila za vjetroelektrane; jedna se vrsta odnosi na njihovo priključenje na prijenosni sustav (nazivni napon 110 kv), a druga na distribucijski sustav (nazivni napon 35 kv). Sposobnost održavanja stanja pogonske ravnoteže pri normalnim uvjetima i sposobnost postizanja prihvatljivog stanja ravnoteže pri pogonskim uvjetima nakon pojave poremećaja, može se definirati kao stabilnost elektroenergetskog sustava. 21

30 Pod pojmom stabilnost podrazumijeva se iznos napona, kut, frekvencija, koji mogu biti promijenjeni (poremećeni) uslijed priključenja vjetroelektrana na električnu mrežu. Najčešća vrsta priključka vjetroelektrana je na distribucijsku mrežu. Današnji distribucijski sustavi se izvode na način da omoguće prihvat snage iz prijenosne mreže, koju će zatim razdijeliti potrošačima tako da se tokovi djelatne i jalove snage uvijek kreću u smjeru od više prema nižoj naponskoj razini. Distribucijska mreža može biti aktivne ili pasivne naravi. Kod mreže pasivne naravi misli se na napajanje potrošača, dok aktivna podrazumijeva tokove snaga i napone koji su određeni na osnovi kako opterećenja, tako i proizvodnje. Dakle, distribuirana proizvodnja uzrokuje promjene tokova djelatne i jalove snage, te stvara značajne tehničke i ekonomske posljedice po EES. Kako je mreža do sad bila pasivne naravi, te je gotovo uvijek zadržavala stabilnost uz stabilnu prijenosnu mrežu, problem stabilnosti nije ulazio u analizu distribucijskih mreža. Isto tako pri procjeni iskoristivosti proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora, stabilnost se u većini zemalja rijetko uzima u obzir i analizira. Međutim, s očekivanim povećanjem prodiranja obnovljivih izvora te njihovim doprinosom sigurnosti mreže, predviđa se da će se takav pristup stabilnosti promijeniti s posebnim naglaskom na analizu stabilnosti kuta i napona. Stabilnost frekvencije pojavljuje se kao problem u izoliranim sustavima, kao što su oni na udaljenim otocima. Ako postoji povećana integriranost vjetroelektrana i EES-a, u slučaju brzih promjena vjetra i vrlo visokih brzina vjetra, može doći do iznenadnih gubitaka proizvodnje, odnosno do odstupanja frekvencije i dinamički nestabilnih stanja Energija Sunčeva zračenja i FN elektrane Energija Sunca osnovni je pokretač svih klimatskih i životnih ciklusa na Zemlji. Stoga je Sunce predstavljalo centar pravjerovanja brojnih civilizacija. Danas Sunce doživljavamo kao izvor ugode i kao enormni neiskorišteni potencijal za podmirivanje energetskih potreba uz minimalan utjecaj na globalno zagrijavanje Potencijal Sunčeva zračenja Energija Sunčeva zračenja kontinuirano pristiže na Zemlju koja se okreće oko svoje osi i oko Sunca. Posljedično imamo dnevne i sezonske mijene snage Sunčeva zračenja koje stiže do površine Zemlje. Snaga Sunčeva zračenja na ulazu u Zemljinu atmosferu, pri srednjoj udaljenosti od Sunca, iznosi 1370 W/m2 22

31 (uslijed blage ekscentričnosti putanje Zemlje oko Sunca i različite udaljenosto tijekom godine vrijednost solarne konstante varira ±3,5%. To se može zanemariti prema ostalim varijabilnim utjecajima). Do površine Zemlje stiže otprilike pola. Snaga koju stvarno na površini imamo značajno ovisi o prilikama u atmosferi i o oblacima. Za grubu ocjenu prosječne snage Sunčeva zračenja na površini zemlje tijekom cijele godine se može uzeti vrijednost od skoro 200 W/m2. Za neku određenu lokaciju potencijal Sunčeva zračenja se određuje mjerenjem i analitički. Mjeriti se može lokalno ili satelitski. Analitički pristup daje zadovoljavajuće rezultate ukoliko je poznat tzv. indeks prozračnosti (Kt određuje koliko zračenja dođe do površine). Piranometrom (termičkim ili poluvodičkim) se mjeri globalna (ukupna), direktna i difuzna (raspršena) ozračenost na horizontalnu površinu (gustoća energije - H Wh/m2). Daljnja analitička procjena je nužna zbog toga što su rezultati mjerenja najčešće dostupni samo za ukupnu ozračenost i jer se konverzija Sunčeva zračenja odvija pod određenim kutom β) u ( odnosu na horizontalnu površinu, a difuzno i direktno zračenje također ovise o tom kutu i o indeksu prozračnosti. Dodatno treba voditi računa i o reflektiranoj komponenti koja ovisi o direktnoj komponenti, kut β i specifičnoj konfiguraciji terena. Slika 9 Prosječna dnevna ozračenost na ravnu površinu [kwh/m2] [3.] 23

32 Slika 10 Ukupna godišnja ozračenost [kwh/m2] za površinu pod optimalnim kutom [3.] Spektar svjetlosti koja obasjava FN ćeliju ovisi o debljini i sastavu atmosfere kroz koju prolazi. Slika 11 ilustrira utjecaj stanja u atmosferi (smog i oblaci) na intenzitet. Slika 11 Utjecaj stanja u atmosferi i naoblake na intenzitet Sunčeva zračenja tijekom dana [3.] 24

33 Ovisno o dobu dana, zemljopisnoj širini i godišnjem dobu svjetlost do neke točke na površini Zemlje putuje kroz deblji ili tanji sloj atmosfere. Koliki je taj put u odnosu na najkraći izražava se kao omjer mase zraka. Slika 12 prikazuje spektar Sunčeva zračenja na ulazu u atmosferu i na tlu nakon direktnog prolaza. Slika 12 Spektar Sunčeva zračenja na ulasku u atmosferu i na površini Zemlje [3.] Za procjenu potencijala korištenja Sunčeva zračenja i preliminarne analize primjene dovoljni su i ovako relativno grubi podaci. Ograničenje za korištenje Sunčeve energije u podnebljima poput našega sigurno nije primarno u dostupnim podacima o potencijalu. Vodeća Europska zemlja u korištenju Solarne energije je Njemačka gdje je godišnja prosječna ozračenost na optimalnu površinu ispod 1000 kwh/m2. 25

34 Fotonaponske ćelije Pojavu da svjetlost određene valne dužine kada obasjava neki metal (npr. cink ili natrij) iz njega izbije elektron otkrio je još Becquerel Objašnjenje ove kvantnomehaničke pojave, kojom se može proizvoditi električnu energiju, dao je Einstein Prva moderna izvedba fotonaponske ćelije, koja iskorištava opisani efekt, ostvarena je u Bell Labs. Prema podacima za u svijetu ima 8400 MWe instalirane snage fotonaponskih ćelija. EU ima instalirano preko 40% ukupnog svjetskog kapaciteta, a preko 90% toga je instalirano u Njemačkoj. Fotonaponsko korištenje Sunčeve energije sa svojim eksponencijalnim rastom od 40% godišnje predstavlja trenutno najbrže rastući novi izvor. Ovako veliki rast predstavlja potencijalni izvor za poremećaje sa dobavom osnovnih sirovina (npr. silicija i indija). Razvoj i pojavljivanje na tržištu novih tehnologija poput tankogfilma, uz solidan stupanj djelovanja od 10 i više postotaka, predstavlja nadu da će se potrebe za osnovnim sirovinama barem dijelom relaksirati. Fotoefekt kojim se može proizvoditi električna energije nastaje kada foton dovoljne energije pogodi elektron u neutralnom p-n poluvodičkom spoju. Poluvodič p-tipa ima slobodne elektrone i nastaje kada se kristal silicija (4 valentna elektrona) dopira 3 - valentnim elementom, npr. borom, a n-tip ima slobodne šupljine (manjak elektrona) i nastaje dopiranjem silicija 5-valentnim elementom, npr. fosforom. Na spoju ova dva tipa poluvodiča, rekombinacijom elektrona i šupljina, nastaje neutralno područje sa električnim poljem. Da bi foton u sudaru prebacio elektron kroz to polje treba dobiti najmanje energiju jednaku tom polju. To praktično znači da svi fotoni koji imaju energiju manju od potrebne ne mogu ostvariti fotoefekt, a svi elektroni koji imaju veću energiju od potrebne ostvaruju izbacivanje samo jednog elektrona. Različiti materijali imaju određeni iznos energije praga ili zabranjenog pojasa. 26

35 Slika 13 Teorijska efikasnost za razne poluvodičke materijale i prosječne uvjete [3.] Teorijska iskoristivost Sunčeve svjetlosti za proizvodnju električne energije u fotonaponskoj ćeliji sa jednim p-n spojem ograničena je energijom praga kristala i nizom efekata gdje se gubi energija (npr. zagrijavanje i parazitne struje ovisno o temperaturi). Od teorijskog maksimuma za silicij od 28% na 0 o C u laboratoriju je ostvareno 25%. Praktično se može postići stupanj djelovanja i preko 50% kombiniranjem više p-n spojeva zajedno i drugim naprednim rješenjima (npr. kvantne točke i udubljenja) koja iskorištavaju potpunije spektar Sunčeva zračenja. Napon i maksimalna efikasnost na fotonaponskoj ćeliji ovise o energiji praga poluvodiča (slika 13). 27

36 Slika 14 Kako radi solarna ćelija [10.] Strujno naponska karakteristika FN ćelije je slična onoj poluvodičke diode, ali kao izvor el. en. Za praktične primjene dobro je gledati I-U karakteristiku na nivou modula u koji se FN ćelije spajaju. Način povezivanja FN ćelija u module ovisi o željenom izlaznom naponu i snazi koje se želi postići. Slika 15 prikazuje I-U karakteristiku za Si FN ćeliju. Praktične izvedbe FN ćelija karakterizira napon otvorenog kruga, struja kratkog spoja te stupanj djelovanja. Kod instalacije FN modula treba paziti na to da stupanj djelovanja FN ćelije pada sa porastom temperature (skoro 0,5% za +1 o C). Važna je činjenica da izgled karakteristike FN diode određuju unutrašnji otpori i da se maksimalna snaga na trošilu postiže samo u jednoj točki. 28

37 Slika 15 I-U karakteristika za Si FN ćeliju [3.] Slika 16 Podudarnost Sunčeve energije i potreba za el. en. tijekom dana [3.] 29

38 Nazivna snaga Fotonaponski sustavi se označavaju prema vršnoj snazi (peak kilowatts, kwp). To je količina električne snage koja bi trebao isporučiti novi, čisti sustav kad je Sunce direktno iznad glave u vedrom, čistom danu. Sa sigurnošću možemo zaključiti da stvarno proizvedena snaga nikad neće dostići tu vrijednost. Snaga sustava će biti manja zbog kuta Sunaca, atmosferskih uvjeta, prašine u zraku i na samoj površini, i na kraju zbog zamora materijala. Osim toga, u usporedbi sa konvencionalnim sustavima, fotonaponski sustavi mogu generirati snagu samo tijekom dana. Efikasnost ćelija Efikasnost fotonaponskog sustava je postotak sunčeve energije koja padne na fotonaponski panel koji se pretvori u električni energiju. Tablice efikasnosti rade se prema laboratorijskim mjerenjima gdje se koriste manje ćelije. Manja ćelija ima niži unutarnji otpor i zbog toga će biti efikasnija nego veće ćelije koje se koriste u praksi. Dodatno, fotonaponski paneli se rade tako da se brojne ćelije serijski spoje da bi davale neki praktični napon. Zbog unutrašnjeg otpora svake ćelije ukupni otpor se poveća i efikasnost padne na 70% vrijednosti samostalne ćelije. Efikasnost je veća na nižim temperaturama, a u laboratorijima se radi na nižim temperaturama nego u praksi. Efikasnost pretvorbe Najefikasniji FN moduli su izgrađeni od monokristalnog silicija, koji daje efikasnost do 15%, ali je i najskuplji za proizvodnju. Polikristaln silicij je jeftiniji, ali ima i manju efikasnost. Najmanji korisnost imaju ćelije koje koriste amorfni silicij, ali su zato najjeftinije Energija vode i male hidroelektrane Energija položaja vode obnovljiva je zahvaljujući Sunčevoj energiji koja neprestano održava hidrološki ciklus. Uobičajeno je različito vrednovanje velikih i malih hidroelektrana kada je riječ o utjecaju na okoliš. Premda sveobuhvatna istraživanja nisu dostupna uvriježen je pogled da se korištenje energije položaja vode u malim postrojenjima smatra ekološki prihvatljivijim. No, i za velika 30

39 postrojenja se smatra da je njihov višestruki negativni utjecaj na okoliš nadomještava doprinos smanjenju emisije stakleničkog plina CO 2. Ovo poglavlje u nastavku opisuje prirodu i resurse energije položaja vode kako u svijetu tako i u Republici Hrvatskoj. Opisano je stanje i tr korištenja malih hidroelektrane (MHE). Potom su iznesene glavne značajke za MHE. Na kraju je dan opis češće korištenih vodnih turbina i generatora s napomenama o načinu priključivanja MHE na el. en. mrežu. Količina vode i iskoristiv pad određuju potencijal za korištenje energije položaja vode. Padaline i tlo (konfiguracija i sastav) određuju obje značajke. Uobičajeno je za neki vodotok prikazivati srednju vrijednost protoka u ovisnosti o nadmorskoj visini (tzv. Q-H dijagram). Za neku konkretnu lokaciju od značaja je poznavati vjerojatno trajanje određenog protoka vode i iskoristivi pad. Krivulja trajanja protoka nastaje iz mjerenja ili iz procjene. Samo dugotrajna mjerenja protoka mogu dati pouzdane podatke zbog velike varijabilnosti uslijed uobičajenih klimatskih varijacija. Slika 3 ilustrira krivulju protoka i krivulju trajanja protoka. Slika 17 Krivulja protoka kroz godinu [3.] 31

40 Poznavanjem ili procjenom trajanja protoka i iskoristivih padova moguće je procijeniti hidroenergetske resurse. Uobičajeno se HE resursi dijele na ukupni (teorijski), tehnički i ekonomski iskoristive. Tehnički potencijal je nekoliko puta (npr. 3x) manji od ukupnog i nešto veći (npr. 30%) od ekonomskog. Konačnu iskoristivost određuju ekološki, ekonomski i društveni faktori zbog kojih danas gotovo da više i nema daljnjeg korištenja HE u velikim postrojenjima razvijenih zemalja. Slika 17 ilustrira veliku varijabilnost protoka rijeke tijekom godine i još veću kroz više godina. Ovisno o vremenu topljenja snijega kod nižih planinskih područja vršni protok se pojavljuje tijekom proljeća, a kod viših tijekom ljeta. Varijabilnost protoka ima značajan utjecaj na mogućnost proizvodnje el. en. i ekonomičnost postrojenja. Posebno kada je mogućnost akumuliranja vode mala kao kod MHE Male hidroelektrane Mala HE može sadržavati sve elemente koje ima veliko postrojenje. Razlika je najveća u znatno manjoj potrebi za ekstenzivnim hidrološkim i topološkim studijama te u relativno malom obimu potrebnih građevinskih radova. Ovo posebice vrijedi za male protočne HE, ali značajno je i kod rješenja s akumulacijom. Razlog navedenih razlika dijelom je u manjem korištenju protoka, a dijelom i u mogućnosti primjene inovativnih fleksibilnih rješenja. Primjerice dovodni kanal se može probušiti kroz zemlju, a prepreka u vodotoku može biti gumena i adaptivna za razne protoke. Slika 18 ilustrira raznolikost mogućnosti izvedbi malih HE. 32

41 Slika 18 Moguće izvedbe malih HE Za sve izvedbe potrebni su zahvat, dovod, postrojenje i odvod. Ovisno o specifičnosti izvedbe potrebna je pregrada (brana), vodna komora, tlačni cjevovod, zaštita od hidrauličkog udara te zaustavni ventili. Postrojenje se uvijek sastoji od turbine, generatora el. en., rasklopnog postrojenja te sustava kontrole, zaštite i nadzora cijele MHE. Pregrada ili brana za MHE se najčešće izvodi tako da osigura minimalni utjecaj na tok vode i život u njoj. Zanimljiva su tzv. kombinirana rješenja od gume i sl. gdje se veličina pregrade mijenja količinom napuhanog zraka ili vode. Sva rješenja brana trebaju imati posebno izvedene mogućnosti reguliranja preljeva i čišćenja nakupina sitnih i krupnih naslaga na rešetkama kod zahvata vode. Kod izvedbi gdje se ne održava konstantan pad pregrade se mogu izvesti bez pokretnih dijelova. MHE mogu biti izvedene (ovisno o padu) kao nisko (do 20 m), visoko (preko 100 m) i srednje tlačne (između). Prema tome kako su postavljene u odnosu na 33

42 riječni tok MHE mogu biti protočne i derivacijske. Ova podjela je identična kao i za velike HE. Turbina i generator predstavljaju dvije najvažnije aktivne komponente HE. Principi djelovanja i izbor turbine i generatora slični su kao i za velike HE. Značajna je razlika u tom što se za MHE turbine i generatori ne proizvode posebno za svaku izvedbu. Za MHE postoji veliki izbor gotovih vrsta i veličina turbina i generatora. Turbina Voda u pokretu prolaskom kroz turbinu prenosi mehaničku energiju na osovinu. Ovisno o uvjetima koji vladaju oko lopatica turbine postoji veliki broj različitih izvedbi da bi se postigla efikasnija pretvorba energije. Najpoznatije turbine kod velikih postrojenja su Pelton, Francis i Kaplan. Za mala postrojenja postoji veliki broj dodatnih izvedbi od kojih je poznatija Michel-Banki (s poprečnim tokom). Turbine za MHE se rade serijski, a postoje i primjene s pumpama zbog ekonomičnosti. Razlika turbina u principu djelovanja odražava se na optimalni raspon protoka i padova za stupanj djelovanja. Slika 19 prikazuje područje primjene različitih vrsta turbina prema protoku i padu. Uočljivo je da poznate vrste turbina pokrivaju područje primjene za velika i mala postrojenja. Turbine s poprečnim protokom i Turgo pokrivaju područje padova i protoka za male HE (isto vrijedi i za veliki broj različitih vrsta turbina koje nisu prikazane na slici). Vidljivo je da se područja primjene uvelike preklapaju te se odluka o izboru temelji na ekonomskim i drugim tehničkim parametrima. Svaka turbina ima maksimalan stupanj djelovanja pri instaliranom protoku (ili u blizini). Ovisno o vrsti turbine stupanj djelovanja se manje ili više smanjuje sa smanjivanjem protoka vode. 34

43 Slika 19 Područje primjene različitih vrsta turbina (prema protoku i padu) [3.] Slika 20 Promjena stupnja djelovanja turbine u ovisnosti o protoku vode [3.] 35

44 Slika 20 prikazuje promjenu stupnja djelovanja za odabrane turbine. Vidljivo je da Kaplan i Pelton turbine imaju stupanj djelovanja koji je dobar i stabilan u velikom rasponu protoka. Ovakva karakteristika ima svoju cijenu. Pelton turbinu odlikuje rad sa slobodnim mlazom vode (akcija energije položaja vode pretvorena u konetičku energiju) pri približno atmosferskom tlaku. Kod izvedbi s više mlazova situacija s tlakovima je nešto složenija. Male Pelton turbine mogu raditi ekonomično već i s protocima od 30 l/s uz pad od 20 m. Da bi se smanjilo aksijalne sile kod većine modernijih izvedbi lopatice turbine su oblikovane tako da razdvajaju mlaz. Za optimiranje efikasnosti i osiguravanje slobodnog otjecanja vode nakon lopatica potrebno je osigurati ispunjavanje Masonyieva kriterija da omjer promjera lopatica (D) bude 10 puta veći od promjera mlaza. Kod promjene opterećenja ili potrebe za naglim zaustavljanjem turbine potrebno je zaustaviti ili preusmjeriti mlaz od lopatica. Promjena smjera mlaza vode je bolje rješenje jer naglo zaustavljanje protoka može izazvati tzv. vodni udar. Ponekad se primjenjuje i protumlaz kao vodna kočnica. Jednostavnost izvedbe i pristupa osigurava lagano održavanje Pelton turbine. Francis turbina se može instalirati horizontalno ili vertikalno. Horizontalna izvedba ima prednost zbog spajanja s generatorom. Vertikalna izvedba je skuplja jer zahtijeva veći prostor, ima veću ukupnu masu postrojenja i dodatno je složenija za održavanje. Francis turbina ima niz nedostataka u odnosu na Pelton izvedbu: osjetljivija je na problem kavitacije i na nečistoće u vodi; efikasnost značajno opada kod manjeg protoka od nazivnog (ovisno o izvedbi već kod 50% instaliranog protoka pada blizu 0,6); pogon nije stabilan kod protoka manjeg od 40% instaliranoga; brzo zatvaranje protoka izaziva veći vodni udar te je potrebno bolje dimenzionirati dovodnu cijev; kompleksnija izvedba i kontrola zahtijevju složeno održavanje. Prednost Francis turbine u odnosu na Pelton je u iskorištavanju kompletnog pada. Iskustveni podaci o brzini okretanja Francis turbine za padove od 10 do 50 m su između 900 i 1200 min -1, a za veće padove i do 1500 min -1. Kaplan turbina se koristi za male padove ili za protočne HE. Prednost Kaplan turbine prema drugim sličnim izvedbama za male padove (npr. bulb, propeler, S i Straflo) je u manjoj cijeni i u pozicioniranju elektromehaničkog dijela izvan vode (lakše održavanje i sigurnije kod poplavljanja). Utjecaj na okoliš izvedbi s Kaplan 36

45 turbinom je manji zbog nepostojanja akumulacije i manjeg zauzimanja prostora. Ovisno o protoku (reguliran ili varijabilan) postoje izvedbe sa fiksnim i pomičnim krilcima lopatica rotora (veća efikasnost). Dvostruka regulacija osigurava dobar stupanj djelovanja za veliki rasopn protoka (do 30% instaliranog protoka). Michel-Banki turbina (crossflow poprečna; s radialnim potiskom) za razliku od ostalih ima primjenu samo kod MHE (do 0,8 MW). Kod primjene protoci se kreću između 25 i 700 l/s. Rotor se dijeli na 26 do 30 pregrada ovisno o promjeru (od 0,2 do 0,6 m). Turbina se instalira sa slobodnim otjecanjem vode ili sa nastavkom (difuzor) za korištenje cijelog pada. Posebnost podjele rotora na 1/3 i 2/3 za efikasnije korištenje manjih protoka od nazivnoga je već prije spomenuta (slika na prethodnim stranicama). Varijabilni kapacitet protoka osigurava rad i na 20% instaliranog protoka. Ovo je važno za veliki broj potencijalnih lokacija za vrlo male HE s jako promjenjivim protokom. Dodatna prednost Michel-Banki turbine je brzo sastavljanje, manji zahtjevi na izvedbu postrojenja (građevinski radovi) i lagan pristup svim dijelovima za održavanje. Vodno kolo povezano je s najstarijim načinom korištenja energije položaja vode. Zanimljivo je da i danas vodno kolo ima veliki broj prednosti kod vrlo malih HE. Najprije vrlo je veliki broj lokacija koje imaju relativno mali pad i umjerenu snagu (<5 m, do 75 kw). Potom, vodno kolo predstavlja dobar kompromis između proizvodnje i očuvanja okoliša. Pogon je neometan prljavštinama u vodi. Tijekom rada se ostvaruje samoregulacija momenta promjenom količine zahvaćene količine vode. Nedostatak vodnog kola je mala kutna brzina (do 8 min -1 ) koja zahtjeva multiplikator brzine (prijenos ili remen) prema generatoru (~1:20) što izaziva dodatne gubitke. Pokraj toga potreba za reguliranjem brzine komplicira veliku jednostavnost izvedbu. Vodna kola se mogu koristiti za izvedbe koje imaju pad do 10 m i protoke do 2 m 3 /s. Vodne pumpe kao turbine za vrlo male HE dosta se često primjenjuju. Osnovni razlog tome je u činjenici da su vrlo jeftine (masovna proizvodnja) i lako se nabavljaju s velikim varijacijama karakteristika. Njihov nedostatak je u manjoj efikasnosti i većoj osjetljivosti na kavitaciju i radni raspon. Glavni problem predstavlja nemogućnost kontrole protoka. Primjena je stoga najjednostavnija s konstantnim protokom. Uvjete promjenjivog protoka je moguće rješavati na različite načine, npr.: dodatna manja pumpa, ili elektronska kontrola (tereta). 37

46 Generator Rješenja MHE za samostalni rad moraju imati sinkroni generator što poskupljuje izvedbu. Male HE koje su priključene na mrežu najčešće koriste jednostavni asinkroni generator. Izvedbe vrlo malih snaga (ispod 100 kva) se priključuju na niskonaponsku mrežu (0,4 kv), a za veće snage se radi priključak na srednjenaponsku mrežu (10/20 kv). Potrebno je osigurati faktor snage iznad 0,9. Treba voditi računa o strujama kratkog spoja, prenaponskoj zaštiti, zaštiti od napona dodira i ponovnom automatskom uključivanju. Sve izvedbe trebaju imati nadstrujnu, podnaponsku i zaštitu od kratkog spoja. Za snage iznad 0,25 MVA treba dodati i zaštite generatora od zemnog spoja i povratne snage (sinkroni generator). Mjerenje el. en. (radne i jalove u oba smjera) i brojnih drugih veličina obvezno je i potrebno za dobar i autonoman rad male HE. Kod dimenzioniranja male HE (posebice turbine i generatora) važno je paziti na ekonomičan odabir. To je moguće napraviti samo kada se poznaje krivulja trajanja iskoristivog protoka, krivulju ovisnosti pada o protoku, gubitke na dovodu u funkciji protoka, ovisnost efikasnosti turbine o protoku, obim građevinskih radova, mogućnost iskorištavanja proizvedene el. en. (otočni rad ili ograničenje povezanosti sa mrežom). Investicijski troškovi ovise o lokaciji i nazivnoj snazi: za snage ispod 200 kw iznose oko 9000 /kw, a za snage oko 1 MW oko 5000 /kw. Kod obnavljanja i moderniziranja cijene su višestruko niže. Dobrim rješenjima MHE mogu dijelom smanjiti potrebu za fosilnim gorivima, a integriranim pristupom pomoći kod navodnjavanja i zaštite od poplava. Male HE mogu pozitivno djelovati na sigurnost i pouzdanost opskrbe el. en. u radu na mreži. Slabe naponske prilike se mogu poboljšati na krajevima mreže. Moguć je i negativan utjecaj na kvalitetu napona (izobličenja). Malim HE je moguće riješiti napajanje udaljenih lokacija od mreže. Problem predstavlja varijabilnost dostupnih protoka jer su akumulacije vrlo male ili ih uopće nema. Ukupno MHE ne predstavljaju veliki potencijal, ali to je obnovljiv potencijal, moguće je koristiti vlastita rješenja i dijelom smanjiti ovisnost o uvozu el. en. 38

47 3. Stohastička priroda obnovljivih izvora energije Obnovljivi izvori energije prema svojim su prirodnim obilježjima nestalni i nepredvidivi. Primjerice, ne može se sa potpunom sigurnošću kratkoročno predvidjeti intenzitet vjetra ili Sunčevog zračenja ili se ne može predvidjeti hoće li pasti dovoljno kiše za dotok rijeka dovoljan za proizvodnju u hidroelektranama i slično. Nestalna prirodna obilježja obnovljivih izvora energije ograničavaju mogućnost njihovog prihvata u elektroenergetski sustav. Proizvodnja električne energije iz obnovljivih izvora energije jako varira tijekom dana i teško je planirati kada će elektrana raditi (i s kojom snagom) ili biti zaustavljena. Zbog toga, u mreži uvijek mora postojati dovoljna pričuva trenutačno raspoložive instalirane snage koja može pokriti nedostatak koji nastaje kada pojedini obnovljivi izvor ne radi (primjerice, vjetroelektrana ne radi kada nema vjetra). Nadalje, elektroenergetska mreža na određenoj lokaciji može primiti samo određenu količinu električne energije bez opasnosti od preopterećenja i narušavanja stabilnosti ustava. Najveće poteškoće s prihvatom u mrežu elektroenergetskog sustava javljaju se kod vjetroelektrana i stoga se on ograničava na razinu snage, prihvatljivu za električnu mrežu te siguran i stabilan rad cijelog sustava Utjecaj vjetroelektrana na EES Utjecaj rada vjetroelektrana na EES možemo promatrati na tri razine: Utjecaj na okolnu prijenosnu i/ili distribucijsku mrežu - povećava se opterećenje okolne mreže (struja, napon), povećavaju se statičke varijacije napona (specifično za slabije distribucijske mreže), dolazi do dinamičkih promjena napona, flikera i javljaju se viši harmonici, promijenjeni zahtjevi na sustava zaštite okolne mreže itd. Sustavni utjecaj na prijenosnu mrežu - utječe na dinamičku stabilnost, održavanje frekvencije (posebno pri poremećajima), naponsku stabilnost itd. Utjecaj na planiranje i vođenje EES-a - nije moguće dugoročno planirati proizvodnju, ograničene su mogućnosti katkoročnog planiranja proizvodnje, zahtjevi za dodatnom balansnom energijom (energijom odstupanja razlika planirane i realizirane potrošnje i proizvodnje električne energije na npr. satnoj razini). 39

48 Potrebni su dodatni kapaciteti za regulaciju radne snage i frekvencije. Nemoguća je garancije snage itd. Varijabilnost rada vjetroelektrana prisutna je na svim vremenskim razinama, a ista se može ublažiti samo u slučaju dobre prostorne disperzije. Predvidivost proizvodnje na dnevnoj razini u rijetkim slučajevima iznosi i do 90%, ali ipak rijetko iznad 50%. Na mjesečnoj, a pogotovo godišnjoj razini, predvidivost proizvodnje vjetroelektrana po planskim intervalima (npr. mjesečna proizvodnja u slučaju godišnjeg plana) je gotovo zanemariva. Zbog toga je nužna odgovarajuća podrška odnosno rezerva u klasičnim elektranama. Za ilustraciju je na slici prikazana usporedba tromjesečne i trodnevne prognoze s ostvarenim vrijednostima proizvodnje vjetroelektrana u Danskoj, kao zemlji s najvećim udjelom proizvodnje vjetroelektrana u ukupnoj proizvodnji električne energije. Slika 21 Danska primjer odstupanja plana proizvodnje vjetroelektrana od realizacije [6.] 40

49 Vjetroelektrane praktički ne mogu sudjelovati u primarnoj i sekundarnoj regulaciji snage/frekvencije, te dodatno utječu na ukupnu regulacijsku grešku, što zahtijeva dodatnu hladnu i rotirajuću rezervu u EES-u. Značaj ovakvog utjecaja ovisi o ukupnom udjelu vjetrelektrana u EES-u i samoj strukturi EES-a. Dosadašnja istraživanja ipak pokazuju kako varijacije proizvodnje vjetroelektrana na razini 1-3 minute ipak nisu značajne i ne predstavljaju veći problem u vođenju EES-a. To će zasigurno vrijediti i u Hrvatskoj, budući da visoki udio akumulacijskih hidroelektrana može bez problema pokriti vjetroelektrane čak i u slučaju njihove veće penetracije u EES Hrvatske. Međutim, to u određenoj mjeri može utjecati na ekonomičnost rada hidroelektrana. Među najvećim nedostacima vjetroelektrana u tržišnom okruženju spada problem energije odstupanja (balansne energije). Radi se o energiji koja nastaje kao razlika planirane i ostvarene proizvodnje/potrošnje na razini minuta, a koja se regulira na način da određene elektrane moraju povećavati ili smanjivati svoju planiranu proizvodnju. Takva regulacija se naplaćuje od proizvođača i potrošača koji su uzrokovali odstupanje, putem tržišnih mehanizama ili po reguliranim tarifama. Odstupanje proizvodnje vjetroelektrana od planirane proizvodnje na satnoj razini je redovito vrlo veliko, što može uzrokovati dodatne troškove reda veličine 10-30% ukoliko bi se odstupanje stvarno naplaćivalo od vjetroelektrana. Djelomično rješenje ovog problema se može potražiti u međusobnom povezivanju svih proizvođača električne energije iz vjetroelektrana (tzv. balansna grupa ), budući da se u tom slučaju ukupna pogreška u relativnim iznosima smanjuje. Rezerva snage kod intermitentnih izvora kao što su vjetroelektrane trajno će ostati kao problem koji nije moguće riješiti. Prema strogim kriterijima sigurnosti, vjetroelektrane ne bi uopće trebalo uzimati u obzir po pitanju rezerve snage u EES-u. 41

50 Slika 22 Krivulja trajanja proizvodnje vjetroelektrana i raspoloživosti konvencionalnih elektrana(vattenfall Njemačka) [6.] U proizvodnji električne energije iz obnovljivih izvora imamo pouzdane i promjenjive tipove tehnologija. Pouzdane tehnologije su one u koje se, bez obzira na stanje zaliha ili tehnički kvar, možemo pouzdati da će nam isporučiti električnu energiju kad nam je potrebna. To se odnosi na akumuliranu hidroenergiju, biomasu, geotermalnu energiju i u manjoj mjeri na tehnologiju koncentriranja solarne energije Promjenjivi obnovljivi izvori ( var-re ) Var-RE postrojenja se oslanjaju na resurse koji fluktuiraju na vremenskoj razini nekoliko sekundi do par dana i ne uključuju nikakav oblik integriranog spremnika. Takve tehnologije uključuju direktnu energiju vjetra, energiju valova i plime, protočnu energiju rijeka i solarnu energiju kod fotonaponskih panela. Proizvodnja takvih postrojenja varira ovisno o količni dostupnog resursa (vjetra, oblačnosti, 42

51 kiše, valova itd.). Takve tehnologije se često nazivaju intermitentnim (isprekidanim), ali takav naziv nije ispravan. Ukupna proizvodnja na razini cijelog sustava na pada sa pune snage na nulu i obratno nego određenim gradijentom raste i pada kako se vrijeme mijenja. Promjenjivost i povremeni prekidi opskrbe su realnost elektroenergetskih sustava. Ispadi elektrana ili prijenosnih vodova, suše (utječu posebno na hidroelektrane, ali ponekad čak i na nuklearke ). Potrebe za električnom energijom, koje se temelje na ponavljajućim obrascima društvenog ponašanja, mogu biti relativno lake za predvidjeti, ali neočekivana vršna opterećenja se uvijek mogu pojaviti (nagli porast ili pad temperature ili neki drugi razlog). Meteorološka predviđanja, iako se polako poboljšavaju, i dalje su do određene mjere nepouzdana, i to je razlog zabrinutosti povezan sa sposobnošću elektroenergetskog sustava da uravnoteži opskrbu i potražnju kod visokih udjela var-re izvora i da održi siguran i stabilan rad sustava. U tom smislu, izazov kod promijenjivih izvora nije toliko njihovo variranje, nego više predvidljivost. Povezanost između potražnje i opskrbe iz var-re Često se bez rezerve uzima da povećanje proizvodnje iz var-re izvora nužno dovodi do dodatnog opterećenja u smislu uravnoteživanja ponude i potražnje. To nije uvijek slučaj: ako se proizvodnja povećava u isto vrijeme kada raste i potražnja, kao što je slučaj sa fotonaponskim ćelijama i klima uređajima u vrućim zemljama, proizvodnja iz fotonaponskih sustava će unijeti malo neravnoteže, ali će smanjiti razinu potražnje radeći kao vršna elektrana. To može biti posebno važno na razini distribucije gdje proizvodnja iz fotonaponskih sustava može biti locirana na mjestu potrošnje (npr. solarne ćelije integrirane na uredske zgrade). Faktori koji imaju efekt smanjivanja promjenjivosti (variranja) Prije diskusije o mjerama koje se mogu poduzeti da se poveća fleksibilnost elektroenergetskog sustava i tako omogući veći udio varirajućih obnovljivih izvora, važno je razmotriti kako sama promjenjivost može biti smanjena do određene razine reduciranje ekstremno visokih i niskih vrijednosti. Jedna metoda je kombiniranje različitih tehnologija na način da ukupna proizvodnja na točki prihvata u mrežu bude relativno glatka. To može biti korisno u manjim sustavima koji nisu sposobni apsorbirati velike fluktuacije. 43

52 Udruživanje proizvodnih postrojenja na razini elektroenergetskog sustava neupitno smanjuju promjenjivost. Ako se kombinirana proizvodnja mnogih var-re elektrana, koje se baziraju na različitim resursima i, što je važnije, raspršene su na širokom prostoru, gleda kao proizvodnja jedne jedinice njezina promjenjivost prema elektroenergetskom sustavu je manja nego promjenjivost individualnih elektrana. Iako vremenske fronte mogu biti na razini kontinenta, statistički što je veća udaljenost između dva generatora to će njihova proizvodnja biti manje međusobno povezana. Taj efekt je posebno važan na razini sata. Efekt izglađivanja je manje naglašen na nekopnenim postrojenjima: velike oceanske fronte se rastežu stotinama kilometra, pa je potrebno jako široko rasporediti postrojenja da bi se smanjila povezanost njihove proizvodnje. Slika 23 ilustrira efekt zaglađivanja zbog prostornog rasporeda vjetroelektrana u Njemačkoj. Pokazuje variranje normalizirane snage koju proizvedu A) jedna turbina B) grupa vjetroelektrana i C) sve vjetroelektrane u Njemačkoj u vremenu od 10 dana. Udruživanje proizvodnje električne energije iz različitih tehnologija Proizvodnja iz različitih varirajućih obnovljivih izvora se također može gledati udruženo na razini elektroenergetskog sustava. Slika 24 pokazuje inverznu korelaciju (povezanost) sezonskih faktora opterećenja (omjer stvarno isporučene snage i maksimalne potencijalne snage postrojenja) vjetra i solarnih panela za godinu u Njemačkoj - više vjetra u zimi i više sunca ljeti. Da bi takav raspored postrojenja imao efekt zaglađivanja, proizvodnja postrojenja mora biti istog reda veličine. 44

53 Slika 23 Efekt zaglađivanja kombiniranjem vjetroelektrana na različitim lokacijama [5.] Slika 24 Mjesečni faktori opterećenja za vjetrelektrane i solarne panele (2005. godina) [5.] 45

54 4. Model sustava u MATLABU 4.1. Programski paket MATLAB MATLAB je složeni programski sustav i viši programski jezik za razna tehnička izračunavanja. Integrira računanje, vizualizaciju i programiranje u korisnički orijentiranom okruženju, u kojem se problemi i rješenja iskazuju u uobičajenoj matematičkoj notaciji. Tipične primjene MATLAB-a su: numerička i simbolička izračunavanja, razvoj algoritama, akvizicija podataka, modeliranje i simulacija sustava, eksperimentiranja sa sustavima u stvarnome vremenu, analiza, obradba i vizualizacija podataka, znanstveno-inženjerska grafika, razvoj aplikacija, uključujući i razvoj grafičkih korisničkih sučelja. MATLAB je interaktivni programski sustav kojemu je osnovni podatkovni element polje. Polju nije potrebno zadavati dimenziju pa se razni algoritmi, osobito oni koji zahtijevaju operacije s matricama i vektorima, programiraju neusporedivo brže u MATLAB-u nego u neinteraktivnim skalarnim programskim jezicima, kao što su C ili Fortran. Ime MATLAB je akronim za matrix laboratory, jer je MATLAB izvorno bio pisan s idejom jednostavnog pristupa matričnim programskim paketima razvijenim u okvirima projekata LINPACK i EISPACK. Današnji MATLAB uključuje LAPACK i BLAS biblioteke koje sadrže najmodernije algoritme matričnih proračunavanja. Na razvoj MATLAB-a od početaka prije dvadesetak godina pa sve do danas značajno su utjecali i mnogobrojni korisnici. Tako da je MATLAB na sveučilištima postao gotovo nezamjenljivi programski alat za izvođenje nastave na mnogobrojnim kolegijima iz prirodoslovnih i tehničkih znanstvenih disciplina. U industriji je MATLAB postao najzastupljeniji programski alat za visoko-učinkovita istraživanja i razvoj. Osim ovoga temeljnoga programskog okruženja, MATLAB se sastoji i od velikoga broja dodatnih funkcija razvrstanih u tzv. "toolboxove" (engl. toolboxes), koji su organizirani prema području primjene. Primjerice, postoje "toolboxovi" za obradbu signala, upravljanje sustavima, neuronske mreže, neizrazitu logiku, wavelete, komunikacije, simboličku matematiku, statistiku itd. Ova široka lepeza "toolboxova" u velikoj mjeri doprinosi velikoj rasprostranjenosti i popularnosti MATLAB-a jer omogućuje korisnicima brzo učenje i primjenu specijaliziranih znanja iz odredjenog područja. 46

55 4.2. Opis modela Opće blok sheme Zadatak je bio modelirati stohastičnost nekoliko obnovljivih izvora energije na različitim lokacijama. Bloka shema modela prikazana je na slici 25. Sastoji se od tri modula: solarno ozračenje, vjetar, vodotok. Za Sunce i vjetar su kompletno simulirane po tri lokacije za svaki izvor dok je za vodotok zbog složenosti uzeti stvarni podaci od jedne lokacije. Out1 Out2 Out3 PV elektrana Dubrovnik PV elektrana Knin PV elektrana Osijek solarno _du output 1 solarno _knin output 2 solarno _os Solarno zracenje output 3 Out1 Out2 Out3 Vjetroelektrana Split Vjetroelektrana Knin Vjetroelektrana Osijek wind _st output 4 wind _knin output 5 wind _os Vjetar output 6 Out1 Mala hidroelektrana Lika lika Protok vode output 7 Slika 25 Blokovska shema kompletnog modela 47

56 Na nekoliko lokacija simulirali smo stohastičnost proizvodnje snage električne energije na satnoj frekvenciji (vjetar, solarno) i dnevnoj frekvenciji (protok vode). Lokacije s kojih su uzeti višegodišnji mjereni podaci za solarnu energiju su Dubrovnik, Knin i Osijek, podaci za vjetar su uzeti s lokacija u okolici Splita, Knina i Osijeka, dok je protok od jedne ličke rijeke. Datoteke u koje se spremaju rezultati simulacije su: solarno_du, solarno_knin, solarno_os, wind_st, wind_knin, wind_os i lika. Out1 1 Out 1 2 Out1 3 Out1 Out 2 Out 3 Solarno Dubrovnik Solarno Knin Solarno Osijek Slika 26 Opća blok shema modela za Sunce Out1 1 Out 1 2 Out1 3 Out1 Out 2 Out3 Vjetar Split Vjetar Knin Vjetar Osijek Slika 27 Opća blok shema modela za vjetar 48

57 Model stohastičnosti solarnog ozračenja i FN elektrane Clock3 MATLAB Function prozracnost _dnevna Saturation 2 Clock1 MATLAB Function prozracnost _satna Add Saturation 1 Product In1 Out1 1 Out1 model FN sustava Clock 43 Geo. sirina MATLAB Function ekstrateresticko ozracenje Saturation Slika 28 Blok shema stohastičnosti solarnog ozračenja i jednostavni model FN elektrane Funkcije prozracnost_dnevna i prozracnost_satna generiraju indeks prozračnosti koji ustvari određuje količinu sunčevog zračenja koje dospije na površinu. To je stohastički dio modela jer faktor prozračnosti ovisi o brojnim utjecajima, prije svega oblačnosti. Sadržaji datoteka s programskim kodom nalaze se u Dodatku. Deterministički dio modela se odnosi na odnos položaja Sunca i Zemlje kroz godinu. Taj odnos je u ovom kontekstu određen ekstraterestičkim ozračenjem. Ekstraterestičko ozračenje ovisi o danu u godini i o geografskoj širini. Generiranje ekstraterestičkog ozračenja kroz godinu opisano je funkcijom ekstratersticko_ozracenje (kod se nalazi u Dodatku). 1 -K- -K- -K- 1 In 1 Saturation 3 module efficiency A [m2] to kw Out 1 Slika 29 Blok shema FN elektrane 49

58 Jednostavan model FN elektrane je prikazan blok shemom na slici 29. Blok Saturation 3 označava nazivnu snagu (maksimalnu) 1 m 2 solarnih ćelija. Blok module efficiency je efiksnost cijelog sustava (odnosno koliko se dozračene energije pretvori u električnu energiju). Imamo još i modul A [m2] (ukupna površina solarnih ćelija) i modul koji pretvara snagu iz vata u kilovate Model stohastičnosti brzine vjetra i vjetroelektrane Clock MATLAB Function brzina vjetra Cut out MATLAB Function Model vjetroelektrane 1 Out1 Slika 30 Blok shema stohastičnosti brzine vjetra i jednostavni model vjetroelektrane Blok shema se sastoji od bloka koji modelira brzinu vjetra kroz godinu (kod funkcije je u Dodatku), bloka koji sadrži cut out brzinu vjetroturbine i blok u kojem se na jednostavan način modelira vjetroelektrana (ulaz je brzina vjetra, a izlaz generirana el. snaga) Model protoka vode Out 1 -K- g force netto pad -K- -Kkorisnost generatora Product 1 Out1 Out 2 f(u) Protok rijeke korisnist turbine u ovisnosti o protoku Slika 31 Blok shema stohastičnosti protoka vode kroz jednu godinu i jednostavan model male hidroelektrane Blok shema se sastoji od bloka koji sadrži protok vode kroz jednu godinu. Mala hidroelektrana je pojednostavljeno modelirana. 50

59 4.3. Prikaz rezultata dobivenih simulacijom Stohastičnost snage na satnoj razini kroz jednu godinu Slika 32 Prikaz proizvodnje električne snage male hidroelektrane (1500 kw) na razni sata kroz jednu godinu 51

60 Slika 33 Prikaz proizvodnje električne snage FN elektrane (1500 kw) na razni sata kroz jednu godinu Slika 34 Prikaz proizvodnje električne snage vjetroelektrane (1500 kw) na razni sata kroz jednu godinu 52

61 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje Slika 35 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim elektranama kroz jednu godinu Slika 36 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz jednu godinu 53

62 Slika 37 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje po pojedinačnim elektranama kroz jedan mjesec Slika 38 Usporedba minimalne i maksimalne proizvodnje svih jedinica kroz jedan mjesec 54