ENERGETSKI SISTEMI PRESKRBA Z ELEKTRI^NO ENERGIJO IN TOPLOTO

Transcript

1 UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA STROJNI[TVO MATIJA TUMA MIHAEL SEKAV^NIK ENERGETSKI SISTEMI PRESKRBA Z ELEKTRI^NO ENERGIJO IN TOPLOTO Tretja, izpopolnjena in predelana izdaja LJUBLJANA 2004

2 Naslov dela: Avtorja: Energetski sistemi, preskrba z elektri~no energijo in toploto prof. dr. Matija Tuma doc. dr. Mihael Sekav~nik Recenzent: Lektor: izr. prof. dr. Janez Oman dr. Jo`e Gasperi~, znan. svetnik Oblikovanje ovitka: Veronika Saje Oblikovanje in prelom: Miro Pe~ar Zalo`nik: Tisk: Naklada: Ljubljana, 2004 Fakulteta za strojni{tvo, A{ker~eva ulica 6, Ljubljana Eviden~na {tevilka: 188 Tiskarna Ple{ko, d. o. o., Ljubljana 500 izvodov CIP Katalo`ni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knji`nica, Ljubljana xxx.x(xxx.x) TUMA, Matija Energetski sistemi : preskrba z elektri~no energijo in toploto/ Matija Tuma, Mihael Sekav~nik 3. izdaja Ljubljana : Fakulteta za strojni{tvo, 2004 ISBN xx-x 1. Sekav~nik, Mihael 11xxxxxxx

3 3 PREDGOVOR Namen u~benika je, da bralcem olaj{a razumevanje zakonitosti pretvarjanja energij in da jim isto~asno daje osnove za nadaljnji poglobljeni {tudij v tej smeri. [ele dobro poznanje spreminjanja ene vrste energije v drugo omogo~a strokovnjakom, da pri nekem energetskem procesu presodijo, kje lahko prihranijo energijo in kak{ne so realne mo`nosti, da ta prihranek dejansko uresni~ijo. V posameznih poglavjih so obravnavane razli~ne mo`nosti spreminjanja ene vrste energije v drugo, pri tem je toplotnim postrojenjem odmerjen najve~ji del u~benika. V dana{njem ~asu spada namre~ dobro poznanje spreminjanja primarne energije v sekundarno s toplotnim kro`nim procesom, skupaj z vsemi izgubami, ki se pojavljajo pri teh spremembah, k temeljni izobrazbi vsakega strokovnjaka energetika. Preskrba ~love{tva z energijo {e ni zadovoljivo re{ena. Znanstveniki si zelo prizadevajo, da bi ~im prej na{li nove vire primarne energije, katerih izkori{~anje bi bilo tehni~no zanesljivo, gospodarsko upravi~eno in za okolje sprejemljivo. Tudi danes {e velja za vsa znanstvena prizadevanja misel Jo`efa Stefana ( ), velikega fizika in v mladosti tudi pesnika, ki jo je napisal kot mlad privatni docent Dunajske univerze:»nekaj bode zmeraj {e ostalo, da ne bomo vedeli, zakaj?«(jo`ef Stefan, Naturoznanske posku{nje, 1859) V tretji izdaji u~benika so nekatera poglavja temeljito predelana, ve~ina jih je posodobljenih, dodani so novej{i strokovni viri. Tudi to izdajo je kot obe predhodni skrbno pregledal upokojeni profesor Boris ^ernigoj, za kar se mu avtorja lepo zahvaljujeva. Ljubljana, januar 2004 Matija Tuma in Mihael Sekav~nik

4 4 VSEBINA VSEBINA Seznam ozna~b Uvod Energetska postrojenja Namen in razdelitev Na~in obratovanja Letni diagram pridobivanja energije Razpolo`ljivost Gospodarnost Stro{ki Lastna cena Tr`na cena Energetska postrojenja v Sloveniji Klasi~ne termoelektrarne Zna~ilnosti Termodinami~ne osnove Parni kro`ni proces Mo~ in izkoristek Izbolj{anje parnega kro`nega procesa Glavni sestavni deli Parni kotli Parne turbine Kondenzatorji Hladilni sistemi ^rpalke Regenerativni grelniki Razplinjanje napajalne vode Priprava napajalne vode Klasi~na termoelektrarna in okolje Jedrske elektrarne Zna~ilnosti Delovanje jedrskih reaktorjev Termi~ni jedrski reaktorji Glavni sestavni deli Vrste termi~nih reaktorjev Novi evropski tla~novodni reaktor Oplodni jedrski reaktorji Primerjava med jedrsko in klasi~no elektrarno Parni kro`ni proces pri tla~novodnem in vrelnem reaktorju Posebnosti v elektrarnah s tla~novodnim in z vrelnim reaktorjem Jedrska elektrarna in okolje Radioaktivni odpadki in odlagali{~a Nezgode in nesre~e v jedrskih elektrarnah Razgradnja

5 VSEBINA 5 5 Plinske elektrarne Zna~ilnosti Termodinami~ne osnove Plinski kro`ni proces Mo~ in izkoristek Izbolj{anje plinskega kro`nega procesa Glavni sestavni deli Gorilniki Plinske turbine Kompresorji Regenerativni grelniki Plinsko-parni proces Plinski kro`ni proces s prigrajenim parnim kro`nim procesom Parni kro`ni proces s prigrajenim plinskim kro`nim procesom Plinska elektrarna in okolje Soproizvodnja elektri~ne energije in toplote Zna~ilnosti Soproizvodnja s parnimi turbinami Soproizvodnja s plinskimi turbinami Soproizvodnja z motorji z notranjim zgorevanjem Termodinami~ne osnove Delitev stro{kov Industrijske toplarne Izkori{~anje odpadne toplote Vodne elektrarne Zna~ilnosti Hidrodinami~ne osnove Mo~ in izkoristek Pretok vode Vrste vodnih elektrarn Preto~ne elektrarne Zajezne (akumulacijske) elektrarne ^rpalno-zajezne (akumulacijske) elektrarne Primerjava med vodno elektrarno in termoelektrarno Vodna elektrarna in okolje Nekonvencionalni energijski viri Zna~ilnosti Son~no sevanje Sprejemniki son~ne energije Son~ne celice Energija biomase Energija vetra Energija morja Notranja energija morja Energija morskih tokov Energija bibavice

6 6 VSEBINA Energija morskih valov Geotermi~na energija Prenos, shranjevanje in odjem energije Zna~ilnosti Prenos energije Prenos elektri~ne energije Prenos toplote Shranjevanje energije Shranjevanje elektri~ne energije Shranjevanje toplote Odjem energije Odjem elektri~ne energije Odjem toplote Prihodnja preskrba z energijo Zna~ilnosti Na~rtovanje preskrbe Smotrna raba sedanjih energijskih virov Magnetohidrodinami~ni generatorji Vodik kot gorivo Gorivne celice Nizkotemperaturne gorivne celice Visokotemperaturne gorivne celice Gorivne celice v kro`nih porcesih Novi energijski viri Viri Stvarno kazalo

7 SEZNAM OZNA^B 7 Seznam ozna~b Latinske ~rke ^rka Pomen Enota A anergija J A masno {tevilo A plo{~ina, povr{ina, prerez m 2 A razpolo`ljivost a anuitetni faktor B {irina m C stro{ki, cena EUR C {tevilo prebivalcev c specifi~ni stro{ki, specifi~na cena EUR/kW, EUR/kW h, EUR/kg, EUR/m 2 c p specifi~na toplota pri p = konst. J/(kg K) c v specifi~na toplota pri v = konst. J/(kg K) ^D ~isti dobi~ek EUR/a D donos EUR D premer m DP dru`beni proizvod EUR/(a cap.) d efektivna dav~na stopnja d premer m E eksergija J &E eksergijski tok J/s = W e specifi~na eksergija J/kg F sila N f frekvenca s 1 G konduktanca faznega vodnika W 1 g pospe{ek prostega pada (= 9,80665) m/s 2 H vi{ina m H i kurilnost J/kg, J/m 3 H s zgorevalna toplota J/kg, J/m 3 h specifi~na entalpija J/kg I jakost elektri~nega toka A ISD interna stopnja donosa i {tevilo enot, stopenj, iteracijsko {tevilo K konstanta k Boltzmannova konstanta J/K k toplotna prehodnost W/(m 2 K) k {tevilo nevtronov L dol`ina m M molska masa kg/mol

8 8 SEZNAM OZNA^B ^rka Pomen Enota m masa kg &m masni tok kg/s NA nerazpolo`ljivost NDT neto denarni tok EUR/a NSV neto sedanja vrednost EUR n doba trajanja, eksponent, {tevilo itd. n vrtilna frekvenca s 1 P mo~ W p obrestna mera % p tlak Pa, bar Q toplota J &Q toplotni tok J/s = W q specifi~na toplota J/kg &q specifi~ni toplotni tok W/kg &q gostota toplotnega toka W/m 2, W/m 3 R elektri~ni ohmski upor W R pripravljenost r diskontni faktor r polmer m r specifi~na uparjalna/kondenzacijska toplota J/kg S entropija J/K s specifi~na entropija J/(kg K) T temperatura, absolutna temperatura C, K t ~as h, s t specifi~na poraba toplote U inducirana elektri~na napetost V U izkori{~enost U notranja energija J u obodna hitrost m/s u specifi~na notranja energija J/kg V prostornina m 3 V& prostorninski tok m 3 /s v hitrost, splo{no m/s v specifi~na prostornina m 3 /kg W delo, energija J w specifi~no delo, specifi~na energija J/kg specifi~na energija na leto in prebivalca w S gostota son~nega sevanja J/m 2 x razmerje, dele`, izguba x suhost pare kg/kg y razmerje, dele` J/(a cap.)

9 GR[KE ^RKE 9 Gr{ke ~rke ^rka Pomen Enota α absorptivnost son~nega sevanja α kot α toplotna prestopnost W/(m 2 K) α volumensko razmerje ß kot ß snovna prestopnost kg/(m 2 s) Γ elasti~nost dru`benega proizvoda γ sprejemni faktor γ grelno {tevilo D razlika δ debelina m δ kot ε eksergijsko {tevilo ε prostorninski dele`, poroznost ε tla~no razmerje ζ eksergijski izkoristek ζ koeficient izgub η dinami~na viskoznost Pa s, kg/(m s) η energijski izkoristek θ temperaturna razlika K κ razmerje specifi~nih toplot (c p /c v ) κ stisljivost Pa 1 λ koeficient trenja λ razmernik zraka λ toplotna prevodnost W/(m K) λ valovna dol`ina m µ masno razmerje ν kinemati~na viskoznost m 2 /s ξ razmernik koncentracije π reducirani tlak π tla~no razmerje ρ gostota kg/m 3 ρ reflektivnost son~nega sevanja ρ stopnja reaktivnosti ρ stopnja regeneracije σ normalna napetost N/m 2 σ povr{inska napetost N/m, J/m 2 σ prihranek toplote τ prepustnost son~nega sevanja

10 10 GR[KE ^RKE ^rka Pomen Enota τ reducirana temperatura τ torzijska napetost Pa, bar χ entalpijski razmernik χ toplarni{ko {tevilo ϕ kot ϕ preto~no {tevilo ϕ relativna vla`nost kg/kg ψ tla~no {tevilo ω kotna hitrost (2pf) rad 1 ω reducirani volumen

11 INDEKSI 11 Va`nej{i indeksi ^rka A a C ^ D do dop E e F f G Go g H I i id J K k kk kr L LR m m max min n NA NK NR NT O o od opt P Pomen absorpcija, amortizacija, razpolo`ljivost aerodinami~ni, aksialni, razpolo`ljivi Carnot, cevovod, son~na celica ~rpalka, ~rpalna postaja dimni plini dovedeni dopustni ekspanzija, elasti~nost, elektrarna, elektri~na energija dejanski, efektivni fluid fiksen, stalen generator, geodetska vi{inska razlika, gonilnik, gorilnik gorivo, gorilnik te`nost vi{ina investicija, izguba, izolacija, izstop, izvedba imenski, interni, komponenta, notranji, spodnji, vrsta snovi idealni jez kineti~na energija, kompresor, kompresija, kondenzat, konvekcija, kotel, kotlarna, kuri{~e koristni kon~ni/koristni kriti~ni lebde~a plast lastna raba masa mehanski, povpre~ni, srednji maksimalni minimalni nasi~en nerazpolo`ljivost nizkotla~ni kondenzat nizkotla~na hladilno-reducirna postaja nizkotla~na turbina obresti, okolica opti~ni odvedeni optimalni mo~

12 12 INDEKSI ^rka P p Pa Pl PM PP ps R RM r S SC SG SP St sk T T Tr t t tot U U u V VG VK VR VT Vz v v W Z Zg z a η λ σ w Pomen para, pepel, plin, poraba, premog, prodaja tlak parno postrojenje plinsko postrojenje prenosna mre`a ponovno pregreta para primarni/sekundarni pripravljenost, regeneracija, regulacija, re{etka, rezervoar, sprejem razdelilna mre`a radialni sevanje, sonce, stena, svetloba son~na celica sponke generatorja para ali plin na vstopu v turbino turbinska stopnja sekundarni/kon~ni temperatura toplarna, toplota, transport, turbina trenje ~as tangencialni, tehni~ni, termi~ni, tla~ni, toplotni totalni izkori{~enost, notranja energija upor, utilizator notranji, obodni, tangencialni valj, ventil, voda, vodilnik visokotla~ni grelnik visokotla~ni kondenzat visokotla~na hladilno-reducirna postaja visokotla~na turbina vzgon prostorninski, volumenski variabilen, gibljiv delo, energija zrak, zvok zgorevanje zunanji konvekcija, vstop viskoznost prevod toplote povr{inska napetost, sevanje izstop celotni

13

14 14

15 1 UVOD Od zdavnaj se je ~lovek udejstvoval na treh velikih podro~jih tehnike z namenom, da bi si ~im bolj olaj{al `ivljenje. Ta podro~ja je mogo~e opisati s pojmi "masa", "energija" in "informacija", preglednica 1.1. Sprememba geometrijske oblike mase Preglednica 1.1. Obdelovalna in procesna tehnika, energetika in kibernetika Masa Energija Informacija Sprememba fizikalnih in kemi~nih lastnosti mase Sprememba energije v `eleno obliko Sprejem, prenos, shranjevanje in obdelava informacij Obdelovalna tehnika Procesna tehnika Energetika Kibernetika Izdelava orodja iz kosti, kamna in lesa pomeni zametek dana{nje obdelovalne tehnike, izdelava opeke, brona in stekla z uporabo ognja pa zametek dana{nje procesne tehnike. Obdelovalna tehnika se torej ukvarja s spremembami oblike snovi, procesna tehnika s spremembami strukture snovi, medtem ko se energetika ukvarja s spremembami energije iz ene oblike v drugo najve~krat s spreminjanjem prvotne, primarne energije v drugo tako, kakor jo `eli imeti porabnik. Energetika je dejavnost, ki oskrbuje gospodarstvo z energijo. Kibernetika pa je skupno ime za sprejem, prenos, shranjevanje in predelavo tehni~nih informacij. Za spreminjanje ene oblike energije v drugo so potrebni energetski stroji in naprave. ^e imamo opravka z ve~ stroji, kot sta to na primer motor z notranjim zgorevanjem in elektri~ni generator, imenujemo to energetski postroj. ^e gre za kopico razli~nih strojev in naprav, ki so med seboj funkcionalno povezani, kot je to

16 16 1 UVOD npr. v elektrarni, imenujemo to energetsko postrojenje. Ve~ postrojenj je povezanih v energetski sistem. V nekem zaprtem in izoliranem procesu je vsota vseh energij konstantna. To je vsebina prvega glavnega zakona termodinamike: energije ni mogo~e uni~iti, mogo- ~e pa jo je spremeniti iz ene oblike v drugo. Pri vsaki spremembi imamo opravka z izgubami; del energije se namre~ ne spremeni v `eleno obliko, ampak v tisto, ki ni dobrodo{la, npr. v toploto namesto v delo. Izgube nastanejo: zaradi same narave pretvorbe ene oblike energije v drugo in zaradi nepopolnih konstrukcij strojev in naprav. Prvi glavni zakon termodinamike, ki govori o ohranitvi energije, ne pove ni~esar o uporabnosti posameznih vrst energije; ni va`no, za kak{ne vrste energije gre pri nekem energetskem procesu: za delo, kineti~no, potencialno, elektri~no, notranjo, toploto itd. O kvaliteti energije govori drugi glavni zakon termodinamike, kjer se je izkazala eksergija kot zelo ustrezna veli~ina za vrednotenje uporabnosti neke energije. Glede na prvi glavni zakon termodinamike so namre~ vse vrste energije med seboj enakovredne. Druga~e pa gleda na razli~ne vrste energije gospodarstvo, zanj je zanimiva le tista vrsta, ki jo je mogo~e spremeniti v "uporabno" obliko, predvsem v mehansko ali elektri~no delo in toploto. Termodinami~no gledano je za gospodarstvo predvsem pomembna t. i. prehodna energija (mehansko ali elektri~no delo, toplota), ne pa t. i. nakopi~ena energija (potencialna, kineti~na). Za nakopi~eno energijo je zna~ilno, da je v dani obliki obstojna, medtem ko je za prehodno energijo zna~ilna njena kratkotrajnost. Pojavlja se takrat, ko nakopi~ena energija menja svojo obliko, ko prehaja iz enega sistema v drug sistem. Merilo za uspe{nost spremembe ene vrste energije v drugo imenujemo energijski izkoristek. Definiran je kot razmerje energije (energijskega toka), ki je na razpolago po kon~anem procesu, in energije (energijskega toka), ki je bila dovedena v proces: W W& P η = = = (1.01) Wdo W& P do do Eksergijski izkoristek je definiran enako: je razmerje med eksergijo (eksergijskim tokom), ki nam je na razpolago po kon~anem procesu, in eksergijo (eksergijskim tokom), ki je bila dovedena v proces: E ζ = = E do E& E& do (1.02) Pravo merilo za vrednotenje in ocenitev popolnosti nekega energetskega procesa je njegov eksergijski izkoristek, ki je lahko teoreti~no enak 1 prav za vsak proces. Vzrok, da je vedno manj{i od 1, je nepopolnost konstrukcij na{ih strojev in naprav ter nepopolnost na~ina, kako te stroje in naprave uporabljamo. Energijski izkoristek se od eksergijskega ne razlikuje, ~e imamo opravka z energijami, ki so popolnoma

17 1 UVOD 17 pretvorljive iz ene oblike v drugo. Druga~e pa je, ~e uporabljamo pojem energijskega izkoristka pri tistih energijah, ki niso popolnoma pretvorljive, na primer pri toploti ali pri notranji energiji. To je eden od vzrokov, da se za toploto in notranjo energijo uporabljata simbola Q in U, za vse druge vrste energije pa simbol W. Seveda pa velja za vse vrste energije ista merska enota. Pretvorba energije in izkoristek sta zato za vsakega strokovnjaka, ki se ukvarja z energetskimi problemi, dva nerazdru`ljiva pojma. Ena od njegovih osnovih nalog je, da pazi, da je sprememba energije v `eleno obliko v nekem energetskem procesu, in {ir{e, v nekem energetskem sistemu, ~im popolnej{a, da je torej izkoristek energetskega sistema ~im ve~ji. Da dobimo obliko energije, ki je prakti~no uporabna, je navadno potrebnih ve~ sprememb. Za pomembnej{e oblike energije so uveljavljene naslednje definicije. Primarna energija je energija primarnih nosilcev energije; ti nosilci so bili dobljeni z izkori{~anjem naravnih energetskih virov in niso izpostavljeni {e nobeni tehni~ni spremembi. Primeri: premog, naravni uran (iz rudnika), drva (iz gozda), surova nafta, zemeljski plin (iz vrtine), energija son~nega sevanja, potencialna energija vode, kineti~na energija vetra. Primarna energija je vedno nakopi~ena energija. Sekundarna energija je tista, ki je na voljo iz primarne energije na mestu spremembe. Primeri: mehansko delo na osi mlinskega kolesa, elektri~na energija na pragu termoelektrarne ali vodne elektrarne, toplota (para, vro~a voda) na pragu kotlarne, stisnjen zrak v kompresorski postaji, nadalje koks, trgovski premog, motorna goriva, zemeljski plin, nasekana drva v trgovini. Kon~na energija je tista, ki je na voljo porabniku na mestu uporabe {e pred zadnjo tehni~no pretvorbo; navadno gre za sekundarno energijo, lahko pa tudi za primarno, npr. premog ali zemeljski plin za kurjavo. Primeri: daljinska toplota (vro~a voda) za radiator, elektri~na energija za elektromotor, elektri~na energija za `arnico, elektri~na energija za radio, stisnjen zrak pri obdelovalnem stroju. Kon~na energija je navadno prehodna energija. Koristna energija je tisti del kon~ne energije, ki koristi porabniku in je cilj njegove uporabe: za mehansko delo, toploto, svetlobo in zvok. Primeri: toplota iz radiatorja, mehansko delo motorja, svetloba iz `arnice, zvok iz radia. Zgled. Gretje vode na gospodinjskem {tedilniku Pri segrevanju vode na plinsko-elektri~nem gospodinjskem {tedilniku je treba oceniti dejanski energijski izkoristek. (O posameznih vrstah izkoristka bo govor v nadaljevanju.) Gretje vode z elektri~no energijo. Pri spremembi primarne energije (npr. zemeljski plin) v sekundarno (elektri~na energija na pragu elektrarne) (η ps ) je treba upo{tevati izgube v kotlu (η K ), izgube zaradi nepopolne pretvorljivosti toplote v druge vrste

18 18 1 UVOD energije (η t ), notranje (η i ) in mehanske izgube strojev (η m ), elektri~ne izgube generatorja (η G ) in izgube elektri~ne energije zaradi lastne rabe v elektrarni (η LR ): η ps = η K η t η i η m η G η LR = 0,58 0,88 0,89 0,98 0,96 0,94 = 0,40 Pri prenosu sekundarne energije iz elektrarne do porabnika (η sk ) nastanejo izgube v elektri~ni prenosni (η PM ) in razdelilni mre`i (η RM ): η sk = η PM η RM = 0,96 0,95 = 0,91 Pri gretju vode na elektri~nem {tedilniku se zopet izkoristi le del kon~ne energije: η kk = 0,65 ^e torej grejemo vodo na gospodinjskem {tedilniku z elektri~no energijo, potem je dejanski energijski izkoristek od primarne do koristne energije: η ee = η ps η sk η kk = 0,40 0,91 0,65 = 0,24 V koristno energijo se pretvori samo 24 % primarne energije, 76 % energije goriva pa se spremeni v nizkotemperaturno toploto in gre brez koristi v okolico. Gretje vode z zemeljskim plinom. Za prenos sekundarne energije (zemeljski plin) iz plinarne do porabnika je potrebna tla~na energija, ki pa jo je pri tej oceni mogo~e zanemariti (η ps = 1). Prav tako ni upo{tevana energija za transport zemeljskega plina od vrtine do plinarne, enako kot ni bila upo{tevana energije za transport zemeljskega plina do termoelektrarne (η sk = 1). Primarna energija je torej enaka sekundarni, in ta naprej kon~ni energiji. Pri gretju vode na plinskem {tedilniku se zopet izkoristi le del kon~ne energije: η kk = 0,75 ^e grejemo vodo na gospodinjskem {tedilniku s plinom, potem je dejanski energijski izkoristek od primarne do koristne energije v tem primeru: η ep = η ps η sk η kk = 1 1 0,75 = 0,75 V koristno energijo se spremeni 75 % primarne energije, 25 % energije goriva pa se spremeni v nizkotemperaturno toploto in gre brez koristi v okolico. Iz gornje ocene izhaja, da je pri gospodinjskem {tedilniku precej gospodarnej{e greti vodo s plinom kot pa z elektri~no energijo, saj je gledano v celoti pri gretju vode z zemeljskim plinom potrebno pribli`no trikrat manj energije kot pri gretju z elektriko!

19 2 ENERGETSKA POSTROJENJA Poglavje obravnavana energetska postrojenja glede na njihovo vlogo v energetskem sistemu, pojasnjuje pojme, kot so gospodarnost, razpolo`ljivost, izkori{~enost in pripravljenost. Zaradi svoje pomembnosti je gospodarnosti energetske nalo`be posve~ena posebna pozornost: razlo`eni so osnovni pojmi, prikazana struktura stro{kov in raz~lenjena upravi~enost nalo`be. Na koncu poglavja so zbrana pomembnej{a energetska postrojenja v Sloveniji. 2.1 Namen in razdelitev Na~in obratovanja Namen energetskih postrojenj je s ~im manj{imi stro{ki in s ~im ve~jim izkoristkom primarno energijo spremeniti v obliko, ki je potrebna v vsakdanjem `ivljenju: v mehansko delo, toploto, svetlobo in zvok. Energetska postrojenja so za sodobno `ivljenje pomembna, kajti zadostna preskrba z energijo je eden od pogojev za dosego visoke `ivljenjske ravni. Najpopolnej{a oblika energije je elektri~na, saj jo je mogo~e z odli~nim izkoristkom spremeniti v vse druge oblike. Zato bodo v nadaljevanju obravnavana predvsem energetska postrojenja, ki spreminjajo primarno energijo v elektri~no. Najva`nej{a so: parne elektrarne na fosilna in jedrska goriva, plinske in plinsko-parne elektrarne ter vodne in vetrne elektrarne. V svetovnem merilu se ve~ kot tri ~etrtine elektri~ne energije pridobiva v termoelektrarnah, najve~ v fosilnih in jedrskih elektrarnah, precej v plinskih, nekaj tudi z motorji z notranjim zgorevanjem. Manj kot ~etrtino energije dajejo vodne elektrarne, nekaj malega tudi drugi obnovljivi energijski viri.

20 20 NAMEN IN RAZDELITEV Energetska postrojenja se razlikujejo predvsem po viru primarne energije, za njihovo vlogo v energetskem sistemu pa je zna~ilno {tevilo obratovalnih ur na leto. Glede na to {tevilo so postrojenja razdeljena na tri skupine, slika 2.5. Postrojenja, ki obratujejo neprekinjeno ve~ji del leta (osnovno obratovanje, obratovanje v pasu), t > 6000 h/a Zna~ilnosti: velika zanesljivost pri obratovanju in velik energijski izkoristek, pri termoelektrarnah nizki obratovalni (ceneno gorivo) in visoki investicijski stro{ki. Lastni stro{ki priprave take elektri~ne energije so nizki. Primeri: preto~ne vodne elektrarne, jedrske in ve~je fosilne elektrarne. Postrojenja, ki obratujejo ob delavnikih (dnevno obratovanje, obratovanje v trapezu), t = h/a Zna~ilnosti: enostaven zagon, pri termoelektrarnah srednje vrednosti za energijski izkoristek, prav tako za investicijske in obratovalne stro{ke. Primeri: akumulacijske vodne elektrarne, parne in plinsko-parne elektrarne. Postrojenja, ki obratujejo samo pri velikem povpra{evanju po energiji (vr{no obratovanje, obratovanje v konici), t < 1500 h/a Zna~ilnosti: enostaven in hiter zagon, pri termoelektrarnah manj{i energijski izkoristek, nizki investicijski in visoki obratovalni stro{ki. Lastni stro{ki priprave take elektri~ne energije so lahko visoki, prav tako je tr`na cena take elektri~ne energije visoka. Primeri: ~rpalno-akumulacijske vodne elektrarne, Dieselovi motorji, plinske elektrarne, enostavne parne elektrarne. Energetska postrojenja v splo{nem ne obratuje vse leto, in kadar obratujejo, ne vedno z imensko mo~jo. Vzroki so razli~ni. Toplotna postrojenja lahko sicer obratujejo z imensko mo~jo vse leto, vendar je povpra{evanje po elektri~ni energiji ali toploti od dneva do dneva razli~no, in zato se elektri~na ali toplotna mo~ postrojenja prilagaja trenutni potrebi. Potrebe po energiji so pozimi ve~je kot poleti, v delavnikih ve~je kot ob nedeljah itd., o ~emer bo podrobnej{e govor v poglavju o odjemu energije. Vodne in vetrne elektrarne tudi teoreti~no ne morejo obratovati z imensko mo~jo vse leto, saj se pretok vode in jakost vetra spreminjata v odvisnosti od ~asa Letni diagram pridobivanja energije Obratovanje nekega postrojenja je navadno prikazano v urejenem letnem diagramu pridobivanja energije: na ordinati je nane{ena mo~ (npr. na pragu elektrarne) ali veli~ina, ki je bistvena za izra~un mo~i, na abscisi ~as enega leta 8'760ur. Plo{~ina diagrama pod krivuljo je torej neposredno ali posredno sorazmerna z letno proizvedeno energijo. Taka slika nastane, ~e je v ~asovnem razmiku (npr. enkrat na dan) na diagram nane{ena izbrana karakteristi~na veli~ina in urejena po velikosti. Slika 2.1 prikazuje urejeni diagram pridobivanja elektri~ne energije v termoelektrarni. Na ordinatno os je nane{ena dejanska elektri~na mo~ P e, na abscisno os ~as enega leta. Glede na potek diagrama obratuje termoelektrarna nekaj ~asa s polno mo~jo, ve~ino ~asa z delno, nekaj ~asa v letu pa sploh ne obratuje.

21 2 ENERGETSKA POSTROJENJA 21 Prav podoben diagram velja tudi za toploto, v tem primeru je na ordinatno os nane{en toplotni tok Q, & slika 2.2. Pri vodni elektrarni je namesto mo~i nane{en tok vode V, & ki je v ena~bi za mo~ vodne turbine najvplivnej{a spremenljivka, slika 2.3. Pri vetrni elektrarni pa je namesto mo~i nane{ena hitrost vetra pred vetrnico v 0,ki je najva`nej{a spremenljivka v ena~bi za mo~ vetrnice, slika 2.4. Slika 2.1. Urejeni letni diagram pridobivanja elektri~ne energije v termoelektrarni; P e = η e &m Dh A imenska mo~, B najmanj{a mo~, C termoelektrarna ne obratuje Slika 2.2. Urejeni letni diagram pridobivanja toplote v kotlarni; &Q e = η e &m Dh A ogrevanje in sanitarna voda, B sanitarna voda preko poletja, C kotlarna ne obratuje Slika 2.3. Urejeni letni diagram toka vode za pridobivanje elektri~ne energije v hidroelektrarni; P e = η e ρ &V g DH Slika 2.4. Urejeni letni diagram hitrosti vetra za pridobivanje elektri~ne energije v vetrni elektrarni; P e = η e A ν 0 3 / 2

22 22 Slika 2.5. Urejeni letni diagram pridobivanja elektri~ne energije v pokrajini, A obratovanje v pasu, B obratovanje v trapezu, C obratovanje v konici Pomembnej{i kot urejeni letni diagram za eno energetsko postrojenje je urejeni letni diagram pridobivanja elektri~ne energije za skupek elektrarn v neki pokrajini, za neki energetski sistem, slika 2.5. Plo{~ina pod diagramom se navadno iz leta v leto rahlo pove~uje, z drugimi besedami: pokrajina potrebuje iz leta v leto ve~ energije. Iz takega diagrama je med drugim mogo~e napovedati potrebe po elektri~ni energiji, izbor energetskega postrojenja itd. 2.2 Razpolo`ljivost Postavitev energetskega postrojenja je navadno povezana z velikimi stro{ki, zato je treba postrojenje tudi izkori{~ati. Obratovati mora ~im ve~ ur na leto in po mo`nosti z vso mo~jo, skratka, njegova razpolo`ljivost mora biti ~im vi{ja. Nizka razpolo`ljivost povzro~a najve~je gospodarske izgube, ki sploh lahko nastanejo; gospodarske posledice teh izgub precej presegajo izgube, ki nastanejo npr. zaradi poslab{anja izkoristka postrojenja. Proizvajalec navadno jam~i samo za energijski izkoristek postrojenja, le v redkih primerih tudi za njegovo razpolo`ljivost. Za visoko razpolo`ljivost jam~i samo proizvajal~evo dobro ime, njegove referen~ne liste, njegova servisna slu`ba itd. Razpolo`ljivost pa ni odvisna samo od proizvajal~eve opreme, ampak tudi od tehni~ne sposobnosti osebja, ki upravlja postrojenje. Podrobneje so ti pojmi razvidni iz preglednice 2.1. in s slik 2.6 in 2.7, od koder je mogo~e dobiti {e druge medsebojne zveze, kot so izkori{~enost obratovanja postrojenja, pripravljenost in nepripravljenost postrojenja za obratovanje itd.

23 2 ENERGETSKA POSTROJENJA 23 Preglednica 2.1. Povezava med razpolo`ljivostjo, izkori{~enostjo in pripravljenostjo Oznaka ^as (t) Mo~ (P) Delo, energija (W) Skupaj (i = 1) Imenski ~as (koledarsko leto) t i = 8760 h Imenska mo~ P i Imenska energija W i = P i t i Izkori{~enost (obratovanje) postrojenja (U) Izkori{~eni ~as t U Izkori{~ena mo~ P U Izkori{~ena (=proizvedena) energija W U = P U t U Pripravljenost postrojenja (R) Razpolo`ljivost postrojenja (A = U + R) Nerazpolo`ljivost postrojenja (NA = 1 A) Rezervni ~as t R Razpolo`ljivi ~as t A = t U + t R ^as, ki ni na razpolago t NA = t i t A Rezervna mo~ P R Razpolo`ljiva mo~ P A = P U + P R Mo~, ki ni na razpolago P NA = P i P A Rezervna energija W R = P R t U + P A t R Razpolo`ljiva energija W A = W U + W R Energija, ki ni na razpolago W NA = W i W A Razpolo`ljivost postrojenja (Availability) A je definirana kot vsota izkori{~enosti (Utilization) U in pripravljenosti (Readiness) R. ^asovna razpolo`ljivost: A t t = U + t t Razpolo`ljivost mo~i: A P P = U i R + P P Razpolo`ljivost energije (dela): A W P = i R + P P t + t t P = P t t P t + P t (P + P ) t + P t U R U R U U R U U R i i i i i i i i R (2.01) (2.02) (2.03) Razpolo`ljivost energije je razmerje, kjer je v {tevcu vsota dejansko proizvedene energije, topla ter hladna rezerva, v imenovalcu pa najve~ja mogo~a proizvedena energija. Topla rezerva je energija, ki je takoj na razpolago, pa zanjo ni potrebe (vrte~a se rezerva, postrojenje obratuje z zmanj{ano zmogljivostjo). Hladna rezerva je energija, ki jo je po potrebi mogo~e proizvesti (mirujo~a rezerva, postrojenje je pripravljeno, vendar ne obratuje). Podobna razmerja je mogo~e napisati tudi za izkori{~enost in pripravljenost ~asa, mo~i in energije. Izkori{~enost energije je na primer glavna ocena uspe{nosti obratovanje neke elektrarne. Za izkori{~enost energije se uporablja tudi izraz obratovalni faktor (load factor).

24 24 Slika 2.6. Obratovanje energetskega postrojenja: neurejeni, dejanski potek mo~i; A topla rezerva, B hladna rezerva Slika 2.7. Obratovanje energetskega postrojenja: urejeni diagram povpre~ne mo~i; A topla rezerva ( PR d tu), B hladna rezerva ( PA d tr)

25 2 ENERGETSKA POSTROJENJA 25 Zgled. Obratovanje termoelektrarne Termoelektrarna je obratovala v letu dni skupaj t U = 7700 h, od tega 7000 ur z imensko mo~jo 300MW, 600ur z mo~jo 250MW (zaradi zmanj{anega povpra- {evanja po elektri~ni energiji) in 100 ur z mo~jo 200 MW (zaradi manj{e okvare na kotlu). Termoelektrarna ni mogla obratovati 700 ur zaradi rednega letnega tehni~nega pregleda in nadaljnjih 200 ur zaradi okvare generatorja, skupaj t NA =900 h. Ostanek ~asa t R je termoelektrarna stala tehni~no pripravljena v (hladni) rezervi, slika 2.8. ^as v (hladni) rezervi: t R = = 160 h ^asovna izkori{~enost: U t = = 0,879 ^asovna pripravljenost: R t = = 0,018 ^asovna razpolo`ljivost: A t = = 0, Slika 2.8. Obratovanje termoelektrarne: urejeni diagram mo~i

26 26 GOSPODARNOST Izkori{~enost energije (= obratovalni faktor): U w = = 0, Pripravljenost energije: U R = ( ) 600 = 0, Razpolo`ljivost energije: ( ) A W = = 0, Primer velja za eno termoelektrarno, {e va`nej{a pa je uporaba teh pojmov pri obratovanju ve~ postrojenj skupaj. 2.3 Gospodarnost Energetska postrojenja so draga, na~rtovanje in gradnja trajata ve~ let, v obratovanju so ve~ desetletij. Zato je jasno, da je gospodarnost obratovanja takih postrojenj pomembna. Navadno je predmet ob{irnih tehni~nih in ekonomskih raziskav, tu bodo nekatere od teh nakazane. Izvedba neke nalo`be in njeno obratovanje nista odvisni le od njene tehni~ne zahtevnosti, pa~ pa tudi od njene gospodarnosti, ki bo v nadaljevanju podrobneje opisana Stro{ki Slika 2.9 prikazuje zna~ilne finan~ne tokove v podjetju, ki omogo~ajo trajno poslovanje. Podjetje mora v za~etku dobiti lastni{ki in dol`ni{ki kapital iz zunanjih virov, kar omogo~a investiranje v zemlji{~a, zgradbe, opremo in skupaj z obratnim kapitalom zagotavlja pokrivanje obveznosti iz poslovanja. Prihodki od poslovanja so realizirani s prodajo izdelkov na trgu in pokrivajo stro{ke poslovanja. Ustvarjene prihodke zmanj{ujejo stro{ki, ki jih lahko v tem poenostavljenem prikazu razvrstimo v dve skupini odhodkov. Poslovni odhodki Pri energetskih postrojenjih so to v prete`ni meri stro{ki goriva in dela, davki ter drugi stro{ki (vzdr`evanje postrojenj, potro{ni material itd.). Drugi odhodki Pri energetskih postrojenjih so to finan~ni odhodki, ki so povezani z investiranjem, prete`ni del teh sestavljajo amortizacija in obresti ter davek od dobi~ka. Podjetje ustvarja dobi~ek, kadar na trgu ustvarjeni prihodki zado{~ajo za pokrivanje vseh odhodkov in kadar ostane del finan~nega toka "prostega". V nasprotnem

27 Slika 2.9. Glavni finan~ni tokovi v obdobju enega leta 2 ENERGETSKA POSTROJENJA 27

28 28 GOSPODARNOST Slika Stro{ki pri proizvodnji elektri~ne energije v odvisnosti od letnega {tevila obratovalnih ur primeru, ko prihodki iz poslovanja ne zadostujejo za pokrivanje odhodkov, govorimo o izgubi. Kadar podjetje ustvari dobi~ek, del le-tega pripada dr`avi. Govorimo o dobi~ku pred obdav~itvijo, o ~istem dobi~ku ali pa o izgubi, ki so temeljne vrste poslovnega izida. O porazdelitvi ~istega dobi~ka odlo~a v primeru delni{ke dru`be skup{~ina delni~arjev na predlog uprave in nadzornega sveta in se lahko v dolo~enem obsegu nameni za izpla~ilo dividend, del pa ostane nerazporejen (zadr`ani dobi~ek) in tvori skupaj z amortizacijo, zadr`animi dav~nimi obveznostmi nov investicijski in obratni kapital. ^e ta ne zadostuje za uresni~evanje razvoja podjetja, je nujno kapital pove~ati z zadol`evanjem in dokapitalizacijo podjetja. Pri odlo~anju, optimiranju izvedbe in obratovanja energetskega postrojenja je pomembno ugotoviti strukturo posameznih stro{kov v ceni proizvoda. Poenostavljeno velja naslednja delitev: Stalni ali fiksni stro{ki C f, so tisti, ki so v prete`ni meri neodvisni od obratovanja postrojenja. Gibljivi ali variabilni stro{ki C v pa so tisti, ki v prete`ni meri nastanejo kot posledica obratovanja postrojenja. Vsota stalnih in gibljivih stro{kov so skupni stro{ki: C = C f + C v (2.04) Pri proizvodnji elektri~ne energije so prete`ni del gibljivih stro{kov stro{ki goriva, zato lahko privzamemo premo sorazmerno odvisnost gibljivih stro{kov od proizvodnje elektri~ne energije. Pribli`ni potek stro{kov proizvodnje v odvisnosti od {tevila obratovalnih ur prikazuje slika 2.10, poenostavljeno razvrstitev stro{kov proizvodnje elektri~ne energije pa preglednica 2.2.

29 2 ENERGETSKA POSTROJENJA 29 Preglednica 2.2. Najpomembnej{i stro{ki pri proizvodnji elektri~ne energije Vrsta stro{kov Specifikacija stro{kov Stalni stro{ki Gibljivi stro{ki Stro{ki kapitala (obresti) Amortizacija Stro{ki dela (pla~e) Stro{ki nadzora (finan~nega, tehni~nega) Davki in drugi stro{ki Stro{ki goriva Vzdr`evanje postrojenja (redna in izredna popravila) Potro{ni material Odhodki, povezani z investiranjem Poslovni odhodki Lastna cena Bolj kot absolutni stro{ki so zanimivi stro{ki na enoto proizvoda. ^e so skupni stro{ki normirani na letno proizvedeno elektri~no energijo, dobimo specifi~ne skupne stro{ke ali lastno ceno proizvedene elektri~ne energije: C f + C c = Pt v (2.05) Iz ena~be izhaja, da specifi~ni stro{ki proizvodnje elektri~ne energije nara{~ajo z zmanj{evanjem {tevila obratovalnih ur, kar je razvidno tudi s slike Povedano druga~e: postrojenje proizvaja drago elektri~no energijo, ~e je njegova ~asovna izkori{~enost majhna, in nasprotno. V primeru nizke ~asovne izkori{~enosti postrojenja pomenijo specifi~ni stalni stro{ki prete`ni dele` specifi~nih skupnih stro{kov. Z nara{~anjem {tevila letnih obratovalnih ur se dele` specifi~nih stalnih stro{kov zmanj{uje. Slika Specifi~ni stro{ki pri proizvodnji elektri~ne energije v odvisnosti od letnega {tevila obratovalnih ur

30 30 GOSPODARNOST Dejansko ali prodajno ceno elektri~ne energije oblikuje trg (izjemoma vlada), neodvisno od izkori{~enosti postrojenja. Vzemimo, da elektri~no energijo proizvajamo v razli~nih termoelektrarnah, npr. s plinskim, parnim ali plinsko-parnim kro`nim procesom. Postavlja se vpra{anje, katero od postrojenj proizvaja elektri~no energijo z ni`jimi specifi~nimi skupnimi stro{ki. Odgovor poi{~emo z analizo specifi~nih stro{kov, ki nastanejo pri proizvodnji elektri~ne energije za razli~na postrojenja. V strukturi specifi~nih stro{kov proizvodnje elektri~ne energije imajo najve~ji dele` naslednje tri vrste stro{kov: Stro{ki kapitala so stalni stro{ki. V prete`ni meri so to obveznosti zaradi obresti iz najetih kreditov (dol`ni{ki kapital) in trajajo ves ~as amortizacije (odpla- ~evanja) kreditov. Amortizacija sredstev je stalni stro{ek. Nastane zaradi prena{anja nabavne vrednosti sredstva na poslovne u~inke. Gre za postopno knjigovodsko razvrednotenje osnovnih sredstev s ~asovnimi odpisi skozi skupno dobo trajanja investicije. Stro{ki goriva so pri termoelektrarnah najpomembnej{i gibljivi stro{ki. Odvisni so od nabavne cene goriva in izkoristka postrojenja. Pri vodnih elektrarnah teh stro{kov nimamo. Specifi~ni stalni stro{ki, tj. stro{ki kapitala in amortizacija, so razli~ni za razli~ne vrste elektrarn in se z ve~anjem imenske mo~i postrojenja zni`ujejo. Imenska mo~ pa ni edina neodvisna spremenljivka, sem spada {e mnogo drugih dejavnikov, ki lahko bistveno vplivajo na spremembo specifi~nih investicijskih stro{kov, npr. izbira goriva, pomanjkanje prostora, nosilnost tal, zakonodajni, okoljevarstveni in drugi predpisi, na~in odvoda toplote iz postrojenja itd. Na sliki 2.12 so prikazane okvirne vrednosti specifi~nih investicijskih stro{kov za razli~na elektrarni{ka postrojenja v odvisnosti od imenske mo~i. Kot `e omenjeno se pri elektrarni{kih postrojenjih izka`e, da so specifi~ni stalni stro{ki odvisni predvsem od letnega {tevila obratovalnih ur (od ~asovne izkori{~enosti), specifi~ni gibljivi stro{ki pa od stro{kov goriva. Dejanska lastna cena (vsota vseh specifi~nih stalnih in gibljivih stro{kov) elektri~ne energije, proizvedene v dolo~eni elektrarni, se lahko ugotavlja le za nazaj na podlagi knjigovodsko izkazanih stro{kov. Zato se lastna cena elektri~ne energije v splo{nem spreminja skozi skupno dobo amortizacije investicije. Pri projektiranju novih postrojenj pa je pomembna vnaprej{nja ocena specifi~ne lastne cene elektri~ne energije. V ta namen se uporablja izra~un sedanje vrednosti lastne cene elektri~ne energije, ki se nana{a na za~etek amortizacije investicije. V tem izra~unu sta specifi~na stro{ka kapitala in amortizacije zdru`ena v obliki specifi~nih stalnih investicijskih stro{kov kot anuiteta skupnega investiranega kapitala (investicije), ki se bo amortiziral (stro{ki investicije, graditve itd.). Lastna cena elektri~ne energije je definirana po ena~bi (2.05) kot vsota specifi~nih stalnih in gibljivih stro{kov, ki so pa v nadaljevanju podrobneje specificirani:

31 2 ENERGETSKA POSTROJENJA 31 Slika Specifi~ni investicijski stro{ki za razli~na elektrarni{ka postrojenja v odvisnosti od mo~i; A motorji z notranjim zgorevanjem Otto, B manj{i motorji Diesel in manj{i plinski postroji, C plinske elektrarne, ^ motorji z notranjim zgorevanjem Diesel, D plinsko-parne elektrarne, E klasi~ne termoelektrarne, F jedrske elektrarne C fi a C f0vgo c c = c Pt Pt η v0 = c A0 + c f0 + c Go + c v0 (2.06) Prvi ~len ena~be so specifi~ni stalni investicijski stro{ki (stro{ki anuitete). C fi skupna vrednost investicije, ki se bo amortizirala P na~rtovana letna elektri~na mo~ t na~rtovani letni obratovalni ~as a anuitetni faktor r 1 a = 1 r n r = n n ( r 1) p ( 1+ p) = n n r 1 ( 1+ p) 1 n doba trajanja investicije r = 1 + p diskontni faktor p obrestna mera diskontnega faktorja (2.07) Drugi ~len ena~be so specifi~ni stalni obratovalni stro{ki, to so stalni stro{ki vzdr`evanja, zavarovanja in drugih pristojbin. Tretji ~len ena~be so specifi~ni stro{ki goriva; spadajo h gibljivim stro{kom. c vgo nabavna cena goriva η povpre~ni letni izkoristek postrojenja

32 32 GOSPODARNOST Slika Specifi~ni skupni stro{ki proizvodnje elektri~ne energije v odvisnosti od letnega {tevila obratovalnih ur; A tehni~no dovr{eno postrojenje, B tehni~no enostavno postrojenje ^etrti ~len ena~be so specifi~ni gibljivi obratovalni stro{ki, to so stro{ki, ki so dejansko odvisni od obratovanja postrojenja. Primerjajmo med seboj dve tehni~no popolnoma razli~ni postrojenji, slika Postrojenje A je zaradi svoje dovr{enosti drago, obratuje pa z visokim izkoristkom; specifi~ni stalni stro{ki so visoki, specifi~ni obratovalni stro{ki pa zaradi dobrega izkoristka postrojenja nizki. Postrojenje B je tehni~no enostavnej{e in cenej{e v primerjavi s postrojenjem A, specifi~ni stalni stro{ki so nizki, specifi~ni obratovalni pa zaradi slabega izkoristka visoki. Podrobnej{a analiza skupnih specifi~nih stro{kov za postrojenji A in B poka`e, da je gospodarnost enega ali drugega postrojenja odvisna od letnega {tevila obratovalnih ur. Pri obratovanju v pasu in trapezu (t = h/a) izkazuje postrojenje A ni`je specifi~ne skupne stro{ke, torej ni`jo lastno ceno kot pa postrojenje B. Tehni~no dovr{eno postrojenje A je torej pri velikem {tevilu letnih obratovalnih ur gospodarnej{e od enostavnega postrojenja. Nasprotno pa je postrojenje B primernej{e za obratovanje v konici (t < 1500 h/a). Za izbolj{anje gospodarnosti obratovanja torej ni smotrno uporabiti enakih ukrepov za razli~na energetska postrojenja. Pri postrojenjih z visoko izkori{~enostjo je smotrno zni`evati specifi~ne gibljive stro{ke, torej stro{ke goriva, saj so le-ti prete`ni dele` lastne cene. Sem spadajo npr. zagotavljanje cenej{ega goriva in napori za izbolj{anje izkoristka postrojenja. Nasprotno pa so pri postrojenjih z nizko letno izkori{~enostjo odlo~ilnega pomena stro{ki investicije in z njo povezani stro{ki kapitala. Pri takih postrojenjih napori za izbolj{anje izkoristka niso smotrni, saj ne vplivajo bistveno na zni`anje lastne cene.

33 2 ENERGETSKA POSTROJENJA 33 Zgled. Specifi~ni stro{ki proizvodnje elektri~ne energije Izra~unajmo specifi~ne skupne stro{ke proizvodnje elektri~ne energije za obdobje enega leta, in sicer za na~rtovani plinski postroj in za plinsko-parno postrojenje enakih imenskih elektri~nih mo~i P e = 200 MW. V obravnavanem obdobju nastopajo samo stalni stro{ki, povezani z investiranjem (stro{ki anuitete) in stro{ki goriva. Drugi stro{ki so za red velikosti ni`ji in jih zaradi poenostavitve ne upo{tevamo. Vrednosti za prera~un plinskega postroja so z diagrama na sliki 2.12 in preglednice 2.3: C I = c I P = = 70'000'000 EUR Anuitetni faktor: n 20 p ( 1+ p) a = n + p = 006, ( , ) = 0, ( 1 ) 1 ( 1+ 0, 0 6) 1 Stalni stro{ki, povezani z investiranjem (stro{ki anuitete), zdru`ujejo letne stro{ke amortizacije in obresti za najeta posojila in so ra~unsko enaki v skupni dobi amortizacije investicije: C A0 = C I a = 70'000'000 0,08718 = 6'102'919 EUR/a Specifi~ne investicijske stro{ke c A dobimo, ~e izra~unano vrednost delimo z elektri~no energijo, pridobljeno v enem letu. Ta je na~eloma odvisna od letnega {tevila obratovalnih ur, zato lahko specifi~ne stalne stro{ke zapi{emo kot funkcijo ~asa: c A0 = C a I 6' 102' , = = EUR/kW h 3 Pt t t Preglednica 2.3. Podatki za izra~un specifi~nih skupnih stro{kov proizvodnje elektri~ne energije v plinskem in v plinsko-parnem postrojenju Podatki Oznaka, merska enota Plinski postroj B Plinsko-parno postrojenje A Specifi~ni investicijski stro{ki Obrestna mera najetih posojil Doba trajanja investicije Nabavna cena goriva Povpre~ni letni izkoristek postrojenja c I EUR/kW p % n a c vgo EUR/GJ η % ,06, ,303,

34 34 GOSPODARNOST Preglednica 2.4. Primerjava stro{kov za plinsko in plinsko-parno postrojenje enakih mo~i Specifikacija stro{kov Merska enota Plinski postroj B Plinsko-parno postrojenje A Stro{ki investicije Stalni stro{ki, povezani z investiranjem (stro{ki anuitete) Specifi~ni stalni stro{ki, povezani z investiranjem Specifi~ni stro{ki goriva C I EUR C AO EUR/a c I EUR/kW h c Go EUR/kW h 70'000' '000'000 6'102'919 8'718'456 30,515 / t 43,592 / t 0,0360 0,0228 Specifi~ni stro{ki goriva so enaki kvocientu nabavne cene goriva in povpre~nega letnega izkoristka postrojenja in so ves ~as obratovanja investicije enaki: c Go = c vgo η = 33, ' = 0,036 EUR/kW h, 10 6 Specifi~ni skupni stro{ki so vsota vseh specifi~nih stro{kov in so funkcija {tevila letnih obratovalnih ur: ct () = c= c () t + c i A0Go Tudi vrednosti za prera~un plinsko-parnega postrojenja so z diagrama na sliki 2.12 in iz preglednice 2.3. Rezultate prera~unov prikazujeta slika 2.14 in preglednica 2.4. Iz primerjave specifi~nih skupnih stro{kov za obe postrojenji po sliki 2.15 je lepo razviden mejni ~as izkori{~enosti 1000 h/a, ki z vidika gospodarnosti razmejuje obe postrojenji: pri ~asovni izkori{~enosti do 1000 h/a je gospodarnej{e obratovati z enostavnim plinskim postrojem, pri izkori{~enosti nad tem ~asom pa ka`e investirati v dra`ji plinsko-parni proces. Lastna cena elektri~ne energije je torej bistveno odvisna od: vrste postrojenja stro{kov goriva in {tevila ur obratovanja. ^e bi bila poraba elektri~ne energije konstantna, bi jo najceneje proizvajali iz elektrarn, ki obratujejo v pasu. Dejansko pa se poraba elektri~ne energije med letom zelo spreminja, zato je koni~no elektri~no energijo bolj smotrno proizvajati v cenej{ih postrojenjih, ~eprav z vi{jo lastno ceno. Dejanska cena elektri~ne energije v konici je zaradi ve~jega povpra{evanja vi{ja in mora v na~elu pokriti tudi vi{jo lastno ceno.

35 2 ENERGETSKA POSTROJENJA 35 Slika Specifi~ni skupni stro{ki za plinsko-parno (A) in za plinsko (B) postrojenje Slika Primerjava specifi~nih skupnih stro{kov za plinsko-parno (A) in plinsko (B) postrojenje

36 36 GOSPODARNOST Tr`na cena Zanima nas, ali je neka nalo`ba gospodarsko upravi~ena ali ne. Pri presoji je treba oceniti osnovne zna~ilnosti denarnega toka v vsej dobi trajanja investicije. Denarni tok se nana{a tako na investicijske stro{ke (navadno v za~etku), kakor tudi na denarne donose in odlive od nalo`be v dobi trajanja investicije. Za vrednotenje stro{kov investicije se uporablja izraz neto denarni tok v obdobju enega leta NDT; definicija: Neto denarni tok = ~isti dobi~ek + stro{ki amortizacije NDT = ^D + C A (2.08) ^asovna odvisnost neto denarnega toka NDT, na sliki 2.9 je ozna~ena {rafirano, je zajeta z diskontnim faktorjem r = 1 + p, ki je naveden pri ena~bi (2.07). Sedanji u~inek neto denarnega toka v dobi trajanja investicije dobimo tako, da za neto denarne tokove, ki prihajajo v razli~nih ~asih, izra~unamo njihovo ekvivalentno (diskontirano) sedanjo vrednost, preden jih se{tejemo (ali od{tejemo, ~e so negativni). Od dobljene vrednosti od{tejemo stro{ke investicije, slika Za to se uporablja izraz neto sedanja vrednost investicije NSV; definicija: t NDTi NSV = C i I (2.09) i= 0 r kjer je NDT i neto denarni tok, t I ~as trajanja investicije in C I stro{ki investicije, ki nastopijo v za~etku (investicijski vlo`ek). Investicija je gospodarsko upravi~ena, ~e je pri danih stro{kih kapitala (obrestni meri) njena neto sedanja vrednost pozitivna: NSV > 0. Metoda ima {e bolj{o uporabnost, kadar je treba presoditi najbolj{o gospodarnost med ve~ alternativnimi investicijskimi projekti. Najbolj{a nalo`ba je tista, ki ima pri verodostojno ocenjenih neto denarnih tokovih in enaki ceni kapitala ve~jo neto sedanjo vrednost NSV. Slika Ra~unanje neto sedanje vrednosti investicije Zgled. Neto sedanja vrednost Nekatere zna~ilnosti uporabe metode si oglejmo na naslednjem zgledu. Za plinsko-parno postrojenje iz prej{njega zgleda izra~unajmo neto sedanjo vrednost

37 2 ENERGETSKA POSTROJENJA 37 Preglednica 2.5. Podatki za izra~un neto sedanje vrednosti investicije NSV za plinsko-parno postrojenje Podatki Imenska mo~ postrojenja Stro{ki investicije Stro{ki amortizacije (linearna stopnja) Nabavna cena goriva Prodajna cena elektri~ne energije Povpre~ni letni izkoristek postrojenja Izkori{~enost postrojenja Efektivna dav~na stopnja Obrestna mera Oznaka P MW C I EUR C A EUR/a c vgo EUR/GJ c P EUR/kW h η % t h/a d % p % Plinsko-parno postrojenje '000'000 5'000'000 3,30 0, '000 17,8 6,0 investicije NSV. Zaradi enostavnosti in nazornosti vzemimo, da nastopajo v denarnem toku poleg donosov od prodaje elektri~ne energije le {e stro{ki za nabavo goriva in davek od dobi~ka. Drugi podatki so razvidni iz preglednice 2.5. Letni donos od prodane elektri~ne energije: D = P t c P = '000 0,03 = 42'000'000 EUR/a Letni stro{ki goriva: C Go = Pt ' 000 c = ', = 31'984'615 EUR/a η vgo 6 052, 10 Za oceno neto denarnega toka je treba glede na ena~bo (2.08) ugotoviti ~isti dobi- ~ek. Donos od prodane elektri~ne energije je treba zmanj{ati za stro{ke goriva in stro{ke amortizacije ter pla~ati davek: ^D = (1 d) (D C Go C A ) (2.10) ^D = (1 0,178) (42'000'000 31'984'615 5'000'000) = 4'122'646 EUR/a Neto denarni tok je v dobi trajanja investicije nespremenjen, saj smo predpostavili, da se izkori{~enost postrojenja kakor tudi drugi podatki, ki dolo~ajo ~isti dobi~ek, ne spreminjajo: NDT = ^D + C A = 4'122' '000'000 = 9'122'646 EUR/a

38 38 GOSPODARNOST Preglednica 2.6. Rezultat izra~una neto sedanje vrednosti NSV Leto Vrednost investicije EUR Neto denarni tok EUR Diskontirana vrednost EUR 0 100'000' '000' '122'646 8'606' '122'646 8'119' '122'646 7'659' '122'646 7'225' '122'646 6'816' '122'646 6'431' '122'646 6'067' '122'646 5'723' '122'646 5'399' '122'646 5'094' '122'646 4'805' '122'646 4'533' '122'646 4'277' '122'646 4'034' '122'646 3'806' '122'646 3'591' '122'646 3'387' '122'646 3'196' '122'646 3'015' '122'646 2'844'484 Neto sedanja vrednost NSV (p = 6 %) 4'636'033 Rezultat kon~nega izra~una neto sedanje vrednosti investicije NSV (p = 6%) prikazuje preglednica 2.6. Ugotavljamo, da je neto sedanja vrednost NSV za dane podatke pozitivna, njena vi{ina pa nam pove, kolik{no je pove~anje premo`enjskega stanja investitorja (prera~unano na sedanjo vrednost) kot posledica u~inkov denarnih tokov v ~asu trajanja investicije. V opisanem primeru proizvodnje elektri~ne energije je neto sedanja vrednost neposredno odvisna od razmer na trgu kapitala (od stro{kov kapitala, to je obrestne mere najetih kreditov), pa tudi od prodajne cene elektri~ne energije in nabavne cene goriva na trgu. Najprej si poglejmo prvo odvisnost. Ponovni izra~un neto sedanje vrednosti nalo`be pri obrestni meri p = 7 % (drugi vhodni podatki se ne spremenijo) nam da negativen rezultat: NSV (p = 7 %) = 3'354'557 EUR kar pomeni, da nalo`ba gospodarsko ni upravi~ena.

39 2 ENERGETSKA POSTROJENJA 39 Slika Neto sedanja vrednost v odvisnosti od obrestne mere O~itno obstajajo neki stro{ki kapitala, pri katerih neto sedanja vrednost spremeni predznak. Pri tej obrestni meri je vsota denarnih tokov, diskontiranih na sedanji trenutek, natanko enaka investicijskemu vlo`ku. Obrestno mero, pri kateri se to zgodi, imenujemo interna stopnja donosa ISD: t NDTi( p = ISD) C i I = 0 (2.11) i= 0 r ( p= ISD) V primerjavi z izra~unom neto sedanje vrednosti gre v zgornji ena~bi za inverzni problem, katerega re{itev dobimo z eno od numeri~nih metod re{evanja nelinearnih ena~b, pribli`no pa jo lahko ocenimo tudi grafi~no, slika Za obravnavani primer je interna stopnja donosa ISD = 6,57 %. Interna stopnja donosa ISD pove, kak{ni so najve~ji stro{ki kapitala, pri katerih neto denarni tok NDT {e povrne za~etni investicijski vlo`ek. Prodajna cena elektri~ne energije dolo~a neposredno vi{ino neto denarnega toka, s tem pa na dolgi rok tudi neto sedanjo vrednost nalo`be, slika Podobno kot pri stro{kih kapitala obstaja tudi pri prodajni ceni elektri~ne energije neka mejna cena, pri kateri se vrednost nalo`be ohranja in je zatorej njena neto sedanja vrednost enaka ni~. Vsebinsko gledano je to cena, ki smo jo na druga~en na~in opisali kot lastno ceno elektri~ne energije, ki v ~asu trajanja dobe investicije natanko pokrije vse stro{ke. Na sliki 2.19 je za obravnavani primer podana analiza neto sedanje vrednosti v odvisnosti od stro{kov goriva. Ugotavljamo, da se pri nara{~anju stro{kov goriva neto denarni tok zmanj{uje, dokler pri neki mejni vrednosti teh stro{kov le-ta ne zamenja predznaka.

40 40 GOSPODARNOST Slika Neto sedanja vrednost v odvisnosti od prodajne cene elektri~ne energije Slika Neto sedanja vrednost v odvisnosti od nabavne cene goriva Dejansko se zaradi razvoja dogodkov na trgih kapitala elektri~ne energije in energentov razmere stalno spreminjajo. Napoved neto denarnih tokov je zaradi tega zahtevna naloga, tveganje nepravilnih ocen in odlo~itev pa se zmanj{uje z dolgoro~nim poznanjem razmer na teh trgih.

41 2 ENERGETSKA POSTROJENJA 41 Preglednica 2.7. Imenska mo~ na pragu elektrarne za ve~je vodne elektrarne v Sloveniji. Stanje leta 2002 Hidroelektrarna Dravograd Vuhred Vuzenica Mariborski otok O`balt Zlatoli~je Fala Formin Za~etek obratovanja, leto 1954/ / / / / / / [tevilo turbin Imenska mo~ MW Skupaj, Drava Moste Medvode Mav~i~e Vrhovo 1914/ Skupaj, Sava Plu`na Log Hubelj Doblar Plave Ajba Solkan Zadla{~ica Skupaj, So~a Sava Brod Savica Soteska Cezlak Sava Kranj Lom{~ica / Skupaj, druge Skupaj, Slovenija Energetska postrojenja v Sloveniji Slovenija je revna s primarnimi energijskimi viri, saj mora zunaj dr`ave kupovati ve~ kot 60% primarne energije. Od primarnih energijskih virov imamo doma premog slab{e kakovosti, medtem ko so uranova ruda ter skoraj vsa surova nafta in zemeljski plin uvo`eni.

42 42 ENERGETSKA POSTROJENJA V SLOVENIJI Preglednice 2.7, 2.8 in 2.9 prikazujejo imensko mo~ vseh ve~jih termo- in hidroelektrarn. V letu 2001 so termoelektrarne na fosilna goriva proizvedle 38 %, jedrska elektrarna 36 %, vodne elektrarne 26 % elektri~ne energije (od tega skoraj tri ~etrtine elektrarne na Dravi, elektrarne na Savi in So~i pa eno ~etrtino). Nazornej{a je slika, ~e povpre~no letno porabo te energije razdelimo na zimski in letni del. V zimskem delu leta je bilo proizvedenih pribli`no 54 % vse elektri~ne energije, v poletnem pa 46 %. V zimskem (poletnem) delu leta so proizvedle termoelektrarne na fosilna goriva 40% (32 %) vse elektri~ne energije, jedrska elektrarna 39 % (31 %) in vodne elektrarne 21 % (37 %). V zimskih {estih mesecih so v Sloveniji potrebe po elektri~ni energiji ve~je, 79 % te porabe morajo pokrivati termoelektrarne, saj hidroelektrarne nimajo dovolj vode. Poleti so potrebe po elektri~ni energiji nekoliko manj{e, 37 % te porabe pokrivajo hidroelektrarne, termoelektrarne pa so deloma v pripravljenosti, deloma imajo redne letne preglede. Ta razmerja se od leta do leta malo spreminjajo. Preglednica 2.8. Imenska mo~ na pragu elektrarne za ve~je parne in plinske termoelektrarne v Sloveniji. Stanje leta 2002 Termoelektrarna [o{tanj 1 in 2 [o{tanj 3 [o{tanj 4 [o{tanj 5 Trbovlje Ljubljana 1/2 Ljubljana 3 Kr{ko Brestanica, plin Za~etek obratovanja, leto / [tevilo turbin Imenska mo~ MW Skupaj Preglednica 2.9. Imenska mo~ na pragu elektrarne za plinsko-parni termoelektrarni v Sloveniji. Stanje leta 2002 Termoelektrarna Brestanica Trbovlje Za~etek obratovanja, leto 1943/61/ /76 [tevilo turbin Imenska mo~ MW = = 83 Skupaj = 178 Iz preglednic je razvidno, da so nekatere elektrarne `e precej stare in se uporabljajo zato le {e kot rezervne enote. To velja predvsem za termoelektrarne.

43 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE Poglavje obravnava klasi~ne elektrarne s parno turbino, ki kemi~no vezano energijo fosilnih goriv (premog, teko~a in plinasta goriva) s parnim kro`nim procesom spreminjajo v sekundarno energijo v obliki elektri~ne energije. Prikazuje osnove delovanja, glavne zna~ilnosti, pomembnej{e sestavne dele parnega turbinskega postrojenja ter vpliv termoelektrarne na okolje. 3.1 Zna~ilnosti Klasi~ne elektrarne na fosilna goriva so hrbtenica energetike ve~ine dr`av. V Sloveniji proizvedejo take elektrarne pribli`no tretjino vse elektri~ne energije, drugo dobimo iz jedrske elektrarne in vodnih elektrarn. Klasi~ne elektrarne na fosilna goriva imajo dolgo trajnostno dobo, dober izkoristek, primerne so za prav vse vrste goriva, graditi je mogo~e zelo velike enote. Postavitev klasi~ne termoelektrarne zahteva za vgrajeni kilowat mo~i zelo velika investicijska sredstva, precej{nja so tudi obratovalna sredstva, najve~ji del obratovalnih sredstev pride na gorivo. Ve~ o tem je napisano v poglavju o gospodarnosti elektrarn. Prerez skozi termoelektrarno, ki je sestavljena iz kopice strojev in naprav, prikazuje slika 3.1. V Sloveniji so najve~je klasi~ne termoelektrarne v [o{tanju, Ljubljani in Trbovljah.

44 44 ZNA^ILNOSTI Slika 3.1. Prerez klasi~ne termoelektrarne; A parna turbina; B kondenzator, C parni kotel; ^ elektrofilter; D raz`veplevalna naprava; E dimnik

45 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE Termodinami~ne osnove Parni kro`ni proces Kro`ni proces teoreti~no poteka med dvema izentropama in dvema izobarama. Pri tem delovna snov navadno voda v procesu spremeni agregatno stanje: v parnem kotlu preide iz teko~ega v plinasto stanje, in v kondenzatorju ponovno v teko~e. Osnovni kro`ni proces poteka v dveh strojih (parna turbina in napajalna ~rpalka) in dveh napravah (parni kotel in kondenzator). Kro`ni proces je zaprt, skoraj vedno ima regenerativno gretje vode, pri ve~jih enotah pa {e ponovno pregrevanje pare. Teoreti~ni parni kro`ni proces z regenerativnim gretjem napajalne vode in ponovnim pregrevanjem pare ter shemo klasi~ne termoelektrarne na fosilna goriva prikazuje slika 3.2. V takem procesu privzamemo v prvem pribli`anju izentropno kompresijo in ekspanzijo (brez notranjih nepovra~ljivosti) ter izobarni dovod in odvod toplote (brez preto~nih uporov). Idealni proces poteka takole: 1 2 s = konst. 1W 2 > 0, 1Q 2 = 0 dvig tlaka napajalne vode s ~rpalko za kondenzat od tlaka v kondenzatorju do tlaka v rezervoarju napajalne vode (za delovanje postrojenja rezervoar napajalne vode ni nujno potreben); 2 3 p = konst. 2W 3 = 0, 2Q 3 > 0 regenerativno gretje napajalne vode v nizkotla~nih grelnikih; 3 4 s = konst. 3W 4 > 0, 3Q 4 = 0 dvig tlaka napajalne vode s kotlovsko napajalno ~rpalko od tlaka v rezervoarju napajalne vode do tlaka sve`e pare (pri postrojenjih, ki nimajo rezervoarja, sta ~rpalki za kondenzat in kotlovska napajalna ~rpalka neposredno zaporedno vezani); 4 5 p = konst. 4W 5 = 0, 4Q 5 > 0 regenerativno gretje napajalne vode v visokotla~nih grelnikih; 5 6 p = konst. 5W 6 = 0, 5Q 6 > 0 dogrevanje in uparjanje napajalne vode v parnem kotlu; 6 7 p = konst. 6W 7 = 0, 6Q 7 > 0 pregrevanje pare v parnem kotlu; 7 8 s = konst. 7W 8 < 0, 7Q 8 = 0 ekspanzija sve`e pare v visokotla~ni turbini od tlaka sve`e pare do tlaka ponovno pregrete pare (navadno pri parnih postrojenjih, ki so ve~ja od 150 MW); 8 9 p = konst. 8W 9 = 0, 8Q 9 > 0 ponovno pregrevanje pare v parnem kotlu;

46 46 TERMODINAMI^NE OSNOVE Slika 3.2. Parni kro`ni proces in shema parnega postrojenja v klasi~ni termoelektrarni

47 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE s = konst. 9W 10 < 0, 9Q 10 = 0 ekspanzija ponovno pregrete pare v nizkotla~ni turbini od tlaka ponovno pregrete pare do podtlaka (vakuuma) v kondenzatorju; 10 1 p = konst. in T = konst. 10W 1 = 0, 10Q 1 < 0 kondenzacija pare v kondenzatorju. Dejanski parni kro`ni proces se razlikuje od teoreti~nega. Kompresija ne poteka po izentropi, ampak zaradi upo{tevanja trenja po nepovra~ljivi adiabati, ki jo je mogo~e predstaviti kot politropo z (notranjim) dovodom toplote, n > κ. Enako velja tudi za ekspanzijo. Prav tako je treba pri izobarnemu dovodu toplote ra~unati z zmaj{anjem tlaka. Parni kro`ni proces ima dve veliki prednosti: zaradi spremembe agregatnega stanja in s tem v zvezi zaradi velike spremembe specifi~ne prostornine delovne snovi se iz koli~inske enote pridobi razmeroma veliko koristnega dela; kompresijsko delo pa je zaradi nestisljivosti vode majhno, in zaradi odvajanja toplote po izobari, ki je v mokrem podro~ju isto~asno tudi izoterma, so nepovra~ljivosti pri odvodu toplote iz kro`nega procesa v okolico majhne. Kot smo omenili, potekata dovod in odvod toplote (v kotlu in kondenzatorju) pri konstantnem tlaku, kompresija in ekspanzija (v napajalni ~rpalki in turbini) pa brez zunanjega dovoda ali odvoda toplote, torej adiabatno (povra~ljiva adiabata je izentropa), saj so tak{ne preobrazbe v tehni{ki praksi najenostavneje izvedljive. Iz termodinamike: dq = T ds = dh v dp (3.01) sledi za izobarno spremembo stanja: dp = 0 dq = dh (3.02) za adiabatno pa: dq = 0 v dp = dh (3.03) Dovedena in odvedena toplota kakor tudi dobljeno in vlo`eno delo, so izra`ene kot entalpijske razlike, ne glede na to, ali voda pri tem spremeni agregatno stanje. Lastnosti parnega kro`nega procesa so najbolje razvidne iz Mollierjevega h-s-diagrama: specifi~ne energije (delo in toplota), ki vstopajo v proces ali iz njega, od~itamo kot daljice na ordinatni osi, slika 3.3.

48 48 TERMODINAMI^NE OSNOVE Slika 3.3. Parni kro`ni proces v Mollierjevem h-s-diagramu Mo~ in izkoristek Prosta mo~, ki je na razpolago za pogon generatorja, je mo~ parne turbine, zmanj- {ana za mo~, ki je potrebna za pogon kondenzatne in napajalne ~rpalke, sliki 3.2 in 3.3: P = P T P^ = &m [(h 7 h 8 ) + (h 9 h 10 ) (h 2 h 1 ) (h 4 h 3 )] (3.04) pri tem vpliv regenerativnega gretja napajalne vode zaradi enostavnosti prikaza ni upo{tevan. Mo~ napajalne ~rpalke je v razmerju z mo~jo parne turbine majhna P^ = (0,04 0,06) P T, zato pogosto v gornji ena~bi ni upo{tevana. Navadno namre~ ocenimo in zdru`imo mo~, ki je potrebna za vse ~rpalke in druge pomo`ne stroje v parnem postrojenju. Zaradi teh porabnikov je prosta mo~ turbine nekoliko manj{a, poraba mo~i za potrebe elektrarne pa je prikazana kot izkoristek zaradi lastne rabe energije. Termi~ni izkoristek kro`nega procesa je razmerje med prosto mo~jo in dovedenim toplotnim tokom: η t & do [ ] m& [ ( h7 h4) + ( h3 h2 ) ( h9 h8) ] P m& ( h h ) + ( h h ) ( h h ) ( h h ) = = Q h101 h = 1 ( h h ) + ( h h ) ( h h ) = (3.05) Dejanski izkoristek postrojenja je manj{i, saj je treba upo{tevati {e izkoristke zaradi nepopolnosti strojev in naprav: izkoristek kotla η K, notranji izkoristek turbine η i,

49 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 49 mehanski izkoristek η m, izkoristek generatorja η G in izkoristek lastne rabe energije η LR, slika 3.4. Za izkoristek elektrarne od goriva do praga elektrarne velja: η e Q P P P P & do Tid T m G = Q& Go Q& P do Tid PT Pm ηe = ηk ηt ηi ηm ηg ηlr PE P (3.06) G Slika 3.4. Shemati~ni prikaz izkoristkov pri pretvorbi energije v termoelektrarni Zajete so vse glavne izgube, ki nastanejo v elektrarni. Glede na dane razmere je mogo~e upo{tevati {e druge vrste izgub, npr. izgube zaradi nepopolne toplotne izolacije, netesnosti, zobni{kega reduktorja itd. V preglednici 3.1 so zbrane vrednosti za nekatere pomembnej{e energijske izkoristke za ve~je in sodobnej{e termoelektrarne pri imenski mo~i. V praksi se poleg izkoristka na pragu elektrarne pogosto uporablja izraz specifi~na poraba toplote, ki je recipro~na vrednost tega izkoristka. Specifi~na poraba toplote t je namre~ razmerje med dovedenim toplotnim tokom in elektri~no mo~jo. Za celotno postrojenje od goriva do praga elektrarne velja (brez upo{tevanja regenerativnega gretja napajalne vode): m& [ ( h7 h4) + ( h3 h2 ) ( h9 h8) ] t = (3.07) η η P K LR SG Zgled. Elektri~na mo~ parnega postrojenja Teoreti~na toplotna mo~ parnega kotla je Q Go = 600'000 kw pri povpre~ni temperaturi T mdo = 400 C = 673 K. Izgube v kotlu so 10 %, temperatura odvoda toplote je pribli`no enaka temperaturi okolice T mod = 30 C = 303 K. Kak{na je elektri~na mo~, ki jo je mogo~e dobiti s parnim kro`nim procesom? Dejanski toplotni tok pare iz kotla: Q& = η Q& = 0,90 600'000 = 540'000 kw. do K Go

50 50 TERMODINAMI^NE OSNOVE Preglednica 3.1. Pribli`ne vrednosti za nekatere energijske izkoristke v ve~jih termoelektrarnah pri imenski mo~i Energijski izkoristek η Parni kro`ni proces 0,48 0,65 Parni kotel, trda goriva teko~a in plinasta goriva Parna turbina, visokotla~na srednjetla~na nizkotla~na 0,82 0,90 0,86 0,94 0,85 0,90 0,85 0,92 0,82 0,92 Le`aji turbine in generatorja 0,98 0,99 Generator, hlajen z zrakom hlajen z vodikom 0,95 0,97 0,96 0,98 Energija za lastne potrebe 0,92 0,97 Termoelektrarna, na sponkah generatorja 0,35 0,44 Elektri~na mo~, ~e upo{tevamo samo termi~ni izkoristek kro`nega procesa, je: Tmdo Tmod Pt = η t Q & do = Q & K = 540' 000 = Tmdo 673 = 0,55 540'000 = 297'000 kw Zaradi temperature, ki vlada na Zemlji, se torej 45 % toplote pare ne more spremeniti v delo (v elektri~no energijo). Dejansko delo ali dejanska mo~ je {e manj{a. Upo{tevati je treba izgube, ki so bolj ali manj posledica na{ih nepopolnih konstrukcij: izgube v sami parni turbini ( 12 %), mehanske izgube v le`ajih turbine in generatorja ( 1 %), elektri~ne izgube v generatorju ( 5 %), izgube mehanske energije zaradi lastne rabe ( 6 %): P = η η η η Q& = e t i m LR do = 0,55 0,88 0,99 0,95 0,94 540'000 = 231'000 kw To je elektri~na mo~ na pragu elektrarne. ^e kon~no upo{tevamo {e izgube zaradi transformacije energije in zaradi prenosa energije do porabnika (η PM η RM 7%), dobimo P e 215'000 kw. Torej se skoraj dve tretjini energije, ki jo ima gorivo, ne spremeni v elektri~no energijo, ampak gre kot nizkotemperaturna toplota v okolico! Zgled. Izra~un specifi~ne porabe toplote Kolika sta specifi~na poraba toplote in dejanski izkoristek termoelektrarne mo~i 135 MW. Za izra~un potrebni podatki so zbrani v preglednici 3.2. S temi vrednostmi lahko po ena~bi (3.07) izra~unamo specifi~no porabo toplote:

51 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 51 m& ( h h ) + m& SP 7 5 PP ( h9 h8) t = = = 2,73 η η P 0, 88 0, ' K LR SG Za 1 kw elektri~ne mo~i potrebujemo torej 2,7 kw toplotne mo~i goriva. Recipro~na vrednost nam da izkoristek elektrarne na sponkah generatorja: η e = 1 = 037, t Preglednica 3.2. Izmerjeni in izra~unani podatki po sliki 3.2 Elektri~na mo~ na sponkah generatorja P SG 135'000 kw Masni tok sve`e pare &m SP 112 kg/s Masni tok ponovno pregrete pare &m PP 104 kg/s Toplota za kilogram sve`e pare z upo{tevanjem regeneracije (h 7 h 5 ) 2'262 kj/kg Toplota za kilogram ponovno pregrete pare (h 9 h 8 ) 492 kj/kg Izkoristek parnega kotla η K 0,88 Izkoristek zaradi lastne rabe energije η LR 0, Izbolj{anje parnega kro`nega procesa Na sliki 3.5 so prikazani: temperatura dimnih plinov, parni kro`ni proces (zaradi nazornosti brez regenerativnega gretja napajalne vode in ponovnega pregrevanja pare) in temperatura okolice. Krivulja za dimne pline je konstantna, saj se toplota, ki je odvzeta dimnim plinom, z eksotermno reakcijo zgorevanja sproti nadome{~a. Ta toplota je na razpolago pri razli~nih temperaturah: v kuri{~u parnega kotla pri najvi{ji, na vhodu v dimnik pri najni`ji temperaturi. Termi~ni izkoristek (en. 3.05) lahko zapi{emo tudi s specifi~nimi energijami: η t q od = 1 = 1 qdo T T mod mdo (3.08) kjer sta srednji temperaturi dovoda in odvoda toplote definirani, slika 3.6: T T mdo mod qdo = = s s s SP s NV T ds s do SP NV qod = = s s s PK s NK T ds s od PK NK (3.09)

52 52 TERMODINAMI^NE OSNOVE Slika Toplotno stanje dimnih plinov (A), parnega kro`nega procesa (B) in okolice (C) Z uporabo srednjih temperatur dovoda (odvoda) toplote lahko poljubni (v na{em primeru izobarni) dovod (odvod) toplote nadomestimo z enakovrednim izotermnim, kro`ni proces pa na ta na~in "carnotiziramo". Enako, kot to velja za Carnotov kro`ni proces, lahko re~emo, da je izkoristek parnega kro`nega procesa tem ve~ji, ~im vi{ja je srednja temperatura dovoda toplote T mdo in ~im ni`ja je srednja temperatura odvoda toplote T mod. Izbolj{anje termi~nega izkoristka parnega kro`nega procesa je smiselno predvsem z zvi{evanjem srednje temperature dovoda toplote T mdo. Izbolj{anje termi~nega izkoristka z zni`evanjem srednje temperature odvoda toplote T mod je mogo~e le v omejenem obsegu. Para se kondenzira pri konstantni temperaturi, toplota se zato iz kro`nega procesa odvaja po izotermi, izoterma pa je tudi toplotna karakteristika okolice. Temperaturo, pri kateri se odvaja toplota iz kro`nega procesa, je mogo~e nekoliko zni`ati s pove~evanjem povr{ine kondenzatorja, kar pa navadno ni gospodarno. Srednjo temperaturo dovoda toplote v praksi zvi{amo z naslednjimi tehni~nimi ukrepi: zvi{evanje temperature in tlaka pare na vstopu v turbino regenerativno gretje delovne snovi ponovno pregrevanje delovne snovi povezava dveh razli~nih kro`nih procesov.

53 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 53 Slika 3.6. Zvi{anje temperature in tlaka sve`e pare Zvi{evanje temperature in tlaka pare na vstopu v turbino Pri ve~jih parnih turbinah je ta temperatura najve~krat od 520 C do 560 C, tlak od 160 bar do 220 bar, pogosto tudi nadkriti~en. Vi{je temperature omejujejo dragi in premalo vzdr`ljivi materiali za kotlovske cevi, kar se bo v naslednjih letih spremenilo. Mogo~e je pri~akovati, da bodo nove, odpornej{e kotlovske cevi dopu{~ale, da se bo temparatura sve`e in (dvakratno) ponovno pregrete pare dvignila na pribli`no 700 C, tlak sve`e pare pa na 350 bar, slika 3.6. S termodinami~no analizo parnega kro`nega procesa se da pokazati, da dolo~eni temperaturi sve`e pare ustreza samo en tlak, pri katerem ima kro`ni prices optimalni termi~ni izkoristek. Na sliki 3.7. so izvrednoteni termi~ni izkoristki enostavnega parnega kro`nega procesa v odvisnosti od parametrov sve`e pare. Ugotovimo, da je zlasti pri ni`jih temperaturah sve`e pare T SP < 450 C (ki so zelo pogoste v manj{ih, industrijskih postrojenjih) potrebno paziti na optimalno izbiro tlaka sve`e pare. Regenerativno gretje delovne snovi Srednjo temperaturo dovoda toplote je mogo~e zvi{evati tudi z regenerativnim gretjem napajalne vode v posebnih prenosnikih toplote, ki izkori{~ajo toploto odjemne pare iz parne turbine. Delo parnega kro`nega procesa se zaradi delnega odjema masnega toka pare iz turbine nekoliko zmanj{a, zato pa se ob~utno pove~a termi~ni izkoristek. Napajalno vodo lahko regenerativno grejemo najve~ do temperature uparjanja pri tlaku, ki je v parnem kotlu. Pri ve~jih parnih postrojenjih je ta temperatura od 250 C do 320 C, pri tem je temperaturna meja dana s kriti~nim tlakom. Najvi{ja temperatura napajalne vode pred vstopom v kotel je

54 54 TERMODINAMI^NE OSNOVE Slika 3.7. Termi~ni izkoristek parnega kro`nega procesa v odvisnosti od tlaka in temperature sve`e pare torej odvisna od tlaka v njem, najni`ja pa od napetosti v kotlovskih ceveh, ki nastanejo zaradi prevelikih temperaturnih razlik. Navadno je ta najni`ja temperatura 105 C. Slika 3.8 prikazuje poenostavljeno na~elo regenerativnega gretja napajalne vode pri parnem kro`nem procesu (delo kotlovske ~rpalke ni upo{tevano, ni ponovnega pregrevanja pare itd.). Regenerativno gretje v prikazani obliki ni izvedljivo, je pa nazorno. Dejansko ne te~e vsa para v grelnik in spet nazaj v turbino, kot to prikazuje slika, ampak je na primernih mestih turbine odvzet manj{i del pare, ki pa se v regenerativnih grelnikih popolnoma kondenzira. Ta postopek je obravnavanemu termi~no enakovreden. Gretje napajalne vode poteka vzdol` krivulje 10-1, in sicer s paro, ki je odvzeta iz turbine vzdol` stopni~aste ~rte 3-9, tako da je temperatura odjemne pare zaradi prenosa toplote vedno nekaj vi{ja od temperature napajalne vode. Za gretje napajalne vode v temperaturnem obmo~ju 10-1 ni treba dovajati od zunaj nobene toplote. Zato velja: 3Q 4 = 12 Q 1, 5Q 6 = 11 Q 12, 7Q 8 = 10 Q 11 (3.10) ^e je {tevilo regenerativnih grelnikov neskon~no veliko, potem preidejo stopni~aste ~rte 3-9 v zvezno krivuljo 3-9, ki je ekvidistan~na krivulji U~inek regeneracije je tedaj najbolj{i, termi~ni izkoristek kro`nega procesa pa najve~ji. Plo{~ina trapeza a-10-1-~ preide v plo{~ino d-9-3-g, parni kro`ni proces je postal bolj podoben Carnotovemu. Zaradi regenerativnega gretja napajalne vode se je

55 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 55 Slika 3.8. Princip regenerativnega gretja napajalne vode pri parnem kro`nem procesu delo kro`nega procesa zmanj{alo za plo{~ino trikotnika 9-3-3', ki je enaka plo{~ini trikotnika ', sliki 3.8 in 3.9. Termi~ni izkoristek se pove~a: h2 h' 3 h2 h' 3 η t = > (3.11) h h h h

56 56 TERMODINAMI^NE OSNOVE Slika 3.9. Parni kro`ni proces pri neskon~no velikem {tevilu regenerativnih grelnikov napajalne vode Ponovno pregrevanje delovne snovi Nadaljnja mo`nost, da se izbolj{a termi~ni izkoristek parnega kro`nega procesa, je ponovno pregrevanje delovne snovi, slika Poiskati je treba optimalni vmesni tlak, pri katerem prekinemo ekspanzijo pare v turbini in jo ponovno pregrevamo v kotlu. Pri tem morajo biti poznani temperatura in tlak sve`e pare, temperatura napajalne vode in temperatura kondenzacije, ki je pribli`no enaka temperaturi okolice. Dovod toplote dq pri temperaturi T povi{a eksergijo toplote pare za: T0 deq = 1 dq= η t ( T) dq (3.12) T Termi~ni izkoristek η t je najve~ji, ~e je razmerje med skupnim pove~anjem dela (eksergije) in v proces dovedene toplote najve~je. Torej je treba poiskati najve~jo vrednost termi~nega izkoristka, ki je definiran takole: 2 4 d d 1 T T 0 Q 0 Q T T 1 3 η tmax = (3.13) 1Q2+ 3Q4 Termi~ni izkoristek je najve~ji, ~e je temperatura v to~ki 3 po sliki 3.10 enaka srednji temperaturi dovoda toplote: T 3 = T mdo. Pri izpeljavi T mdo bomo zaradi poenostavitve zanemarili tla~ne izgube: Q = m ( h h ) (3.14)

57 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 57 Slika Ponovno pregrevanje pare Q = m ( h h ) (3.15) dq= m T ds (3.16) S preoblikovanjem ena~be 3.13 in poenostavitvijo: T mod = T O lahko zapi{emo: T T 0 mdo = T0 T0 1 dq + 1 dq T T 3 = 1 Q + Q Q 2 4 T0 T0 + Q dq dq T T Q + Q T 0 d Q T 0 d Q 1 3 = 1 1+ ( h h ) + ( h h ) = T s s T s s 0 ( 2 1) + 0 ( 4 3) ( h h ) + ( h h ) (3.17) Po ureditvi ena~be dobimo za srednjo temperaturo dovoda toplote: h h h h T = ( 2 1) + ( 4 3) mdo ( s s ) + ( s s ) (3.18) Kot `e omenjeno, mora biti temperatura v to~ki 3 izbrana tako, da je η t (T 3 ) = η t max, zato mora veljati: T = h h h h T = ( 2 1) + ( 4 3) mdo 3 ( s s ) + ( s s ) (3.19)

58 58 TERMODINAMI^NE OSNOVE Slika Dvakratno ponovno pregrevanje pare Ker vsebuje ena~ba (3.19) dve neznanki (T 3 in h 3 ), je do re{itve treba priti z iterativno metodo. S tem je implicitno podan tudi tlak ponovnega pregrevanja: para ekspandira v visokotla~ni turbini do tlaka, ki ustreza optimalni temperaturi T 3.Ta optimalni tlak ponovno pregrete pare je bil dolo~en s predpostavko, da imamo enkratno ponovno pregrevanje pare in da je koli~ina pare pred pregrevanjem in po Slika Optimalni tlaki ponovno pregrete pare v odvisnosti od tlaka in temperature sve`e pare

59 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 59 njem ostala nespremenjena, kar ne ustreza dejanskim razmeram, saj potrebujemo del pare za regenerativno gretje napajalne vode. Vseeno pa je razmi{ljanje mogo~e posplo{iti. Pri dvakratnem ponovnem pregrevanju in pri zmanj{anju koli~ine pare po vsaki ekspanziji velja, slika 3.11: m µ 34 = 3 & 4 & 1m in µ = m 5 & 6 56 (3.20) & 2 1m2 ( h2 h1) + µ 34 ( h4 h3) + µ 56 ( h6 h5) T3 = T5 = (3.21) ( s s ) + µ ( s s ) + µ 56 ( s s ) Podobno kot v prej{njem primeru, se tudi zgornja ena~ba re{i numeri~no. Taka optimiranja se uporabljajo lahko le kot vodilo. Dejanski tlak ponovnega pregrevanja pare je npr. dolo~en s konstrukcijo turbine in drugih naprav. Optimalne temperature in tlaki le`ijo v resnici nekoliko ni`je, vendar ne pod mejno krivuljo: izkoristek nizkotla~ne turbine namre~ z nara{~ajo~o vla`nostjo pare mo~no pada, kar v gornjih razmi{ljanjih ni bilo upo{tevano. Slika 3.12 prikazuje optimalne tlake ponovno pregrete pare, kjer so poleg teoreti~nih izku{enj upo{tevane tudi prakti~ne. Povezava dveh razli~nih kro`nih procesov Izbolj{anje termi~nega izkoristka je mogo~e tudi z dvema kro`nima procesoma. Pred desetletji je obratovala elektrarna, kjer je bila pri vi{jih temperaturah delovna snov `ivo srebro in pri ni`jih voda, slika Tako postrojenje se zaradi strupenih `ivosrebrnih par, dragih konstrukcijskih materialov in premajhne zanesljivosti obratovanja ni izkazalo. V novej{em ~asu je govor o drugih mogo~ih kombi- Slika Sestavljeni kro`ni proces: `ivo srebro in voda

60 60 GLAVNI SESTAVNI DELI nacijah, npr. kalij-voda, voda-amoniak itd., deloma tudi v povezavi z izkori{~anjem energije son~nega sevanja. Odli~ne lastnosti pa je pokazala kombinacija zrak-voda v plinsko-parnih elektrarnah, kar bo obravnavano pri plinskih postrojih. 3.3 Glavni sestavni deli Parni kotli V klasi~nih termoelektrarnah na fosilna goriva je parni kotel najve~ja in najdra`ja naprava. Slika 3.14 prikazuje enega od najbolj raz{irjenih tipov. V kuri{~u parnega kotla se kemi~no vezana energija fosilnih goriv pretvori v toploto dimnih plinov. Ta prehaja v cevnih prenosnikih toplote na vodo, ki se pri tem segreje, upari in pregreje na temperaturo, ki jo zahteva parna turbina. Tlak te sve`e pare je izklju~no posledica delovanja kotlovske ~rpalke. Gledano s strani napajalne vode so za termoelektrarne primerni vodnocevni kotli. Sem spadajo: kotli z naravnim obtokom, s prisilnim obtokom in s prisilnim pretokom. Parni kotel s prisilnim pretokom je {e posebej primeren za velike termoelektrarne. Njegove prednosti so: primeren je za vse, tudi nadkriti~ne tlake sve`e pare; njegova konstrukcija je lahka, saj niso potrebni kotlovski boben in padni vodi; hitrosti vode in vodne pare so precej ve~je kot pri drugih vrstah kotlov, zato je prenos toplote bolj{i, dvi`ni vodi imajo manj{i premer in konstrukcija je la`ja; tok vode in vodne pare je to~no definiran; zaradi manj{e koli~ine vode v ceveh, ki je od 5- do 10-krat manj{a kot pri kotlih z naravnim ali prisilnim obtokom, je mogo~e obratovanje parne turbine s spreminjajo~im se tlakom sve`e pare; v primeru nesre~e je nevarnost manj{a, saj je koli~ina vode in vodne pare manj{a kot pri kotlih z naravnim ali prisilnim obtokom, nevarnosti eksplozije pa sploh ni. Slabosti parnega kotla s prisilnim pretokom: kotlovska napajalna ~rpalka mora biti mo~nej{a, saj so tla~ni upori v kotlu ve~ji (od 30 bar do 50 bar) kot pri kotlih z naravnim ali prisilnim obtokom (od 10 bar do 20 bar); regulacija je zahtevna in ob~utljiva. Gledano s strani goriva in dimnih plinov se parni kotli za termoelektrarne razlikujejo po vrsti goriva (trda, teko~a in plinasta) in po na~inu zgorevanja goriva v kuri{~u. Za trda goriva so v rabi: zgorevanje na re{etki zgorevanje v stacionarni lebde~i plasti

61 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 61 Slika Parni kotel s prisilnim pretokom; A grelnik vode, B uparjalnik, C pregrevalnik, ^ gorilnik, D grelnik zraka, E ventilator podpiha

62 62 GLAVNI SESTAVNI DELI zgorevanje v kro`e~i lebde~i plasti in pra{no zgorevanje. Vzemimo, da imamo veliko posodo s sitastim dnom, ki je delno nasuto z zdrobljenim premogom in pod katerim od spodaj vpihavamo zrak. Glede na hitrost zraka v Z in izgubo tlaka skozi nasutje (plast) Dp je mogo~e dolo~iti tri, med seboj popolnoma razli~na podro~ja zgorevanja trdih goriv, slika Slika Izguba tlaka skozi suspenzijo trdo gorivo-zrak v odvisnosti od hitrosti zraka; A zgorevanje na re{etki, B zgorevanje v stacionarni lebde~i plasti, C zgorevanje v kro`e~i lebde~i plasti, ^ pra{no zgorevanje

63 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 63 Trdno nasutje Pri majhnih hitrostih zraka v Z skozi nasutje je aerodinami~na sila zaradi upora v plasti premajhna, da bi v njej premaknila delce premoga, zato se debelina nasutja ne spremeni: F g > F Vz + F U. Padec tlaka p se zaradi aerodinami~nega upora v plasti premoga pove~uje z ve~anjem hitrosti. Tako zgorevanje na re{etki, kjer je premog nasut v kosih, je primerno za manj{e kotle. Sile, ki delujejo na delce premoga v nasutju, prikazuje slika Stacionarna lebde~a plast Pri nadaljnjem pove~evanju hitrosti zraka se pri neki mejni hitrosti v Z = v LP plast nasutja zrahlja: sila te`e se izena~i s silama stati~nega vzgona in aerodinami~nega upora: F g = F Vz + F U. Pri hitrosti v LP delci v plasti nasutja lebdijo, debelina plasti H pa se neznatno pove~a. Z nara{~anjem hitrosti se debelina plasti pove~uje, padec tlaka v plasti pa ostane v {irokem razponu hitrosti v Z > v LP nespremenjen, saj se pove~uje njena poroznost (zmanj{uje gostota). Pri stacionarni lebde~i plasti so hitrosti zraka do 2,5 m/s, premogov prah ima premer od 0,5 mm do 6 mm, toplotna obremenitev kuri{~a je 1 2 MW/m 2. Kro`e~a lebde~a plast Nadaljnje pove~anje hitrosti v plasti lahko dose`emo tako, da z zrakom v plasti ustvarimo kro`no gibanje, pri tem pa se debelina plasti {e pove~a. Na ta na~in lahko bolje izkoristimo zgorevalni volumen, kotli pa so za enako toplotno mo~ manj{i. Najla`je delce goriva in pepela tok dimnih plinov vseeno odna{a, zato jih je treba s ciklonom izlo~ati in vra~ati nazaj v plast. Pri kro`e~i lebde~i plasti so hitrosti zraka od 7 m/s do 10 m/s, premogov prah ima premer od 0,5 mm do 2 mm, Slika Sile, delujo~e na nasuto plast v toku: F g sila te`e, F Vz sila stati~nega vzgona, F U sila aerodinami~nega upora

64 64 GLAVNI SESTAVNI DELI toplotna obremenitev kuri{~a je 4 6 MW/m 2. Zgorevanje v kro`e~i plasti je mogo~e tudi pod tlakom (manj{e dimenzije, bolj{i prenos toplote, manj{e obremenitve okolja). Pri tlaku 10 bar je na primer mogo~a toplotna obremenitev kuri{~a do 20 MW/m 2. Zgorevanje v lebde~i plasti pri atmosferskem tlaku in pri vi{jih tlakih je {e v razvoju. Pnevmati~ni transport, pra{no zgorevanje Pri velikih hitrostih zraka skozi nasutje v Z odna{a zra~ni tok s seboj premogov prah, padec tlaka se pove~uje z nara{~ajo~o hitrostjo zraka, saj o gostoti plasti ni ve~ mogo~e govoriti. Tako zgorevanje premogovega prahu imamo pri vseh ve~jih parnih kotlih. Ravnote`je sil v plasti Za sile, ki delujejo na plast s plo{~ino A in debelino DH, velja ravnote`ni pogoj: F R g ρ m A H + A p = 0 (3.22) Sili te`e F g in stati~nega vzgona F Vz sta zdru`eni v F R in pri tem je upo{tevana srednja gostota nasutja ρ m, sila aerodinami~nega upora je F U = A Dp. Od tod dobimo silo, s katero deluje plast na re{etko: F R = g ρ m A H A p (3.23) Pri majhnih hitrostih v Z < v LP (trdno nasutje) je sila na re{etko F R ve~ja od ni~. Z nara{~anjem hitrosti v Z se ta sila zmanj{uje, dokler se pri v Z = v LP ne zmanj{a na ni~ (zrahljano nasutje). V taki, popolnoma zrahljani plasti, sta si sili te`e in aerodinami~nega upora v {irokem obmo~ju hitrosti v Z = v LP enaki: p LP = g ρ m H (3.24) Kljub nara{~anju hitrosti v Z > v LP se ravnote`je ne poru{i, padec tlaka p LP ostaja konstanten, debelina plasti DH se pove~uje, srednja gostota nasutja ρ m pa se na ra~un ve~anja prostorninskega dele`a zraka ε Z zmanj{uje. Pri tem je skupna prostornina premoga in zraka V = V P + V Z in poroznost nasutja: ε P + ε Z = V P VZ + = 1 (3.25) V V ter srednja gostota nasutja: ρ m = ρ P ε P + ρ Z ε Z (3.26) V lebde~i plasti je meja nasutja premoga dobro vidna in je podobna prosti povr{ini teko~ine. ^e odnese zra~ni tok delec premoga ~ez zgornji rob plasti, deluje na prerez tega delca samo {e hitrost zraka. Zajezni tlak postane tako majhen, da ta delec premoga pade nazaj v lebde~o plast. Lastnosti zgorevanja v lebde~i plasti: povr{ina delcev v stiku z zrakom je glede na prostornino posode zelo velika;

65 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 65 hitrost zraka je najve~ja; prenos toplote je od 5- do 8-krat ve~ji kot pri zgorevanju v klasi~nih kotlih, saj je povr{ina delcev velika, velika pa je tudi hitrost na sti~ni povr{ini med delcem premoga in zrakom; padec tlaka je v velikem obmo~ju skoraj nespremenjen, zato je mogo~e izbrati take ventilatorje za podpih, ki imajo pri teh hitrostih najbolj{i izkoristek; toplotna prevodnost je visoka (vrtin~enje v lebde~i plasti je primerljivo s turbulenco v fluidih), zato so lahko temperature zgorevanje ni`je, od 800 C do 900 C, kar zmanj{uje disociacijo dimnih plinov in s tem koli~ino NO X ; dodajanje novega goriva je zelo enostavno, zato je mogo~e premogu dodajati tudi apnenec za izlo~anje SO 2 ; apnenec ima v lebde~i plasti dovolj ~asa, da se z `veplovim dvokisom spoji v sadro, ki jo je mogo~e odstraniti skupaj s pepelom; delci premoga morajo imeti ~im bolj enak premer, kajti `e malo manj{e delce za~ne zra~ni tok odna{ati s seboj; zaradi stalnega medsebojnega dotika delcev premoga se tvori prah, ki ga zra~ni tok nezgorelega odna{a s seboj; zaradi mo~nih vrtincev in trdnih delcev zgorevalni prostor hitro erodira. ^e se pove~uje tlak v zgorevalnem prostoru, se zgorevanje premoga, prenos toplote in tvorjenje sadre pove~ujejo, koli~ine NO X in dimenzije kuri{~a pa zmanj{ujejo. Potrebne debeline sten se pove~ujejo, dovod premoga pa ote`uje. Razlikujemo: atmosfersko zgorevanje v lebde~i plasti, pri ~emer je obremenitev kuri{~a od 2 MJ/(m 2 s) do 6 MJ/(m 2 s) in nadtla~no zgorevanje v lebde~i plasti, pri ~emer je obremenitev kuri{~a 20 MJ/(m 2 s) pri tlaku 10 bar. Atmosfersko zgorevanje je v praksi nekajkrat preizku{eno, medtem ko je nadtla~no zgorevanje {ele v povojih. Nadtla~no zgorevanje v lebde~i plasti ima lepo bodo~nost, na primer v zvezi s plinsko-parnim procesom. Parni kotel za kurjenje s smetmi Parni kotel za kurjenje s smetmi se v novej{em ~asu pojavlja vse pogosteje. Tak kotel je zgrajen podobno kot tisti na trda goriva z zgorevanjem na re{etki, ima pa nekaj posebnosti, slika Kurilnost smeti je nizka H i = (4'000 7'000) kj/kg, ~asovno se mo~no spreminja, smeti vsebujejo veliko vlage. Zato so potrebna kuri{~a z zelo velikimi zgorevalnimi re{etkami in velikimi povr{inami za odlaganje, razvr{~anje in pripravo smeti. Sestava smeti je odvisna od letnega ~asa pa tudi od blagostanja in navad prebivalcev. Zato je nujna predhodna ve~letna analiza sestave smeti iz okoli{ev, ki so predvideni za zbiranje. Ta sestava smeti zahteva tehni~no izvedbo toplotnega postrojenja, na primer: odstranjevanje kovin pred se`igom ali po njem, se`iganje ali odstranjevanje plastike itd. Zaradi spreminjanja kurilnosti smeti se spreminja tudi temperatura sve`e pare, kar neugodno vpliva na zanesljivost obratovanja in trajnostno dobo parne turbine. Spremenljiva kurilnost povzro~a tudi te`ave pri obratovanju postrojenja.

66 66 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Parni kotel za kurjenje s smetmi: A prostor za raztovor; B zalogovnik; C dodajalnik; ^ zgorevalna komora; D zgorevalne re{etke; E od- `lindravanje; F parni kotel; G elektrofilter; H pranje dimnih plinov; I dimnik Koli~ine smeti pogosto ne zadostujejo za neprekinjeno 24-urno obratovanje, zato so taka postrojenja zelo primerna za pokrivanje vr{nih potreb po energiji. Manj{a toplotna postrojenja, ki so kurjena s smetmi, proizvajajo toploto, ve~ja pa elektri~no energijo ali so~asno elektri~no energijo in toploto. Proizvedena elektri~na energija in toplota navadno ne pokrivata celotnih stro{kov obratovanja, pa~ pa kurjenje smeti prispeva k bolj{emu re{evanju problema odpadkov Parne turbine Parna turbina je stroj, v katerem se na majhnem prostoru in v kratkem ~asu pretvori veliko notranje in tla~ne energije, najprej v kineti~no energijo in nato naprej v mehansko delo. Glede na velikost postrojenja so mogo~e razli~ne izvedbe: manj{a postrojenja do 150 MW brez ponovnega pregrevanja pare in ve~ja z enkratnim ali dvakratnim ponovnim pregrevanjem pare. Zadnje navedeno pride v po{tev le pri zelo visokih parametrih (temperatura in tlak) sve`e pare, taka postrojenja bodo v obratovanju {ele v naslednjih letih. Ve~je turbine so navadno izvedene v ve~ samostojnih okrovih: visokotla~ni, srednjetla~ni in nizkotla~ni del, slika Posebno pri nizkotla~nem delu turbine je mo`nih mnogo razli~ic: eden, dva ali trije okrovi, navadno izvedeni kot dvoj~ki. Nadalje se izvedbe parnih turbin razlikujejo med seboj glede na to, od kod prihaja sve`a para: iz parnega kotla ali iz jedrskega reaktorja. Mo~parne turbine se menja z manj{anjem ali ve~anjem masnega toka pare. Taka regulacija se imenuje koli~inska regulacija. Dose`emo jo tako, da v parovod sve`e pare pred turbino vgradimo vzporedno od dva do {est regulacijskih ventilov, ki se odpirajo ali zapirajo zaporedno glede na zahtevano mo~, slika Tlak sve`e pare ostane pri tem ne glede na mo~ nespremenjen. ^e je dovoljeno, da se spreminja tlak v kotlu, potem govorimo o drsni regulaciji. Regulacijski ventili pri turbini dobijo podrejeno vlogo, popolnoma so odprti, in

67 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 67 Slika Vzdol`ni prerez parne turbine; A visokotla~ni del, B srednjetla~ni del, C nizkotla~ni del, ^ dovod sve`e pare iz kotla, D prvo vmesno pregrevanje pare, E drugo vmesno pregrevanje pare, F izstop pare v iz turbine (vstop v kondenzator), G oljna ~rpalka

68 68 GLAVNI SESTAVNI DELI sicer od neke majhne mo~i pa do imenske. Ti ventili se za~no pripirati {ele, ko pade zahtevana mo~ turbine pod najmanj{o dopustno mo~ kotla. Soodvisnost vstopnega in izstopnega tlaka ter masnega toka pare v turbini je raziskal Stodola in na{el naslednjo zakonitost (Stodolov sto`ec), slika 3.20, A: m m p p & i ai wi = & pa pw (3.27) pri tem je &m znani masni tok skozi turbino, p a znani tlak pare na vstopu v turbino in p w znani tlak pare na izstopu iz turbine. Indeks i ozna~uje razmere pri iskani obremenitvi. Vstopni p a in izstopni tlak p w se nana{ata na katero koli skupino turbinskih stopenj, ~e le te~e skozi konstantni tok pare &m. ^e nimamo odjemne pare, ~e je torej pretok skozi turbino od za~etka do konca nespremenjen, potem velja ena~ba za celotno turbino. ^e gre za kondenzacijsko turbino, se ena~ba (3.27) poenostavi, saj velja p a >> p w : m& i p m& p a i a (3.28) Ena~ba (3.28) je posebno zanimiva za primer, da je izstopni tlak v kondenzatorju konstanten (p w = konst.), k ~emer stremimo pri kondenzacijskih in protitla~nih parnih turbinah. Za tak{en primer prikazuje slika 3.20 B povezavo med p a in &m. ^e se zmanj{uje odjemni tlak pare pred turbino, se zmanj{uje tudi mo~. Premo sorazmerno odjemnemu tlaku se zmanj{uje tudi tok odjemne turbinske pare za regenerativni grelnik napajalne vode. Parne turbine bodo tudi v prihodnje zadr`ale svojo vodilno vlogo v klasi~nih in jedrskih elektrarnah pri proizvodnji elektri~ne energije, nadalje pri soproizvodnji Slika Regulacijski ventili parne turbine

69 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 69 Slika Odvisnost tlakov pare pred turbino in za njo ter masnega toka (Stodolov sto`ec) elektri~ne energije in toplote ter pri plinsko-parnem procesu, kjer njihova pomembnost {e nara{~a. Zgled. Parni kro`ni proces pri izklopu parne turbine Slika 3.21 prikazuje obratovalno shemo v klasi~ni termoelektrarni za primer, da parna turbina pri polni obremenitvi nenadoma preneha obratovati. Vzemimo, da okvara elektri~nega omre`ja povzro~i odklop generatorja od javnega omre`ja. V nekaj sekundah se zapro varnostni ventili za dovod sve`e pare v turbino. Para iz kotla za~ne te~i mimo turbine v visokotla~no reducirno-hladilno postajo, kjer se hladi z napajalno vodo. Ohlajena sve`a para se vra~a v kotel in te~e kot ponovno pregreta para mimo turbine v nizkotla~no reducirno-hladilno postajo, kjer se spet ohladi z vodo iz kondenzatorja in se kon~no v kondenzatorju kondenzira. Ker turbina ne dobi ve~pare, ostanejo brez odjemne pare vsi regenerativni grelniki, razen me{alnega grelnika na rezervoarju napajalne vode in enega grelnika, ki je navadno priklju~en na parovod ponovno pregrete pare. Visokotla~na reducirno-hladilna postaja je najve~krat na~rtovana za 100-odstotni pretok sve`e pare, nizkotla~na pa za 60- do 70-odstotni, pri nekaterih vrstah parnih kotlov {e za manj. Tako je zagotovljeno, da gre pri izklopu turbine skozi varnostne ventile parnega kotla v okolico zelo malo ali ni~ pare. Z nekaterimi predpostavkami in izkustvenimi vrednostmi je mogo~e izra~unati neznane pretoke v tem posebnem primeru obratovanja. Pri izklopu turbine lahko predpostavimo naslednje robne pogoje: najmanj{i tlak pregrete pare za visokotla~no reducirno-hladilno postajo: 12 bar; temperatura predgrete pare za visokotla~no reducirno postajo: 300 C; tlak v rezervoarju napajalne vode: 1,2 bar;

70 70 GLAVNI SESTAVNI DELI temperatura napajalne vode v visokotla~nem regenerativnem grelniku vode: 188 C (pribli`no enaka temperaturi nasi~ene pare pri 12 bar); temperatura kondenzata v kondenzatorju: 30 C; specifi~na entalpija vode pred ~rpalko in za njo: pribli`no konstantna. Vse predpostavljene vrednosti je mogo~e z iteracijo preveriti in po potrebi spremeniti. Ra~un je napravljen za elektrarno imenske mo~i 300 MW, ki ima parni kotel s prisilnim pretokom. Po izklopu turbine proizvaja kotel {e nekaj ~asa okrog 30 % sve`e pare. Znani so {e naslednji podatki: &m SP = 75,0 kg/s p SP = 160 bar T SP = 540 C p^ = 180 bar Toplotna bilanca A po sliki 3.21 za visokotla~no reducirno-hladilno postajo: 75, &m VR 453 = (75,0 + &m VR ) 3045 &m VR = 10,68 kg/s Toplotna bilanca B po sliki 3.21 za visokotla~i grelnik napajalne vode: 75, &m VG 3045 = 75, &m VG 798 &m VG = 11,78 kg/s Toplotna bilanca C po sliki 3.21 za rezervoar napajalne vode: &m R , (75,0 + 10,68 &m R 11,78) 126 = = &m R (75,0 + 10,68) 439 &m R = 6,48 kg/s Toplotna bilanca ^ po sliki 3.21 za nizkotla~no reducirno-hladilno postajo: (75,0 + 10,68 6,48 11,74) &m NR 126 = = (75,0 + 10,68 6,48 11,74 + &m NR ) 2556 &m NR = 13,58 kg/s S tem so izra~unani vsi pretoki vode in pare, ki pa so samo pribli`ni, saj so bili izra~unani na osnovi nekaterih predpostavk. Kljub temu pa so rezultati dovolj zanesljivi za prvo na~rtovanje visokotla~ne in nizkotla~ne reducirno-hladilne postaje, priklju~nih cevovodov in armatur.

71 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 71 Slika Shema parnega kro`nega procesa pri izklopu turbine Legenda: p / bar h / (kj/kg) &m / (kg/s) T / C Kondenzatorji Iz zadnje stopnje nizkotla~nega dela parne turbine te~e mokra para v kondenzator, ki je name{~en pod parno turbino in povezan s turbinskim okrovom. Hitrost te ekspandirane turbinske pare na vhodu v kondenzator je od 50 m/s do 120 m/s, koli~ina se spreminja od 60 % sve`e pare za velika parna postrojenja, ki imajo obse`no regenerativno gretje napajalne vode (kjer torej kondenzira 40 % pare), do

72 72 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Kondenzator pare; A vstop pare iz turbine, B izstop kondenzata, C cevi za hladilno vodo, ^ obra~anje toka hladilne vode v stranski komori

73 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 73 Slika Kondenzacijski del parnega postrojenja; A parna turbina, B generator, C kondenzator, ^ ~rpalka za kondenzat, D ~rpalka za hladilno vodo, E vakuumska ~rpalka, F 1 visokotla~na reducirna naprava, F 2 nizkotla~na reducirna naprava, G izparjevalna cev, H ventil za prekinitev vakuuma, I cevovod za dodajno vodo, J razli~na odvodnjavanja 100 % za manj{a industrijska parna postrojenja brez regenerativnega gretja. Para vsebuje od 8% do12%(do15% prijedrskih elektrarnah) vlage in odda svojo kondenzacijsko toploto hladilni snovi (navadno hladilni vodi, zelo redko zraku), spremeni pri tem agregatno stanje, s tem pa se njena specifi~na prostornina mo~no zmanj{a. Kondenzator je zelo velik povr{inski prenosnik toplote, ki je sestavljen iz snopov cevi, v katerih te~e hladilna voda, okrog cevi pa se kondenzira turbinska para, slika Kondenzat se zbira na dnu kondenzatorja, od koder ga ~rpalka za kondenzat tla~i skozi regenerativne grelnike nazaj proti parnemu kotlu ali jedrskemu reaktorju. Kondenzator ima glavno nalogo, da glede na drugi glavni stavek termodinamike poskrbi za odvod toplote iz kro`nega procesa, ima pa {e druge pomembne naloge. Da bi bil termi~ni izkoristek ~im ve~ji, mora para ekspandirati do ~im ni`je temperature: skoraj do izstopne temperature hladilne vode, ki je najve~krat od 15 C do 45 C. Pri tej izstopni temperaturi hladilne vode je tlak nasi~enja ekspandirane pare v kondenzatorju od 0,017 bar do 0,096 bar. Para lahko obstaja pri tako nizkih temperaturah samo, ~e je tlak v kondenzatorju dovolj nizek. V idealnem primeru bi se tak tlak vzpostavil samodejno z dovolj u~inkovitim

74 74 GLAVNI SESTAVNI DELI odvodom toplote (kondenzacijo), saj se specifi~ni volumen pare pri kondenzaciji mo~no zmanj{a (pri temperaturi nasi~enja 30 C je npr. razmerje specifi~nih volumnov suhe pare in kondenzata v''/v' = 32'750). Toda v praksi vseeno potrebujemo vakuumske ~rpalke, saj je potrebno zadostni vakuum zagotoviti tudi ob zagonu ter iz kondenzatorja stalno odvajati inertne pline, ki zaradi netesnosti vdirajo v kondenzator. Tako je dose`ena najve~ja mogo~a entalpijska razlika med entalpijo sve`e pare in entalpijo pare v kondenzatorju. Kondenzator se uporablja tudi kot razplinjevalnik zraka in drugih inertnih plinov, ki so raztopljeni v vodi. Kondenzacija pare je namre~tako hitra, da ostane del plinov v teko~i fazi in se izlo~i iz kondenzata {ele po dolo~enem ~asu. Zato mora biti prostornina zbiralnika kondenzata dovolj velika in s tem zadr`evalni ~as kondenzata v njem dovolj dolg. To je va`no predvsem pri parnih postrojenjih, ki nimajo nobene druge razplinjevalne naprave. Zbiralnik kondenzata je so~asno regulacijska posoda za kondenzatno ~rpalko. Stremeti je treba, da kondenzat v zbiralniku ni preve~podhlajen, saj ga je treba v regenerativnih grelnikih spet segreti. Za ve~ja postrojenja je izkustvena vrednost za podhladitev kondenzata 0,5 K. Z ve~anjem podhladitve kondenzata se sicer zmanj{uje verjetnost kavitacije kondenzatnih ~rpalk, zmanj{uje pa se tudi izkoristek termoelektrarne. Kondenzacija in razplinjanje turbinske pare nista edini nalogi kondenzatorja. Kot je razvidno s slike 3.23, priteka v kondenzator pri zagonu in zaustavitvi postrojenja, pri izklopu turbine ali drugih posebnih dogodkih nasi~ena para iz nizkotla~ne reducirne-hladilne naprave. V kondenzator so speljana vsa va`nej{a odvodnjavanja, vanj priteka dodajna voda iz hladnega rezervoarja kondenzata. Ta kemi~no priprav- Slika Vakuumski ~rpalki: levo parna ejektorska; desno mehanska z vodnim obro~em: A rotor; B pesto; C ohi{je; ^ sesalne re`e; D vodni obro~; E tla~ne re`e

75 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 75 Slika Odzra~evanje parnega dela kondenzatorja z dvema zaporedno vezanima parnima ejektorjema ljena voda je potrebna zaradi izgub, ki nastanejo zaradi kalu`enja kotla, raznih netesnosti v sistemu, izgub tesnilne in zaporne pare itd. Kondenzatorju so prigrajene vakuumske ~rpalke, ki so potrebne iz ve~razlogov, slika Pri zagonu parnega toplotnega postrojenja je treba iz~rpati zrak in ustvariti podtlak v kondenzatorju, v nizkotla~nem delu parne turbine in v delu regenerativnih grelnikov napajalne vode (~as ~rpanja je od 60 min do 120 min). [ele ko dose`e podtlak v postrojenju okoli 0,3 bar, za~ne parna turbina obratovati. Zagonska vakuumska ~rpalka je grajena za velike koli~ine zraka in manj{e podtlake. Pri normalnem obratovanju termoelektrarne se zaradi netesnosti v podtla~nem delu postrojenja in zaradi razli~nih kemi~nih reakcij pri kemi~ni pripravi vode nabira zrak in drugi plini okrog najhladnej{ih cevi kondenzatorja. Zrak in druge inertne pline je treba zato stalno odsesavati, sicer bi parcialni tlak teh plinov za~el nara{~ati in z njim vred celotni tlak v kondenzatorju. Zmes plinov ( 1/3) in pare ( 2/3) odvaja iz kondenzatorja v okolico posebna ~rpalka vakuumska ~rpalka, parni ali vodni ejektor. Zamotano je odvajanje te zmesi pare in zraka pri jedrskih elektrarnah z vrelnim reaktorjem, saj je ta zmes rahlo radioaktivna in ne sme naravnost na prosto. Odzra~evanje parnega dela kondenzatorja s parnima ejektorjema prikazuje slika Parni ejektor dvigne tlak v eni stopnji na 5- do 7-kratno vrednost. ^e je tlak v kondenzatorju 0,05 bar, se v eni stopnji dvigne na 0,25 bar do 0,35 bar. Ker dose`eni tlak ne zado{~a za spu{~anje inertnih plinov v okolico, se zato pri parnem turbinskem postrojenju uporabljajo vedno dve ali celo tri zaporedne ejektorske stopnje. Zmes doteka v prvo stopnjo ejektorja, kjer se plini komprimirajo, para pa se v prigrajenem hladilniku kondenzira; delno komprimirani plini odtekajo nato v drugo stopnjo, kjer se opisani postopek ponovi pri vi{jem tlaku. Ventilator, ki je prigrajen pri zadnji stopnji ejektorja, izpihuje pline na prosto pri tlaku, ki je nekaj vi{ji od tlaka okolice. Parne ejektorje v zadnjem ~asu uspe{no izpodrivajo

76 76 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Odzra~evanje vodnega dela kondenzatorja Preglednica 3.3. Nekatere pribli`ne vrednosti za izra~un kondenzatorja Suhost pare na vstopu v kondenzator x = 0,85 0,92 Odvedena toplota 1 kg pare: Turbine s ponovnim pregrevanjem pare Manj{e turbine brez ponovnega pregrevanja pare Najmanj{a temperaturna razlika voda/para (pribli`ek) Segrevanje hladilne vode Razmerje med hladilno vodo in kondenzatom Razmerje med povr{ino kondenzatorske cevi in hladilno vodo Hitrost hladilne vode v kondenzatorskih ceveh: Zlitine bakra, nerjavno jeklo Titan h 2260 kj/kg h 2150 kj/kg T K T V2 = 4 8 K T V2 T V1 = 8 15 K &m V / &m K 30 A/ &m V 48 m 2 /(kg/s) v V = 1,6 2,0 m/s v V 2,4 m/s mehanske vakuumske ~rpalke z vodnim obro~em, slika 3.24, saj so ravno tako zanesljive v obratovanju, energijsko pa so veliko manj potratne. V~asih je potrebno tudi odzra~evanje vodnega dela kondenzatorja, ~e je namre~ ~rpalka za hladilno vodo projektirana tako, da vlada v najvi{jih kondenzatorskih ceveh podtlak. V tem primeru je treba postaviti posebno vakuumsko ~rpalko, ki ima nalogo, da vzpostavi podtlak in vzdr`uje natego. Odzra~evanje vodnega dela kondenzatorja, ki ga prikazuje slika 3.26, je na izstopni vodni komori, tam je tlak najni`ji. Vstopna in izstopna vodna komora sta med seboj povezani s posebnim cevovodom. Kondenzatorske cevi so iz bakrenih zlitin, nerjavnega jekla ali titana. Za mehansko ~i{~enje teh cevi in s tem za dober prehod toplote je zelo pogosto vgrajena samodejna ~istilna naprava, slika Posebna ~rpalka potiska v dovodni cevovod

77 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 77 Slika ^istilna naprava za kondenzatorske cevi; A obto~na ~rpalka za vodo in kroglice, B dotok hladilne vode za kondenzator, C kondenzator, ^ sito, D odtok hladilne vode hladilne vode kroglice iz penaste gume enakega ali ve~jega premera, kot je notranji premer cevi kondenzatorja. Kroglice se ob vstopu v kondenzatorske cevi deformirajo na njihov premer, potujejo z vodnim tokom skoznje in jih tako mehansko ~istijo. V povratnem cevovodu hladilne vode je name{~eno posebno sito, ki te kroglice lovi in jih s posebno ~rpalko vodi nazaj na izhodi{~no mesto. Nekatere izkustvene vrednosti za izra~un kondenzatorja so zbrane v preglednici 3.3. Zgled. Kondenzator jedrske elektrarne v Kr{kem Iz tehni~nih podatkov za jedrsko elektrarno Kr{ko je mogo~e za imensko elektri~no mo~ 705 MW od~itati vrednosti, ki so potrebne za izra~un kondenzatorja: masni tok pare v kondenzator: &m K = 575 kg/s masni tok hladilne vode: &m V = 24 m 3 /s 24'000 kg/s kondenzacijska toplota mokre pare: h = 2'245 kj/kg povr{ina kondenzatorske cevi: A = 48'930 m 2 temperatura kondenzata: T K = 33,3 C vstopna temperatura hladilne vode: T V1 = 17,0 C

78 78 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Temperaturne razmere v kondenzatorju Temperaturne razmere v kondenzatorju prikazuje slika 3.28, pri tem je iz kro`nega procesa odvedeni toplotni tok: Q& = m& h= m& c ( T T ) = 575 2'245 = 1'291'000 kw od K V p V2 V ' ' ( TV2 TV1 ) = 24' 000 4, 19 K = 12,8 K Za elektri~no mo~ 705 MW je potrebno v okolico odvesti toplotni tok 1291 MW. Pri tem se 24 m 3 /s hladilne vode iz Save segreje za 12,8 K. Toplota, ki te~e iz kondenzatorja v okolico, je torej skoraj dvakrat tolik{na, kot je proizvedena elektri~na energija. V jedrski elektrarni Kr{ko bo leta 2006 posodobljena parna turbina, njen notranji izkoristek η i se bo pove~al tako, da bo na~rtovana elektri~na mo~ na sponkah generatorja okrog 728 MW. Ker se toplotna mo~generatorja toplote, v tem primeru jedrskega reaktorja, ne bo spremenila, bo v okolico odtekalo manj toplote, dejanski izkoristek elektrarne se bo izbolj{al. Delazmo`nost iz kondenzatorja odvedene toplote je majhna, saj odteka v okolico pri nizki temperaturi. Eksergija te toplote je namre~: E & Q T = K T T K V1 306, , 15 Q& od = ' ' = 68'700 kw 306, 45 Kondenzator oddaja v hladilno vodo veliko energije, a zelo malo eksergije; energijsko gledano je slaba naprava, eksergijsko pa zelo dobra.

79 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 79 Iz ena~be za prenos toplote lahko izra~unamo toplotno prehodnost: TK TV1 ln Q& od TK TV2 k = = A ( T T )( T T ) K V1 K V2 33, 3 17, 0 = ln ' ' 33, 3 28, 9 = 2,66 kw/(m 2 K) 48' 930 ( 33, 3 17, 0) ( 33, 3 28, 9) Iz toplotne prehodnosti k, ki je precej nizka, je mogo~e je skleniti, da je povr{ina kondenzatorskih cevi A dokaj velika Hladilni sistemi Odvod toplote iz kondenzatorja v okolico je mogo~na ve~na~inov, slika ^e je hladilni sistem odprt, imamo preto~no hlajenje (primera A in ^), ~e pa je sistem zaprt, potem imamo obto~no hlajenje (primera B in C). Hlajenje kondenzatorja s preto~no vodo, slika 3.29A. ^rpalke, ki so postavljene ob breg reke, jezera ali morja, potiskajo del re~ne vode skozi cevni kondenzator. Re~na voda, ki je v kondenzatorju sprejela kondenzacijsko toploto pare, te~e iz kondenzatorja nazaj v strugo, kjer se pome{a z drugo re~no vodo. Hlajenje s preto~no vodo je najgospodarnej{a in termodinami~no najbolj{a re{itev. Potrebna oprema je enostavna, povr{inski kondenzator ima dobro toplotno prehodnost, kar pripomore k dobremu vakuumu v kondenzatorju in s tem k bolj{emu izkoristku postrojenja. Za velike, sodobne termoelektrarne so potrebne velike koli~ine vode in s tem v zvezi velika toplotna obremenitev reke. Temperatura re~ne vode se namre~po predpisih ve~ine razvitih dr`av po me{anju z ogreto vodo iz kondenzatorja ne sme dvigniti za ve~ kot 2 K do 3 K. To velja tudi za Slovenijo. Hlajenje kondenzatorja z vodo iz hladilnega stolpa, slika 3.29B. ^rpalke potiskajo hladilno vodo iz hladilnega stolpa skozi cevni kondenzator in iz kondenzatorja nazaj v hladilni stolp. Segreta hladilna voda, ki je v kondenzatorju sprejela kondenzacijsko toploto pare, odda v hladilnem stolpu to toploto zraku z neposrednim stikom in se pri tem ohladi na za~etno temperaturo. Zaradi temperature hladilne vode, ki je vi{ja od temperature re~ne vode, je vakuum v kondenzatorju v primerjavi s preto~nim hlajenjem slab{i. U~inkovitost hladilnega stolpa je odvisna od relativne vla`nosti zraka. Posebno pri visokih temperaturah zraka in majhni relativni vla`nosti se voda ne ohlaja samo zaradi konvekcije, ampak tudi zaradi izhlapevanja. Izguba hladilne vode zaradi izhlapevanja je pribli`no enaka koli~ini vodne pare, ki se kondenzira v kondenzatorju (megla nad hladilnim stolpom!) in je od 1 % do 2 % celotne koli~ine hladilne vode. Hladilno mo~ stolpa pove~amo do 40 %, ~e vgradimo ventilatorje za zrak, ki so lahko postavljeni pred pr{i{~em ali za njim. Naravno konvekcijo zraka smo tako

80 80 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Hladilni sistemi za odvod toplote iz kondenzatorja; A hlajenje kondenzatorja s preto~no vodo, B hlajenje kondenzatorja z vodo iz hladilnega stolpa, C hlajenje kondenzatorja s kondenzatom iz hladilnega stolpa v zaprtem sistemu, ^ hlajenje kondenzatorja z okoli{kim zrakom nadomestili s prisilno, hladilni stolp je manj{i in cenej{i, za obratovanje ventilatorjev pa je potrebna elektri~na mo~, obratovanje je dra`je. Potrebna oprema je pri termoelektrarni s hladilnim stolpom glede na preto~no hlajenje obse`nej{a in dra`ja: ogromen hladilni stolp (za jedrsko termoelektrarno mo~i 1000 MW je premer stolpa pribli`no 140 m in vi{ina pribli`no 170 m), veliki in dolgi cevovodi ter mo~ne ~rpalke za hladilno vodo. Hlajenje kondenzatorja s kondenzatom iz hladilnega stolpa v zaprtem sistemu, slika 3.29C. Turbinska para se kondenzira v me{alnem in ne v cevnem kondenzatorju. Iz zbiralnika kondenzata na dnu kondenzatorja odteka manj{i del kondenzata v parni kotel ali jedrski reaktor, ve~ji del (od 50- do 70-kratna koli~ina) pa z uporabo posebnih obto~nih ~rpalk v povr{inske prenosnike toplote, ki so postavljeni na spodnjem delu hladilnega stolpa. Tu kondenzat odda toploto okoli{kemu zraku in se ohlajen vra~a v kondenzator. Zaradi temperature kondenzata, ki je precej vi{ja od temperature re~ne vode, je vakuum v kondenzatorju v primerjavi s preto~nim hlajenjem precej slab{i.

81 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 81 Tak na~in hlajenja je upravi~en, ~e ni na razpolago skoraj ni~ vode za hlajenje. Sam me{alni kondenzator je sicer cenej{i od cevnega, druga oprema je pa zelo obse`na, draga in komplicirana: ogromen hladilni stolp, veliki prenosniki toplote (toplotna prehodnost voda zrak je majhna!), veliki in dolgi cevovodi ter zelo mo~ne obto~ne ~rpalke. Krmiljenje je ob~utljivo: vklop in izklop dela prenosnikov toplote in ventilatorjev je namre~ odvisen od temperature okolice. Hlajenje kondenzatorja z okoli{kim zrakom, slika 3.29^. Turbinska para se kondenzira v ceveh povr{inskega kondenzatorja, okoli cevi pa piha okoli{ki zrak, ki se pri prehodu skozi snope cevi ogreje; za pretok zraka skrbijo ventilatorji. Ker je prestop toplote na strani zraka slab, so potrebne velike prenosne povr{ine, zato so cevi na zunanji strani rebraste. Ti rebrasti prenosniki toplote so pogosto postavljeni na streho turbinske zgradbe, slika Vakuum v kondenzatorju mo~no poslab{a dolg parovod med turbino in kondenzatorjem: zaradi dolgega parovoda imamo Slika Primer hlajenja kondenzatorja z zrakom

82 82 GLAVNI SESTAVNI DELI namre~na parni strani tla~ne izgube, ki vi{ajo tlak na izstopu iz turbine in s tem zmanj{ujejo razpolo`ljivo entalpijsko razliko. Hlajenje pare iz turbine z zrakom je upravi~eno, ~e ni na razpolago prav nobene hladilne vode. Potrebna oprema je glede na preto~no hlajenje zelo obse`na in draga: velik in kompliciran kondenzator, ki zahteva veliko talno povr{ino, dolg in razvejen parovod, mo~ni ventilatorji, ob~utljivo krmiljenje. Ker je v prihodnje treba ra~unati s pomanjkanjem hladilne vode, je treba ra~unati tudi s tako tehni~no re{itvijo. Zgled. Dvig temperature reke Save zaradi hladilne vode iz termoelektrarn Ob Ljubljanici in Savi so postavljena {tiri ve~ja toplotna parna postrojenja, ki za odvod toplote iz kro`nega procesa uporabljajo re~no vodo. Nekateri tehni~ni podatki za ta toplotna postrojenja so zbrani v preglednici 3.4. Vzemimo, da je naravna temperatura Save T = 17 C = 290 K, njen trenutni pretok pa naj bo za ta poenostavljeni, {olski primer po vsej re~ni dol`ini konstanten in nizek, namre~100 m 3 /s 100'000 kg/s, kar je seveda velika poenostavitev. Za koliko se segreje re~na voda nad svojo naravno temperaturo zaradi odvoda toplote iz termoelektrarn? Toplotni tok reke: Q& m& c p T = = 100'000 4, = 121'510'000 kw K temu toplotnemu toku je treba pri{teti toplotni tok zaradi odvoda toplote iz termoelektrarn Q & od. ^e obratujejo vse elektrarne z vso mo~jo in zanemarimo sprotno ohlajevanje reke, ki v resnici ni zanemarljivo, potem velja, da se re~na voda segreje za pribli`no: Q& + Q T = mc & od p ' ' ' ' 000 T = 290 = 3,7 K 100' 000 4, 19 ^e ponovimo ra~un za razli~ne re~ne pretoke &m, dobimo krivuljo, ki jo prikazuje slika Dejanska krivulja le`i ni`je, saj je treba upo{tevati tudi sprotno hlajenje Preglednica 3.4. Ve~je termoelektrarne, hlajene z re~no vodo Ljubljanice in Save Toplotno postrojenje Toplarna Ljubljana Toplarna Ljubljana Termoelektrarna Trbovlje Jedrska elektrarna Kr{ko Elektri~na mo~ P i / MW Toplotna mo~ &Q T / MW Toplotni tok &Q od / MW Skupaj

83 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 83 Slika Teoreti~no segrevanje Save zaradi toplote hladilne vode iz termoelektrarn, ki so postavljene ob reki in njenih pritokih reke. Nadalje lahko z uporabo preglednice 3.4 izra~unamo, da toplota iz jedrske elektrarne segreje Savo za 3,1 K, vse druge termoelektrarne pa za nadaljnjih 0,6 K ^rpalke Najva`nej{e ~rpalke v turbinskem kro`nem procesu so: napajalna ~rpalka za parni kotel ali uparjalnik jedrskega reaktorja ~rpalka za kondenzat iz kondenzatorja in ~rpalka za hladilno vodo. Za obratovanje termoelektrarne pa so potrebne {e druge ~rpalke. Primer prikazuje slika Vse ~rpalke porabljajo od4% do6% vtermoelektrarni proizvedene elektri~ne energije, odvisno od vrste kotla, parametrov sve`e pare in na~ina hlajenja kondenzatorja. Najve~ji porabnik energije je kotlovska napajalna ~rpalka. Napajalno ~rpalko za parni kotel ali uparjalnik jedrskega reaktorja `ene elektromotor, pogosto tudi posebna parna turbina. ^rpalka sesa vrelo vodo iz rezervoarja napajalne vode, kjer je temperatura vode od 150 C do 180 C in ustrezni tlak uparjanja od 5 bar do 10 bar. Rezervoar napajalne vode mora biti postavljen geodetsko tako visoko, da zagotavlja za vse primere obratovanja zadostno sesalno vi{ino, sicer pride do uparjanja v sesalnem cevovodu in posledi~no kavitacije v napajalni ~rpalki. Zaradi te`av s sesalno vi{ino je napajalni ~rpalki zaporedno prigrajena pred~rpalka s ~im manj{o sesalno vi{ino.

84 84 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Najva`nej{e ~rpalke v termoelektrarni; A kotlovska napajalna ~rpalka, B ~rpalka za hladilno vodo, C ~rpalka za kondenzat, ^ ~rpalka za hladilno vodo za hlajenje generatorja, D ~rpalka za odvod kondenzata iz regenerativnega grelnika, E ~rpalka za kondenzat iz razli~nih odvodnjavanj, F ~rpalka za surovo vodo, G ~rpalka za dodajno vodo, H ~rpalka za pomo`ni rezervoar hladilne vode, I ~rpalka za kondenzat za regulacijo temperature pregrete pare, J ~rpalka za olje za le`aje turbine in generatorja, K rezervoar napajalne vode, L zbiralnik kondenzata iz razli~nih odvodnjavanj, M rezervoar dodajne vode, N pomo`ni rezervoar hladilne vode Na tla~ni strani kotlovske napajalne ~rpalke so tlaki zelo visoki (od 150 bar do 400 bar), zato je rotor ~rpalke vgrajen v poseben notranji pla{~, ki ima nalogo, da zmanj{a sile in napetosti zaradi velikih tla~nih razlik med sesalno in tla~no stranjo ~rpalke, slika Zaradi varnosti obratovanja klasi~nih ali jedrskih elektrarn je vedno predvidena {e rezervna ~rpalka. Pogosto imajo ve~je termoelektrarne izved-

85 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 85 Slika Kotlovska napajalna ~rpalka Slika ^rpalka za hladilno vodo; A sesalno ustje, B rotor z nastavljivimi gonilnimi lopaticami, C difuzor, ^ nosilna in za{~itna cev, D nosilni okvir, E aksialno-radialni le`aj, F elektromotor

86 86 GLAVNI SESTAVNI DELI bo3 50%: priimenski mo~i termoelektrane sta dve ~rpalki v obratovanju, tretja je v rezervi. ^rpalka za kondenzat ~rpa vrelo vodo iz zbiralnika na dnu kondenzatorja, kjer je temperatura vode od 15 C do 45 C in ustrezni tlak uparjanja od 0,017 bar do 0,096 bar. Da ne pride do uparjanja v sesalni cevi in posledi~no kavitacije v ~rpalki, mora biti ~rpalka za kondenzat postavljena dovolj globoko pod kondenzator. To je pogosto geodetsko najni`ja to~ka v termoelektrarni. Na tla~ni strani so tlaki zmerni (od 10 bar do 40 bar). Zaradi varnosti obratovanja je vedno predvidena {e rezervna ~rpalka, pogosto enako, kot je izvedba pri napajalnih ~rpalkah 3 50 %: pri imenski mo~i termoelektrarne sta dve ~rpalki v obratovanju in tretja je v rezervi. ^rpalka za hladilno vodo ~rpa vodo iz reke, morja ali hladilnega stolpa in jo potiska skozi kondenzator, slika Zna~ilne so velike preto~ne koli~ine in majhne dobavne vi{ine, kar vodi k aksialni konstrukciji stroja. ^rpalka za hladilno vodo je navadno postavljena navpi~no, tako da ima brez poglabljanja konstrukcije ves sesalni del ~rpalke potrebno sesalno vi{ino. Poganja jo po~asen ve~polni elektromotor. Izvedbe ~rpalk za hladilno vodo so: 2 50 %, 3 33 % in za najve~je termoelektrarne 4 25 %. Navadno so vse ~rpalke v obratovanju. Zgled. Izra~un dobavne vi{ine ~rpalk za hladilno vodo Termoelektrarna elektri~ne mo~i 300 MW je hlajena z morsko vodo, spisek porabnikov hladilne vode je v preglednici 3.5. Preglednica 3.5. Porabniki hladilne vode za termelektrarno 300 MW Porabniki hladilne vode V & / (m 3 /s) Kondenzator 9,720 Kondenzator parne turbine za napajalno ~rpalko 0,470 Kondenzator tesnilne pare 0,030 Vodni ejektor 0,210 Hladilnik mazalnega olja 0,150 Hladilnik vodika za rotor generatorja 0,060 Hladilnik vode za stator generatorja 0,140 Hladilnik regulacijske teko~ine 0,020 Skupaj 10,800 Dobavno vi{ino je mogo~e dolo~iti po sliki Izra~unati je treba: izgube potencialne energije vode zaradi razlike vi{in; izto~ne izgube kineti~ne energije vode iz kondenzatorja in izgube tla~ne energije v kondenzatorju, cevovodih in armaturah. Kondenzator je postavljen tako, da deluje kot natega: razlika med zgornjim robom kondenzatorja in robom jezu na izto~ni strani kondenzatorja je 8,5 m. V obrato-

87 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 87 Slika Postavitev ~rpalke za hladilno vodo vanju se ta razlika zmanj{a za debelino toka hladilne vode ~ez odto~ni jez H J, za to debelino pa se pove~a geodetska razlika vi{in. Tok vode ~ez pravokotni prerez jezu {irine B = 6,5 m: 2 3 V& 3 = B g H µ 2 J koeficient µ = 0,6 je odvisen od geometrije jezu. Po preureditvi ena~be dobimo debelino toka hladilne vode ~ez odto~ni jez: 2/ 3 V H J = & 0, 683 = 1,0 m B Razlika geodetskih vi{in med zajetjem hladilne vode in njenim povratkom v morje je po sliki 3.35: DH G = 4,5 2,5 = 2,0 m Skupna vi{inska razlika vode: DH J + DH G = 3,0 m

88 88 GLAVNI SESTAVNI DELI Izguba kineti~ne energije zaradi izstopne hitrosti vode iz cevi v = 2,42 m/s 2 v = 0,3 m 2 g Izra~unana izguba tla~ne energije skozi kondenzator je H K = 1,5 m, izra~unane izgube v cevovodih H C = 0,4 m in izgube skozi protipovratno loputo ter motorno zaporno loputo H A = 0,3 + 0,2 = 0,5 m. Skupaj: DH K + DH C + DH A = 2,4 m Dobavna vi{ina ~rpalke za hladilno vodo je vsota vseh izgub: 2 DH^ = (DH J + DH G ) + v + (DH K + DH C + DH A ) = 5,7 m 2 g Navadno se pri izra~unu dobavne vi{ine ~rpalke doda neka rezerva. Vi{ina te rezerve je odvisna od natan~nosti ra~unanja, od pomembnosti ~rpalke v toplotnem postrojenju itd. Nikakor pa ni treba dodajati rezervo na izra~unano preto~no koli~ino, saj jo je mogo~e dolo~iti dovolj natan~no. So~asna rezerva v dobavni vi{ini in koli~ini pomeni namre~, da ~rpalka obratuje stalno v razmerah, ki niso ve~ optimalne (ni`ji izkoristek ~rpalke) Regenerativni grelniki Regenerativni grelniki napajalne vode imajo nalogo, da izbolj{ajo termi~ni izkoristek kro`nega procesa, kot je utemeljeno `e v poglavju Ti grelniki so lahko: povr{inski prenosniki toplote z odtekanjem kondenzata odjemne pare v posodo z ni`jim tlakom (kaskadna povezava) ali s pre~rpavanjem kondenzata odjemne pare v glavni vod (s ~rpalko); me{alni prenosniki toplote. Navadno imamo opravka s povr{inskimi grelniki (napajalna voda je v ceveh, turbinska odjemna para okrog cevi), me{alni grelnik pa pride v po{tev predvsem pri rezervoarju napajalne vode. Nadalje se regenerativni grelniki napajalne vode delijo v dve tla~ni skupini: nizkotla~ni grelniki so vgrajeni med kondenzator in visokotla~no ~rpalko napajalne vode (tlak napajalne vode: bar); visokotla~ni grelniki so vgrajeni med visokotla~no ~rpalko napajalne vode in parni kotel ali jedrski reaktor (tlak napajalne vode: bar). Na sliki 3.36 prikazana re{itev je primerna za ve~ja postrojenja od 150 MW naprej. V splo{nem ima regenerativni grelnik tri predele, sliki 3.37 in V prvem predelu se odjemna para ohladi do temperature kondenzacije, v drugem in glavnem odda svojo kondenzacijsko toploto in pri tem spremeni agregatno stanje, v tretjem predelu pa se njen kondenzat hladi. Hlajenje kondenzata odjemne pare je mogo~e v

89 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 89 Slika Regenerativni grelniki napajalne vode v termoelektrarni; A parni kotel, B(1), B(2), B(3) visoko-, srednje- in nizkotla~ni del parne turbine, C generator, ^ kondenzator, D ~rpalka za kondenzat, E nizkotla~ni grelniki (1. in 3. kaskadna stopnja, 2. in 4. stopnja s pre~rpavanjem), F ~rpalki za pre~rpavanje kondenzata odjemne pare v glavni vod, G rezervoar napajalne vode s prigrajenim me{alnim grelnikom, H kotlovska ~rpalka za napajalno vodo, I visokotla~na grelnika v kaskadi (6. stopnja ima prigrajen lo~en prenosnik toplote za hlajenje pregrete pare in lo~en prenosnik toplote za hlajenje kondenzata, 7. stopnja pa lo~en prenosnik toplote za hlajenje kondenzata) Preglednica 3.6. Pribli`ne vrednosti za toplotno prehodnost za regenerativne grelnike napajalne vode Povr{inski grelnik napajalne vode Pregreta para/pregreta para Pregreta para/napajalna voda Nasi~ena para/napajalna voda (visokotla~ni) Nasi~ena para/napajalna voda (nizkotla~ni) Nasi~ena para/napajalna voda (vakuum) Kondenzat/napajalna voda (visokotla~ni, vgrajen) Kondenzat/napajalna voda (visokotla~ni, lo~en) Kondenzat/napajalna voda (nizkotla~ni, vgrajen) Kondenzat/napajalna voda (nizkotla~ni, lo~en) k / (W/(m 2 K))

90 90 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Temperaturne razmere pri protito~nem prenosniku toplote prenosniku toplote, ki je konstrukcijsko popolnoma lo~en od kondenzacijskega dela (ve~ji investicijski stro{ki, bolj{i prenos toplote) ali pa v prenosniku, ki je konstrukcijsko prigrajen kondenzacijskemu delu (ceneje, slab{i prenos toplote). Hlajenje kondenzata se zaradi negospodarnosti pogosto ne izvaja, ~eprav se s tem malenkostno poslab{a termi~ni izkoristek kro`nega procesa. Za ve~je klasi~ne termoelektrarne na fosilna goriva je skupno {tevilo regenerativnih stopenj od 6 do 8, pri jedrskih termoelektrarnah s tla~novodnim ali vrelnim reaktorjem pa zaradi ni`jih parametrov (tlaka in temperature) sve`e pare samo od 5 do 6. Manj{e, industrijske termoelektrarne navadno nimajo regenerativnih grelnikov. Pribli`ne vrednosti za toplotno prehodnost pri povr{inskih grelnikih napajalne vode so navedene v preglednici 3.6. Vsaka regenerativna stopnja porabi pribli`no od 5% do7% vsepare, ki jo proizvaja parni kotel ali jedrski reaktor. Za gretje napajalne vode se porablja skupaj do 40 % pare, ki vstopa v visokotla~no parno turbino, in toliko manj jo pride v kondenzator. Zaradi regenerativnega gretja napajalne vode se termi~ni izkoristek kro`nega procesa pove~a od 7 % do 13 %. S tem se zmanj{ujejo obratovalni stro{ki (poraba goriva), zvi{ujejo pa investicijski. Zaradi regenerativnega gretja napajalne vode ima termoelektrarna ~isto ra~unsko gledano nekaj manj{o elektri~no mo~, skozi zadnje turbinske stopnje te~e manj pare, zato se ustrezno zmanj{ajo preto~ni

91 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 91 Slika Visokotla~ni grelnik napajalne vode v pokon~ni izvedbi; A vstop napajalne vode, B izstop napajalne vode, C vstop odjemne pare, ^ izstop odjemne pare, D vstop kaskadno hlajenih kondenzatov, E cevi, F pla{~, G oporne plo{~e, H nosilna konzola, I odsesavanje plinov, J hlajenje pregrete pare, K hlajenje kondenzata

92 92 GLAVNI SESTAVNI DELI Preglednica 3.7. Pribli`ne vrednosti za najmanj{e temperaturne razlike za regenerativne grelnike napajalne vode Vrsta regenerativnega grelnika napajalne vode DT / K Segrevanje napajalne vode v visokotla~nem hladilniku pare (T K2 T Kω ) = 4 7 Segrevanje napajalne vode v nizkotla~nem hladilniku pare (T K2 T Kω ) < 1 Segrevanje napajalne vode v kondenzacijskem delu (T Kω T Kα ) = Segrevanje napajalne vode v hladilniku kondenzata (T Kα T K1 ) = 1 3 Najmanj{a temperaturna razlika v kondenzacijskem delu, nasi~ena para/napajalna voda (= pribli`ek) (T Pn T Kω ) = 3 7 Najmanj{a temperaturna razlika v hladilniku kondenzata (T P2 T K1 ) = 5 10 Temperaturna razlika nasi~ena para/napajalna voda na izstopu iz hladilnika pare (T K2 T Pn ) = 1 (+1) prerezi in s tem dimenzije zadnjih turbinskih lopatic. Prav tako se zaradi manj{e koli~ine pare skozi nizkotla~ne dele postrojenja zmanj{ajo dimenzije kondenzatorja, isto~asno se zmanj{a tudi odvod toplote v okolico. V parnem kotlu ali jedrskem reaktorju se zaradi vi{je vstopne temperature napajalne vode nekoliko zmanj{ajo potrebne prenosne povr{ine, zaradi manj{e temperaturne razlike (dimni plini/napajalna voda oziroma reaktorska hladilna snov/napajalna voda) pa se zmanj{ajo tudi napetosti v materialih. Ti ukrepi isto~asno pocenijo tudi izvedbo nizkotla~ne turbine in kondenzatorja. Regenerativni grelniki napajalne vode so velike in drage naprave, zato so navadno njihove termodinami~ne in konstrukcijske veli~ine pridobljene z optimizacijskim ra~unom. Nekatere izkustvene vrednosti va`nej{ih najmanj{ih temperaturnih razlik so zbrane v preglednici 3.7. Slika Princip regenerativnega gretja napajalne vode v termoelektrarni

93 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 93 Za eno regenerativno stopnjo je mogo~e prihranke pri gorivu prikazati z enostavnimi ena~bami; {tevil~ni primer za tako stopnjo je podan na sliki Izka`e se, da so termodinami~no in ne gospodarsko gledano med seboj popolnoma enakovredne re{itve: povr{inski prenosnik toplote s pre~rpavanjem kondenzata, povr{inski prenosnik toplote s hlajenjem kondenzata z neskon~no veliko povr{ino in me{alni prenosnik toplote. Masna in energijska bilanca za regenerativni grelnik po sliki 3.39: m& m& m& SP = K + P (3.29) m& & ( & & P hp + mk hk mp + mk) hk (3.30) Za nadaljnje ra~unanje je ugodno, ~e vpeljemo entalpijski razmernik odjemne pare: hsp hp χ = (3.31) hsp hk Predpostavimo, da je notranja mo~turbine enaka tako za primer regenerativnega gretja, kakor tudi brez njega P * i = P i. Veli~ine, ki se nana{ajo za primer brez regeneracije toplote, so ozna~ene z zvezdico: * m& ( h h ) = m& ( h h ) + ( m& m& )( h h ) (3.32) SP SP K SP SP P SP P P K Ena~bo (3.32) zapi{emo z upo{tevanjem ena~be (3.31) in preuredimo: * m& = m& + ( 1 χ ) m& SP SP P m = m + χ m * & & & SP K P (3.33) (3.34) Da ostane notranja mo~turbine nespremenjena kljub odjemu pare iz nje, se mora pove~ati dotok sve`e pare v turbino za ( 1 χ ) m& P, dotok pare v kondenzator pa zmanj{ati za χ &m P. Dejansko se dovedeni toplotni tok v kro`ni proces zaradi regenerativnega gretja zmanj{a. Prihranek, pri ~emer je Q & * do toplotni tok brez regeneracije in Q & do toplotni tok z regeneracijo, je: &* Q & do Qdo σ = = & * m ( ) & ( ) SP hsp hk msp hsp hk = & * * Q & do msp ( hsp hk ) = 1 ( m & & )( ) K + mp hsp hk = ( m& m& K + χ P)( hsp hk ) m& ( ) & K hsp hk + mp ( hsp hk) = 1 (3.35) m& ( h h ) + χ m& ( h h K ) K SP K P SP

94 94 GLAVNI SESTAVNI DELI ^e upo{tevamo ena~bo (3.30) in jo vstavimo v gornji izraz, dobimo: m h h P K & ( ) & P hsp hk + mp ( hsp hk ) hk hk σ = 1 m h h P K & P ( hsp hk ) + χ m& P ( hsp hk ) h h K K (3.36) Po preureditvi ena~be dobimo za prihranek toplotnega toka zaradi regeneracije kon~ni izraz: σ = 1 h h SP K ( hp hk) + ( hk hk ) (3.37) hsp hk ( hp hk) + χ ( hk hk ) V zgornjih ena~bah so entalpije h K, h P in χ medsebojno povezani. Pri dani notranji mo~i turbine se regenerativna toplota (h K h' K ) spreminja z razmernikom odjemne pare χ. Ena~ba (3.37) ima dve mejni vrednosti: Tlak odjemne pare je enak tlaku pare v kondenzatorju: h P = h K χ = 1; σ = 0 Odjemna para ne ogreje kondenzata, zato je prihranek dovedene toplote enak ni~. Tlak odjemne pare je enak tlaku sve`e pare, sve`a para te~e mimo turbine v regenerativni grelnik: h P = h SP χ = 0; σ = 0 Kljub zmanj{anju entalpijske razlike se pri dovodu toplote zaradi regenerativnega gretja kondenzata masni tok sve`e pare pove~a toliko, da je prihranek zopet enak ni~. Tako regenerativno gretje torej ni upravi~eno. Tlak turbinskega odjema z najvi{jimi parametri odjemne pare je navadno izbran tako, da je napajalna voda pred vstopom v kotel {e nekoliko podhlajena, zato zgornjemu pogoju tudi iz prakti~nih razlogov ni mogo~e zadostiti (podro~je nasi~enja na sliki 3.40.). Med mejnima primeroma obstaja torej neki entalpijski razmernik odjemne pare 0 < χ opt < 1, tako da velja: σ max = σ(χ opt ), slika Pove~anje entalpije pri regeneraciji (h K h' K ) je navadno preveliko, da bi jo lahko izvedli z enim samim prenosnikom toplote. Prakti~no se napajalna voda segreje v eni stopnji le redko za (T K T K ) 50 K, kajti ve~ja temperaturna razlika povzro~a prevelike napetosti v ceveh prenosnikov toplote. ^im ve~je so temperaturne razlike, ve~je so tudi eksergijske izgube toplote. To sta glavna vzroka, da je regenerativno gretje napajalne vode izvedeno v ve~ stopnjah. Podobno kot pri enostopenjskem regenerativnem gretju napajalne vode lahko izra~unamo prihranek dovedenega toplotnega toka σ tudi pri ve~stopenjski regeneraciji. Primer dvostopenjske regeneracije je narisan na sliki Vzemimo, da obratuje samo grelnik G2. Prihranek σ je dolo~en z ena~bo (3.37), na sliki 3.42 je le-ta prihranek ozna~en s to~ko N2. ^e obratuje samo grelnik G1, dobimo to~ko N1, obe izra~unani to~ki pa le`ita na krivulji 1 σ za enostopenjsko regenerativno

95 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 95 Slika Prihranek v proces dovedenega toplotnega toka in entalpijski razmernik v odvisnosti od pove~anja entalpije pri regeneraciji v enem grelniku gretje. Druge to~ke na tej krivulji dobimo, ~e pri nespremenjeni ekspanzijski liniji parne turbine spremenimo parametre odjemne pare. To je izvedljivo le teoreti~no, npr., ~e na okrovu turbine izvrtamo novo odprtino z druga~nimi parametri odjemne pare. Z dovolj veliko koli~ino odjemne pare lahko torej samo z grelnikom G2 dose`emo celotno pove~anje entalpije (h K h K ), vendar to tehni~no ni upravi~eno. Definirajmo {e srednji specifi~ni prihranek, ki pove, za koliko se pove~a prihranek v proces dovedenega toplotnega toka pri pove~anju entalpije napajalne vode v enem regenerativnem grelniku: σ σ m = (3.38) hk hk Za grelnik G2 je podan srednji specifi~ni prihranek z naklonom daljice 0N2: σ mg2 =tgα N2, slika S slike je nadalje razvidno, da je srednji specifi~ni prihranek funkcija entalpijskega razmernika odjemne pare χ. ^e se le-ta pove~uje, se pove~uje tudi srednji specifi~ni prihranek: to~ka N2 se po krivulji 1 σ pomika proti levi. Od tod sledi, da ima prvi grelnik v nizu z najni`jimi parametri odjemne pare najve~ji srednji specifi~ni prihranek. Pri dvostopenjskem regenerativnem gretju je skupno pove~anje entalpije napajalne vode razdeljeno med dva grelnika. Prvi grelnik G1 v nizu pove~a entalpijo napajalne vode za Dh G1 pri srednjem specifi~nem prihranku σ mg1, to~ka N1. V grelniku G2 pa se pove~a entalpija napajalne vode za Dh G2 pri srednjem specifi~nem prihranku σ mg2.

96 96 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Dvostopenjsko regenerativno gretje napajalne vode ^e potegnemo iz to~ke N1 vzporednico daljici 0N2 do to~ke N'2, ki ozna~uje skupno pove~anja entalpije, ugotovimo, da je skupni prihranek odvisen od razdelitve skupne entalpijske razlike (Dh G1 + Dh G2 ). Najugodnej{o porazdelitev dolo~a tangenta vzporednice daljici 0N2 na krivuljo 1 σ, to~ka T. Za dano turbino je to edina to~ka, ki jo lahko dolo~imo pri obratovanju z dvema grelnikoma za celotno pove~anje entalpije napajalne vode. Pri obratovanju v to~ki N1 je grelnik G2 namre~izklopljen. Iz primera za dva regenerativna grelnika in iz zgleda, ki sledi, lahko povzamemo naslednjo splo{no ugotovitev. Za poljubno parno turbino s skupno n odjemi za regenerativno gretje napajalne vode obstaja pri obratovanju z i-timi zaporednimi grelniki (n i+1) diskretnih na~inov obratovanja, dolo~enih z ekspanzijsko krivuljo in parametri odjemne pare na njej, ki le`ijo na krivulji i σ. Druga stanja na krivulji i σ so dosegljiva s turbino, ki ima enako ekspanzijsko krivuljo, toda druga~no porazdelitev odjemov. Tudi v tem primeru vidimo, da obstaja pri obratovanju vseh grelnikov samo en na~in obratovanja (n n + 1 = 1). Za celotni prihranek dovedenega toplotnega toka v dveh zaporednih regenerativnih grelnikih pri celotnem dvigu entalpije napajalne vode lahko sedaj zapi{emo, slika 3.42: 2σ cel = σ mgi h GI + σ mg2 h G2 (3.39) pri ~emer dobimo pri optimalni umestitvi odjema na ekspanzijsko krivuljo (to~ka T) najve~ji prihranek. Z opisanim postopkom lahko dolo~imo prihranek za dano turbino s poljubno mnogimi regenerativnimi grelniki, pri ~emer preide ena~ba (3.39) v: nσ cel = σ m1 h 1 + σ m2 h σ mn h n = σ mi h n n i= 1 (3.40)

97 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 97 Slika Prihranek v proces dovedenega toplotnega toka pri dvostopenjskem regenerativnem gretju napajalne vode Krivulje i σ za dano turbino se z nara{~anjem {tevila grelnikov i asimptoti~no pribli`ujejo teoreti~nemu primeru z neskon~no mnogimi regenerativnimi grelniki, slika V tem primeru preide ena~ba (3.40) v: σ cel = hk hk 0 h K σ h K d( h h ) (3.41) K K Integral v ena~bi (3.41) vsebuje funkcijo σ = σ (h K h K ), ena~ba (3.37), in je za re{evanje zelo neprakti~en. Za potrebe analize ve~stopenjske regeneracije lahko funkcijo σ = σ (h K h K ) aproksimiramo s polinomom oblike: σ (x) = a n x n + a n 1 x n a 1 x (3.42) kjer so x = h K h K,a 1,...,a n pa koeficienti polinoma. Re{itev integrala (3.41) lahko zapi{emo v obliki polinoma: n n 1 σ x x = cel ( x) an a n 1... a1 x (3.43) n n 1 ^e ena~bo (3.43) odvajamo po spremenljivki x = h K h K, dobimo srednji specifi~ni prihranek za neskon~no mnogo regenerativnih grelnikov: σ m (x) = a n x n-1 + a n 1 x n a 1 (3.44)

98 98 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Prihranek v proces dovedenega toplotnega toka pri ve~stopenjskem regenerativnem gretju napajalne vode Pri izra~unu prihranka σ, ki pomeni prihranek goriva, postopamo v praksi takole: Iz dejanske ekspanzijske krivulje za parno turbino od~itamo odjemni tlak p P, tlaku pripadajo~o temperaturo T P in entalpijo h P odjemne pare; izra~unamo izstopno temperaturo napajalne vode T K s predpostavko, da je kondenzacijska temperatura odjemne pare za 5 K vi{ja. Pri natan~nej{ih ra~unih je treba dodati {e segrevanje napajalne vode na ra~un pregrete pare, pri ~emer se le-ta ohladi na temperaturo kondenzacije, preglednica 3.7; s tabelami za vodo in vodno paro dolo~imo entalpijo napajalne vode h K na izstopu iz prenosnika toplote, pri ~emer je ta entalpija funkcija temperature in tlaka ~rpalke. Zgled. Regenerativno gretje napajalne vode Prikazan je izra~un za {tiri pribli`no enake regenerativne grelnike napajalne vode, preglednica 3.8. Osnovni podatki so vzeti s slike 3.44 in iz tabel za vodo in vodno paro. Tlak napajalne vode: p K = 1,22 p SP = 110 bar. Ker je temperatura napajalne vode na izstopu iz posameznega grelnika dolo~ena s temperaturo nasi~enja pare, ki vanj priteka, zmanj{ana za 5 K, lahko iz ekspanzijske krivulje za posamezne odjeme dolo~imo naslednje vrednosti: T K = T' P 5, zvi{anje temperature napajalne vode (T K T K ) in pove~anje entalpije napajalne vode (h K h K ), entalpijski razmernik odjemne pare χ, prihranek v proces dovedenega toplotnega toka σ in srednji specifi~ni prihranek σ m, in sicer za primer, ko vsakokrat deluje samo en grelnik. Tako npr. izra~unamo temperaturo napajalne vode za grelnikom G4:

99 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 99 Slika [tiristopenjsko regenerativno gretje napajalne vode T K = T P 5 = = 219 C V grelniku N4 se torej dvigne temperatura napajalni vodi za: T K T K = = 192 K specifi~na entalpija pa za: h K h K = = 830 kj/kg pri ~emer upo{tevamo da je h K = h (T K = 219 C, p K = 110 bar). Entalpijski razmernik odjemne pare za napajanje grelnika N4 je po ena~bi (3.31): χ 4 = h h SP 4 P = h h = 0,255 SP K Prihranek toplotnega toka, ena~ba (3.37): σ 4 = 1 h h SP K ( hp hk) + ( hk hk ) = h h ( h h ) + χ ( h h ) SP K P K K K

100 100 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Grafi~na konstrukcija za dolo~itev prihranka toplote ( ) + ( ) = ( ) + 0, 255 ( ) 100 = 5,61 % in kon~no srednji specifi~ni prihranek, ena~ba (3.38): σ m4 = h K σ h K = 561, = 0,0068 %/(kj/kg) 830 Vrednosti rezultatov za enostopenjsko gretje napajalne vode pri odjemih pare N1, N2, N3 in N4 so zbrani v preglednici 3.8. Celotni prihranek toplotnega toka, kadar obratujejo vsi grelniki, nam poka`e ena~ba (3.40): 4σ cel = σ m1 h 1 + σ m2 h 2 + σ m3 h 3 + σ m4 h 4 = = 0,0213 (217 0) + 0,0155 ( ) + 0,0108 ( ) + + 0,0068 ( ) = 11,37 %

101 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 101 Preglednica 3.8. Izra~unani podatki za {tiri regenerativne grelnike napajalne vode pri enostopenjskem gretju po sliki 3.44 Podatek Enota N1 N2 N3 N4 T = T P 5 T K T' K h K h' K h P h K h SP h K χ σ σ m K K kj/kg kj/kg kj/kg % %/(kj/kg) ,782 4,61 0, ,594 6,53 0, ,415 6,76 0, ,255 5,6 0,0068 ^e funkcijo za enostopenjsko regeneracijo aproksimiramo s polinomom ~etrte stopnje (npr. skozi izhodi{~e in to~ke N1, N2, N3 in N4), lahko izra~unamo prihranek z neskon~no mnogimi regenerativnimi grelniki, ena~ba (3.43): σ cel = a x x x + a 3 + a 2 + a1 x = = 7, , , , = 13,61 % Grafi~ni prikaz re{evanja celotnega prihranka toplotnega toka je prikazan na sliki Prihranek pa nam prikazuje tudi slika 3.46; na ordinati je srednji specifi~ni prihranek σ m, na abscisi pove~anje entalpije napajalne vode ( hk hk ). Prihranek je viden kot plo{~ina, velja namre~: σ = σ m ( hk hk ). Pri enostopenjskem gretju bi bil prihranek enak plo{~ini pravokotnika pod ~rto AB, pri {tiristopenjskem gretju je prihranek enak plo{~ini {tirih pravokotnikov, pri neskon~nem {tevilu stopenj pa plo{~ini pod krivuljo σ m. Najve~ji prihranek prina{a vedno prvi grelnik v nizu. Pri najugodnej{i razdelitvi postane krivulja premica. Ta krivulja pa postane premica le, ~e vsak nadaljnji grelnik v vrsti segreva napajalno vodo za malo ve~ kot predhodni (ker se specifi~na toplota napajalne vode z nara{~ajo~o temperaturo malo spreminja). Preglednica 3.9 prikazuje za vodo, vodno paro in nekatere druge delovne snovi priporo~ljive vrednosti za hitrosti v cevovodih, ki vodijo k prenosnikom toplote. Pri na~rtovanju termoelektrarn je v rabi ve~ na~inov optimiranja regenerativnih grelnikov napajalne vode, ker so merila, kaj je optimalno, odvisna od naro~nika. Mnogi izmed njih temeljijo na spreminjanju specifi~ne porabe goriva v kotlu na eni strani in specifi~ne porabe toplote na drugi. V nadaljevanju navajamo primer optimizacije na osnovi investicijskih in obratovalnih stro{kov z eksergijskega vidika. 3 2

102 102 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Specifi~ni srednji prihranek toplotnega toka v odvisnosti od pove- ~anja entalpije napajalne vode Preglednica 3.9. Izkustvene vrednosti za hitrosti fluidov v cevovodih Fluid Sve`a in ponovno pregreta para Odjemna para, nadtlak (manj{e hitrosti veljajo pri vi{jih tlakih) Odjemna para, podtlak Napajalna voda, tla~na stran Napajalna voda, sesalna stran (velja za vrelo vodo, sicer so hitrosti do 1,5 m/s) Hladilna voda, tla~na stran Hladilna voda, sesalna stran Komprimirani zrak Nizkotla~ni komprimirani plini Olje (glede na viskoznost) v / (m/s) ,5 4,5 0,5 0,7 1,5 4,5 0,5 1, ,8 2,0

103 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 103 Za investicijske stro{ke C f regenerativnega grelnika napajalne vode smemo predpostaviti, da nara{~ajo premo sorazmerno s povr{ino A, ki je potrebna za prenos toplote, slika 3.47: 1 C f = cf A= cf Q& (3.45) k Θ c f m specifi~ni stalni (fiksni) stro{ki regenerativnega prenosnika toplote A povr{ina za prenos toplote v regenerativnem prenosniku toplote k toplotna prehodnost Θ m srednja logaritmi~na temperaturna razlika v regenerativnem prenosniku toplote Nadalje smemo predpostaviti, da nara{~ajo obratovalni stro{ki C v premo sorazmerno z zmanj{evanjem elektri~ne mo~i postrojenja, ki nastane zaradi zmanj- {evanja toka pare skozi del turbine. Zmanj{evanje toka pare skozi turbino gre na ra~un odjemne pare, ki je potrebna za gretje napajalne vode v regenerativnem grelniku. Zmanj{evanje elektri~ne mo~i pa je odvisno od eksergijskih izgub v prenosniku toplote: ~im ve~je so temperaturne razlike med odjemno paro in napajalno vodo, ve~ja je eksergijska izguba v prenosniku toplote in ve~je je zmanj{anje elektri~ne energije. Sorazmernostna faktorja sta {e ~as obratovanja parnega postrojenja in eksergijski izkoristek parne turbine ter generatorja, ki je prakti~no enak energijskemu izkoristku: C = c t ζ E & (3.46) c v t ζ v v specifi~ni obratovalni (variabilni)stro{ki proizvodnje elektri~ne energije v predvideni trajnostni dobi termoelektrarne letno {tevilo ur obratovanja termoelektrarne eksergijski izkoristek parne turbine in generatorja Eksergija toplotnega toka pare: T E& Q& P = 1 0 T Pm Eksergija toplotne toka napajalne vode: E & K T = T 1 0 Km Q& (3.47) (3.48) Zmanj{anje (izguba)eksergije v prenosniku toplote je enako razliki obeh eksergijskih tokov:

104 104 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Temperaturne razmere v protito~nem prenosniku toplote E & = E & E & = T Q & T T P K O Km Pm = TO Q TKm TKm + & (3.49) Θ m Iz ena~be je razvidno, da imamo v splo{nem vedno izgubo eksergije toplotnega toka. Ta izguba je ni~, ~e velja: T Km =T Pm, na primer: uparjalnik z neskon~no veliko povr{ino. Skupni stro{ki regenerativnega grelnika napajalne vode: C = C f + C v = cf A+ cv t ζ E & = = cf Q & + cv t ζ TO Q k Θ m TKm TKm + & Θ (3.50) m Vrednost ena~be za skupne stro{ke je najmanj{a, ~e je izpolnjen pogoj: C = 0 (3.51) Θ m = C Θ m C > 0 (3.52) Θ m pri tem mora biti znana ena od obeh temperatur T Km ali T Pm. V splo{nem to `e zaradi same definicije za srednjo logaritmi~no temperaturno razliko Θ m ni mogo~e, v ve~ini prakti~nih primerov pa je mogo~e srednjo temperaturo napajalne vode T Km

105 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 105 ali srednjo temperaturo pare T Pm dobro oceniti. Na primer: pri kondenzatorju je T Pm konstantna vrednost, pri regenerativnem grelniku para/napajalna voda je dvig temperature na strani napajalne vode zelo majhen (velja samo za termoelektrarne, ne pa splo{no). ^im sta T Km ali T Pm znana, lahko izra~unamo logaritmi~no srednjo temperaturno razliko, ki je definirana: Θ m Θ Θ = Θ 1 ln Θ Pod pogojem, da je T Km poznana, velja: dc 1 1 = cf + c 2 v t ζ T dθ m k Θ ( T + Θ ) mopt 0 2 Km mopt = 0 (3.53) (3.54) Po preureditvi dobimo: T T Pm Km + Θ mopt cv = = tk ζ T0 (3.55) Θ Θ c mopt mopt Pod pogojem, da je T Pm poznana, velja: T Θ Km mopt f cv = tk ζ T0 (3.56) c f Optimalna logaritemska temperaturna razlika Θ mopt je odvisna: od specifi~nih stalnih stro{kov za regenerativni grelnik c f od specifi~nih obratovalnih stro{kov proizvodnje elektrike c v od letnega obratovalnega ~asa elektrarne t od toplotne prehodnosti prenosnika toplote k od eksergijskega izkoristka parne turbine in generatorja ζ in od temperature okolice T 0 Zanimivo je, da je izraz pod korenom neodvisen od preto~nih koli~in in tudi neodvisen od delovne snovi. Najve~ji vpliv ima razmerje c v /c f, ki ga je tudi najte`je to~no dolo~iti. Zgled. Izra~un optimalne temperaturne razlike v regenerativnem grelniku napajalne vode Za na~rtovani regenerativni grelnik so znani naslednji podatki: T Pm = 600 K T 0 = 300 K t = 6500 h ζ = 0,86 c v = 0,036 EUR/kW h k = 3,0 kw/(m 2 K) c f = 180 EUR/m 2

106 106 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Optimiranje regenerativnega grelnika napajalne vode C C C = + Q & Q & Q & = c f f v = c t T 2 v ζ 0 k Θ T T m Θ Pm m Pm C = + 0, 036 6' 500 0, Q & 30, Θ m 600 Θ m 600 Vrednosti za C f / Q & in za C v / Q & so nane{ene na diagram, slika Optimalna srednja temperaturna razlika med paro in napajalno vodo je Θ mopt = 18,9 K Razplinjanje napajalne vode Razplinjanje je postopek, s katerim dose`emo, da se iz napajalne vode izlo~ijo plini. Razli~ni plini so v vodi razli~no topljivi, topljivost je odvisna od njihovega parcialnega tlaka. Za parna postrojenja je predvsem va`no, da se iz napajalne vode izlo~ijo plini, ki bi sicer povzro~ali korozijo na razli~nih delih toplotnega postrojenja; tak plin je kisik O 2, v manj{i meri tudi ogljikov dvokis CO 2. Pline je mogo~e iz vode izlo~iti s termi~nim in kemi~nim postopkom, najve~krat pa s kombinacijo obeh. Pri termi~nem razplinjanju je voda segreta do vreli{~a, topljivost plinov v teko~ini z nara{~ajo~o temperaturo pada in je pri vreli{~u enaka ni~, slika Pri prehodu

107 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 107 snovi so prenosni pojavi podobni kot pri prehodu toplote. Opisati jih je mogo~e s podobno zgrajenimi ena~bami. Prehod toplote: &Q = α A DT (3.57) Prehod i-tega plina: &m i = β A Dp i (3.58) Masni tok plina i bo ve~ji, ~e je prehodna povr{ina velika (vrelo vodo je treba razpr{iti v ~im drobnej{e kapljice!)in ~e je razlika parcialnega tlaka za i-ti plin, ki je raztopljen v vodi, in parcialnega tlaka tega plina zunaj vode ~im ve~ja; β(α)pa je snovna (toplotna)prestopnost in je za dano izvedbo razplinjevalnika konstantna vrednost. Pri kemi~nem razplinjanju se kisik odstranjuje iz vode s kemi~no reakcijo. Za odstranjevanje kisika iz vode se uporablja hidracin N 2 H 4, ki reagira po ena~bi: N 2 H 4 + O 2 2 H 2 O + N 2 (3.59) Prekomerno dodani hidracin se pri visokih temperaturah v kotlu ali uparjalniku pare razkroji: 3 N 2 H 4 4 NH 3 + N 2 (3.60) Izlo~eni amoniak NH 3 deluje {kodljivo; med drugim povzro~a, da se za~ne izlo~ati baker iz medi, cevi postanejo po videzu gobaste. Slika Topljivost kisika v destilirani vodi v odvisnosti od temperature in tlaka

108 108 GLAVNI SESTAVNI DELI Pri ve~jih termoelektrarnah se hidracin dodaja pari na za~etku nizkotla~nega dela turbine, kajti zrak prihaja v kro`ni proces v obmo~ju podtlaka. Na vodni strani se hidracin dodaja za kondenzatno ~rpalko. Tako so vsi regenerativni grelniki napajalne vode za{~iteni pred delovanjem kisika tudi z vodne strani. Hidracin se z uspehom uporablja, ~e termoelektrarna zaradi okvare, popravila ali vzdr`evanja stoji. V tem primeru se postrojenje na vodni strani popolnoma napolni s kondenzatom (napajalno vodo), ki mu je dodan hidracin. Tako je prepre~ena korozija zaradi kisika. Primer izvedbe razplinjevalnika za termi~no razplinjanje prikazuje slika Razplinjevalnik je navadno konstrukcijsko povezan z rezervoarjem napajalne vode, slika 3.51, in tvori z njim celoto, ~eprav sta to dve razli~ni napravi in imata v postrojenju tudi popolnoma razli~ni nalogi. Mesto razplinjevalnika in rezervoarja napajalne vode v parnem kro`nem procesu prikazuje slika V parnem kro`nem procesu voda vre v kondenzatorju (tlak 0,05 bar), v rezervoarju napajalne vode (tlak 10 bar)in bobnu parnega kotla (tlak 200 bar). ^e postrojenje nima rezervoarja napajalne vode, potem imamo glavno termi~no razplinjanje v kondenzatorju. V tem primeru mora biti dno kondenzatorja tako Slika Razplinjevalnik; A vstop napajalne vode, B razpr{ilna glava, C kaskade iz plo~evine, ^ odvod izlo~enih plinov, D vstop odjemne pare, E rezervoar napajalne vode

109 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 109 Slika Razplinjevalnik in rezervoar napajalne vode, A kondenzat iz zadnjega nizkotla~nega grelnika, B napajalna ~rplaka v prvi visokotla~ni grelnik, C odjemna para iz turbine, ^ odjemna (visokotla~na) para pri delnih obremenitvah, D zagonska para iz pomo`nega kotla, E kondenzat iz visokotla~nega dela postrojenja, F odvod izlo~enih plinov, G regulacija gladine napajalne vode izoblikovano, da shranjena napajalna voda zadostuje vsaj za triminutno polno obratovanje termoelektrarne. V vodi raztopljeni plini imajo tako dovolj ~asa, da se dvignejo na povr{ino in izlo~ijo. Pri velikih termoelektrarnah je mogo~e dose~i po razplinjanju v kondenzatorju ostanek koli~ine plinov (10 20) 10 6 g/kg vode. Te koli~ine veljajo za imensko obremenitev postrojenja pod pogojem, da se v kro`nem procesu nadome{~a najve~ 5 % napajalne vode. Za razplinjevalnikom pa je mogo~e dose~i ostanek vsebnosti plinov do g/kg vode. Tudi ta koli~ina velja za imensko obremenitev postrojenja, pri tem pa sme biti vsebnost plinov pred razplinjevalnikom najve~ g/kg. V industrijskih termoelektrarnah so te vrednosti precej ve~je. Rezervoar napajalne vode z razplinjevalnikom je dobrodo{el, ker imamo tako stalno rezervo vode in to~no razmejitev delovanja ~rpalke za kondenzat in napajalne ~rpalke za kotel. Napajalna voda, ki priteka od ~rpalke za kondenzat, te~e v vrhnji del razplinjevalnika, kjer se razpr{i. S spodnje strani priteka odjemna para iz turbine, ki v protitoku ogreva razpr{ene, padajo~e kapljice. Napajalna voda se pri

110 110 GLAVNI SESTAVNI DELI tem ogreva, isto~asno se iz razpr{ene vode izlo~ajo plini. Gre torej za kombinirani prehod toplote in snovi. Tlak v razplinjevalniku je enak tlaku odjemne pare. Odjemni tlak pri delnih obremenitvah pada, zato pada tudi tlak v rezervoarju napajalne vode, dokler pri tlaku 1,2 bar ne nastane avtomati~ni preklop na odjemno paro vi{jega tlaka. Pri elektrarnah na fosilna goriva se za to najve~krat uporablja para iz visokotla~nega dela turbine, ki se vra~a v kotel na ponovno pregrevanje, pri jedrskih elektrarnah pa sve`a para iz reaktorja. Pri zagonu postrojenja se napajalna voda v rezervoarju greje z uporabo posebnega razvejenega parovoda, skozi katerega te~e grelna para iz nekega pomo`nega vira toplote. S tem toplotnim virom se segreva hladna napajalna voda, dokler tlak v rezervoarju ne dose`e 1,2 bar, kar ustreza temperaturi nasi~enja 105 C. S tem je zagotovljeno, da je napajalna voda vedno pod nadtlakom in v vrelem stanju, tako Slika Razplinjevalnik in rezervoar napajalne vode v klasi~ni (zgoraj) in v jedrski termoelektrarni (spodaj)

111 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 111 da ne more vsrkavati plinov iz okolice in da je topljivost plinov zelo majhna. V rezervoar napajalne vode vodijo nadalje razna odvodnjavanja iz visokotla~nega dela postrojenja. Gladina v rezervoarju napajalne vode se vzdr`uje avtomati~no. ^e za~ne padati, se odpre povezava med rezervoarjem dodajne vode in kondenzatorjem. Zaradi tla~ne razlike (tlak okolice/vakuum v kondenzatorju)doteka voda, ki ima temperaturo okolice, sama od sebe v kondenzator in od tam naprej v rezervoar napajalne vode. ^e pa za~ne gladina v rezervoarju napajalne vode nara{~ati, se odpre povezava z rezervoarjem napajalne vode in rezervoarjem dodajne vode. Zaradi tla~ne razlike odteka vrela voda iz rezervoarja napajalne vode v rezervoar dodajne vode. Pri termoelektrarnah do pribli`no 300 MW mora napajalna voda v rezervoarju zadostovati za vsaj 10-minutno obratovanje pri izpadu najve~je mo~i. Zadr`evalni ~as je odvisen od vrste kotla in od kurjave: dalj{i ~as (ve~ja prostornina rezervoarja napajalne vode)je potreben pri parnih kotlih s prisilnim pretokom (kotli brez bobna!)in pri kurjavi na trda goriva. Pri zelo velikih termoelektrarnah je zadr`evalni ~as zaradi velikih dimenzij rezervoarja napajalne vode kraj{i (vendar mora zadostovati vsaj za triminutno polno obratovanje). Pri jedrskih elektrarnah z vrelnim reaktorjem je rezervoar napajalne vode opremljen s posebnimi pregradami, zato da se vsa radioaktivna voda zadr`uje vsaj pribli`no enako dolgo Priprava napajalne vode Voda mora biti v kro`nem procesu kemi~no pripravljena in o~i{~ena, saj sicer povzro~a korozijo in erozijo na ob~utljivej{ih delih postrojenja. Taki deli so predvsem kotlovske cevi, pa tudi cevi v kondenzatorju in regenerativnih prenosnikih toplote, turbinske lopatice, sede`i razli~nih regulacijskih in zapornih organov itd. Pri kemi~ni pripravi vode je treba dolo~iti trdoto, ph-vrednost, alkalnost in vsebnost soli. Trdoto vode povzro~ajo v vodi raztopljene snovi kalcija in magnezija. Najdemo jih v spojinah, kot so: bikarbonati Ca(HCO 3 ) 2 in Mg(HCO 3 ) 2, sulfati CaSO 4 in MgSO 4, kloridi CaCl 2 in MgCl 2, nitrati Ca(NO 3 ) 2 in Mg(NO 3 ) 2. ph-vrednost pove, kak{na je voda: kisla, nevtralna ali lu`nata. ^e je koncentracija ionov H + v vodi enaka koncentraciji ionov OH, potem je voda nevtralna. ^e prevladujejo ioni H +, je voda kisla in nasprotno. Velja: ph < 7 kisla voda ph = poh = 7 nevtralna voda ph > 7 lu`nata voda ph-vrednost je odvisna od temperature, za kemi~no ~isto vodo je podana v preglednici ^ista voda ima veliko elektri~no upornost, medtem ko kisline, lugi in soli povzro~ajo ionizacijo vode, le-ta postane elektri~no prevodna.

112 112 GLAVNI SESTAVNI DELI Preglednica ph-vrednost za ~isto vodo T / ( C) ph 7,49 7,00 6,63 6,13 5,69 5,59 Pod alkalnostjo se razume v vodi raztopljena koli~ina sode Na 2 CO 3, kalijevega karbonata K 2 CO 3, natrijevega in kalijevega luga NaOH in KOH, amoniaka NH 3, hidracina N 2 H 4, bikarbonatov, kot so NaHCO 3, Ca(HCO 3 ) 2, Mg(HCO 3 ) 2 itd. Vsebnost soli. Napajalna voda za kotel ne sme prekora~iti predpisanih vrednosti za prevodnost, ph-vrednost, koli~ino kremenove kisline itd., zato jo je treba navadno pred vstopom v kotel razsoliti, sicer se peni. Ne~isto~e v vodi so razdeljene na tri ve~je skupine po premeru trdnih delcev. Razdelitev prikazuje preglednica ^i{~enje vode je odvisno predvsem od velikosti delcev, ki so dispergirani v vodi. V nadaljevanju nekaj va`nej{ih postopkov. Bistrenje (sedimentacija). S tem postopkom se iz vode izlo~ijo ve~ji in te`ji delci, ki lebdijo v vodi. Bistrenje se opravi v vsedovalnem bazenu v 2 do 24 urah. Filtriranje. S filtriranjem skozi prod je mogo~e iz vode odstraniti grobe dispergirane snovi. Preglednica Ne~isto~e v vodi Trdni delci v vodi Premer delcev D / mm Na~in ~i{~enje Grobo dispergirani delci > 10 4 Filtriranje Koloidno dispergirani delci Adsorpcija Molekularno dispergirani delci < 10 7 Uparjanje, ionska izmenjava Nevtralizacija ogljikove kisline. Agresivno ogljikovo kislino je mogo~e iz vode odstraniti na ve~ na~inov. Najva`nej{i so: filtriranje skozi prod CO 2 + CaCO 3 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 (3.61) nevtralizacija z apnom 2 CO 2 + Ca(OH) 2 Ca(HCO 3 ) 2 (3.62) nevtralizacija s sodo CO 2 + Na 2 CO 3 + H 2 O 2 NaHCO 3 (3.63) nevtralizacija z lugom CO 2 + NaOH NaHCO 3 (3.64) Odstranjevanje `eleza in in mangan je mogo~e iz vode odstraniti z bikarbonati Fe(HCO 3 ) 2 in Mn(HCO 3 ) 2 ali s sulfati FeSO 4 in MnSO 4. Na koncu

113 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 113 kemi~ne reakcije dobimo netopne `elezove in manganove okside, ki jih izlo~imo s filtriranjem skozi prod. Meh~anje vode (dekarbonizacija). Odstranjevanje ogljikove kisline iz vode in meh~anje vode zaradi razli~nih bikarbonatov in sulfatov se danes opravi ve~inoma z ionskimi izmenjevalci. To so posebne umetne smole, pri katerih se v njih nakopi~eni ioni lahko zamenjajo z ioni, ki so v vodi. Kationski izmenjevalci vsebujejo kislinsko skupino, anionski pa lu`nato. Izmenjava kationov in anionov se opravi v posebnih filtrih, ki jih je po izrabi mogo~e regenerirati, to se pravi po posebnem postopku ponovno usposobiti za delovanje. Zgled. Meh~anje vode v nevtralnem ionskem izmenjevalcu (Na-izmenjava) Za to je primeren mo~no kisel kationski izmenjevalec, ki je nabit z Na-ioni. Zamenjajo se vsi Ca-(in Mg-)ioni, ki so v vodi, in se nadomestijo z Na-ioni. Vsebnost soli v vodi se pri tem ne spremeni. V kemi~nih ena~bah pomeni oznaka A za snov, ki se menja: Ca(HCO 3 ) 2 + ANa 2 2 NaHCO 3 + ACa CaSO 4 + ANa 2 Na 2 SO 4 + ACa CaCl 2 + ANa 2 2 NaCl + ACa Pri regeneraciji je kemi~na reakcija nasprotna: ACa + 2 NaCl ANa 2 + CaCl Klasi~na termoelektrarna in okolje Klasi~ne termoelektrarne na fosilna goriva {e desetletja ne bodo izgubile svoje pomembnosti. Razvoj gre v smeri vi{jih parametrov sve`e pare in s tem predvsem v smeri iskanja ustreznih materialov za kotlovske cevi, ki morajo biti odporne, zanesljive in cenene pri vi{jih temperaturah in tlakih, kot so dana{nji. Razvoj parnih kotlov gre v smeri izpopolnjevanja zgorevanja v vrtin~astem sloju in v smeri povi{anega tlaka na strani dimnih plinov, pri tem pa ostaja parna turbina nepogre{ljiv pogonski stroj. Na vidiku ni bolj{ih tehni~nih re{itev. Srednjero~ni razvojni cilj je poskusna termoelektrarna elektri~ne mo~i 400 MW na ~rni premog, ki ima dvakratno ponovno pregrevanje pare in izkoristek > 50 %. Slika 3.53 prikazuje shemo take termoelektrarne z najva`nej{imi tehni~nimi podatki: sve`a para 700 C / 350 bar, ponovno pregreta para 720 C / 120 bar in 720 C / 30 bar. Cilj vseh teh tehni~nih naporov pa ni samo bolj{e izkori{~anje primarne energije, ampak tudi manj{a obremenitev okolja.

114 114 KLASI^NA TERMOELEKTRARNA IN OKOLJE Slika Zasnova sodobne termoelektrarne v razvoju V splo{nem dobimo pri ve~ini tehni~nih procesov po kon~anem postopku koristne in odpadne proizvode. V klasi~ni termoelektrarni na fosilna goriva je koristni proizvod elektri~na energija, odpadni pa so predvsem dimni plini, pepel in topla voda iz kondenzatorja. Zato je ena od va`nih nalog strokovnjakov, da sku{ajo vedno poiskati neki drug tehni~ni postopek, kjer bi bilo mogo~e odpadne proizvode koristno porabiti, na primer: odpadna toplota se v~asih lahko koristno uporabi za ogrevanje, `veplov dvokis iz dimnih plinov kot surovina za umetno gnojilo, pepel kot gradbeni material itd. Vodilo je torej: po mo`nosti se popolnoma izogniti odpadnim proizvodom, ~e to ne gre, pa vsaj nastale odpadne proizvode koristno uporabiti; v skrajnem primeru odpadne proizvode pravilno odstraniti in ne{kodljivo shraniti ter vse stro{ke v zvezi z odpadnimi proizvodi zara~unati povzro~iteljem.

115 3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 115 Seveda pa lahko tudi termoelektrarna koristno porabi odpadne proizvode iz drugih tehni~nih procesov. Slovenska lesna industrija na primer pogosto izkori{~a lesne ostanke, `aganje, lubje kot gorivo v kotlih. Masna in energijska bilanca klasi~ne termoelektrarne na fosilna goriva po sliki 3.54: &m Go + &m Z + &m V = &m D + &m P + &m V (3.65) &m Go H i + &m Z h z + &m V c pv T V1 = = &m D h D + &m P h P + Q & 1 + &m V c pv T V2 + P (3.66) Iz obeh bilanc ugotovimo, da odteka v okolico: masni tok ogrete hladilne vode &m V, masni tok dimnih plinov &m D in masni tok pepela &m P ; toplotni tok iz kondenzatorja ( & Q od = &m v c pv T v ), toplotni tok zaradi razli~nih izgub & Q 1, toplotni tok dimnih plinov ( &m D h D ) in toplotni tok pepela ( &m P h P ). S hladilno vodo odteka v okolje toplotni tok, ki je bistveno ve~ji od proizvedene elektri~ne mo~i, vendar ta toplotni tok okolice ne obremenjuje in ne povzro~a tvorjenja tople grede. Za okolje je najbolj nevaren masni tok dimnih plinov, ki vsebuje za okolje {kodljive pline: CO 2,SO 2,NO X. Pri slovenskih premogih je koli- ~ina nezgorljivih snovi nadpovpre~no visoka in je do 40 %, kar dra`i proizvodnjo, zahteva ve~ prostora za skladi{~enje premogov in ve~ja odlagali{~a pepela. Ogljikov dvokis je v najve~ji meri odgovoren za spremembe klime na zemlji, njegova koli~ina v zemeljski atmosferi v zadnjih desetletjih pospe{eno nara{~a (leto 1800: 280 µg/g, 1950: 320 µg/g, 2003: >350 µg/g). To nara{~anje koli~ine ogljikovega dvokisa povzro~a zgorevanje fosilnih goriv, predvsem v industrijskih tehnolo{kih procesih in v velikih termoelektrarnah ter so~asno kr~enje gozdov na zemlji. Ogljikov dvokis pospe{uje absorpcijo dolgovalovnega son~nega sevanja Slika Masni in energijski tokovi pri klasi~ni termoelektrarni

116 116 KLASI^NA TERMOELEKTRARNA IN OKOLJE (7 µm < λ < 13 µm). Zaradi absorpcije se ogljikov dvokis segreje, del elektromagnetnega sevanje se odbija v vesolje, del te toplote pa gre na zemljo. Mehanizem delovanja je torej podoben kot pri topli gredi. Krivci za delovanje tople grede so poleg ogljikovega dvokisa {e CFCl 3,CF 2 Cl 2,CH 4,N 2 O in prerazporejanje ozona O 3 na severni polobli: zmanj{evanje koli~ine v stratosferi in pove~evanje v troposferi. ^e se bo emisija CO 2 nadaljevala v takem obsegu {e naprej, se bo zemeljska atmosfera do sredine stoletja segrela za (3 ± 1,5)K, trdijo nekateri znanstveniki. Pri zgorevanju fosilnih goriv: ~rni premog, rjavi premog, nafta, zemeljski plin, se na enoto proizvedene energije spro{~ajo koli~ine CO 2 v razmerju 100 : 121 : 88 : 58. Slovenija je v tem pogledu v slabem polo`aju, saj vse velike termoelektrarne kurijo rjave premoge. Emisijo CO 2 je mogo~e zmanj{evati na naslednje na~ine: smotrnej{e pretvarjati primarne energije v sekundarno postopno nadome{~ati premoge z zemeljskim plinom pospe{eno izkori{~ati obnovljive energetske vire in pospe{eno graditi jedrske dvokis povzro~a motnje pri dihalih. Z atmosfersko vodo se ve`e v `vepleno kislino in pada na zemljo kot kisli de`. Zaradi takih padavin pospe{eno odmirajo ob~utljivej{e rastline. [kodljivo delujejo na rastline tudi du{ikovi oksidi (NO 2, NO itd.), ki nastajajo pri zgorevanju zaradi disociacije plinov pri visokih temperaturah, njihovo delovanje {e ni to~no pojasnjeno. Koli~ina teh {kodljivih plinov v dimnih plinih se lahko zmanj{a z bolj{im na~inom zgorevanja, na primer v lebde~i plasti, {e bolj u~inkovito pa se zmanj{a v posebnih ~istilnih napravah. SO 2 se pri tem ve`e v ne{kodljive spojine, na primer v sadro, ali pa v uporabne spojine, na primer v `vepleno kislino, v umetna gnojila itd. Znanih je ve~ deset razli~nih postopkov ~i{~enja, vsi so dragi, posebno za manj{e termoelektrarne. ^istilne naprave za NO X so {ele v povojih, du{ikove okside adsorbira porozen kerami~ni material, ki ga treba po dolo~enem ~asu nadomestiti z novim.

117 4 JEDRSKE ELEKTRARNE Poglavje obravnava osnove jedrskih reaktorjev, ki so pomembne za razumevanje delovanja jedrskih elektrarn s parnim kro`nim procesom, varnost obratovanja ter vpliv elektrarne na okolje. Prikazuje glavne razlike med klasi~nimi elektrarnami na fosilna goriva in elektrarnami na jedrska, s poudarkom na jedrski elektrani v Kr{kem. 4.1 Zna~ilnosti Leta 1896 je Antoine-Henri Becquerel odkril radioaktivnost, leta 1938 sta Otto Hahn in Friedrich Strassmann dokazala cepitev urana, leta 1942 je Enrico Fermi dokazal samodejno cepitev urana veri`no reakcijo, leta 1951 je stekla proizvodnja elektri~ne energije iz majhnega reaktorja v pu{~avi Idaho, ZDA, in kon~no leta 1954 proizvodnja elektri~ne energije v miroljubne namene v kraju Obninsk, Rusija (postrojenje je 100 km jugozahodno od Moskve in je na prelomu tiso~letja {e obratovalo). Ob koncu leta 2001 so jedrske elektrarne proizvedle pribli`no 17 % vse elektri~ne energije na svetu, v obratovanju je bilo 438 jedrskih elektrarn v 32 dr`avah. Kot prikazuje slika 4.1, se kljub pogostemu nasprotovanju javnosti gradnja jedrskih elektrarn nadaljuje, ~eprav po~asneje. Jedrske elektrarne imajo dolgo trajnostno dobo, gospodarne so {ele velike enote okrog 1000 MW in ve~, ~eprav sku{ajo strokovnjaki za posebne namene napraviti gospodarne tudi manj{e enote. Namesto parnega kotla imajo jedrske elektrarne reaktor, medtem ko se drugi deli elektrarne bistveno ne razlikujejo od klasi~nih parnih elektrarn na fosilna goriva. Postavitev jedrske elektrarne zahteva za vgrajeni kilowat elektri~ne mo~i zelo velika investicijska sredstva, {e ve~ja kot pri klasi~nih elektrarnah, obratovalna pa manj{a. Ve~ o tem je v poglavju o gospodarnosti elektrarn. Ve~krat je pri starej{ih enotah gospodarno nadomestiti obstoje~o parno turbino s sodobnej{o, ki obratuje z bolj{im notranjim izkoristkom, in tako pove~ati

118 118 DELOVANJE JEDRSKIH REAKTORJEV Slika 4.1. Nara{~anje instalirane elektri~ne mo~i jedrskih elektrarn v svetu elektri~no mo~ elektrarne za 3%do4%.Tudi jedrska elektrarna v Kr{kem bo leta 2006 posodobljena na tak na~in. Velika ve~ina jedrskih elektrarn na svetu ima tla~novodni reaktor in ni`je parametre (temperatura in tlak)sve`e pare kot klasi~ne elektrarne, zato je tudi dejanski izkoristek nekoliko manj{i kot pri klasi~nih elektrarnah. Sem spada tudi jedrska elektrarna v Kr{kem, ki jo prikazuje slika Delovanje jedrskih reaktorjev Vsak atom je sestavljen iz elektri~no pozitivno nabitega jedra in negativno nabitih elektronov, ki se gibljejo okrog jedra po energijsko razvr{~enih lupinah. Skoraj vsa masa atoma je v jedru, ki ga sestavljajo nukleoni: pozitivno nabiti protoni in elektri~no nevtralni nevtroni. Skupno {tevilo nukleonov daje masno {tevilo elementa A. Na primer: uranov atom 238 U ima v sistemu elementov zaporedno {tevilo 92 in masno {tevilo A = 238; sestavlja ga 92 protonov in 146 nevtronov, to je: = 238 nukleonov. Energijo, ki jo je potrebno dovesti, da se jedro atoma razbije na nukleone, imenujejo vezalna energija; ta je v povpre~ju 8 MeV za vsak nukleon, pri tem velja: 1J=1C 1Vinosnovni elektri~ni naboj 1, C (coulomb). Od tod izhaja, da je: 1 MeV = 1, J. Omenjena vezalna energija se, kot prikazuje slika 4.3, od elementa do elementa precej razlikuje. Pri zelo lahkih atomih je ta energija z nekaterimi izjemami majhna, dose`e svojo najve~jo vrednost pri masnih {tevilih A = , potem se za~ne zopet zmanj{evati. Jedra atomov so

119 4 JEDRSKE ELEKTRARNE 119 Slika 4.2. Jedrska elektrarna s tla~novodnim reaktorjem; A reaktorsko poslopje, B termi~ni reaktor, C ~rpalka za reaktorsko hladilno snov, ^ uparjalnik, D regulator tlaka, E bazen za vmesno shranjevanje gorivnih elementov, F turbinsko poslopje, G srednjetla~ni del turbine, H nizkotla~ni deli turbine, I generator

120 120 DELOVANJE JEDRSKIH REAKTORJEV stabilnej{a, ~im ve~ja je ta vezalna energija. Glede na vezalno energijo obstojata dve mo`nosti pridobivanja jedrske energije: spajanje jeder najla`jih elementov v jedra z ve~jo atomsko maso (jedrska fuzija) in cepljenje jeder najte`jih elementov v jedra z manj{o atomsko maso (jedrska fizija, doslej edina mo`nost pridobivanja jedrske energije). V enem in drugem primeru se je skupna masa po kon~ani jedrski reakciji zmanj- {ala; del mase se je spremenil v energijo po Einsteinovi ena~bi: 2 W = m c S (4.01) Ena~ba je splo{no veljavna, zmanj{evanje energije na ra~un mase je pri vseh kemi~nih reakcijah, tudi pri zgorevanju v parnem kotlu. Vendar pa je pri tem 2 zmanj{anje mase neznatno, saj so spremembe energije majhne, konstanta c S pa zelo velika. Pri vsakem elementu obstajajo izotopi elementa, ki so bolj ali manj stabilni. Izotopi so elementi z enakim zaporednim {tevilom (enakim nabojem jedra), toda z razli~nimi masnimi {tevili A, kemi~no so popolnoma enaki, razlikujejo pa se po fizikalnih lastnostih. Z ve~anjem atomske mase postaja razmerje med nevtroni in protoni v jedru vedno ve~je, dokler se kon~no ravnote`je sil v jedru ne za~ne ru{iti. Sile, ki ve`ejo delce jedra, niso ve~ dovolj mo~ne, da bi dr`ale v ravnote`ju protone. Zato so vsi elementi z masnim {tevilom A > 200 nestabilni. Najbolj znani naravni nestabilni element je radij, ki razpada po ena~bi: 226 Ra 222 Ra + α + 2 β + γ (4.02) Slika 4.3. Srednja vezalna energija E m za nukleon v odvisnosti od masnega {tevila A

121 4 JEDRSKE ELEKTRARNE 121 α-`arki ali delci nastanejo pri razpadu te`kih jeder in so identi~ni z jedrom helija. Ta vrsta sevanja je slabo prodorna in ga ustavi `e nekaj centimetrov zraka ali povrhnica ko`e, nevarno pa postane, ~e pride v organizem. β-delci nastanejo pri razpadu la`jih jeder in so identi~ni z elektroni. Ta vrsta sevanja ni posebno prodorna in ga ustavi tanka plast kovine ali nekaj centimetrov tkiva. γ-delci so identi~ni svetlobnemu kvantu ali fotonu. To vrsto elektromagnetnega valovanja sevajo nestabilna jedra. Nastaja skoraj pri vseh razpadih in je zelo prodorno, ustavi ga svinec, jeklo, beton, voda. Podobne lastnosti imajo x- ali rentgenski `arki. Od razpada radija izhaja beseda radioaktivnost, ki je pri vseh elementih z zaporednim {tevilom, ve~jim od 81; nestabilni izotopi pa se imenujejo radioizotopi. Umetno razpadanje ali cepitev atomskih jeder je mogo~e dose~i z obstreljevanjem le-teh z elementarnimi delci. Med temi delci so najprimernej{i nevtroni, saj so brez elektri~nega naboja in zato la`e prodrejo v atom. Zaradi manj{e stabilnosti so za umetno cepitev primernej{a jedra te`jih elementov. Najte`ji naravni element je uran, ki ima 11 razli~nih izotopov. V naravi ga sestavljajo predvsem izotopi: 234 U (0,006 %), 235 U (0,714 %)in 238 U (99,28 %). Pri tem se je izkazal za jedrsko cepitev kot najugodnej{i izotop 235 U. Cepitev jeder je najla`je ponazoriti z modelom kapljice, kot jo prikazuje slika 4.4. Z nevtronom n obstreljevano jedro izotopa 235 U preide zaradi energije, ki jo je dovedel nevtron, v nihanje in dobi v za~etku elipsoidno obliko. Elektri~no pozitivno nabiti te`ki delci jedra (protoni)te`ijo k temu, da se nabirajo v zunanjih delih elipsoida, zaradi tega se nihanje ja~a, elipsoid preide v sedlasto obliko in kon~no razpade na dva dela. Pri tem se iz najo`jega dela kot prese`ek izlo~ita dva do trije prosti nevtroni. Ti imajo v splo{nem zelo veliko kineti~no energijo in jo prena{ajo na sosednje atome. Zelo poenostavljeno napisano razpada izotop 235 U po ena~bi: 1 n U 236 U 90 Sr Xe + 3 1n (4.03) Izotopi urana 236 U, stroncija 90 Sr in ksenona 143 Xe so nestabilni in sami od sebe razpadajo naprej. Napisana cepitev je le ena od 200 mo`nih, v razli~ne mo`ne cepitve je vpletenih 35 elementov. Na osnovi gornje ena~be je masna bilanca: m (n) + m (235U) = m (90Sr) + m (143Xe) + 3 m (n) + W/c S 2 (4.04) Slika 4.4. Prikaz cepitve jedra 235 U z modelom kapljice

122 122 DELOVANJE JEDRSKIH REAKTORJEV Od tod je mogo~e zaradi zmanj{anja mase izra~unati ustrezno prosto energijo; ta je W = 200 MeV/jedro. Od tega je mogo~e koristno porabiti na jedro pribli`no 191 MeV = 3, J. Pri cepitvi jeder se po Einsteinovi ena~bi spremeni del mase v energijo, in sicer poenostavljeno 90 % v kineti~no energijo ter 10 % v sevalno. S tem da prosti nevtroni prena{ajo svojo kineti~no energijo na atome in molekule okoli{ne snovi, se njihova hitrost zmanj{a, njihova kineti~na energija pa spremeni v toploto. Glede na kineti~no energijo se delijo prosti nevtroni v tri skupine: hitri nevtroni: W K > 10 5 ev srednje hitri nevtroni: 1 < W K < 10 4 ev po~asni nevtroni: W K < 0,1 ev Po~asni nevtroni se imenujejo tudi termi~ni nevtroni, njihova hitrost gibanja je pribli`no enaka hitrosti gibanja molekul (po teoriji plinov). Dejstvo, da pridobimo pri cepitvi jeder ve~ prostih nevtronov, kot jih potrebujemo, omogo~a pri primerni masi urana samodejno nadaljevanje jedrske reakcije. Vsi prosti nevtroni pa ne povzro~ajo nadaljnje cepitve jeder, tako imenovane veri`ne reakcije, ampak se del nevtronov zgubi v okolici, del nevtronov pretvori uran 238 U v plutonij 239 Pu, del nevtronov pa spro`i razli~ne druge reakcije. Pogostost veri`ne reakcije je odvisna od gostote nevtronov in od hitrosti, s katero se ti nevtroni gibljejo. Nadalje je pomembno, da dobimo pri dolo~enih pogojih proste nevtrone {ele po nekem ~asovnem zaostanku. To dejstvo izkori{~amo za regulacijo jedrskega reaktorja. Elemente ali njihove izotope, ki so primerni za jedrsko cepitev, imenujemo podobno kot klasi~na goriva pri klasi~nih elektrarnah jedrska goriva. Posebno dobre cepitvene lastnosti imajo izotopi z lihim masnim {tevilom: 233 U, 235 U, 239 Pu. Hitri nevtroni so primerni za cepitev izotopa 238 U, vendar pa je verjetnost, da se izgubijo in ne zadenejo jedra, tako velika, da samodejna veri`na reakcija v 238 Uni mogo~a. V tem pogledu je precej bolj{i izotop 235 U, vendar je v naravnem uranu vsebovan samo z 0,714 % in zaradi majhne koncentracije ne more bistveno vplivati na izbolj{anje poteka veri`ne reakcije pri izotopu 238 U. Razmere se spremenijo, ~e je naravnemu uranu dodana koli~ina od 3%do4%izotopa 235 U. Tak uran imenujemo obogateni uran. Hitri nevtroni se uporabljajo kontrolirano v tako imenovanih hitrih ali oplodnih reaktorjih in nekontrolirano v jedrskih bombah, vendar v tem primeru z izotopom 239 Pu kot cepitvenim elementom. Po~asni nevtroni so primerni za cepitev izotopa 235 U; pri tem nastane tudi v naravnem uranu povpre~no ve~ nevtronov, kot se jih porablja. ^e nam uspe kineti~no energijo hitrih nevtronov spremeniti v toploto, ne da bi se pri tem na stranpoteh izgubilo preve~ nevtronov, lahko ti nevtroni vzdr`ujejo veri`no reakcijo tudi v naravnem uranu. To dose`emo s posebno snovjo, ki se imenuje moderator; njegova naloga je, da zaradi elasti~nih trkov zmanj{uje hitrost nevtronov. Jedrski

123 4 JEDRSKE ELEKTRARNE 123 reaktorji, ki delujejo prete`no s po~asnimi (termi~nimi)nevtroni, se imenujejo termi~ni reaktorji. V splo{nem je mogo~e v jedrskem reaktorju spreminjati koli~ino novih nevtronov. Velja: k > 1 {tevilo nevtronov se pove~uje, spro{~ena energija nara{~a, reaktor je nadkriti~en k = 1 {tevilo nevtronov ostaja konstantno, reaktor je kriti~en, normalno delovanje reaktorja k < 1 {tevilo nevtronov se manj{a, jedrska reakcija zamira. ^e preide kineti~na energija nevtronov v toploto, je treba to toploto konstantno odvajati in jo koristno uporabiti. Pogosto prevzame nalogo odvoda toplote voda, ki se je izkazala kot zelo primerna hladilna snov. Hladilna voda in moderator upo~asnjujeta hitrost nevtronov, zato imajo te vrste jedrski reaktorji lastnost, da se veri`na reakcija pri vseh morebitnih nepravilnostih ustavi sama od sebe; poseg ~loveka ali stroja ni potreben. ^e namre~ nastane zaradi kakr{nega koli vzroka povi{ana temperatura, se veri`na reakcija zaradi zmanj{anja {tevila prostih nevtronov sama od sebe upo~asni in s ~asom popolnoma ustavi. To temeljno na~elo je upo{tevano pri zasnovi vseh termi~nih reaktorjev, na `alost pa to ni bil primer pri reaktorju v jedrski elektrarni ^ernobil. Moderator ima {e drugo dobro lastnost: po vsaki zaustavljeni veri`ni reakciji prepre~uje povi{anje temperature, ki nastane zaradi zaostalih reakcij radioaktivnih snovi, ki so v reaktorski sredici. Zgled. Spro{~ena energija pri popolni cepitvi 1 kg uranovega izotopa 235 U Prosta energija jedra atoma: W m = 3, J Avogadrovo {tevilo: N = 6, mol 1 Molska masa izotopa 235 U: M = 235 kg/mol NW q = m = 7, J/kg = 2, kw h/kg 900 MW d/kg (4.05) M Popolna cepitev 1 kg izotopa 235 U dobavlja en dan toplotni tok mo~i 900 MW. Za primerjavo: zgorevanje 1 kg ogljika C dobavlja toplotni tok okrog 0,36 kw d. Ker je v naravnem uranu samo 0,714 % izotopa 235 U, je pravilnej{e primerjati 1 kg naravnega urana (v termi~nem reaktorju je cepitev izotopa 238 U prakti~no zanemarljiva)z 1 kg ogljika. Po tej primerjavi ustreza 1 kg naravnega urana koli~ini 19'000 kg ogljika (`elezni{ki vagon ~rnega premoga).

124 124 TERMI^NI JEDRSKI REAKTORJI 4.3 Termi~ni jedrski reaktorji Glavni sestavni deli V dana{njih jedrskih elektrarnah obratujejo skoraj samo termi~ni reaktorji, glavne sestavne dele jedrske sredice takega reaktorja prikazujeta sliki 4.5 in 4.6. Najve~krat je jedrsko gorivo vstavljeno v posebne cevi, ki so med seboj vzporedne in postavljene v to~no dolo~enih razmikih. Vmesni prostor je izpolnjen z moderatorjem in hladilnimi kanali. Prete`ni del prostih nevronov mora difundirati skozi moderator, da lahko spro`i novo cepitev. Za{~itni tulci (sraj~ke) okrog goriva so potrebni, da se zmanj{a radioaktivnost v hladilni snovi in da je gorivo za{~iteno pred erozijskim in korozijskim delovanjem. Tulci morajo biti iz snovi, ki absorbira ~im manj nevtronov; taka snov je na primer cirkonij Zr. Jedrsko gorivo tvorijo kerami~ne tablete uranovega dioksida UO 2,kiso odporne proti visokim temperaturam. Tali{~e urana je 2'800 C, temperature v sredi{~u goriva so ve~ sto stopinj ni`je. V gorivu je navadno nekaj odstotkov urana 235 U, najve~ji del goriva tvori uran 238 U. Moderator ima nalogo, da zmanj{uje hitrost in s tem kineti~no energijo nevtronov, pri tem pa ne sme absorbirati prevelikega {tevila le-teh: hitri nevtroni se v moderatorju spremenijo v po~asne. Disipacijo energije nevtronov povzro~ajo elasti~ni trki med nevtroni in jedri snovi, iz katere je moderator. Z zakonom o gibalni veli~ini je mogo~e dokazati, da je oddana energija najve~ja, ~e imajo vsi udele`enci pribli`no enake atomske mase. Zaradi tega je moderator vedno iz lahkih elementov. Obe lastnosti moderatorja, namre~ veliko zmanj{evanje kineti~ne energije nevtronov ter so~asno majhno absorpcijo le-teh, pa izpolnjuje le malo snovi: voda H 2 O, te`ka voda D 2 O, grafit C, berilij Be in berilijev oksid BeO. Slika 4.5. Reaktorska sredica termi~nega reaktorja: A jedrsko gorivo, B za- {~itna cev, C moderator, ^ hladilni kanal, D difuzija nevtronov

125 4 JEDRSKE ELEKTRARNE 125 Glede na snov moderatorja razlikujemo reaktorje, ki so moderirani s te`ko vodo, grafitom in vodo, medtem ko berilij ali berilijev oksid zaradi drage proizvodnje ne prideta v po{tev. Posebno primerna za moderator je voda, saj je potrebna zaviralna pot nevtronov kratka in celotna naprava zato manj{a in la`ja. Pri grafitu je zaviralna pot dalj{a, masa grafita mora biti zato velika. Ker se s tem ni`a tudi gostota energije, je mogo~e toploto odvajati s plinom, ki ima slab{e toplotne prevodne lastnosti kot voda. Izbira moderatorja, njegove tehni~ne in fizikalne lastnosti so klju~ne za varnost jedrskega reaktorja. Reaktorska sredica je obdana z reflektorjem ali reaktorsko lupino, ki ima nalogo, da zadr`i v reaktorski sredici ~im ve~ nevtronov, sliki 4.6 in 4.7. Zato mora imeti reflektor podobne lastnosti, kot jih ima moderator. Slika 4.6. Glavni sestavni deli termi~nega reaktorja: A reaktorska sredica, B gorivni element, C reflektor, ^ regulacijske palice, D vodenje regulacijskih palic, E tla~na posoda, F pokrov tla~ne posode, G dovod hladilne snovi, H odvod hladilne snovi

126 126 TERMI^NI JEDRSKI REAKTORJI Kot hladilna snov se uporablja plin ali teko~ina: v plinsko hlajenih reaktorjih CO 2 ali He, najve~krat v kombinaciji z grafitnim moderatorjem, v teko~insko hlajenih reaktorjih pa H 2 O ali D 2 O (te`ka voda). Posebno enostavni so vodno hlajeni reaktorji, pri katerih je voda so~asno moderator in hladilna snov. Hladilno snov poganja v reaktorskem, zaprtem tokokrogu ~rpalka ali kompresor. Tla~na posoda obdaja reaktorsko lupino skupaj s hladilno snovjo; pogosto je izdelana iz debele jeklene plo~evine. Ruski jedrski reaktorji te varnostne posode nimajo. Regulacijske palice so po obliki podobne palicam jedrskega goriva, napolnjene pa s snovjo, ki mo~no absorbira nevtrone, na primer z borom B, kadmijem Cd ali s srebrom Ag. Name{~ene so med gorilnimi elementi in jih je po vi{ini mogo~e Slika 4.7. Glavni sestavni deli gorivnega elementa: A gorivni element, B gorivna palica, C uranov dioksid UO 2, ^ za{~itni tulec, D izolacija Al 2 O 3, E vzmet, F elasti~no vpetje, G distan~nik

127 4 JEDRSKE ELEKTRARNE 127 premikati: ~im globlje so pomaknjene med gorilne elemente, ve~ nevtronov absorbirajo, manj{a je toplotna mo~ reaktorja in nasprotno. Tla~na posoda je zaradi mo~nega sevanja reaktorske sredice obdana s betonskim oklepom, imenovanim biolo{ki primarni oklep. Ta oklep je skupaj s hladilnim krogom in drugimi pomo`nimi napravami postavljen v reaktorsko poslopje. Reaktorsko poslopje, ki je vidno od dale~ in karakteristi~no za jedrske elektrarne, je zgrajeno iz plo~evine in betona ter rabi kot varnostni sekundarni oklep. V tem poslopju so postavljeni tudi uparjalniki, to so prenosniki toplote, skozi katere te~e na primarni strani reaktorska hladilna snov in na sekundarni strani turbinska para, slika Vrste termi~nih reaktorjev Iz pribli`no 15 razli~nih zasnov jedrskih reaktorjev je v teku let ostalo samo nekaj vrst, razdeliti jih je mogo~e v dve ve~ji skupini: vodno hlajeni in vodno moderirani reaktorji in plinsko hlajeni in grafitno moderirani reaktorji. Jedrski reaktor je v glavnem dolo~en z vrsto moderatorja, hladilne snovi in gorivom. Te tri komponente imajo odlo~ujo~ vpliv na varnost, nevtronski spekter in namembnost postrojenja. Vprvo skupino spadajo: tla~novodni reaktor (angle{ka kratica: PWR), vrelni reaktor (BWR)in te`kovodni reaktor (HWR), ki proizvajajo okrog 85 % vse elektri~ne energije iz jedrskih reaktorjev. Vodno hlajeni reaktorji imajo za gorivo pogosto 3-odstotno obogaten uran, izrabljeno gorivo je mogo~e po predelavi ponovno koristno uporabiti. Najbolj raz{irjen je tla~novodni reaktor, kakr{nega ima tudi jedrska elektrarna v Kr{kem. Hlajen in moderiran je z vodo; podobno je zasnovan Slika 4.8. Shema jedrske elektrarne s termi~nim reaktorjem: A primarni oklep, B uparjalnik, C ~rpalka za reaktorsko hladilno snov, ^ sekundarni oklep (reaktorsko poslopje), D turbinsko poslopje

128 128 TERMI^NI JEDRSKI REAKTORJI te`kovodni reaktor, le da je hlajen s te`ko vodo. Obe vrsti reaktorja imata uparjalnik, tako da je reaktorski tokokrog popolnoma lo~en od turbinskega. Pri vrelnem reaktorju ni uparjalnika pare, slika 4.8 (B), imamo samo en tokokrog: ena in ista voda se uporablja kot hladilna snov v jedrskem reaktorju, kot moderator in kot delovna snov v turbinskem kro`nem procesu. V zgornjem delu reaktorske sredice se ta voda upari, medtem ko pri tla~novodnem reaktorju voda ne spremeni agregatnega stanja. Proizvodnja pare v reaktorski sredici zahteva pri vrelnem reaktorju relativno velike in drage tla~ne posode. Razen tega je koli~ina pare omejena, sicer postane delovanje moderatorja pre{ibko. Pri tla~novodnem reaktorju je uparjanje vode v primarnem delu prepre~eno z ustrezno visokim tlakom. Vse te pomanjkljivosti pa odtehta zanesljivost in cenenost teh vrst reaktorjev. Vdrugo skupino spadajo: plinsko-grafitni reaktor (GGR), izbolj{ani plinsko hlajeni reaktor (AGR)in visokotemperaturni reaktor (HTR)ter drugi. Med razvojem so vsi do`iveli vrsto poenostavitev in izbolj{av, npr. razmestitev gorivnih elementov, regulacija mo~i, vrsta hladilne snovi, plinsko-parni kro`ni proces itd. Kljub temu jih je v obratovanju manj, njihova gospodarnost in zanesljivost se o~itno ne more primerjati z vodno hlajenimi in vodno moderiranimi reaktorji. Visokotemperaturni reaktorji imajo za gorivo od 7- do 8-odstotno obogaten uran. Vsem termi~nim jedrskim reaktorjem je skupno bolj ali manj slabo izkori{~anje goriva, vodno hlajenim in vodno moderiranim reaktorjem pa {e nizki parametri sve`e turbinske pare, kar vodi k termi~nemu izkoristku kro`nega procesa, ki je manj{i kot pri klasi~nih termoelektrarnah na fosilna goriva Novi evropski tla~novodni reaktor Vodilni evropski jedrski velesili Francija in Nem~ija sodelujeta pri razvoju skupnega projekta novega evropskega tla~novodnega reaktorja EPR. Poudariti je treba, da ne gre za nov reaktor, ampak za obstoje~ega, podobnega, kot je v jedrski elektrarni v Kr{kem, vendar v mnogo~em izbolj{an, preglednica 4.1. Zasnova je taka, da ga je mogo~e postaviti skoraj nespremenjenega povsod po Evropi. Glavni cilj je razviti u~inkovite tehni~ne pripomo~ke, ki dovolj varno obvladujejo vse nepredvidene dogodke, tudi zelo maloverjetne. Evropski jedrski reaktor naj bi po izteku trajnostne dobe nadomestil dosedanja postrojenja v Franciji, Nem~iji pa tudi v drugih dr`avah. V Franciji je v obratovanju 59 enot, ki proizvedejo ve~ kot 70 % vse elektri~ne energije, v Nem~iji pa 19 enot, ki pokrivajo 30 % potreb po elektri~ni energiji. Zamenjave obstoje~ih jedrskih postrojenj v ve~jem obsegu so v obeh dr`avah pri~akovane {ele v letu 2010 in naprej, ra~una pa se, da gredo prva naro~ila v realizacijo pred tem letom. Doslej sta bili pri tem skupnem projektu obdelani dve fazi raziskav: zasnova jedrskega reaktorja in osnovni projekt postavitve. Te`i{~e raziskav je na varnostnih, gradbenih in ekonomskih zahtevah.

129 4 JEDRSKE ELEKTRARNE 129 Varnostne zahteve ^eprav gre za obstoje~i izbolj{ani tla~novodni reaktor, je varnostni koncept postavljen popolnoma na novo, predvsem {tirikratna redundanca s fizi~no lo~itvijo varnostnih sistemov. Na dnu reaktorskega poslopja je predviden velik rezervoar rezervne hladilne vode, s katero je mogo~e v primeru velike nesre~e dodatno hladiti nastalo raztaljeno reaktorsko jedro. V ta namen je v bli`ini tla~ne posode predviden poseben prostor, kamor se talina lahko izlije. Bistvene predpostavke za pove~anje jedrske varnosti oz. za zmanj{anje verjetnosti jedrske nesre~e: poenostavitev varnostnih sistemov, pri ~emer se njihova funkcionalnost ne zmanj{uje, stabiliziranje raztaljenega reaktorskega jedra v tla~ni posodi in mo`nost dovolj dolgega hlajenja taline, zagotavljanje najve~je, {e dovoljeno pu{~anje iz varnostne tla~ne posode, izbolj{anje sti~ne to~ke ~lovek/delovanje naprav: digitalna tehnika, prikazi stanj z videonadzorom, nadaljnji razvoj informacijskih sistemov. Preglednica 4.1. Va`nej{i tehni~ni podatki na~rtovanega evropskega jedrskega reaktorja in primerjava z jedrsko elektrarno v Kr{kem (pred posodobitvijo turbine) Parametri EPR JE Kr{ko Toplotna mo~ reaktorja 4472 MW 2000 MW Elektri~na mo~ generatorja 1528 MW 700 MW Reaktorska sredica {tevilo gorivnih elementov {tevilo regulacijskih palic konfiguracija gorivnih palic aktivna vi{ina sredice srednja mo~ gorivne palice Primarni sistem {tevilo zank obratovalni tlak temperatura na vhodu temperatura na izhodu pretok hladilne snovi Sekundarni sistem tlak sve`e pare odvod toplote iz sistema (17 25) 420 cm 154 W/cm bar 291,3 C 326,3 C kg/s 72,5 bar hladilni stolp (16 21) 366 cm 175 W/cm bar 287,5 C 324,0 C 8940 kg/s 60,3 bar reka Sava Gradbene zahteve Najpomembnej{e zahteve so: sestava tal, potresno nevarna obmo~ja in morebitni padec letala. Po EUR (European Utility Requirement)je predpisan najve~ji potresni pospe{ek tal 0,25 g, ki zadostuje prakti~no za vse lokacije v Evropi. Za padec letala na reaktorsko poslopje so privzeta navodila, po katerih mora biti debelina armirane betonske stene 1,30 m. Za gradbeno izvedbo reaktorskega

130 130 OPLODNI JEDRSKI REAKTORJI poslopja je prevladal koncept valjaste oblike z masivno temeljno plo{~o, z zunanjim in notranjim pla{~em. Notranja prostornina je 90'000 m 3, imenski in preizkusni tlak 6,5 bar. Tesnost zagotavlja namesto dana{nje jeklene obloge prevleka iz vinilestra ali epoksi smole debeline od 3 mm do 8 mm. Gospodarnost postrojenja Pove~anje elektri~ne mo~i jedrskega postrojenja (1500 MW), standardizacija zasnove postrojenja, izbolj{anje razpolo`ljivosti (7500 h/a obratovanja)in izkoristka postrojenja, podalj{anje ~asa uporabe goriva (24 mesecev), podalj{anje dobe trajanja postrojenja (60 let). Proizvajalec Siemens gradi po naslednjih predpostavkah: investicijski stro{ki 1528 EUR/kW h za jedrski reaktor elektri~ne mo~i 1528 MW, postavitev s hladilnim stolpom, lastna cena 0,03 EUR/kW h vklju~uje stro{ke goriva in stro{ke demonta`e postrojenja, redni letni pregled pa naj bi bil kraj{i od 20 dni. 4.4 Oplodni jedrski reaktorji V termi~nih reaktorjih se v glavnem izkori{~a le izotop 235 U, medtem ko je izotop 238 U, ki ga je v naravi 140-krat ve~, pri reakciji udele`en le posredno s tem, da tvori plutonij. Izotop 238 U pa je mogo~e izkori{~ati v oplodnih jedrskih reaktorjih. V takih reaktorjih hitri nevtroni preobrazijo (konvertirajo)naravna jedrska goriva, med katere spadata predvsem uran 238 U in torij 232 Th, v mo~na goriva. Za cepitev je potreben po en nevtron, pri tem sta najva`nej{i jedrski reakciji: 1 n Th 233 Th 233 Pa 233 U (4.06) 1 n U 239 U 239 Np 239 Pu (4.07) Razmerje med koli~ino proizvedenega mo~nega goriva (urana 233 U in plutonija 239 Pu)in koli~ino goriva (torija 232 Th in urana 238 U), ki se porablja pri cepitvi jeder, se imenuje oplodni (konverzijski) je, da je ta faktor ve~ji od 1, kajti v tem primeru dobimo poleg spro{~ene energije {e gorivo za termi~ne jedrske reaktorje. Oplodni jedrski reaktorji imajo predel, kjer poteka cepitev jeder, ter enega ali ve~ oplodnih predelov. Prvo omenjeni predel ne sme imeti moderatorja, gorivo pa mora biti mo~no obogateni uran ali plutonij. Ker je potrebno intenzivno hlajenje, so hladilne snovi lahko samo teko~e kovine (npr. natrij), ki imajo zelo dobro toplotno prestopnost. V oplodnih predelih reaktorja je gorivo naravni uran in torij. Oplodni reaktor obratuje z mo~no obogatenim gorivom, nima pa moderatorja (moderator upo~asnuje hitrost nevtronov, hitri nevtroni se spreminjajo v po~asne), zato obstaja nevarnost nekontrolirane jedrske reakcije. Nadaljnje te`ave povzro~ajo neobi~ajne hladilne snovi. Zaradi mo~nega nevtronskega toka v jedrski sredici se

131 4 JEDRSKE ELEKTRARNE 131 tvori izotop 24 Na, ki seva `arke g. Reaktorska hladilna snov je zato precej radioaktivna, kar ima za posledico radioaktivnost tudi v sekundarnem hladilnem krogu. Zato je potreben {e tretji zaprti tokokrog, v katerem te~e voda oziroma vodna para. Voda ima do natrija visoko afiniteto in `e majhne netesnosti lahko vodijo do eksplozije. Ker bo v nekaj generacijah nastopilo resno pomanjkanje goriva za termi~ne reaktorje, imajo oplodni reaktorji kljub ve~ nere{enih tehnolo{kih te`av dolo~eno prihodnost. 4.5 Primerjava med jedrsko in klasi~no termoelektrarno Parni kro`ni proces pri tla~novodnem in vrelnem reaktorju Gledano samo s termodinami~nega vidika pomeni jedrska elektrarna s tla~novodnim in vrelnim reaktorjem nazadovanje v primerjavi s klasi~no termoelektrarno. Kro`ni proces je popolnoma primerljiv s kro`nim procesom pri klasi~nih termoelektrarnah, le parametri sve`e pare so ni`ji, zato je slab{i tudi termi~ni izkoristek. Na enoto mo~i so potrebne ve~je koli~ine pare kot pri klasi~nih termoelektrarnah in s tem ve~je dimenzije parnega turbinskega postrojenja, ve~ja je tudi vla`nost pare v zadnjih turbinskih stopnjah in ve~ji je toplotni tok, ki odteka skozi kondenzator v okolico. Ve~ sve`e pare pomeni tudi ve~ pare v kondenzatorju in ve~ hladilne vode. Koli~ina hladilne vode pri jedrski elektrarni s tla~novodnim ali vrelnim reaktorjem je vsaj za 50 % ve~ja, kot je pri enako veliki klasi~ni elektrarni na fosilna goriva. Teoreti~ni parni kro`ni proces in shemo jedrske elektrarne s tla~novodnim reaktorjem prikazuje slika 4.9. V takem procesu privzamemo v prvem pribli`anju izentropno kompresijo in ekspanzijo (brez notranjih nepovra~ljivosti)ter izobarni dovod in odvod toplote (brez preto~nih uporov). Idealni proces, ki je v prikazanem primeru nasprotno od klasi~ne termoelektrarne po sliki 3.2 brez rezervoarja napajalne vode, poteka tako-le: 1 2 s = konst., 1W 2 > 0, 1Q 2 = 0 dvig tlaka napajalne vode s ~rpalko za kondenzat od tlaka v kondenzatorju do nekega vmesnega tlaka, ki je odvisen od izbire ~rpalke za napajalno vodo; ~rpalka za kondenzat in ~rpalka za napajalno vodo sta neposredno zaporedno vezani; 2 3 p = konst., 2W 3 = 0, 2Q 3 > 0 regenerativno gretje napajalne vode v nizkotla~nih grelnikih; 3 4 s = konst., 3W 4 > 0, 3Q 4 = 0 dvig tlaka napajalne vode z napajalno ~rpalko od nekega vmesnega tlaka do tlaka sve`e pare, ki je ni`ji kot pri klasi~nih termoelektrarnah; 4 5 p = konst., 4W 5 = 0, 4Q 5 > 0

132 132 PRIMERJAVA MED JEDRSKO IN KLASI^NO TERMOELEKTRARNO Slika 4.9. Parni kro`ni proces in shema parnega postrojenja v jedrski elektrarni s tla~novodnim ali z vrelnim reaktorjem

133 4 JEDRSKE ELEKTRARNE 133 regenerativno gretje napajalne vode v visokotla~nih grelnikih; 5 6 p = konst., 5W 6 = 0, 5Q 6 > 0 dogrevanje in uparjanje napajalne vode v uparjalniku jedrskega reaktorja; pregrevanja sve`e pare pri tla~novodnem ali pri vrelnem reaktorju ni; 6 7 s = konst., 6W 7 = 0, 6Q 7 > 0 ekspanzija sve`e pare v visokotla~ni turbini od tlaka sve`e pare do vmesnega tlaka; po kon~ani visokotla~ni ekspanziji te~e mokra para v izlo~evalnik kondenzata, ki je postavljen v turbinskem poslopju ob parni turbini in kjer se teko~inska faza lo~i od parne; 7" 8 p = konst., 7W 8 = 0, 7Q 8 > 0 ponovno pregrevanje pare v pregrevalniku, ki je navadno sestavni del izlo~evalnika kondenzata; 8 9 s = konst., 8W 9 < 0, 8Q 9 = 0 ekspanzija pregrete pare v nizkotla~ni turbini od vmesnega tlaka pregrete pare do podtlaka (=vakuuma) v kondenzatorju; 9 1 p = konst. in T = konst., 9W 1 = 0, 9Q 1 < 0 kondenzacija pare v kondenzatorju. Dejanski parni kro`ni proces se razlikuje od teoreti~nega enako kot pri klasi~nih termoelektrarnah na fosilna goriva. Zasnova tla~novodnega in vrelnega reaktorja ne dovoljuje, da bi bila vodna para v turbinskem kro`nem procesu pregreta, kot je to pri drugih jedrskih reaktorjih ali pri Slika Parametri sve`e pare pri tla~novodnem in vrelnem reaktorju

134 134 PRIMERJAVA MED JEDRSKO IN KLASI^NO TERMOELEKTRARNO parnih kotlih. Sve`a para je nasi~ena, njeni parametri so pri ni~ti obremenitvi 70 bar in 286 C; to je eksergijsko gledano ugodno podro~je, slika Zaradi ni`jih temperatur sve`e pare je dejanski izkoristek relativno manj{i za pribli`no 20 % kot pri enako velikih klasi~nih elektrarnah, kar je lepo razvidno s slike 4.11, ki prikazuje poenostavljeni kro`ni proces pri jedrski elektrarni z tla~novodnim ali vrelnim reaktorjem v primerjavi s kro`nim procesom pri klasi~ni termoelektrarni na fosilna goriva. Za jedrsko elektrarno v Kr{kem velja (brez izkoristka jedrskega reaktorja in brez lastne rabe): ηe = ηt ηi ηm ηg m& SP P e h SP 700' 000 = = 0,35 (4.08) 1090 ( ) pri tem je &m SP masni tok sve`e pare pri vstopu v turbino, h SP razlika entalpij med sve`o paro in napajalno vodo in P e mo~ na osi turbine (izkoristek jedrskega reaktorja, lastna raba energije za pogon jedrske napajalne ~rpalke in drugih ~rpalk itd. nista upo{tevana). Turbina potrebuje za enako elektri~no mo~ ve~ pare kot enako mo~na turbina pri klasi~ni termoelektrarni. Zaradi ni`jih parametrov sve`e pare ima jedrska elektrarna s tla~novodnim ali vrelnim reaktorjem samo srednje- in nizkotla~no turbino, slika 4.12, prav tako je pri takih jedrskih elektrarnah manj odjemnih mest za regenerativno gretje napajalne vode (navadno samo od 5 do 6)kot pri klasi~ni termoelektrarni. Ve~ina turbinskih stopenj je izpostavljena vla`ni pari, zato je tudi erozija lopatic mo~nej{a kot pri Slika Poenostavljeni kro`ni proces pri jedrski elektrarni s tla~novodnim ali vrelnim reaktorjem in kro`ni proces pri klasi~ni termoelektrarni

135 4 JEDRSKE ELEKTRARNE 135 Slika Vzdol`ni prerez parne turbine za jedrsko elektrarno; A visokotla~ni del, B vstop sve`e pare iz termi~nega reaktorja, C vstop vla`ne pare v izlo~evalnik kondenzata in pregrevalnik pare, ^ nizkotla~ni deli, D vstop pare v kondenzator

136 136 PRIMERJAVA MED JEDRSKO IN KLASI^NO TERMOELEKTRARNO Slika Ekspanzijski krivulji za parni turbini: A jedrska elektrarna v Kr{kem (pred posodobitvijo turbine) in B termoelektrarna v [o{tanju, enota 5. Ozna- ~ena so odjemna mesta za paro za regenerativno gretje napajalne vode. klasi~nih parnih turbinah. Para ima na izstopu iz turbine do 15 % vode, slika 4.13, kar je nekoliko vi{ja vla`nost kot pri klasi~nih termoelektrarnah Posebnosti v elektrarnah s tla~novodnim in z vrelnim reaktorjem Jedrska elektrarna s tla~novodnim reaktorjem ima med reaktorskim in turbinskim delom vgrajen uparjalnik. Ta prenosnik toplote, ki je postavljen v reaktorsko poslopje, lo~i primarni, reaktorski krog od sekundarnega, turbinskega. V tem prenosniku se toplota reaktorske hladilne snovi (vode)prena{a na delovno snov turbinskega kro`nega procesa (tudi voda). Pri tem se voda na primarni strani ne upari, medtem ko voda na sekundarni strani spremeni agregatno stanje. To je

137 4 JEDRSKE ELEKTRARNE 137 mogo~e dose~i s tem, da je tlak vode na reaktorski strani ve~ kot dvakrat ve~ji, kot je tlak delovne snovi na turbinski strani. Z nara{~ajo~o reaktorsko mo~jo se pretoki skozi uparjalnik ve~ajo, zaradi tega se ve~ajo tudi preto~ni upori, tlak na reaktorski in turbinski strani pa se zmanj{uje. Parametri sve`e pare so zato pri imenski mo~i turbine nekoliko ni`ji od parametrov sve`e pare pri delnih obremenitvah. Klasi~ne termoelektrarne na fosilna goriva morajo biti trdnostno dimenzionirane na imensko mo~, medtem ko je za te vrste jedrskih elektrarn odlo~ujo~e vsaj pri nekaterih sklopih trdnostno dimenzioniranje pri ni~ti obremenitvi. Uparjalnik je cevni prenosnik toplote z veliko gostoto toplotnega toka, ki je zna~ilen za jedrske elektrarne s tla~novodnim reaktorjem. Trdnostna in toplotna obremenitev naprave je velika, zato je uparjalnik ena od mo~neje obremenjenih naprav, slika 4.14 in Jedrska elektrarna z vrelnim reaktorjem nima uparjalnika, reaktorski in turbinski krog nista lo~ena, ista reaktorska hladilna snov te~e skozi reaktor in skozi turbino. Pri vrelnem reaktorju so zato parametri sve`e pare nekoliko vi{ji, vendar je ta para rahlo radioaktivna. Zaradi radioaktivne pare mora biti z betonskimi stenami za{~iten tudi turbinski del postrojenja, skupaj s kondenzatorjem pare. Posebnost jedrskih elektrarn s tla~novodnim ali vrelnim reaktorjem je tudi izlo~evalnik kondenzata in pregrevalnik pare. Naloga te naprave je lo~iti vodne kapljice iz vla`ne pare, ki prihaja iz visokotla~ne turbine, in osu{eno (nasi~eno)paro pregreti s sve`o paro, ki prihaja iz jedrskega reaktorja. Pregreta turbinska para te~e nato v nizkotla~no turbino, kot prikazuje slika 4.9. Znanih je ve~ vrst izlo~evalnikov kondenzata in pregrevalnikov pare, ki se konstrukcijsko med seboj zelo razlikujejo; primer prikazuje slika Vla`na para Slika Uparjalnik pri tla~novodnem jedrskem reaktorju: A reaktorska tla~na posoda; B uparjalnika; C obto~ni reaktorski ~rpalki; ^ regulator tlaka

138 138 PRIMERJAVA MED JEDRSKO IN KLASI^NO TERMOELEKTRARNO Slika Uparjalnik: A dovod napajalne vode; B odvod sve`e (suhe) pare; C dovod hladilne snovi iz reaktorja; ^ povratek hladilne snovi v reaktor; D snopi cevnih prenosnikov toplote; E obro~ni razdelilnik napajalne vode; F izlo~evalniki kapljic; G nosilne konzole prihaja po parovodu iz visokotla~ne turbine, pri tem se `e v krivinah parovoda izlo~i do 40 % kapljic. Preostale kapljice se ujamejo v `i~ne blazine, ki so vgrajena v spodnjem delu naprave, in padajo navzdol. Osu{ena turbinska para te~e nato skozi snop cevi, v katerih je sve`a para iz jedrskega reaktorja. Reaktorska para odda svojo kondenzacijsko toploto turbinski pari, ki se pri tem pregreje. Stremeti je treba, da ima turbinska para pred pregrevanjem ~im manj{o vla`nost (do 0,1 % do 0,3 %), saj potrebuje vsak kilogram kondenzata za uparitev okrog 2000 kj toplote. Tlak pare je od 8 bar do 12 bar, padec tlaka pri prehodu skozi napravo je 5 % vstopnega tlaka. Temperaturne razmere v pregrevalniku pare prikazuje slika Zaradi velikih temperaturnih razlik, ki povzro~ajo napetosti v konstrukcijskih materialih, se pregrevalnik pare pogosto vklaplja {ele pri 15 % do 25 % imenske

139 4 JEDRSKE ELEKTRARNE 139 Slika Izlo~evalnik kondenzata in pregrevalnik pare: A dovod sve`e pare iz reaktorja, B odvod kondenzata sve`e pare, C dovod vla`ne pare iz visokotla~ne turbine, ^ odvod kondenzata turbinske pare, D odvod pregrete pare v nizkotla~no turbino, E izlo~evalnik kondenzata, F pregrevalnik turbinske pare Slika Potek temperature v pregrevalniku pare v odvisnosti od mo~i

140 140 PRIMERJAVA MED JEDRSKO IN KLASI^NO TERMOELEKTRARNO mo~i. Pri vseh novej{ih postrojenjih se turbinska para pregreva v dveh stopnjah: osu{ena para se najprej delno pregreje z odjemno turbinsko paro iz visokotla~ne turbine, v drugi stopnji pa {e s sve`o paro iz reaktorja. Zgled. Izlo~evalnik kondenzata in pregrevalnik pare Znani so podatki po shemi na sliki Izra~unati je treba: porabo sve`e pare iz jedrskega reaktorja in toplotno prehodnost pregrevalnika pare s povr{ino 700 m 2. Slika Toplotna shema izlo~evalnika kondenzata in pregrevalnika pare Legenda p / bar &m / kg/s h / (kj/kg) T / C; x Iz toplotne bilance je mogo~e izra~unati masni tok sve`e pare in od tod druge zahtevane podatke: 700 2'444 + &m SP 2'778 = = (1 0,85) , '978 + &m SP 1'241 Od tod masni tok sve`e pare: &m SP = 85,53 kg/s Toplotni tok skozi pregrevalnik pare: &Q = 85,53 (2'778 1'241) = 131'460 kw Logaritmi~na srednja temperaturna razlika:

141 4 JEDRSKE ELEKTRARNE , 0 158, 8 Θ m = = 57,2 C 280, 8 158, 8 ln 280, 8 260, 0 Toplotna prehodnost: k = Q& ' = = 3,28 kw/(m2 K) A Θ m , Jedrska elektrarna in okolje Jedrske termoelektrarne {e desetletja ne bodo izgubile na svoji pomembnosti, enako kot ne bodo izgubile na pomembnosti klasi~ne termoelektrarne na fosilna goriva. Kratkoro~no gre razvoj v smer izbolj{ane varnosti delovanja sedanjih termi~nih reaktorjev. Srednjero~no se strokovnjaki ukvarjajo z jedrskimi reaktorji, ki bodo imeli za gorivo izotope urana in drugih goriv, ki jih je dovolj v zemeljski skorji, na primer izkori{~anje izotopa 238 U namesto izotopa 235 U. Dolgoro~no pa stavijo strokovnjaki na jedrsko fuzijo, o ~emer je ve~ napisano v poglavju o prihodnji preskrbi z energijo. Pri jedrskih elektrarnah ostaja parna turbina nepogre{ljiv pogonski stroj, enako kot pri klasi~nih termoelektrarnah. Cilj vseh teh tehni~nih naporov pa ni samo bolj{e izkori{~anje primarne energije, ampak tudi manj{a obremenitev okolja in varnej{e obratovanje. V jedrski elektrarni je koristni proizvod elektri~na energija, odpadni proizvod pa topla voda iz kondenzatorja in jedrski odpadki. Slika Masni in energijski tokovi pri jedrski elektrarni Masna in energijska bilanca jedrske elektrarne po sliki 4.19: m + m = m + m & & & & G V O V Q& m& c T Q& m& do V pv V1 O V c pv TV2 P (4.09) + = + + (4.10) kjer sta Q & do iz reaktorja dovedeni toplotni tok v kro`ni turbinski proces in Q & O zaostali toplotni tok izgorelega jedrskega goriva.

142 142 JEDRSKA ELEKTRARNA IN OKOLJE Iz obeh bilanc izhaja, da odteka v okolico: masni tok ogrete hladilne vode &m V ter masni tok jedrskih odpadkov &m O (dejansko masni tok jedrskih odpadkov ni zvezen, ampak le ob~asen); toplotni tok iz kondenzatorja ( Q & m& od = V c pv TV )ter toplotni tok izrabljenega jedrskega goriva Q & O (dejansko toplotni tok izrabljenega jedrskega goriva, ki spada med visokoaktivne jedrske odpadke, ni zvezen, ampak le ob~asen). S hladilno vodo odteka v okolje toplotni tok, ki je bistveno ve~ji od proizvedene elektri~ne mo~i, vendar ta toplotni tok za okolico ni obremenjujo~. Prav tako je nepomemben toplotni tok, ki ga proizvaja izrabljeno gorivo. Za okolje so nevarni le jedrski odpadki, ki so zaradi svoje pomembnosti obravnavni posebej Radioaktivni odpadki in odlagali{~a Jedrska elektrarna obremenjuje okolje pri normalnem obratovanju precej manj kot pa klasi~na elektrarna na fosilna goriva. Pri zgorevanju fosilnih goriv se spro{~ajo velike koli~ine CO 2,NO X in SO 2, ki mo~no obremenjujejo okolje. Prav tako je ionizirno sevanje iz elektrarn na premog ve~je kot iz jedrskih elektrarn. Rjavi in ~rni premogi vsebujejo namre~ malenkostne koli~ine urana, torija in kalija 40, zato nosijo dimni plini s seboj radioaktivni plin radon, pepel pa vsebuje nekatere radioaktivne nukleide in predvsem a-`arke. Pri klasi~ni elektrarni na premog mo~i 500 MW je ekvivalentna koli~ina ionizirnega sevanja od 0,001 msv do 0,060 msv, medtem ko je ta koli~ina pri jedrski elektrarni mo~i 1300 MW v najneugodnej{em primeru le od 0,001 msv do 0,020 msv. V preglednici 4.2. so zbrane nekatere va`nje{e merske enote za ionizirno sevanje. Poleg na{tetih je v praksi pogosta {e merska enota 1 Sv/h, to je absorbirana energija na enoto mase in enoto ~asa, pomno`ena s faktorjem, ki upo{teva biolo{ke po{kodbe (za b- in g-delce je ta faktor 1, za a-delce do 20). Preglednica 4.2. Merske enote za ionizirno sevanje Merske enote za ionizirno sevanje bequerel (bekerel) 1 Bq = 1 razpad/s gray (grej) 1 Gy = 1 J/kg sievert (sivert) 1 Sv Stare enote za ionizirno sevanje curie 1 Ci = 3, Bq rad 1 rad = 10 2 Gy rem 1 rem = 10 2 Sv Opis Aktivnost radioaktivnega izvira. Merilo za hitrost razpadanja atomskih jeder na enoto ~asa Absorbirana doza v tkivu. Merilo za absorbirano energijo sevanja na enoto mase tkiva Ekvivalentna absorbirana doza sevanja, pomno`ena s faktorjem, ki upo{teva u~inek biolo{ke po{kodbe Pri obratovanju jedrskih elektrarn nastajajo radioaktivni odpadki. Glede na njihovo radioaktivnost so razdeljeni na dve skupini:

143 4 JEDRSKE ELEKTRARNE 143 Nizkoradioaktivni odpadki [( )Bq/m 3 ] in srednjeradioaktivni odpadki [( )Bq/m 3 ], pribli`no od 300 m 3 do 400 m 3 odpadkov na leto za elektrarno mo~i 1300 MW. To so odpadki iz rednega obratovanja in vzdr`evanja jedrskih elektrarn. Te vrste odpadki nastajajo v man{ih koli~inah tudi v bolni{nicah, v raziskovalnih laboratorijih in v nekaterih vejah industrije. Visokoradioaktivni odpadki (> Bq/m 3 ), pribli`no od 20 m 3 do 30 m 3 odpadkov na leto za elektrarno mo~i 1300 MW. To je v glavnem izrabljeno jedrsko gorivo, pri katerem se zaradi razli~nih zapoznelih jedrskih reakcij proizvaja toplota. K visokoradioaktivnim odpadkom pri{tevamo tudi razli~ne dele naprav, ki so povezani z gorivnimi elementi: dr`ala, tulci gorivnih palic in drugi ostanki. Na teh delih se zadr`ujejo produkti cepitvenih reakcij, ki so posledica mno`ice razli~nih radioaktivnih izotopov. Nekateri razpadajo hitro, drugi zelo po~asi mednje spada npr. plutonij. V vsaki jedrski elektrarni se ob rednih letnih vzdr`evalnih delih zamenja del gorivnih elementov. Iztro{eno gorivo gre v za~asno skladi{~e v jedrski elektrarni, kjer ostane zaradi svoje visoke radioaktivnosti vsaj leto dni, navadno pa nekaj let. Ti gorivni elementi gredo, potem ko se njihovo radioaktivno sevanje ustrezno zmanj{a, v ponovno predelavo ali v kon~no odlagali{~e za radioaktivne odpadke. Od jedrskega goriva 235 U ostane namre~ ~etrtina neporabljena. Pri ponovni pripravi goriva je ta preostanek goriva mogo~e lo~iti, prav tako tudi nastali plutonij. Oba kemi~na elementa sta primerna za pripravo novega goriva. Odlagali{~a za radioaktivne odpadke so razdeljena na: za~asna skladi{~a v jedrski elektrarni odlagali{~a za nizko- in srednjeradioaktivne odpadke (odpadki so radioaktivni ve~ desetletij, njihova razpolovna doba radioaktivnosti je 30 let) odlagali{~a za visokoradioaktivne odpadke (odpadki so radioaktivni ve~ stoletij). Vsaka jedrska elektrarna ima svoje za~asno skladi{~e, ki je na~rtovano in zgrajeno po ustreznih varnostnih predpisih in zadostuje za vse vrste odpadkov za dobo do 20 let. Prav tako je velika ve~ina dr`av re{ila problem skladi{~enja nizko- in srednjeradioaktivnih odpadkov, medtem ko problem skladi{~enja visokoradioaktivnih odpadkov zaradi ~asovno zelo dolgotrajnih raziskav doslej {e ni popolnoma re{en, kar pa ne pomeni, da tehni~no ni re{ljiv. Izbira mesta odlagali{~a za visokoradioaktivne odpadke je odvisna od {tevila jedrskih elektrarn, naseljenosti pokrajine, geolo{ke sestave tal, razpolaganja s primernimi opu{~enimi rudniki itn. Izbrano mora biti tako, da mo~no radioaktivni material v nobenem primeru ne more priti v stik z biosfero, dokler njegovo radiotoksi~no delovanje ne preneha. Klju~no vlogo igra pri tem mehanika tal. Za kon~no odlagali{~e visokoradioaktivnih odpadkov so primerne plasti kamene soli ali granit. Doslej so vse ~asovno dolgotrajne raziskave pokazale spodbudne rezultate. V Nem~iji trajajo na primer `e od leta 1965, razvita je tehnika skladi{~enja, dokon~no sta dolo~eni lokaciji: opu{~eni rudnik `elezove rude Konrad za vse vrste

144 144 JEDRSKA ELEKTRARNA IN OKOLJE nizko- in srednjeradioaktivnih odpadkov, ki ne razvijajo toplote, in opu{~eni rudnik kamene soli Gorleben za toplotno aktivne radioaktivne odpadke. V preglednicah 4.3 in 4.4 so zbrani zna~ilni radioaktivni odpadki iz jedrskih elektrarn. Preglednica 4.3. Nizko- in srednjeradioaktivni odpadki v jedrskih elektrarnah Vrste in izvor odpadkov Teko~inski odpadki Ostanki ~i{~enja primarne delovne snovi Filtrska go{~a ^istilne raztopine Ionske smole Gorljivi odpadki: Za{~itne obleke Rokavice Prevleke za ~evlje Umetne snovi, folije Filtri Negorljivi odpadki: Kovinski odpadki Kovinske posode Ostanki cevovodov Kontaminirano orodje Kabli in motorji Gradbeni odpadki Filtrske sve~e Na~in shranjevanja Izpirati, upariti do suhe poga~e ali izlo~iti aktivne snovi in cementirati preostanek Se`gati, pepel stisniti ali cementirati Razkosati in stisniti Cementirati v betonske ali lite posode Letna koli~ina za elektrarno 1300 MW(e) 70 m 3 (Koncentrat) 190 m 3 70 m 3 Preglednica 4.4. Dele` nizko-, srednje- in visokoradioaktivnih odpadkov v jedrskih elektrarnah Vrsta radioaktivnih odpadkov Volumenski dele` Dele` radioaktivnosti Nizko- in srednjeradioaktivni odpadki, brez zaostale toplote 95 % 1 % Visokoradioaktivni odpadki (izrabljeni gorivni elementi), tvorjenje zaostale toplote 5 % 99 % Preglednica 4.5. Naravno in {e dovoljeno radioaktivno sevanje na ~loveka. Letne ekvivalentne doze Ionizirno sevanje 2 7 msv/a 50 msv/a Opis Naravno in umetno povzro~eno radioaktivno sevanje na ~loveka (razli~no od pokrajine do pokrajine, Slovenija okoli 2,5 msv/a) Dovoljene vrednosti za osebe, ki so poklicno izpostavljene radioaktivnemu sevanju

145 4 JEDRSKE ELEKTRARNE Nezgode in nesre~e v jedrskih elektrarnah V preteklosti se je zgodilo ve~ nesre~ v jedrskih elektrarnah s po{kodbami jedrske sredice; med ve~jimi, ki so poznane javnosti, je treba omeniti: Calk River, Kanada (1947), Windscale, Velika Britanija (1951), Idaho, ZDA (1958), Lucens, [vica (1968), Three Mile Island, ZDA (1978) in ^ernobil, Rusija (1983). Reaktorska sredica je bila popolnoma uni~ena samo pri zadnjih dveh nesre~ah. Samo v primeru ^ernobila pa je sevanje v {irokem obsegu prodrlo v okolico in doseglo najve~je vrednosti 300 do 500 msv. Konstrukcija jedrskega reaktorja v ^ernobilu je v marsi~em posebna in je poznana samo v nekdanji Sovjetski zvezi: moderator je grafit, hladilna snov pa voda. Manjka na primer tla~na posoda in sistem za hitro izklapljanje delovanja reaktorja. Dinami~no obratovanje reaktorja je nestabilno {e posebej pri delnih obremenitvah; stabilnost obratovanja reaktorja ni odvisna od same zasnove reaktorja, ampak mora za njo skrbeti kompliciran regulacijski sistem. Nesre~o je povzro~ilo ~e od{tejemo te`ke napake, ki jih je zagre{ilo osebje bistveno pomanjkanje varnostnih in tehni~nih re{itev `e pri sami konstrukciji reaktorja. V preglednicah 4.5, 4.6 in 4.7 so zbrani nekateri podatki in vrednosti za sevanje in omenjene njihove posledice na ~loveka. Ionizirno sevanje do 0,5 Sv 0,8 1,2 Sv 1,3 1,7 Sv 1,8 2,6 Sv 2,7 3,3 Sv 4,0 5,0 Sv Preglednica 4.6. Nekatere orientacijske vrednosti delovanja ionizirnega sevanja na ~loveka Obolelost obsevanih in posledice Neznatne prehodne spremembe v krvi, drugih znakov ni Pri 5 % do 10 % vseh obsevanih en dan trajajo~e bruhanje, omotica in utrujenost Pri pribli`no 25 % obsevanih en dan trajajo~e bruhanje in omotica v povezavi z drugimi bolezenski simptomi zaradi sevanja; smrtni primeri niso pri~akovani Pri pribli`no 25 % obsevanih en dan trajajo~e bruhanje in omotica v povezavi z drugimi bolezenski simptomi zaradi sevanja; mogo~i so posamezni smrtni primeri Pri skoraj vseh obsevanih prvi dan bruhanje in omotica v povezavi z drugimi bolezenskimi simptomi zaradi sevanja; smrtnost pribli`no 20 % v 2 do 6 tednih Pri vseh obsevanih prvi dan bruhanje in omotica v povezavi z drugimi bolezenskimi simptomi zaradi sevanja; smrtnost pribli`no 50 % v enem mesecu, rekonvalescenca pre`ivelih pribli`no 6 mesecev Pri vseh obsevanih bruhanje in omotica v prvih 4 urah v povezavi z drugimi 5,5 7,7 Sv bolezenskimi simptomi zaradi sevanja; smrtnost skoraj 100 %, rekonvalescenca redkih pre`ivelih pribli`no 6 mesecev 10 Sv Pri vseh obsevanih bruhanje in omotica v 1 do 2 urah, verjetno ni pre`ivelih 50 Sv V hipu te`ka obolelost, smrt v enem tednu ^ernobilska nesre~a je postala pomemben mejnik in mnogi, ki so bili dotlej do uporabe jedrske energije brezbri`ni, so po nesre~i postali zagrizeni nasprotniki

146 146 JEDRSKA ELEKTRARNA IN OKOLJE uporabe te vrste energije v kakr{ne koli namene. Lai~na javnost je postala "po ^ernobilu" tako ~rnogleda, da mnenju in trditvam strokovnjakov, ki obvladujejo to podro~je, ne verjame. Preglednica 4.7. Mednarodna lestvica vrednotenja nenormalnih dogodkov v jedrskih elektrarnah Lestvica Vpliv sevanja zunaj postrojenja Vpliv sevanja v postrojenju Okrnjene varnostne mere Primeri 7 Najte`ja mo`na nesre~a (Major accident, katastrophaler Unfall) Katastrofalna sprostitev; velik vpliv na zdravje prebivalstva in na okolico ^ernobil, Rusija, Te`ka nesre~a (Serious accident, schwerer Unfall) Znatna sprostitev; popolno izvajanje za{~itnih ukrepov 5 Te`ja nesre~a (Accident with off-site risks, ernster Unfall) Omejena sprostitev; delno izvajanje za{~itnih ukrepov Te`ka po{kodba reaktorske sredice Windscale, V. Brit., 1957; TMI, ZDA, Nesre~a (Accident mainly in installation, Unfall) Manj{a sprostitev; izpostavljenost prebivalstva nekaj msv/osebo Delna po{kodba reaktorske sredice; zdrav. po{kodbe delavcev mogo~e St. Laurent, Francija, Resna nezgoda (Serious incident, ernster Störfall) Zelo majhna sprostitev; izpostavljenost prebivalstva nekaj desetink msv/osebo Ve~ja kontaminacija; nedovoljeno visoka izpostavljenost delavcev Skoraj nesre~a, popolna izguba stopenjskih varnostnih ukrepov Vandellos, [panija, Nezgoda (Incident, Störfall) Omejena izguba stopenjskih varnostnih ukrepov Izpad instrumentacije, Francija, Nepravilnost (Anomaly, Störung) Odmiki od dovoljenega obratovanja Zlom cevi v uparjalniku 0 Motnje, pod lestvico vrednotenja Brez pomena za varnost Avtomati~na zaustavitev obratovanja

147 4 JEDRSKE ELEKTRARNE Razgradnja Najpogostej{i vzroki za zaustavitev in razgradnjo jedrskih elektrarn so: obratovanje elektrarne je postalo negospodarno, postrojenje je tehni~no zastarelo, potrebna so velika in obse`na obnovitvena dela, bistveni deli postrojenja so na koncu dobe trajanja, obstajajo nepremostljivi administrativni problemi. Po svetu je bilo do konca leta 2001 zaustavljenih 95 jedrskih reaktorjev v 16 dr`avah, od tega okrog 20 % popolnoma razgrajenih, med njimi ve~ raziskovalnih, pri katerih je razgradnja {e posebej te`avna. ^e vzamemo obratovalno dobo jedrske elektrarne 40 let, potem bo treba po letu 2000 ustaviti pribli`no 100 in po letu 2010 {e nadaljnjih 200 reaktorjev. V ZDA je bilo doslej zaustavljenih 22, v Nem~iji 17, v Veliki Britaniji 12, v Kanadi in Franciji po 11 enot, v drugih dr`avah precej manj. Poskusna jedrska elektrarna Niederaichbach 100 MW v Nem~iji je bila razgrajena do "zelenice". Prostor nekdanjega reaktorja je mogo~e od leta 1995 naprej uporabljati brez kakr{nih koli radiolo{kih ali drugih omejitev. Od leta 1995 je v teku popolna razgradnja nekdanjega vzhodnonem{kega energetskega giganta JE Greifswald MW. Gre za ruske tla~novodne reaktorje VVER, projekt je sedaj najve~ja razgradnja kake jedrske elektrarne na svetu. Odstraniti je potrebno 1'800'000 ton `eleza, od tega 600'000 ton radioaktivnega materiala. Dela razgradnje do zelenice bodo trajala predvidoma 15 let in stala 1'800'000'000 EUR.

148 148 JEDRSKA ELEKTRARNA IN OKOLJE

149 5 PLINSKE ELEKTRARNE Poglavje obravnava elektrarne s plinsko turbino, ki kemi~no vezano energijo plinastih in teko~ih goriv s plinskim kro`nim procesom spreminjajo v sekundarno energijo v obliki elektri~ne energije. Prikazuje osnove delovanja, glavne zna~ilnosti in pomembnej{e sestavne dele plinskega turbinskega postroja ter vpliv elektrarne na okolje. Podpoglavje je namenjeno sestavljenemu plinsko-parnemu procesu. 5.1 Zna~ilnosti Plinske elektrarne so za~ele pridobivati pomen {ele v novej{em ~asu, ~eprav je prva plinska elektrarna na svetu Neuchatel, 4 MW, [vica, za~ela obratovati `e leta 1939 in je leta 1989 po 50 letih kot rezervna enota {e vedno uspe{no obratovala! Plinske elektrarne ne morejo nadomestiti klasi~nih in jedrskih elektrarn, pa~ pa jih zelo dobro dopolnjujejo, npr. pri pokrivanju dnevnih in letnih primanjkljajev elektri~ne energije. V posebnih razmerah, npr. pri pomanjkanju hladilne vode, pri cenenem gorivu ali pri slabem elektri~nem prenosnem omre`ju, pa so sodobni plinski postroji v vsakem pogledu konkuren~ni parnim postrojenjem. Postavitev plinske elektrarne zahteva za vgrajeni kilowat v nasprotju s klasi~nimi elektrarnami na fosilna goriva in jedrskimi elektrarnami manj{a investicijska in ve~ja obratovalna sredstva, najve~ji del pride na drago gorivo. Ve~ o tem je v poglavju o gospodarnosti elektrarn. Za plinske postroje so namre~ primerna le plinasta in teko~a goriva. V Sloveniji imamo plinski elektrarni v Brestanici, Trbovljah in v ljubljanski Energetiki.

150 150 TERMODINAMI^NE OSNOVE 5.2 Termodinami~ne osnove Plinski kro`ni proces Kro`ni proces poteka teoreti~no med dvema izentropama in dvema izobarama. Pri tem delovna snov navadno zrak v procesu ne spremeni agregatnega stanja. Osnovni kro`ni proces poteka v dveh strojih (plinska turbina in kompresor)in dveh napravah (gorilnik in okolica primerljiva s kondenzatorjem pri parnem kro`nem procesu). Kro`ni proces je navadno odprt (za primerjavo: parni kro`ni proces je vedno zaprt), zelo redko ima regenerativno gretje zraka (za primerjavo: parni kro`ni proces ima skoraj vedno regenerativno gretje napajalne vode). Slika 5.1 prikazuje enostavni plinski postroj z odprtim kro`nim procesom brez regenerativnega gretja zraka. Teoreti~ni plinski kro`ni proces v odprti izvedbi in z regenerativnim gretjem zraka (ki je dodano predvsem zaradi primerjave s parnim kro`nim procesom po sliki 3.2) ter shemo plinske elektrarne prikazuje slika 5.2. V takem procesu privzamemo v prvem pribli`anju izentropno kompresijo in ekspanzijo (brez notranjih nepovra~ljivosti)ter izobarni dovod in odvod toplote (brez preto~nih uporov). Idealni proces poteka takole: 1 2 s = konst., 1W 2 > 0, 1Q 2 = 0 dvig tlaka zraka s kompresorjem od za~etnega tlaka (pri odprtem kro`nem procesu je to tlak okolice) do tlaka v gorilniku; 2 3 p = konst., 2W 3 = 0, 2Q 3 > 0 regenerativno gretje stisnjenega zraka (najve~krat regeneracije ni); 3 4 p = konst., 3W 4 = 0, 3Q 4 > 0 gretje zraka (neposredno z zgorevanjem goriva v delovnem mediju zraku)v plinskem gorilniku; Slika 5.1. Enostavni plinski postrojz odprtim plinskim kro`nim procesom: A plinska turbina B gorilnik, C kompresor, ^ elektri~ni generator, D zagonski motor

151 5 PLINSKE ELEKTRARNE 151 Slika 5.2. Plinski kro`ni proces in shema plinskega postroja z odprtim kro`nim procesom 4 5 s = konst., 4W 5 < 0, 4Q 5 = 0 ekspanzija vro~ih plinov do za~etnega tlaka (pri odprtem plinskem procesu je to tlak okolice); 5 6 s = konst., 5W 6 = 0, 5Q 6 < 0 ohlajevanje izpu{nih plinov v regenerativnem grelniku.

152 152 TERMODINAMI^NE OSNOVE Dejanski plinski kro`ni proces se razlikuje od teoreti~nega. Kompresija ne poteka po izentropi, ampak zaradi upo{tevanja trenja po nepovra~ljivi adiabati, ki jo je mogo~e predstaviti kot politropo z (notranjim)dovodom toplote, n > κ. Enako velja tudi za ekspanzijo, medtem ko smemo tla~ne izgube zaradi kratkih razdalj pri dovodu toplote zanemariti. Plinski postroji z odprtim kro`nim procesom imajo v primerjavi s parnim postrojenjem nekaj velikih prednosti: kratek rok dobave majhen prostor za postavitev (plinski postroji: m 2 /MW, parna postrojenja enake mo~i: m 2 /MW) nizko specifi~no ceno [EUR/kW] (0,50 0,33 specifi~ne cene parnega postrojenja) kratek zagonski ~as (normalni ~as od zagona do celotne mo~i: min, v posebnih primerih: 5 min) ne potrebujejo hladilne vode za odvod toplote, ni pepela majhna lastna raba energije (< 1 %, ~e ne upo{tevamo dela za kompresor) enostavno upravljanje in malo zaposlenih. Plinski postroji z gorilniki imajo v primerjavi s parnim postrojenjem tudi nekaj pomanjkljivosti: Slika 5.3. Shema plinskega postroja z zaprtim kro`nim procesom

153 5 PLINSKE ELEKTRARNE 153 zahtevajo zelo kvalitetna goriva, kot so zemeljski plin ali lahko kurilno olje (pri drugih gorivih so potrebni predgrevalniki goriva, aditivi za zmanj{evanje visokotemperaturne korozije itd.); imajo slab{i termi~ni izkoristek in zaradi visokih temperatur imajo vro~i deli postroja omejeno trajnostno dobo. Poleg odprtega plinskega kro`nega procesa imamo {e zaprt kro`ni proces, slika 5.3, ki ga lahko primerjamo z enostavnim parnim procesom: kompresor pri plinskem postroju ustreza napajalni ~rpalki pri parnem postrojenju, plinski kotel parnemu, plinska turbina parni turbini in hladilnik kondenzatorju. Prednosti zaprtega plinskega postroja: delovna snov je lahko poljuben plin, na primer: zrak, ogljikov dvokis, helij, du{ik itd.; za kurjenje je mogo~e uporabljati kakr{nokoli gorivo; za~etni in z njim tudi delovni tlak je lahko vi{ji, s tem se zmanj{a specifi~na prostornina delovne snovi, kar vodi k manj{im dimenzijam strojev in naprav; regulacija mo~i turbine s spreminjanjem masnega toka in s tem bolj{i izkoristek postroja pri delnih obremenitvah. Ker je zaprt plinski postroj podoben enostavnemu parnemu postrojenju, so podobne tudi njegove pomanjkljivosti Mo~ in izkoristek Pri predpostavkah, da je delovna snov idealen plin, da se njene lastnosti v kro`nem procesu ne spreminjajo (c p = konst.), da vbrizgano gorivo ne pove~uje masnega toka in da ne spreminja kemi~ne sestave delovne snovi, da so tla~ne izgube v cevovodih in napravah med kompresorjem in turbino zanemarljive, velja po sliki 5.2: p1 = p5 (5.01) p2 = p4 (5.02) p κ ν = p κ ν (5.03) κ κ p4 ν 4 = p5 ν 5 p1 ν1 p ν R = = T T (5.04) (5.05) p2 p4 π = = (5.06) p1 p5 Iz obeh ena~b za izentropo, iz plinske ena~be za idealni plin ter definicije za tla~no razmerje π dobimo:

154 154 TERMODINAMI^NE OSNOVE π κ 1 κ T2 T = = T T (5.07) Prosta mo~, ki je na razpolago za pogon generatorja, je mo~ plinske turbine, zmanj{ana za mo~, ki je potrebna za pogon kompresorja, slika 5.2: P = P T P K = [ ] = [ ] = m& ( h h ) ( h h ) = mc & p ( T4 T5) ( T2 T1 ) (5.08) Mo~ kompresorja je v razmerju z mo~jo plinske turbine velika P K = (0,55 0,67)P T. Termi~ni izkoristek kro`nega procesa je razmerje med prosto mo~jo in dovedenim toplotnim tokom, pri tem vpliv regenerativnega gretja zraka zaradi enostavnosti prikaza ni upo{tevan: η t [ ] P m& ( h h ) ( h h ) = = Q& m& ( h h ) do 4 2 [ ] mc & p ( T T ) ( T T) = mc & ( T T ) p 4 2 ( h5 h1) = 1 = ( h h 2 ) 4 ( T5 T1) = 1 ( T T ) = (5.09) 4 2 Z upo{tevanjem ena~be (5.07) za tla~no razmerje dobimo: T1 T5 1 ηt = 1 = 1 = 1 (5.10) κ 1 T2 T4 κ π Dejanski izkoristek postroja je manj{i, saj je treba upo{tevati izkoristke zaradi nepopolnosti strojev: notranji izkoristek turbine η it in notranji izkoristek kompresorja η ik, mehanski izkoristek η m ter izkoristek morebitnega reduktorja η R.Z upo{tevanjem notranjega izkoristka turbine in kompresorja dobimo notranjo mo~ plinskega postroja, ~e pa to pomno`imo {e z mehanskim izkoristkom in izkoristkom reduktorja, dobimo dejansko mo~. 1 Pe = ηm ηit m& c p ( T T ) ηm m& 4 5 c p ( T2 T1) = η κ 1 = κ η η m &m c T4 1 1 p it 1 π 1 κ 1 T1 η κ ik π ik (5.11) Najve~jo dejansko mo~ plinskega postroja dobimo, ~e ena~bo odvajamo po spremenljivki π (κ 1)/κ in prvi odvod izena~imo z ni~, pri tem mora biti drugi odvod manj{i od ni~:

155 5 PLINSKE ELEKTRARNE 155 P π T = ηm mc p T & ηit 2( κ 1) T1 η = 0 (5.12) κ ik π e κ 1 1 κ Od tod je optimalno tla~no razmerje: κ κ π opt = ηit ηik 2( 1) T4 (5.13) T1 Pri znanih izkoristkih η m, η it in η ik ter pri danem temperaturnem razmerju (T 4 /T 1 ) je mogo~e izra~unati razmerje tlakov π, pri katerem je prosta mo~ plinskega postroja najve~ja. V temperaturnem razmerju (T 4 /T 1 )je vsebovana najvi{ja temperatura v kro`nem procesu in temperatura okolice. ^e bo v prihodnje uspelo strokovnjakom najti {e bolj{e materiale, se bo lahko povi{ala temperatura na vhodu v plinsko turbino T 4, in kot posledica tega se bo pove~al tudi izkoristek plinskega postroja. ^e upo{tevamo notranji izkoristek kompresorja, je potrebni dovedeni toplotni tok v kro`ni proces nekaj manj{i od teoreti~nega ( T 2 > T 2 ): mc & p ( T2 T1) η ik = mc & ( T T) p 2 1 (5.14) 1 T2 = ( T2 T1) + T1 (5.15) η ik Q& = m& c do p ( T T ) 4 2 = 1 = mc & p T4 ( T2 T1) T1 = η ik κ 1 T 4 1 = &m c p T κ 1 1 π 1 T1 ηik (5.16) Dejanski termi~ni izkoristek kro`nega procesa je razmerje med dejansko prosto mo~jo in dovedenim toplotnim tokom (zaradi enostavnosti prikaza brez upo{tevanja regenerativnega gretja zraka): η e η Pe = = ηm Q& do ik κ T4 1 κ ηit π κ 1 1 T1 κ π κ 1 T 4 κ η π ik 1 1 T (5.17)

156 156 TERMODINAMI^NE OSNOVE Slika 5.4. Dejanski izkoristek plinskega postroja v odvisnosti od tla~nega razmerja Najve~ji dejanski izkoristek izra~unamo, ~e ena~bo odvajamo po spremenljivki ( 1)/ κ in prvi odvod izena~imo z ni~, pri tem mora biti drugi odvod manj{i od π κ ni~: ηe = 0 (5.18) κ 1 κ π Rezultat je prikazan na sliki 5.4. Za primer, da so η m, η ik in η it = 1, velja `e znana ena~ba (5.10). Dejanski izkoristek plinskega kro`nega procesa je v tem teoreti~nem primeru samo funkcija tla~nega razmerja π in se neodvisno od temperaturnega razmerja (T 4 /T 1 ) asimptoti~no pribli`uje vrednosti ena. Z upo{tevanjem mehanskega izkoristka in obeh notranjih izkoristkov pa se razmere temeljito spremenijo: dejanski izkoristek raste le do dolo~ene meje, ki je odvisna od π in od (T 4 /T 1 ), nato pa za~ne padati. Poglejmo {e vpliv mo~i kompresorja na notranji izkoristek postroja. Razmi{ljanje velja tudi za parno postrojenje, le da imamo namesto kompresorja kotlovsko napajalno ~rpalko. Teoreti~na prosta mo~ postroja je podana z ena~bo (5.08), njegova notranja prosta mo~ pa je enaka: P Pi = PiT PiK = ηit PT η K ik (5.19)

157 5 PLINSKE ELEKTRARNE 157 Notranji izkoristek postroja: η i = η P P i = = it η it P PT η P P T K 1 P 1 ηik ηit P PK 1 P T K ik K T (5.20) ^e je potrebna mo~ za kompresor (ali napajalni ~rpalki)majhna (P K < P T )glede na mo~ plinske (ali parne) turbine, potem velja: lim ηi = ηit (5.21) P K / P T 0 Notranji izkoristek postroja se v tem primeru pribli`uje notranjemu izkoristku turbine! Razmere so popolnoma druga~ne, ~e je potrebna mo~ za kompresor (ali za napajalno ~rpalko) ve~ja glede na mo~ plinske (ali parne) turbine: lim ηi = 0 (5.22) PK / PT 1 Z nara{~ajo~im razmerjem (P K /P it )za~ne notranji izkoristek postroja η i hitro padati. Pri plinskem postroju je zato zelo pomembno, da sta notranja izkoristka Slika 5.5. Notranji izkoristek toplotnega postrojenja v odvisnosti od razmerja mo~i kompresorja/~rpalke in mo~i plinske/parne turbine: A parna postrojenja: P i^ /P it = (0,04 0,06), B plinski postroji: P ik /P it = (0,55 0,67)

158 158 TERMODINAMI^NE OSNOVE kompresorja in turbine ~im ve~ja. Primer: ~eprav sta notranja izkoristka turbine η it = 0,95 in kompresorja η ik = 0,90 zelo velika, je notranji izkoristek plinskega postroja samo η i 0,7, slika Izbolj{anje plinskega kro`nega procesa Izbolj{anje termi~nega izkoristka plinskega kro`nega procesa je mogo~e z zvi{evanjem srednje temperature dovoda toplote T mdo ali z zni`evanjem srednje temperature odvoda toplote T mod popolnoma enako kot pri parnem in drugih kro`nih procesih. V praksi so uveljavljeni naslednji tehni~ni ukrepi: zvi{evanje temperature plinov na vstopu v turbino regenerativno gretje delovne snovi ponovno gretje in/ali hlajenje delovne snovi dodajanje vode v plinski kro`ni proces povezovanje plinskega in parnega kro`nega procesa. Zvi{evanje temperature plinov na vstopu v turbino Srednjo temperaturo dovoda toplote T mdo lahko zvi{amo, tako da zvi{amo temperaturo delovne snovi na vhodu v turbino. Toploto dovajamo v zgorevalni komori z neposrednim zgorevanjem goriva v komprimiranem zraku. Temperatura na vstopu v turbino je omejena z obstojnostjo materialov, iz katerih so izdelani zgorevalna komora in vstopni deli trubine s prvo turbinsko stopnjo. Materiali morajo imeti razen velike temperaturne obstojnosti hkrati tudi visoko trajno dinami~no Slika 5.6. Zvi{evanje vstopne temperature plinov na vstopu v turbino

159 5 PLINSKE ELEKTRARNE 159 trdnost ter odpornost proti lezenju in oksidaciji. Nabolj obremenjene dele turbine, kot je prva turbinska stopnja, hladimo s hladnej{im zrakom ali paro. Zaradi temperature mejne plasti je povr{ina gonilne lopatice od 200 C do 300 C ni`ja od temperature plinov zunaj mejne plasti. Najbolj raz{irjeni tehniki hlajenja prve turbinske stopnje sta notranje (konvektivno)in zunanje (filmsko)hlajenje. Pogosto se v kombinaciji z zra~nim hlajenjem uporabljajo tudi kerami~ne prevleke, s ~imer se povi{a temperatura vstopnih plinov {e za nadaljnjih C. Na sliki 5.6. je prikazan pregled razvoja na podro~ju zvi{evanja temperature plinov na vstopu v turbino. Pri novej{ih plinskih turbinah je ta temperatura okrog 1500 C, tlak od 15 bar do 20 bar (pri izvedbah s ponovnim gretjem tudi do 32 bar), dejanski izkoristek pa od 34 % do 39 %. Vi{je temperature omejujejo dragi in premalo vzdr`ljivi materiali za prvi venec turbinskih lopatic. Regenerativno gretje delovne snovi Nadalje je mogo~e srednjo temperaturo dovoda toplote zvi{evati podobno kot pri parnem kro`nem procesu z regenerativnim gretjem delovne snovi v posebnem prenosniku toplote, ki izkori{~a toploto izpu{nih plinov iz plinske turbine. So~asno se s tem zni`uje srednja temperatura odvoda toplote. Slika 5.7 prikazuje regenerativno gretje pri plinskem kro`nem procesu, pri tem je izkori{~enost grelnika definirana s stopnjo regeneracije: T3 T2 ρ = (5.23) T T 5 2 Plinski kro`ni proces brez regeneracije: ρ = 0, T 3 = T 2 plinski kro`ni proces s popolno regeneracijo: ρ = 1, T 5 = T 3 prakti~ne vrednosti: 0,5 < ρ < 0,8 Slika 5.7. Princip regenerativnega gretja zraka pri plinskem kro`nem procesu

160 160 TERMODINAMI^NE OSNOVE Termi~ni izkoristek se z regeneracijo toplote pove~a: ( T T ) ( T T ) η i = ( T T ) ( T T ) ( T T ) > ( T T ) Za teoreti~ni primer popolne regeneracije velja: (5.24) T 5 = T 3 in T 6 = T 2 pri tem je termi~ni izkoristek: ( T2 T1) ( T2 T1) η t = 1 = 1 (5.25) ( T4 T3) ( T4 T5) Z upo{tevanjem ena~be (5.7) dobimo: κ 1 T1 T1 κ ηt = 1 = 1 π (5.26) T5 T4 Rezultate, izra~unane po tej ena~bi, prikazuje diagram, slika 5.8: termi~ni izkoristek nara{~a z nara{~ajo~o temperaturo delovne snovi na vstopu v turbino T 4 in pada z nara{~ajo~im tla~nim razmerjem π. ^e regeneracije nimamo, potem termi~ni izkoristek z nara{~ajo~im razmerjem π nara{~a, slika 5.4 (krivulja za η it, η ik, η m = 1). Dejansko ima regenerativni grelnik zraka kon~no veliko povr{ino (in ne neskon~no veliko), zato velja: T 5 > T 3 in T 6 > T 2 Slika 5.8. Termi~ni izkoristek plinskega kro`nega procesa s popolno regeneracijo v odvisnosti od tla~nega razmerja

161 5 PLINSKE ELEKTRARNE 161 Ponovno gretje in/ali hlajenje delovne snovi Nadaljnja mo`nost, da se izbolj{a termi~ni izkoristek plinskega kro`nega procesa, je ponovno gretje in/ali hlajenje delovne snovi, slika 5.9. Kompresija poteka v ve~ kompresorjih, za vsakim kompresorjem je potrebno hlajenje delovne snovi. Tudi ekspanzija poteka v ve~ turbinah, vsaka turbina ima svoj gorilnik. Gospodarsko upravi~eni sta le dve do tri stopnje; pri nadaljnjem pove~evanju stopenj se termi~ni izkoristek pove~uje vedno manj, plinski postroj postaja vse bolj kompliciran, manj zanesljiv v obratovanju, dra`ji in manj gospodaren. ^e je teh stopenj neskon~no, potem se tak proces pribli`a kro`nemu procesu, ki poteka med dvema izotermama Slika 5.9. Plinski kro`ni proces s ponovnim gretjem in ponovnim hlajenjem delovne snovi ter shema postroja

162 162 TERMODINAMI^NE OSNOVE in dvema izobarama. ^e je pri tem predvideno {e regenerativno gretje delovne snovi, potem postane termi~ni izkoristek enak Carnotovemu: η t Q od = 1 = 1 Qdo T T mod mdo (5.27) Delne izvedbe opisanega plinskega kro`nega procesa je `e mogo~e najti pri sodobnih plinskih postrojih. Dodajanje vode v plinski kro`ni proces Izbolj{anje termi~nega izkoristka plinskega kro`nega procesa je mogo~e dose~i tudi na druge na~ine, ki so se pojavili v najnovej{em ~asu, niso pa {e vsi zreli za prakti~no uporabo. Predvsem gre razvoj plinskih postrojev v smeri zvi{evanja temperature dovoda toplote in v smeri vbrizgavanja vode ali vodne pare v kro`ni plinski proces. Poznane so razli~ne mo`nosti vbrizgavanja vode: vbrizgavanje vodne pare v gorilnik razpr{evanje vode v kompresor vla`enje zraka pred kompresorjem. Vbrizgavanje vodne pare v gorilnik Slika 5.10 prikazuje shemo odprtega plinskega postroja z neposrednim vbrizgavanjem vodne pare v gorilnik. Navadno se uporablja pri tem standardne plinske turbine, zato koli~ina vbrizgane vode ne presega 7 % koli~ine delovne snovi. Tako se pove~a mo~ plinske turbine, so~asno se hladi prvi venec turbinskih lopatic. Zaradi ni`jih temperatur v gorilniku, ki so posledica vbrizgavanja vode, se bistveno zmanj{uje tudi tvorjenje du{ikovih oksidov. V Termoelektrarni Brestanica obratujeta dva taka sodobna plinska postroja elektri~ne mo~i MW. Z dovajanjem vode v kro`ni proces se delovni snovi ob~utno pove~a specifi~na entalpija, kar ima za posledico `e omenjeno pove~anje mo~i, toda po drugi strani se pove~a tudi entalpija izstopnih plinov. Taka postrojenja imajo navadno prigrajen regenerativni prenosnik toplote, slika Vbrizgana para se z izpu{nimi plini izgublja v okolico, zato jo je potrebno nadome{~ati s sve`o, kemi~no pripravljeno. Del vode iz izpu{nih plinov lahko v dodatnem prenosniku kondenziramo in vrnemo v proces. Razpr{evanje vode v kompresor Pri postroju s ponovnim hlajenjem delovne snovi zni`ujemo temperaturo odvoda toplote in s tem pove~ujemo termi~ni izkoristek. Izvedba tak{ne re{itve pove~uje in podra`i postroj ter zmanj{uje zanesljivost obratovanja. Funkcijo vmesnega hlajenja in pove~evanja specifi~ne toplote plinov zdru`imo z razpr{evanjem vode med posamezne kompresorske stopnje. Tak{na kompresija se pribli`uje izotermni in omogo~a ve~ja tla~na razmerja ter bolj{e izkori{~anje regeneracije toplote, slika 5.11.

163 5 PLINSKE ELEKTRARNE 163 Slika Plinski kro`ni proces z vbrizgavanjem vodne pare v gorilnik Slika Plinski kro`ni proces z razpr{evanjem vode v kompresor Vla`enje zraka pred kompresorjem Najenostavnej{a re{itev, ki omogo~a uporabo `e obstoje~ih plinskih postrojev, je vla`enje zraka pred vstopom v kompresor, kot je prikazano na sliki Pri tak{ni izvedbi vla`enja je pomembno zmanj{evanje vstopnih preto~nih uporov v vla`ilniku in izlo~evanje kapljic pred vstopom v kompresor. Pri obstoje~ih plinskih turbinah se tako pove~a prosta mo~ do 3,5 %. Kemi~no pripravljena voda, ki se dodaja zraku, se z dimnimi plini odvaja iz procesa in jo je treba nadome{~ati z novo, kar podra`i obratovanje.

164 164 TERMODINAMI^NE OSNOVE Slika Plinski kro`ni proces z vla`enjem zraka pred vstopom v kompresor Primer sodobnega izbolj{anja plinskega kro`nega procesa Razvoj sodobnih plinskih postrojev vodi v izvedbe turbin, ki dopu{~ajo dodajanje vode, ki presega 20 % koli~ine delovne snovi. Nasprotno od plinsko-parnega postrojenja samostojna parna turbina ni ve~ potrebna, so~asno pa so izpu{ni plini iz take enovite plinsko-parne turbine ohlajeni na temperaturo, ki je primerljiva s temperaturo dimnih plinov iz parnih kotlov. Razen tega odlikuje tak{en enovit proces enostaven in hiter zagon ter {irok razpon obratovanja. Slika 5.13 prikazuje shemo, slika 5.14 pa T s-diagram plinske termoelektrane, ki ima vse zna~ilnosti klasi~nega plinsko-parnega postrojenja, vendar pa samo enovito plinsko-parno turbino. Zrak iz okolice se komprimira v dveh kompresorjih (A1 in A2), vsaka stopnja ima prigrajen prenosnik toplote (B1 in B2), ki hladi komprimirani zrak, da se kompresija ~im bolj pribli`a izotermni kompresiji. Ohlajen zrak se v posebnem vla`ilniku (C)segreje z vodo in navla`i tako, da je dose`ena najve~ja mogo~a relativna vla`nost ϕ = 1. Komprimiran in delno segret zrak se nato v regenerativnem grelniku zraka (^)pred vstopom v gorilnik (D){e dodatno segreje in nato ekspandira v enoviti plinsko-parni turbini (E). Izpu{ni plini oddajo svojo toploto v regenerativnem grelniku zraka (^), ki je bil `e omenjen, in nato {e v regenerativnem grelniku vode (F). V posebnem lo~evalniku (G) oddajo kondenzat in nato ohlajeni in osu{eni vstopajo skozi dimnik (H)v okolico. Voda, ki mora biti kemi~no ustrezno pripravljena, se zbira v rezervoarju kondenzata (I). ^rpalki (J1 in J2)ga tla~ita v dveh lo~enih vejah v `e omenjeni vla`ilnik komprimiranega zraka (C).

165 5 PLINSKE ELEKTRARNE 165 Slika Plinsko postrojenje z vbrizgavanjem velike koli~ine vode: A kompresorja, B hladilnika zraka, C vla`ilnik zraka, ^ grelnik zraka, D gorilnik, E plinsko-parna turbina, F grelnik kondenzata, G hladilnik zraka in izlo~evalnik kondenzata, H dimnik, I rezervoar kondenzata, J kondenzatni ~rpalki Legenda: p / bar h / (kj/kg) &m / (kg/s) T / C Izra~uni so pokazali, da je s takim postrojenjem mogo~e dose~i {e bolj{i skupni izkoristek kot pa s klasi~nim plinsko-parnim postrojenjem. Prav tako ka`ejo ekonomski izra~uni, da so stro{ki postavitve takega postrojenja primerljivi s stro{ki postavitve klasi~nega plinsko-parnega postrojenja. Povezovanje plinskega in parnega kro`nega procesa Srednjo temperaturo odvoda toplote iz procesa lahko zni`amo tudi tako, da izpu{ne pline iz plinske turbine vodimo v prenosnik toplote utilizator, kjer toploto koristno uporabimo za gretje in uparjanje neke druge delovne snovi, navadno vode. Vodno paro uporabimo najve~krat za parni kro`ni proces. Tak plinsko-parni proces je zaradi pomembnosti obravnavan v posebnem poglavju.

166 166 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika T s-diagram plinskega postrojenja z vbrizgavanjem velike koli~ine vode 5.3 Glavni sestavni deli Gorilniki Pri odprtem plinskem procesu ima gorilnik enako funkcijo kot parni kotel pri parnem procesu: dovod toplote v kro`ni proces. V rabi sta dve vrsti gorilnikov: ve~ manj{ih gorilnikov, nanizanih okrog plinske turbine (obro~asti gorilnik), slika 5.15 levo, podobno kot je to pri letalskih potisnikih in skupni gorilnik v valjasti obliki, postavljen pokon~no ob plinski postroj, slika 5.15 desno. V gorilniku zgoreva razpr{eno teko~e ali plinasto gorivo. Sam zgorevalni proces je druga~en kot pri parnem kotlu: pri kotlu se koli~ina zraka prilagaja gorivu, pri gorilniku je nasprotno: koli~ina zraka se med obratovanjem ne spreminja bistveno. V parnem kotlu mora biti razmernik zraka ~im ni`ji λ = 1,05 1,5, v gorilniku plinske turbine pa je mnogo vi{ji λ = 2 4. Dovajamo samo toliko goriva, da je dose`ena temperatura zgorevanja, koli~ina goriva pa je glede na tok zraka majhna. Visoke temperature povzro~ajo disociacijo zgorelih plinov, s tem pa pospe{eno tvorjenje du{ikovih oksidov in poleg mehanske tudi veliko toplotno obremenitev prvega venca turbinskih lopatic. Zra~ni tok je v gorilniku razdeljen; manj{i del (λ = 1,0 1,5)zraka se me{a z gorivom v zgorevalnem prostoru gorilnika, ve~ji del zraka pa te~e ob notranjem pla{~u in ga hladi, zgorelim plinom pa se pridru`i {ele po kon~anem zgorevanju. Zgorevalni prostor je majhen, kar pomeni, da je

167 5 PLINSKE ELEKTRARNE 167 Slika Gorilnik za plinsko turbino: levo obro~asti gorilnik; desno skupni gorilnik: A dovod goriva, B dovod zraka, C v`igalna naprava, ^ {oba za gorivo, D notranji pla{~, E zunanji pla{~, F odprtine za me{alni zrak, G izhod vro~ih plinov toplotna obremenitev prostora visoka; pri parnih kotlih je ta obremenitev 0,1 0,9 MW/m 3, medtem ko je pri gorilnikih za plinske turbine MW/m 3. Plini se v plinskem postroju vedejo skoraj kot idealni plini, temperaturo zgorevanja je mogo~e dobro dolo~iti s h T-diagramom za dimne pline. Z zgorevanjem goriva spro{~ena toplota preide skoraj popolnoma na vro~i zrak, toplotne izgube v okolico so zanemarljivo majhne. Vse nepopolnosti zgorevanja so upo{tevane z izkoristkom gorilnika, ki je: η Go = 0,96 0,99. Toplotni tok & Q do, ki ga z gorivom dovajamo delovni snovi, je: Q& m& do = ηgo Go H i (5.28) Plinske turbine Za plinske turbine veljajo iste zakonitosti kot za parne. Tudi plinska turbina je stroj, v katerem se na majhnem prostoru in v kratkem ~asu pretvori veliko toplote v mehansko delo. Lastnosti delovne snovi so seveda druga~ne, druga~ne so tudi termodinami~ne veli~ine na vstopu in izstopu iz turbine. Plinske turbine z odprtim kro`nim procesom imajo na razpolago polovico manj{o specifi~no entalpijsko razliko kot parne, prav tako je specifi~na toplota zraka polovico manj{a od specifi~ne toplote vodne pare, medtem ko so temperaturne razlike pri plinski (npr C 540 C = 660 K)in pri parni turbini (na primer: 560 C 33 C = 527 K)

168 168 GLAVNI SESTAVNI DELI v enakem velikostnem redu. Glede na to potrebuje plinska turbina za enako notranjo mo~ dvakrat ve~ji masni tok delovne snovi kot parna turbina. ^e pa upo{tevamo, da je koristna mo~ plinskega postroja le okrog 1/2 do 1/3 mo~i turbine, potem so masni tokovi plinskega postroja v razmerju z masnimi tokovi parnega postrojenja enake mo~i v razmerju 5 : 1. Kljub temu pa imamo pri plinskih turbinah manj te`av s preto~nimi prerezi, saj se specifi~na prostornina plina pri toku skozi turbino spreminja precej manj kot pa specifi~na prostornina vodne pare. Bolj{e lastnosti kot zrak ima helij. Njegova specifi~na toplota je 5-krat, zvo~na hitrost 3-krat in toplotna prehodnost 2-krat ve~ja kot pri zraku. Zaradi tega so dimenzije plinske turbine in prenosnikov toplote za helij pri enaki mo~i precej manj{e kot pri zraku. Plinski postroji z helijem so zaprti, v uporabi so na primer pri plinsko hlajenih jedrskih reaktorjih. Preglednica 5.1. prikazuje primerjavo nekaterih zna~ilnih pokazateljev za plinsko in parno turbino. Preglednica 5.1. Zna~ilna razmerja med vstopnimi in izstopnimi veli~inami za plinsko turbino z odprtim procesom in za kondenzacijsko parno turbino, oznake po sl. 5.2 Razmerje Plinska turbina Parna turbina p 4 : p 5 16 : : 1 T 4 : T 5 2,2 : 1 17 : 1 v 4 : v 5 1 : 8,5 1 : 1475 Mo~ plinskega postroja z odprtim kro`nim procesom je najenostavnej{e krmiliti s spreminjanjem vstopne temperature v turbino. Ta regulacija se imenuje temperaturna regulacija. To dose`emo s spreminjanjem koli~ine goriva, medtem ko ostane masni tok zraka nespremenjen, slika Mo~ kompresorja je konstantna, spreminja se samo mo~ plinske turbine in s tem prosta mo~ postroja. Pri sodobnih postrojih pa je mo~ postroja mo`no krmiliti s kombinacijo spreminjanja pretoka in vstopne temperature plinov v plinsko turbino. Govorimo o kombinirani koli~inski in temperaturni regulaciji. Pretok se spreminja s spreminjanjem vrtilne hitrosti in so~asnim nastavljanjem polo`aja (kota)vodilnih lopatic v prvih stopnjah kompresorja, vstopna temperatura v turbino pa s koli~ino goriva. Navadno je vstopna temperatura plinov v turbino enaka imenski in je pri delnih obremenitvah (vse do 40 % imenske mo~i)regulirana s pretokom zraka skozi kompresor. Nadaljnje zmanj{anje mo~i je mogo~e dose~i le {e z zni`evanjem temperature plinov, saj masnega toka zaradi nestabilnega delovanja kompresorja ni ve~ mogo~e zmanj{evati. Na tem primeru vidimo, da morata biti obratovalni karakteristiki turbine in kompresorja med seboj ugla{eni. Mo~ plinskega postroja z zaprtim kro`nim procesom se menja enako kot pri parnih in pri vodnih postrojenjih s spreminjanjem masnega toka v plinski turbini, medtem ko ostaneta temperatura in tlak nespremenjena. Ta regulacija se imenuje koli~inska regulacija.

169 5 PLINSKE ELEKTRARNE 169 Slika Temperaturna regulacija mo~i plinske turbine Plinske turbine imajo vedno polni natok, regulacijska stopnja ni potrebna, saj mo~ menjamo s spreminjanjem dovoda goriva. Tako niso potrebni regulacijski ventili. Plinske turbine imajo malo stopenj, najve~krat tri do pet, njihov notranji izkoristek je velik: η it = 0,89 0,94. Plinske turbine imajo {e veliko razvojnih mo`nosti, njihov pomen se bo v prihodnje {e krepil Kompresorji Za plinske turbine velja: velike preto~ne koli~ine delovne snovi in srednji tlaki. Tej zahtevi ustrezajo ve~stopenjski aksialni turbinski kompresorji, ki so po svoji zgradbi podobni nadtla~nim turbinam. Vendar pa v kompresorski stopnji zaradi pojemajo~ega relativnega toka ni mogo~e dose~i tako velikih tla~nih razmerij kot v turbinski stopnji. V plinskem postroju je zato bistveno ve~ kompresorskih stopenj kot v turbinskih, kompresor je zato tudi konstrukcijsko ve~ji od plinske turbine. Ker so s {tevilom stopenj kompresorja povezane notranje izgube, gre razvoj aksialnih kompresorjev predvsem v smeri pove~evanja tla~nih razmerij kompresorske stopnje π St. Sodobni kompresorji obratujejo pri nadkriti~nih relativnih Machovih {tevilih, imajo prostorsko oblikovane lopatice in nastavljivi kot lopatic v prvih vencih vodilnika. Tla~na razmerja v kompresorski stopnji so π St = 1,5 in ve~ in notranji izkoristek celotnega kompresorja je η ik = 0,9, slika Pri malih plinskih turbinah pridejo v po{tev tudi radialni turbinski kompresorji, ki so mnogo enostavnej{i in cenej{i.

170 170 GLAVNI SESTAVNI DELI Slika Primerjava velikosti aksialnih kompresorjev za enako celotno tla~no razmerje in enak masni tok Regenerativni grelniki Namen regenerativnega gretja delovne snovi je enak kot pri parnih postrojenjih, namre~: izbolj{ati termi~ni izkoristek. V rabi so cevni in pla{~ni prenosniki toplote. Pri cevnih prenosnikih te~ejo izpu{ni plini iz plinske turbine skozi cevi premera okrog 25 mm, medtem ko te~e delovna snov, ki jo `elimo ogreti, okrog cevi, slika Toplotni prera~un je enostaven, saj imamo na eni in na drugi strani prenosnika toplote delovno snov skoraj enakih lastnosti, prav tako sta na obeh straneh skoraj enaki preto~ni koli~ini. Ker je toplotna prehodnost pri plinih nizka k = (60 120) W/(m 2 K), mora imeti regenerativni grelnik veliko ogrevalno povr{ino, zato je treba skrbno prera~unati, kdaj je tak prenosnik toplote sploh gospodarsko upravi~en. Temperatura stisnjenih plinov iz kompresorja je okrog 300 C, zato izpu{nih plinov iz plinske turbine ni mogo~e ohladiti dosti pod to temperaturo. Temperaturo teh izpu{nih plinov je mogo~e zni`ati na 150 C do 90 C (odvisno od vsebnosti `vepla

171 5 PLINSKE ELEKTRARNE 171 Slika Regenerativni grelnik: A vstop zraka, B izstop zraka, C vstop izpu{nih plinov iz turbine, ^ izstop izpu{nih plinov iz turbine v gorivu)samo, ~e z njimi grejemo neko drugo delovno snov zunaj plinskega kro`nega procesa. 5.4 Plinsko-parni proces Pri odprtem plinskem kro`nem procesu se kon~a ekspanzija izpu{nih plinov pri temperaturah, pri katerih se pri parnem kro`nem procesu ekspanzija pare {ele za~enja. Zato je razumljivo, da prina{a povezava obeh kro`nih procesov v sestavljeni plinsko-parni proces ob~utno izbolj{anje termi~nega in s tem celotnega izkoristka. V takem sestavljenem postrojenju se namre~ toplota dovaja pri vi{ji srednji temperaturi kot pri enostavnem parnem kro`nem procesu. Prav tako se odvaja toplota iz sestavljenega postrojenja pri ni`ji srednji temperaturi, kot je pri enostavnem plinskem kro`nem procesu. Sestavljeno plinsko-parno postrojenje mora seveda delovati, ~etudi preneha obratovati parni del, zato je regulacija takega postrojenja obse`na in draga. Sodobni plinsko-parni procesi dosegajo izkoristke nad 55 %, toda prigraditev parnega procesa plinskemu je draga, parni proces

172 172 PLINSKO-PARNI PROCES pomeni namre~ do 2/3 investicijskih stro{kov celotne investicije, ustvari pa le 1/3 dodatne elektri~ne mo~i. Pri sestavljenem plinsko-parnem postrojenju te~ejo izpu{ni plini iz plinske turbine v poseben prenosnik toplote utilizator. Izpu{ni plini v utilizatorju dogrevajo, uparjajo in pregrevajo napajalno vodo v parnem procesu. ^e plini iz plinske turbine nimajo dovolj visoke temperature, je utilizatorju prigrajen gorilnik za dogrevanje teh plinov. S tem se lahko pove~a skupni izkoristek, obenem pa se dra`i postrojenje. Napajalna voda iz parnega procesa te~e enako kot pri parnih kotlih v ceveh utilizatorja v eni, dveh ali treh razli~nih tla~nih stopnjah, izpu{ni plini iz plinske turbine pa v protismeri okrog cevi. Tako plinsko-parno postrojenje obratuje v Termoelektrarni Brestanica od leta Postavitev sestavljenega plinskoparnega postrojenja je tedaj pomenila lep tehni~ni dose`ek, danes pa je postrojenje zastarelo. Izpu{ne pline iz plinske turbine pa je v splo{nem mogo~e koristno uporabiti na ve~ na~inov: Ekspandirani plini so bogati s kisikom in se lahko rabijo kot predgreti zrak pri zgorevanju fosilnih goriv v parnih kotlih; s tem se ob~utno pove~a izkoristek postrojenja. Delno ekspandirani plini se lahko rabijo kot komprimirani in predgreti zrak pri zgorevanju fosilnih goriv v parnih kotlih, ki delujejo pri vi{jih tlakih od atmosferskega; ta mo`nost je na primer zanimiva pri tla~nem zgorevanju v parnih kotlih na lebde~o plast. Ekspandirani plini se uporabljajo za regenerativno gretje parnega kro`nega procesa; ta ukrep je gospodaren zlasti pri posodabljanju `e obstoje~ih velikih parnih postrojenj. Govorimo o parnem kro`nem procesu s prigrajenim plinskim kro`nim procesom. Ekspandirani plini imajo visoko temperaturo, zato se najve~krat uporabljajo v utilizatorju za proizvodnjo pare za pogon parne turbine, manjkrat za proizvodnjo pare v razli~nih tehnolo{kih procesih. Govorimo o plinskem kro`nem procesu s prigrajenim parnim kro`nim procesom.

173 5 PLINSKE ELEKTRARNE Plinski kro`ni proces s prigrajenim parnim kro`nim procesom Toplota se z izpu{nih plinov iz plinskega kro`nega procesa prena{a na parnega v utilizatorju. Temperaturne razmere v enostavnem, enostopenjskem utilizatorju prikazuje slika 5.19, shemo sestavljenega plinsko-parnega procesa pa slika Kon~no so v preglednici 5.2 navedene {e izkustvene vrednosti za najmanj{e temperaturne razlike med izpu{nimi plini in vodo oz. vodno paro. Preglednica 5.2. Pribli`ne vrednosti za temperaturne razlike v utilizatorju med izpu{nimi plini ter vodo oz. vodno paro Temperatura T min / C izpu{nih plinov Gladke cevi Rebri~aste cevi T α / C C C Slika Potek temperatur v enostopenjskem utilizatorju

174 174 PLINSKO-PARNI PROCES Slika Plinsko-parni proces in shema plinsko-parnega postrojenja V enostopenjskem utilizatorju poteka dovod toplote v eni tla~ni stopnji, zato je temperaturna razlika in z njo povezane nepovra~ljivosti pri prenosu toplote relativno velika; ~rtkano podro~je na sliki Sodobni utilizatorji so zato izvedeni tako, da poteka uparjanje v dveh ali treh tla~nih stopnjah, s ~imer se zmanj{a temperaturna razlika pri prenosu toplote in pove~a termi~ni izkoristek procesa. Temperaturne razmere v tristopenjskem utilizatorju so prikazane na sliki 5.21, shema pa na sliki Kot je razvidno s slike 5.22, se masni tok pare od visokotla~ne do nizkotla~ne parne turbine pove~uje, zato mora biti nizkotla~ni del parne turbine ve~ji kot pri primerljivih klasi~nih odjemno-kondenzacijskih turbinah.

175 5 PLINSKE ELEKTRARNE 175 Slika Temperaturne razmere v tristopenjskem utilizatorju: A nizkotla~ni grelnik; B nizkotla~ni uparjalnik; C nizkotla~ni pregrevalnik; ^ srednjetla~ni grelnik; D srednjetla~ni uparjalnik; E srednjetla~ni pregrevalnik; F visokotla~ni grelnik; G visokotla~ni uparjalnik; H visokotla~ni pregrevalnik Podobno kot se izra~unava termi~ni izkoristek plinskega ali parnega kro`nega procesa, je mogo~e izra~unati tudi termi~ni izkoristek sestavljenega plinskoparnega procesa. Izkoristek je tudi v tem primeru enak razmerju med prosto mo~jo in dovedenim toplotnim tokom: W + W P1 Pa η t = Qdo W = Q P1 dop1 + W + Q Pa dopa P = Q + P P = P1 Pa P1 Pa & dop1 + Q& d opa do + P (5.29) Q & V splo{nem dovajamo gorivo posebej za plinski in posebej za parni del postrojenja. ^e imajo izpu{ni plini iz plinske turbine dovolj visoko temperaturo, dodatno gorivo za parni del ni potrebno: Q & dopa = 0 Termi~ni izkoristek plinskega kro`nega procesa: η t P P1 = = Q& dop1 Q Q & & dop1 odp1 Q& dop1 (5.30) Izkoristek utilizatorja: Q& dop1 + Q& dopa Q& DP η U = (5.31) Q& odp1 + Q& dopa pri tem so Q & DP toplotne izgube izpu{nih plinov, ki gredo iz utilizatorja v okolico.

176 176 PLINSKO-PARNI PROCES Slika Kombinirani plinsko-parni kro`ni proces s tristopenjskim utilizatorjem: A nizkotla~ni grelnik; B nizkotla~ni uparjalnik; C nizkotla~ni pregrevalnik; ^ srednjetla~ni grelnik; D srednjetla~ni uparjalnik; E srednjetla~ni pregrevalnik; F visokotla~ni grelnik; G visokotla~ni uparjalnik; H visokotla~ni pregrevalnik Termi~ni izkoristek parnega kro`nega procesa z upo{tevanjem izkoristka utilizatorja: η tpa PPa PPa = = Q & + Q & Q & ( Q & + Q & ) η odp1 dopa DP Glede na ena~bo (5.29) velja: odp1 dopa U (5.32) Q = Q Q & & & dopa do dop1 (5.33) Iz ena~be (5.30) dobimo: P = η Q& P1 tp1 dop1 (5.34)

177 5 PLINSKE ELEKTRARNE 177 Q = Q η Q & & & odp1 dop1 tp1 dop1 Iz ena~b (5.32), (5.33) in (5.35) izhaja: P = η η ( Q & + Q & ) = Pa tpa U odp1 dop1 = η η ( Q & η Q & + Q & Q & ) = tpa U dop1 tp1 dop1 do dop1 (5.35) = η η Q& η η η Q & (5.36) tpa U do tpa tp1 U dop1 ^e vstavimo ena~bi (5.34)in (5.36)v osnovno ena~bo za izkoristek plinskoparnega procesa, ena~ba (5.29), dobimo: Q& dop1 Q& ηt = ηtp1 + ηtpa ηu ηtpa ηtp1 ηu Q& Q& do Q& ηt = ηtpa ηu + ηtp1 ( 1 ηtpa ηu ) Q& dop1 do dop1 do (5.37) Za sestavljeno plinsko-parno postrojenje, kjer so znani izkoristki η tpa, η tp1 in η U, nara{~a termi~ni izkoristek η t premo sorazmerno z razmerjem Q & dop1 / Q & do in dose`e maksimum pri Q & dop1 / Q & do = 1. Do tega pride, ~e dogrevanje izpu{nih plinov iz plin- Slika Izkoristki razli~nih plinskih in parnih procesov (lastna raba upo- {tevana): A Carnotov izkoristek kro`nega procesa, B tla~novodni in vrelni jedrski reaktor, C parni proces z upo{tevanjem ~istilnih naprav, ^ zgorevanje v lebde~i plasti pri vi{jih tlakih, D plinsko-parni proces, E pra{nato zgorevanje pri vi{jih tlakih, F integrirani plinsko-parni proces z vplinjanjem premoga, G plinski proces

178 178 PLINSKO-PARNI PROCES ske turbine ni potrebno. Iz ena~be (5.31)je nadalje razvidno, da sta izkoristek utilizatorja in dogrevanje izpu{nih plinov med seboj povezani veli~ini. K dobrem termi~nem izkoristku sestavljenega postrojenja prispevata najve~ visok izkoristek parnega kro`nega procesa η tpa in izkoristek utilizatorja η U. Drugi del ena~be (5.37)je zmno`ek ve~ veli~in, od katerih so tri vedno manj{e od ena, zato je prispevek drugega dela te ena~be manj{i. Nadalje je iz ena~be razvidno, da nara{~a η t linearno z η tpl. V nadaljevanju so navedene {e mejne vrednosti za ena~bo (5.29). Enostavni plinski proces, brez parnega: &Q dopa = 0 & Q do = & Q dopa η tpa = 0 η t = η tpl Enostavni parni proces, brez plinskega: &Q dop1 = 0 & Q do = & Q dop1 η tpl = 0 η t = η tpa Plinsko-parni proces brez dogrevanja izpu{nih plinov, ena~ba (5.37) se poenostavi: &Q dopa = 0 & Q do = & Q dopa η U = 0 η t = η tpa + η tpl η tpa η tpl (5.38) Dejanski izkoristek sestavljenega plinsko-parnega postrojenja η e, kjer so upo{tevane povpre~ne letne vrednosti in tudi vsi drugi izkoristki, je seveda manj{i, vendar je `e dosegel vrednosti η e = 0,6. Zaradi velikega izkoristka se sestavljenemu plinsko-parnemu procesu obeta lepa prihodnost, slika Parni kro`ni proces s prigrajenim plinskim kro`nim procesom Toploto izpu{nih plinov je mogo~e uporabiti tudi za regenerativno gretje napajalne vode v parnem kro`nem procesu. V tem primeru je treba za enako mo~ parne turbine proizvesti manj pare v parnem kotlu, saj so odjemi iz parne turbine za regenerativno gretje zaprti in vsa para ekspandira do stanja v kondenzatorju. Izpu{ne pline iz plinskega procesa je mogo~e ohlajati do temperature 80 C, zato je regeneracija toplote u~inkovita. Plinski del postrojenja se lahko prigradi obstoje~i klasi~ni termoelektrarni z relativno nizkimi stro{ki, pri ~emer se pove~a mo~ postrojenja do 50 % in izbolj{a izkoristek do 8 %. V primeru izpada kateregakoli od obeh delov postrojenja drugi obratuje samostojno. Slika 5.24 prikazuje shemo takega postrojenja. Plini iz plinske turbine oddajo pri ohlajanju toploto (povr{ina pod krivuljo 4-5-6) napajalni vodi parnega kro`nega procesa (povr{ina pod krivuljo ). V T-s-diagramu na sliki 5.24 se povr{ini pod omenjenima krivuljama kljub enakosti prene{enih toplotnih tokov ne ujemata zaradi razlik v masnih tokovih in specifi~nih toplotah delovnih snovi (plin, voda) v obeh kro`nih procesih.

179 5 PLINSKE ELEKTRARNE 179 Slika Plinsko-parni proces in shema plinsko-parnega postrojenja

180 180 PLINSKA ELEKTRARNA IN OKOLJE 5.5 Plinska elektrarna in okolje Plinske termoelektrarne {e desetletja ne bodo izgubile svoje pomembnosti, enako kot ne bodo izgubile pomembnosti klasi~ne in jedrske termoelektrarne. Razvoj plinskih termoelektrarn gre v smeri vi{jih parametrov delovne snovi in s tem predvsem v smeri iskanja ustreznih materialov za prvo stopnjo turbinskih lopatic, ki morajo zdr`ati temperaturo 1400 C in ve~. Pri~akovati pa je mogo~e tudi ve~ izbolj{av samega plinskega kro`nega procesa, ki so danes {e v povojih. Bistveno se bo pove~al izkoristek postrojenja, {e naprej se bo ve~ala tudi elektri~na mo~. Plinski postroji imajo prihodnost predvsem v povezavi s parnimi postrojenji, kjer je prav tako mogo~e pri~akovati {e nove tehni~ne re{itve. Cilj vseh teh tehni~nih naporov pa ni samo bolj{e izkori{~anje primarne energije, ampak tudi manj{a obremenitev okolja. Masna in energijska bilanca plinske elektrarne po sliki 5.25: m + m = m & & & Go Z D m& H m& h m& h Q& Go i + Z Z = D D + + P (5.39) 1 (5.40) Iz obeh bilanc izhaja, da odteka v okolico: masni tok izpu{nih plinov &m D toplotni tok izpu{nih plinov ( &md hd)in toplotni tok Q & 1, ki ga povzro~ajo razli~ne druge izgube. V primerjavi z parno termoelektrarno na fosilna goriva, slika 3.54, ni ne pepela, ne hladilne vode, vsa toplota je vsebovana v izpu{nih plinih samih ( Q & od = &md hd).ti plini imajo temperaturo okrog 500 C in jih je mogo~e koristno uporabiti. Imajo veliko kisika, vsebujejo pa enako kot dimni plini pri parnih elektrarnah produkte zgorevanja, ki so {kodljivi okolju, predvsem CO 2 in NO X. Kot je omenjeno v poglavju 3.4, se pri zgorevanju fosilnih goriv: ~rni premog, rjavi premog, nafta, zemeljski plin, na enoto proizvedene energije spro{~ajo koli~ine CO 2 v razmerju 100 : 121 : 88 : 58. Pri plinskem postroju se torej spro{~a pribli`no dvakrat manj ogljikovega dvokisa kot pri enako mo~nem parnem postrojenju, ki je kurjen z rjavim premogom. Visoke temperature zgorevanja povzro~ajo pri plinskem postroju visoko vsebnost NO X (od 100 µg/g do 300 µg/g)v izpu{nih plinih. Visoko vsebnost du{ikovih oksidov je mogo~e ob~utno zmanj{ati z vbrizgavanjem pare ali vode v vro~e pline pred vstopom v plinsko turbino. Tako dose`ene vrednosti za NO X (od 40 µg/g do 100 µg/g)so manj{e kot pri fosilnih elektrarnah enake mo~i. ^e se v plinskem postroju kuri teko~e gorivo, potem je treba ra~unati {e z emisijo SO 2. ^e pa gre za zemeljski plin, je vsebnost SO 2 v izpu{nih plinih prakti~no zanemarljiva.

181 5 PLINSKE ELEKTRARNE 181 Slika Masni in energijski tokovi pri plinski elektrarni Preglednica 5.3 prikazuje okolju {kodljive snovi, ki prihajajo iz razli~nih vrst termoelektrarn. Raziskave za Slovenijo so pokazale, da prispevajo najve~je koli~ine pra{nih delcev gospodinjstva, najve~je koli~ine CO 2 in SO 2 industrija in velike elektrarne ter najve~je koli~ine NO X promet. Preglednica 5.3. Okolju {kodljive snovi, ki nastajajo pri pretvarjanju primarne energije v sekundarno Nosilec primarne energije Prah CO 2 NO X SO 2 C m H n Sevanje Premog P P P P P P Surova nafta P P P P Zemeljski plin P P P Jedrsko gorivo

182 182 PLINSKA ELEKTRARNA IN OKOLJE

183 6 SOPROIZVODNJA ELEKTRI^NE ENERGIJE IN TOPLOTE Poglavje obravnava osnove so~asne proizvodnje elektri~ne energije in toplote v toplotnih postrojenjih. Prikazuje glavne razlike med termoelektrarno in toplarno. V elektrarni se iz fosilnega ali jedrskega goriva proizvaja elektri~na energija. ^e je toplotno postrojenje namenjeno so~asni proizvodnji elektri~ne energije in toplote, potem se imenuje tako postrojenje toplarna. Postrojenje, ki proizvaja samo toploto, se imenuje kotlarna. 6.1 Zna~ilnosti Pri so~asni proizvodnji elektri~ne energije in toplote je sprememba primarne energije v sekundarno in naprej v kon~no energijo zelo dobra: dejansko se od 75 % do 90 % primarne energije spremeni v `eleno obliko in le od 25 % do 10 % te energije odide po nepravi poti (torej neizkori{~ena)v okolico. Soproizvodnja elektri~ne energije in toplote je v na~elu mogo~a s toplotnimi pogonskimi stroji; glavni predstavniki so parne in plinske turbine ter motorji z notranjim zgorevanjem. Najpogostej{e so toplarne s parnim kro`nim procesom, pri tem je toplota proizvedena v parnem kotlu in zelo redko v jedrskem reaktorju. Glavni vzrok, da jedrske toplarne niso bolj raz{irjene, je dejstvo, da so jedrska postrojenja postav-

184 184 ZNA^ILNOSTI ljena pro~ od ve~jih in gosto naseljenih krajev. Za proizvodnjo vr{ne toplote so primerne toplarne s plinskim kro`nim procesom in stacionarni motorji z notranjim zgorevanjem. Ti pogonski stroji proizvajajo elektri~no energijo, izpu{ni plini pa se uporabljajo za proizvodnjo toplote. Za elektri~ne mo~i nad 10 MW so primerne plinske turbine, za manj{e mo~i do nekaj megawattov pa motorji z notranjim zgorevanjem. So~asna proizvodnja elektri~ne energije in toplote pridobiva pomen po svetu in v Sloveniji. Ima odli~en celotni izkoristek pretvorbe primarne energije v sekundarno, zahteva pa veliko gostoto odjema toplote, sicer postane dvomljiva gospodarnost gradnje toplotnega omre`ja Soproizvodnja s parnimi turbinami Soproizvodnja elektri~ne energije in toplote s parnim kro`nim procesom je najbolj raz{irjena in za ve~je mo~i tudi gospodarsko najbolj upravi~ena. Razmerje med razliko entalpij Dh / (kj/kg), ki je na razpolago za ekspanzijo pare v turbini, in kondenzacijsko toploto ekspandirane pare x r / (kj/kg), ki odteka skozi kondenzator v okolico, je pri vodni pari in pri vseh drugih snoveh, ki so primerne za parni kro`ni proces, neugodno. Orientacijske vrednosti za vodno paro so: Dh 1100 kj/kg (enostavna postrojenja) 1500 kj/kg (postrojenja s ponovnim pregrevanjem pare) x r 2150 kj/kg (enostavna postrojenja) 2260 kj/kg (postrojenja s ponovnim pregrevanjem pare). Za vsak proizvedeni kilojoule elektri~ne energije je treba odvesti iz kro`nega procesa pribli`no od 1,5 kj do 2 kj toplote. Zato se je `e zgodaj porodila misel, da para v turbini ne bi ekspandirala do temperature okolice (to je do temperature hladilne vode), ampak do neke vi{je temperature. Poenostavljen primer prikazuje slika 6.1: turbinska para se kondenzira pri temperaturi 100 C in odda svojo toploto "hladilni vodi" (to je ogrevalni vodi za toplovodno omre`je), pri tem se ta "hladilna voda" segreje od 50 C do 90 C (za primerjavo: hladilna voda se v kondenzatorju segreje le od 8 C do 15 C). Proizvodnja elektri~ne energije je manj{a (Dh = 850 kj/kg namesto prvotnih 1150 kj/kg). Dejansko se elektri~na mo~ pri imenski obremenitvi parne turbine zmanj{a za okrog 15 % oziroma v letnem povpre~ju za manj kot 10 %, toda iz kro`nega procesa odvedena toplota (x r= 2180 kj/kg)je koristno uporabljena za ogrevanje prostorov ali za industrijske tehnolo{ke procese. Nosilec ogrevalne toplote je navadno vro~a voda ali vodna para. Soproizvodnja elektri~ne energije in toplote s parnim kro`nim procesom ima v celoti gledano velike prednosti: v primerjavi z lo~eno proizvodnjo elektri~ne energije in toplote je prihranek pri gorivu od 1/4 do 1/3; mogo~a je uporaba najslab{ih vrst goriva, na primer premoga z veliko jalovine ali smeti, kar sicer pri individualnih kuri{~ih ne pride v po{tev;

185 6 SOPROIZVODNJA ELEKTRI^NE ENERGIJE IN TOPLOTE 185 Slika 6.1. Poenostavljen prikaz ekspanzije pare v termoelektrarni in v toplarni (brez ponovnega pregrevanja pare, brez regenerativnega gretja napajalne vode, enostopenjski prenosnik toplote za ogrevalno vodo) ve~ja ~isto~a zraka na ra~un toplarni{ke ~istilne naprave za dimne pline, kar od individualnih porabnikov ni mogo~e zahtevati; razbremenitev prometa in skladi{~enja, saj ni potreben transport goriva do posameznih porabnikov in odvoz pepela. Na drugi strani pa so pri toplarnah zaradi toplovodnega omre`ja precej vi{ji investicijski stro{ki kot pri navadnih termoelektrarnah. Z dodatno opremo pa je treba ra~unati tudi v sami toplarni. Skupni dodatni stro{ki v toplarni (toplotna postaja: prenosnik toplote, cevovodi in armature, ~rpalke, regulacija itd.)so namre~ od1% do2% vseh investicijskih stro{kov. Ta podatek velja za toplarne, ki so kurjene s premogom. ^e se upo{teva samo parna turbina, potem so dodatni investicijski stro{ki pribli`no: od 4 % do 5 % pri toplarnah elektri~ne mo~i od 400 MW do 500 MW; od7%do8%pritoplarnah elektri~ne mo~i okrog 200 MW (srednjetla~ni del turbine mora biti izveden kot dvoj~ek); od 15 % do 16 % pri zelo velikih toplarnah elektri~ne mo~i okrog 800 MW (podvojitev srednjetla~nega dela turbine). Notranji izkoristek parne turbine za soproizvodnjo elektri~ne energije in toplote je za manj kot 1 % slab{i od notranjega izkoristka turbine, ki je grajena za proiz-

186 186 ZNA^ILNOSTI vodnjo elektri~ne energije. Konstrukcija toplarni{kih turbin je zelo podobna izvedbam parnih turbin, ki so namenjene izklju~no za proizvodnjo elektri~ne energije in niso poseben tehni~ni problem. Termoelektrarne, ki so `e v obratovanju, je mogo~e z manj{imi posegi spremeniti v toplarne, pri tem pa ostane sama turbina konstrukcijsko skoraj nespremenjena. Paro za gretje ogrevalne vode se navadno jemlje iz zveznega parovoda med srednje in nizkotla~nim delom turbine. Zna~ilni sta dve vrsti toplarn s parnim kro`nim procesom: ene ogrevajo s paro iz protitla~ne turbine, druge s paro iz odjemno-kondenzacijske turbine. Ogrevanje s paro iz protitla~ne turbine, sliki 6.1 in 6.2. Elektri~na in toplotna mo~ sta med seboj povezani: ~im ve~ja je koli~ina sve`e pare, tem ve~ja je elektri~na mo~ in tem ve~ja je tudi toplotna mo~ v protitla~nem kondenzatorju. Proizvodnja elektri~ne energije je popolnoma odvisna od porabnikov toplote. Koli~ina sve`e pare in s tem mo~ turbine je odvisna od temperature ogrevalne vode, ta pa od temperature okolice. Toplarne s protitla~nim obratovanjem so primerne za ogrevanje manj{ih mest, za ogrevanje delov ve~jih mest, za ve~ja industrijska podjetja, Slika 6.2. Toplarna s parnim kro`nim procesom s protitla~no turbino

187 6 SOPROIZVODNJA ELEKTRI^NE ENERGIJE IN TOPLOTE 187 in to predvsem tam, kjer so velike potrebe po toploti in manj{e po elektri~ni energiji. Tako toplarni{ko postrojenje je tudi v Ljubljani. Ogrevanje s paro iz odjemno-kondenzacijske turbine, slika 6.3, je bolj prilagodljivo: elektri~na in toplotna mo~ sta med seboj skoraj neodvisni, razmerje med proizvodnjo elektri~ne energije in toplote je mogo~e izbirati v velikem obsegu. Take toplarne so primerne za daljinsko ogrevanje mest. Dve taki toplarni{ki postrojenji sta tudi v Ljubljani. Prenosniki toplote za ogrevalno vodo so velike in drage naprave, ki so konstrukcijsko podobne cevnim kondenzatorjem. Najmanj{a temperaturna razlika med turbinsko paro in ogrevalno vodo je okrog 5 K. Mo`nosti proizvodnje elektri~ne energije in toplote pri enem regulinarem odjemu ogrevalne pare, kjer imamo le tok sve`e pare &m SP, tok odjemne pare za ogrevanje &m T in tok pare skozi kondenzator &m K, prikazuje diagram na sliki 6.4. Na ordinati je nane{en tok sve`e pare &m SP, na abscisi mo~ na sponkah generatorja P G. Najve~ji tok Slika 6.3. Toplarna s parnim kro`nim procesom z odjemno-kondenzacijsko turbino

188 188 ZNA^ILNOSTI sve`e pare &m SP max je dolo~en z zmogljivostjo kotla (premica A), najve~ja elektri~na mo~ P G max pa s konstrukcijo generatorja (premica B). ^e ni potreb po ogrevalni toploti, potem obratuje turbina kot kondenzacijska turbina, kot je ponazorjeno s premico C: Slika 6.4. Povezava med proizvodnjo elektri~ne energije in toplote s parno turbino

189 6 SOPROIZVODNJA ELEKTRI^NE ENERGIJE IN TOPLOTE 189 &m T = 0 in &m K = &m SP Pri najve~ji potrebi po ogrevalni toploti &m T max deluje visokotla~na turbina kot protitla~na, nizkotla~na turbina te~e v prazno (premica ^). Dejansko pa mora te~i skozi nizkotla~no turbino in naprej v kondenzator vedno neka minimalna koli~ina pare &m K min, ki je potrebna za hlajenje lopatic (premica D). Velja: &m T = &m T max in &m K = &m K min &m K min = (0,4 0,8) &m SP Pribli`no ta tok pare pa je potreben tudi za prosti tek turbine P m, ki ga je po drugi strani mogo~e izra~unati iz mehanskega izkoristka postrojenja. Ni`je {tevil~ne vrednosti veljajo za ve~je turbine. Podro~je delovanja odjemno-kondenzacijska postrojenja omejuje nadalje goltnost nizkotla~nega dela turbine &m K max (premica E)in minimalni tok sve`e pare skozi kotel &m SP min (premica F). Imenski odjem ogrevalne pare, ki ga je mogo~e dose~i pri najve~ji mo~i, pa je ozna~en s to~ko G, sicer so pa linije konstantnih odjemov ogrevalne pare pribli`no vzporedne premici C Soproizvodnja s plinskimi turbinami Popolnoma podobna razmi{ljanja veljajo za soproizvodnjo elektri~ne energije in toplote s plinsko turbino. Enostaven primer take toplarne, plinskega postroja s prigrajenim prenosnikom toplote, prikazuje slika 6.5. Pri plinskem postroju je Slika 6.5. Toplarna s plinskim kro`nim procesom

190 190 ZNA^ILNOSTI mogo~a tudi sama proizvodnja elektri~ne energije, v tem primeru odteka toplota izpu{nih plinov neizkori{~ena mimo prenosnika toplote v dimnik. Ker imajo izpu{ni plini iz plinske turbine temperaturo med 470 C in 520 C, se njihova toplota pogosteje uporablja za uparjanje pare v sestavljenem plinsko-parnem procesu in manjkrat za enostavno proizvodnjo ogrevne toplote. Najbolje se primarna energija pretvarja v sekundarno (v elektri~no energijo in toploto)v sestavljenem plinsko-parnem procesu z odjemno-kondenzacijsko parno turbino. Taka kombinacija je v mnogih primerih tudi gospodarsko najbolj upravi~ena. Sestavljeni plinsko-parni proces je obravnavan v prej{njem poglavju Soproizvodnja z motorji z notranjim zgorevanjem Za soproizvodnjo elektri~ne energije in toplote od nekaj kilowattov do pribli`no 3 MW so zelo primerni tudi motorji z notranjim zgorevanjem, ki se mo~no uveljavljajo prav v novej{em ~asu kot manj{e, krajevne toplarne, slika 6.6. Toplota izpu{nih plinov je primerna za ogrevanje stanovanjskih naselij, za bolnice in tovarni{ke prostore, uporabna je za hladilne absorpcijske naprave itd. Motorje z notranjim zgorevanjem je mogo~e postaviti blizu porabnikov toplote, tako da se ~im bolj skr~i drago toplovodno omre`je. Koristno je mogo~e uporabiti toploto izpu{nih plinov, pa tudi toploto hladilne vode in mazalnega olja. Mogo~a je stopenjska postavitev in enostavna povezava ve~ postrojev. Prihranek goriva je od 5 % do 30 %. Tudi koli~ina CO 2 se pri soproizvodnji elektri~ne energije in toplote zmanj{a za 5 % do 60 % v primerjavi z lo~eno proizvodnjo elektri~ne energije in Slika 6.6. Toplarna z motorjem z notranjim zgorevanjem

191 6 SOPROIZVODNJA ELEKTRI^NE ENERGIJE IN TOPLOTE 191 toplote. Ogrevalna toplota pa je nizkotemperaturna, le od 80 C do 90 C, v posebnih primerih do 130 C. Podobno kot pri plinskih postrojih s prigrajenim prenosnikom toplote je pri motorjih z notranjim zgorevanjem mogo~a tudi sama proizvodnja elektri~ne energije, v tem primeru odteka toplota izpu{nih plinov neizkori{~ena mimo prenosnika toplote v okolico. 6.2 Termodinami~ne osnove Prednosti so~asne proizvodnje elektri~ne energije in toplote je najla`je razumeti s pojmom eksergija. Vedeti je namre~ treba, da pridobivamo pri soproizvodnji hkrati in v enem postrojenju dve za `ivljenje najpomembnej{i vrsti energije: elektri~no energijo (mehansko delo)in toploto. Ti dve vrsti energije med seboj nista popolnoma primerljivi. Z energijskega vidika se v proces dovedena energija goriva porablja za elektri~no energijo, za koristno toploto, del dovedene toplote pa odteka neizkori{~en skozi kotel in kondenzator v okolico: Q Go = Q IK + Q E + Q T + Q od (6.01) Z eksergijskega vidika se v proces dovedena eksergija goriva porablja za eksergijo elektri~ne energije, za eksergijo koristne toplote, del dovedene eksergije toplote pa se zaradi nepovra~ljivosti zgorevanje in prenosa toplote skozi kotel in kondenzator spremeni v anergijo in odteka v okolico: E Go = E IK + E E + E T + E od (6.02) Za la`je razumevanje hkratne proizvodnje elektri~ne energije in toplote je primerno napraviti nekatere poenostavitve in definirati nekatere veli~ine: z gorivom spro{~ena toplota je enaka eksergiji goriva: Q Go = E Go elektri~na energija je enaka njeni eksergiji: W E = E E izgube toplote skozi kotel Q IK v okolico so majhne, medtem ko so izgube eksergije toplote zelo velike: E IK >> 0 eksergija toplote skozi kondenzator je zanemarljiva: E od 0, ni pa zanemarljiv odvod toplote v okolico: Q od >> 0 Za nadaljnje ra~unanje je smiselno vpeljati eksergijsko {tevilo: T ε = T T do do O (6.03) pri tem je T do povpre~na temperatura odjemne pare iz turbine in T O povpre~na letna temperatura okolice. Carnotov faktor je identi~en z eksergijskim {tevilom ε, ~e je temperatura odvoda toplote iz kro`nega procesa enaka temperaturi okolice.

192 192 TERMODINAMI^NE OSNOVE Eksergija koristne toplote (za ogrevanje, za tehnolo{ke procese itn.): E T T = T T do do O Q = ε Q T (6.04) T Glede na temperature toplote za ogrevanje velja: 0,30 < ε < 0,40, kar ustreza temperaturi odjemne pare od 120 C do 180 C. Eksergijsko {tevilo je za toplarne skoraj konstantna vrednost, saj ima ogrevana voda po vseh toplarnah pribli`no enako temperaturo. Za nadaljnje ra~unanje je privzeta ena toplotna postaja, kar je precej{nja poenostavitev, saj ima ve~ina toplarn dve toplotni postaji na dveh razli~nih temperaturnih nivojih. Toplarni{ko {tevilo: χ = Q T WE (6.05) je razmerje med letno proizvedeno koristno toploto Q T in letno proizvedeno elektri~no energijo W E. Grelno {tevilo: γ = W E Q T W E min QT = W E (6.06) je razmerje med letno proizvedeno koristno toploto Q T in letnim zmanj{anjem proizvodnje elektri~ne energije DW E na ra~un proizvodnje te toplote. Pri odjemno- -kondenzacijskem parnem postrojenju se najve~ja mo`na proizvodnja elektri~ne energije zmanj{uje s pove~evanjem proizvodnje toplote. Glede na parametre grelne pare in zasnovo toplarni{kega postrojenja je γ 10. ^e se torej zmanj{a proizvodnja elektri~ne energije za 10 MW, na primer od 100 MW na 90 MW, je mogo~e pridobiti ve~ kot 100 MW toplote za ogrevanje. Pri toplotnih ~rpalkah je prakti~no dosegljivo grelno {tevilo, ki je definirano analogno, pribli`no 3. Pri toplarnah je to {tevilo trikrat ve~je, kar pomeni, da je odjem pare iz turbine za ogrevanje termodinami~no zelo dobra re{itev. Za protitla~no parno turbino, plinsko turbino in motor z notranjim zgorevanjem s prigrajenim utilizatorjem je γ max =. Pri plinskem postroju ali pri motorju z notranjim zgorevanjem z utilizatorjem je vedno mogo~a samo proizvodnja elektri~ne energije brez hkratne proizvodnje koristne toplote. Toplota izpu{nih plinov te~e namre~ lahko skozi obvod neizkori{~ena v okolico. Toplarni{ko {tevilo se torej spreminja od 0 do χ max, odvisno od polo`aja lopute v obvodnem kanalu. Pri tem ostaja proizvodnja elektri~ne energije nespremenjena, ne glede na obseg proizvodnje koristne toplote. Na osnovi omenjenih poenostavitev in definicij je mogo~e formulirati {e izkoristke, ki so potrebni za nadaljnje delo.

193 6 SOPROIZVODNJA ELEKTRI^NE ENERGIJE IN TOPLOTE 193 Termi~ni (energijski) izkoristek (kro`nega procesa) elektrarne je identi~en z eksergijskim izkoristkom elektrarne: WE EE ηte = = = ζ E (6.07) Q E do do Energijski izkoristek (kro`nega procesa) toplarne: WE + QT ηtt = = ηte ( 1 + χ) (6.08) Q do Proizvodnja elektri~ne energije se navadno zmanj{uje, ~e se pove~uje proizvodnja koristne toplote, zato se s pove~evanjem proizvodnje elektri~ne energije zmanj{uje tudi termi~ni izkoristek toplarne: ηte > ηtt (6.09) Termi~ni izkoristek elektrarne η te (samo proizvodnja elektri~ne energije, ni proizvodnje koristne toplote)je torej ve~ji, kot je termi~ni izkoristek proizvodnje elektri~ne energije v toplarni η tt (pri hkratni proizvodnji koristne toplote). Pri izkoristku toplarne sta v {tevcu dve vrsti energije razli~nih kvalitet, saj elektri~na energija in toplota glede na drugi glavni zakon termodinamike nista med seboj enakovredni; zato je za ta izkoristek primerno ime energijski izkoristek toplarne. Potek takega energijskega izkoristka za ve~je toplarne v odvisnosti od obremenitve prikazuje slika 6.7. Slika 6.7. Pribli`ni potek energijskega izkoristka toplarne od 200 MW do 800 MW elektri~ne mo~i; 165 bar; 540 C; 0,085 bar: A kondenzacijsko obratovanje, B protitla~no obratovanje

194 194 TERMODINAMI^NE OSNOVE Eksergijski izkoristek (kro`nega procesa) toplarne: ζ T W = E + ε Q Q do T = η ( 1 + ε χ) (6.10) Za primerjavo {e energijski izkoristek kotlarne: Q T η K = = Qdo Qdo Q Q do IK te Q = IK 1 (6.11) Qdo ki je zmno`ek izkoristka kotla in izkoristkov pomo`nih strojev in naprav in je v grobem enak izkoristku kotla. Toplota dimnih plinov, ki je pre{la v paro, je v toplarni in kotlarni enako dobro izkori{~ena, ni pa v kotlarni izkori{~ena eksergija (delazmo`nost) te pare. Eksergijski izkoristek kotlarne: E T ζ K = = Edo E do E E do IK E = IK 1 (6.12) Qdo Medtem ko ima energijski izkoristek kotla dejanske vrednosti od 0,8 do 0,9, ima eksergijski izkoristek vrednosti le od 0,4 do 0,5. Razi{~imo {e vrednosti toplarni{kega {tevila in energijskega izkoristka toplarne, ena~bi (6.05) in (6.08). Toplarni{ko {tevilo gre proti ni~, ~e se zmanj{uje proizvodnja koristne toplote. Energijski izkoristek toplarne η tt se pribli`uje termi~nemu (energijskemu)izkoristku elektrarne η te : χ 0, Q T 0, η tt η temax, η te η temax (6.13) Toplarni{ko {tevilo se pove~uje pri ve~anju proizvodnje koristne toplote. So~asno se bistveno zmanj{uje odvod toplote iz procesa, delno pa se zmanj{uje tudi proizvodnja elektri~ne energije: χ χ max, Q T Q Tmax, η tt η ttmax, η te η temin (6.14) V mejnem primeru se vsa dovedena toplota porablja samo za proizvodnjo elektri~ne energije in koristne toplote. Odvod toplote iz procesa je enak ni~. ^e gre za parno postrojenje, potem preide odjemno-kondenzacijska turbina v protitla~no: Q od = 0, Q do = W Emin + Q Tmax, η tt = 1 (6.15) Od tod je razvidno, da je najve~je toplarni{ko {tevilo χ max navzgor omejeno. Pri protitla~nem obratovanju je najve~je toplarni{ko {tevilo χ max odvisno od termi~nega (energijskega)izkoristka elektrarne η te. ^im ve~ji je ta izkoristek, manj{a je njegova najve~ja vrednost. Glede na ena~be (6.05) in (6.15) velja: χ max = Q W W do Emin Emin 1 η = η temin temin (6.16)

195 6 SOPROIZVODNJA ELEKTRI^NE ENERGIJE IN TOPLOTE Delitev stro{kov Gradnja toplarne za hkratno proizvodnjo elektri~ne energije in toplote je upravi~ena, ~e so investicijski in obratovalni stro{ki manj{i, kot pa bi bili v primeru lo~ene proizvodnje elektri~ne energije od toplote: C < C E + C T (6.17) pri tem so C E povpre~ni letni stro{ki (investicijski in obratovalni)za elektri~no energijo, ki jo proizvaja mre`a termo- in hidroelektrarn v neki pokrajini, C T povpre~ni letni stro{ki (investicijski in obratovalni)za koristno toploto iz kotlarn v tej pokrajini. Ko je toplarna zgrajena in je za~ela obratovati, je treba stro{ke razdeliti med proizvedeno elektri~no energijo in koristno toploto. Klju~ev za delitev je ve~, v praksi ni prevladal nobeden. V nadaljevanju je obravnavana enostavna metoda, ki primerja med seboj samo obratovalne stro{ke za elektri~no energijo in toploto na pragu toplarne. Kot je bilo `e poudarjeno, je postavitev toplarne (brez vro~evodnega omre`ja)le nekaj dra`ja od postavitve enako velike elektrarne, zato je taka stro{kovna primerjava sploh mogo~a. Skupni letni obratovalni stro{ki so sestavljeni iz stro{kov za elektri~no energijo C E in stro{kov za koristno toploto C T : C = C E + C T = W E c E + Q T c T (6.18) pri tem je W E letno proizvedena elektri~na energija, Q T letno proizvedena koristna toplota, c E specifi~ni stro{ki elektri~ne energije in c T specifi~ni stro{ki koristne Slika 6.8. Povezava med specifi~nimi stro{ki elektri~ne energije in toplote

196 196 DELITEV STRO[KOV toplote. Vrednosti za c E in c T se lahko med seboj poljubno spreminjata, povezani pa sta z gornjo ena~bo. To je ena~ba premice in pove, kateri specifi~ni stro{ki c T spadajo k ustreznim specifi~nim stro{kom c E, da so ravno pokriti vsi stro{ki hkratne proizvodnje elektri~ne energije in toplote, slika 6.8. Podro~je nad daljico AB pomeni obratovanje z izgubo, podro~je pod njo pa obratovanje z dobi~kom. To~ka ^ le`i nad daljico, stro{ki hkratne proizvodnje so ve~ji od stro{kov lo~ene proizvodnje elektri~ne energije od toplote. V tem primeru gradnja toplarne gospodarsko ni upravi~ena. Specifi~ni stro{ki proizvodnje elektri~ne energije so najve~ji, ~e vse stro{ke pripi{emo proizvodnji elektri~ne energije: C c W c QT W c c c E,max = = E + T = E + χ T (6.19) E E Dejanski specifi~ni stro{ki proizvodnje elektri~ne energije so manj{i: QT c c W c c c E = Emax T = Emax χ T (6.20) E V ena~bi so navadno poznane vrednosti c Emax in toplarni{ko {tevilo χ, neznanki sta c E in c T. Za prese~i{~i s koordinatnim sistemom dobimo vrednosti: c T = 0 c E = c Emax (to~ka A) c E = 0 c T cemax = (to~ka B) χ Kot premice z ordinato δ je dolo~en s toplarni{kim {tevilom: T ctgδ = χ = Q (6.21) WE Iz teh ena~b je mogo~e natan~neje dolo~iti dele`e posameznih vrst stro{kov pa tudi njihovo razmerje. Gledano z energijskega vidika velja: C E + C T xe + xt = = 1 (6.22) C C E WE ce ce x E = = = (6.23) C W c + Q c c + χ c E E T T C T QT ct χ ct x T = = = C WE ce + QT ct ce + χ ct x E 1 ce = x T χ ct Pri najve~ji mogo~i proizvodnji toplote je to razmerje: E T (6.24) (6.25)

197 6 SOPROIZVODNJA ELEKTRI^NE ENERGIJE IN TOPLOTE 197 x x E T 1 ce ηtemin c = = χ c 1 η c max T temin E T (6.26) Vzemimo, da se odjemna para iz turbine za ogrevanje s temperaturo T in tlakom p obra~unava, kot bi bila proizvedena v posebnem parnem kotlu z enakimi parametri T in p. Specifi~ni stro{ki tako proizvedene pare za ogrevanje so c T1. Glede na premico po sliki 6.8 ustrezajo tem specifi~nim stro{kom za toploto zelo ugodni (majhni)specifi~ni stro{ki za elektri~no energijo c E1. ^e so dejanski stro{ki za elektri~no energijo v ~istem kondenzacijskem obratovanju turbine c E2, potem se je s tem na~inom obra~unavanja pocenila elektri~na energija za znesek (c E2 c E1 ). Vse prednosti, ki izvirajo iz so~asne proizvodnje, so pripisane elektri~ni energiji, zato tak na~in obra~unavanja ne spodbuja gradnje toplarn. Drugo skrajnost pri delitvi stro{kov med elektri~no energijo in toploto dobimo s predpostavko, da se vsa elektri~na energija (dejansko proizvedena v toplarni) proizvaja v elektrarni s specifi~nimi stro{ki c E2. Tem stro{kom ustreza zelo ugodna (majhna)vrednost stro{kov toplote c T2. V tem primeru so se navidezno pocenili specifi~ni stro{ki toplote za znesek (c T2 c T1 ). Vsi dodatni stro{ki zaradi so~asne proizvodnje so pripisani izklju~no elektri~ni energiji. Med obema skrajnostima je mo`nost, da se razdeli prihranek, ki je bil dose`en zaradi hkratne proizvodnje, po posebnem klju~u, na primer: polovica specifi~nim stro{kom proizvodnje elektri~ne energije, polovica specifi~nim stro{kom proizvodnje koristne toplote: c T1 c T = c E1 c E (6.27) Pogosto se uporablja klju~, po katerem se prihranek razdeli po enakem razmerju kot stro{ki lo~ene proizvodnje elektri~ne energije v nadomestni elektrarni in toplote v nadomestni kotlarni. Prihranki so v odstotkih enaki, nobeni vrsti energije ni bila dana prednost. c c E T c = c E2 T1 (6.28) Na sliki 6.8 je gornja ena~ba premica z izhodi{~em v za~etku koordinatnega sistema. Pravilna razdelitev je seveda neznanka, ki je odvisna od mnogih postavk, navsezadnje tudi od tr`nih razmer. Opisana mo`nost obra~unavanja je odvisna od ra~unovodskih podatkov in od toplarni{kega {tevila. To {tevilo se glede na letno {tevilo ur obratovanja toplarne od leta do leta spreminja, s tem se na sliki 6.8 spreminja tudi naklon daljice AB. V praksi se pogosto ne lo~i stro{ka za proizvodnjo energije od prodajne cene te energije. Pri tem so najve~krat odlo~ujo~e lokalne razmere, energetska politika dr`ave itn. in ne tehni~ni ali ekonomski kazatelji. V primeru da so porabniki primorani jemati toploto iz toplarne, lahko toplarna dr`i ceno za toploto visoko, vse prihranke pa prenese na proizvodnjo elektri~ne energije. Tako so navidezno stro{ki

198 198 DELITEV STRO[KOV proizvodnje elektri~ne energije zelo nizki, kar pa ni pravi~no do odjemalcev toplote. Predpostaviti je mogo~e, da je razmerje stro{kov hkratne proizvodnje elektri~ne energije in koristne toplote enako razmerju energijskih dele`ev te proizvodnje. Dele` toplote pri soproizvodnji je po ena~bi (6.08): QT χ WE = = χη te (6.29) Qdo Qdo in dele` elektri~ne energije: WE = 1 χη te (6.30) Qdo Glede na zgornji ena~bi in na `e poznano ena~bo (6.25) velja za razmerje stro{kov: x E 1 ce 1 te = = χη (6.31) x T χ ct χη te in kon~no razmerje specifi~nih stro{kov v urejeni obliki: ce 1 = χ (6.32) ct ηte Za dolo~eno toplarno je znan povpre~ni energijski izkoristek, prav tako so znani parametri turbinske odjemne pare. Razmerje specifi~nih stro{kov je torej pri znani toplarni odvisno samo od letno proizvedene koristne toplote. Ve~ proizvedene toplote zmanj{uje razmerje specifi~nih stro{kov c E /c T. Iz ena~be (6.32)je nadalje razvidno, da se razmerje med specifi~nimi stro{ki proizvodnje elektri~ne energije in stro{ki proizvodnje koristne toplote pove~uje: ~e toplarna zmanj{uje proizvodnjo koristne toplote ~e ima odjem pare za koristno toploto nizke parametre ~e ima toplarna nizek termi~ni izkoristek η te. Z drugimi besedami: ~im ve~ji je termi~ni izkoristek η te, manj{e je najve~je mo`no toplarni{ko {tevilo χ max in manj{e je razmerje specifi~nih stro{kov proizvodnje elektri~ne energiji in koristne toplote c E /c T. Starej{e toplarne z majhnim termi~nim izkoristkom proizvajajo v primerjavi s sodobnimi postrojenji drago elektri~no energijo in poceni toploto. Ne glede na vrsto toplarne pa ve~anje proizvodnje toplote zmanj{uje razmerje med stro{ki (in s tem tudi razmerje med cenama)za elektri~no energijo in toploto. Zgled. Toplarna Ljubljana V preglednici 6.1 so zbrane izmerjene vrednosti energijskih tokov v ljubljanski toplarni pri najve~jem parnem postrojenju za so~asno proizvodnjo elektri~ne energije in toplote, in sicer pri treh zna~ilnih obratovalnih stanjih.

199 6 SOPROIZVODNJA ELEKTRI^NE ENERGIJE IN TOPLOTE 199 Preglednica 6.1. Izmerjene vrednosti energijskih tokov Obratovalno stanje P E / MW Q & T / MW Q & do / MW protitla~no 43,9 140,8 190,5 odjemno-kondenzacijsko 50,3 95,1 186,6 kondenzacijsko 40,0 1,3 112,8 Za vsako obratovalno stanje izra~unamo toplarni{ko {tevilo, termi~ni (energijski) izkoristek (kro`nega procesa)elektrarne in energijski izkoristek toplarne. Za protitla~no obratovanje velja npr.: toplarni{ko {tevilo, ena~ba (6.05): Q& T 140, 8 χ = = = 321, PE 43, 9 termi~ni izkoristek elektrarne, ena~ba (6.07): P 43 9 E η te = = = Q & 190,, 5 do 023, in energijski izkoristek toplarne, ena~ba (6.08): η = η ( 1+ χ) = 0, 23 ( 1+ 3, 21) = 0, 97 tt te Rezultati za vsa obratovalna stanja so zbrani v preglednici 6.2. Preglednica 6.2. Izra~unane vrednosti toplarni{kih {tevil in izkoristkov Obratovalno stanje χ η te η tt protitla~no 3,21 0,23 0,97 odjemno-kondenzacijsko 1,89 0,27 0,78 kondenzacijsko 0,03 0,35 0,37 Z izmerjenimi in izra~unanimi vrednostmi lahko nadalje dolo~imo dele`e stro{kov za elektri~no energijo in toploto in razmerja specifi~nih stro{kov pri izmerjenih obratovalnih stanjih. Za protitla~no obratovanje lahko zapi{emo razmerje stro{kov, ena~ba (6.31): x E 1 te = χη 1 = 3, 21 0, 23 = 035, x T χη te ,, in razmerje specifi~nih stro{kov, ena~ba (6.32): ce 1 1 = χ = 321, = 114, ct ηte 023, Rezultati za vsa obratovalna stanja so zbrani v preglednici 6.3.

200 200 INDUSTRIJSKE TOPLARNE Preglednica 6.3. Izra~unane vrednosti razmerij stro{kov in specifi~nih stro{kov pri proizvodnji elektri~ne energije in toplote Obratovalno stanje x E ce x T ct protitla~no 0,35 1,13 odjemno-kondenzacijsko 0,96 1,82 kondenzacijsko 85,77 2,79 Iz preglednice 6.3 je razvidno, da so pri veliki proizvodnji toplote specifi~ni stro{ki elektri~ne energije c E le malo ve~ji od specifi~nih stro{kov toplote c T : χ = 3,2 c E = 1,1 c T ^e se proizvodnja toplote zmanj{uje, se razmerje c E /c T pove~uje. Specifi~ni stro{ki proizvodnje elektri~ne energije dose`ejo v obravnavanem primeru skoraj dvojno vrednost specifi~nih stro{kov proizvodnje toplote: χ = 1,9 c E = 1,8 c T ^e je proizvodnja toplote minimalna, se razmerje c E /c T pribli`uje svoji najve~ji vrednosti. Specifi~ni stro{ki proizvodnje elektri~ne energije dose`ejo glede na preglednico 6.3 in ena~bo (6.32) vrednost: χ 0 c E 2,8 c T 6.4 Industrijske toplarne V primeru da potrebuje tovarna za svojo proizvodnjo veliko toplote in isto~asno tudi precej elektri~ne energije, potem je pogosto upravi~ena postavitev lastne toplarne. Zasnova take toplarne je od podjetja do podjetja razli~na, parametri ogrevalne pare ali vode so izbrani glede na tehnolo{ki proces; primer prikazuje slika 6.9. Turbinska para za ogrevanje je dolo~ena glede na temperaturo nasi~ene pare (prestop toplote je pri kondenzaciji zelo dober!), s tem je dolo~en tudi tlak. Navadno razlikujemo: visokotla~no paro za industrijske tehnolo{ke procese (p = bar) in nizkotla~no paro za ogrevanje (p = 3 5 bar). ^e je za industrijske tehnolo{ke procese potrebna samo nizkotempeturna toplota, potem so za take toplarne primerni motorji z notranjim zgorevanjam, pri katerih se toplota izpu{nih plinov izkori{~a za proizvodnjo toplote. Odlikuje jih cenenost izvedbe.

201 6 SOPROIZVODNJA ELEKTRI^NE ENERGIJE IN TOPLOTE 201 Slika 6.9. Shema industrijske toplarne 6.5 Izkori{~anje odpadne toplote Pri vseh fosilnih in jedrskih elektrarnah gre v kondenzatorju v hladilno vodo od polovice do dve tretjini toplote, ki je bila dovedena v kro`ni proces. Pri tem je kon~na temperatura ogrete hladilne vode iz kondenzatorja okrog 15 C (pozimi) in 35 C (poleti). To dejstvo ~eprav fizikalno neizogibno odvisno rabi nerazgledanim pogosto kot primer razsipavanja energije. To "odpadno" nizkotemperaturno toploto je mogo~e izkori{~ati le v omejenem obsegu, npr. za ogrevanje toplih gred, za kopali{~a itd. Za ogrevanje prostorov so potrebne nekoliko vi{je temperature. Te temperature je mogo~e dose~i s toplotnimi ~rpalkami, vendar je pogosto dvomljiva gospodarnost. Enostavnej{e je namre~ pri primerno visoki temperaturi pare (od 110 C do 130 C) odvzemati toploto iz turbine in jo po{iljati porabnikom. S tem se sicer zmanj{a proizvodnja elektri~ne energije, so~asno pa se zmanj{a tudi koli~ina odpadne toplote.

202 202 IZKORI[^ANJE ODPADNE TOPLOTE Slika Primerjava razli~nih mo`nosti daljinskega ogrevanja: A navadno daljinsko ogrevanje s povratnim vodom, B nizkotemperaturno daljinsko ogrevanje s povratnim vodom, C nizkotemperaturno daljinsko ogrevanje z odpadno toploto in toplotno ~rpalko brez povratnega voda, ^ temperatura ogrevanih prostorov Na sliki 6.10 so shemati~no prikazane tri mo`nosti ogrevanja z odpadno toploto iz termoelektrarn. Primer A prikazuje danes najbolj navaden na~in daljinskega ogrevanja, pri ~emer se ogrevalna voda pri porabnikih ohladi za 30 K do 40 K; ohlajena ogrevalna voda te~e v povratnem vodu nazaj v toplarno. Primer B prikazuje nizkotemperaturno daljinsko ogrevanje, ki pridobiva veljavo. Delazmo`nost turbinske pare je namre~ bolje izkori{~ena kot v primeru A; ta na~in zahteva pri porabnikih ve~je toplotne podpostaje, v ogrevanih prostorih pa ve~je povr{ine radiatorjev. Primer C prikazuje izkori{~anje ogrete hladilne vode iz turbinskega kondenzatorja, namesto izkori{~anja odjemne pare iz turbine. Ker je temperatura te vode nizka, jo je treba pri porabnikih dvigniti na vi{ji nivo. Slaba stran tega sistema je poraba elektri~ne energije za pogon toplotnih ~rpalk (elektri~na energija je bila v termoelektrarni s trudom pridobljena iz toplote dimnih plinov in sedaj pa porabljena za pridobivanje toplote). Ta sistem ne potrebuje povratnega voda, ampak lahko ohlajena ogrevalna voda te~e naravnost v mestno kanalizacijo. Ekolo{ko gledano je taka re{itev odli~na, vendar so le redko dani pogoji, da je sistem gospodarsko upravi~en. ^e bi imeli porabniki vgrajeno talno ogrevanje, potem bi temperaturni nivo te hladilne vode iz kondenzatorja zadostoval in toplotne ~rpalke ne bi bile potrebne.

203 7 VODNE ELEKTRARNE Poglavje obravnava vodne elektrarne, ki potencialno energijo vode spreminjajo v sekundarno energijo v obliki elektri~ne energije. Prikazuje osnove delovanja, glavne zna~ilnosti, najva`nej{e vrste vodnih elektrarn kakor tudi primerjavo med vodno elektrarno in termoelektrarno. 7.1 Zna~ilnosti V Sloveniji proizvedejo vodne elektrarne pribli`no tretjino elektri~ne energije (do leta 1960 je bil dele` ve~ kot dve tretjini!), drugo dobimo iz jedrske in fosilnih elektrarn. Tehnika gradnje vodnih elektrarn je dobro znana, ni neznanega in velikega tveganja, voda pri tem ne spremeni svojih fizikalnih lastnosti: gostota, temperatura, notranja energija itd. ostanejo nespremenjene. Ker gre za neposredno spremembo potencialne energije v elektri~no brez vmesne pretvorbe v toploto, je skupni izkoristek elektrarne velik. Vodne elektrarne imajo zelo dolgo trajnostno dobo, zelo dober izkoristek, graditi je mogo~e velike enote, njihova velikost je omejena samo z zemljepisno lego in ugotovljenim vodnim pretokom. Postavitev vodne elektrarne zahteva za vgrajeni kilowatt izredno velika investicijska sredstva, toda v nasprotju s termoelektrarnami zelo majhna obratovalna. Ve~ o tem je v poglavju o gospodarnosti elektrarn. Ve~krat je pri starej{ih in ve~jih enotah gospodarno nadomestiti obstoje~o vodno turbino s sodobnej{o, ki obratuje z ve~jim izkoristkom, in tako pove~ati elektri~no mo~ elektrarne do 10 %, kar je v Sloveniji na Dravskih elektrarnah `e narejeno.

204 204 HIDRODINAMI^NE OSNOVE Slika 7.1. Glavni sestavni deli vodne elektrarne: A zbiralnik vode (nasip, jez, pregrada), B odjem vode iz zbiralnika (vto~ni objekt), C dovod vode k turbinam (struga, kanal, predor, cevovod), ^ varovalna oprema proti vodnemu udaru, D glavni zaporni ventil, E strojnica (ja{eks turbino in generatorjem), F pomo`ne naprave (spodnji vodostaj itd.), G odvod vode iz turbin (struga, kanal, predor, cevovod) Glede na statisti~ne podatke o letnih pretokih vode obratujejo vodne elektrarne povpre~no okrog 3'600 h na leto. Slika 7.1 prikazuje glavne sestavne dele vodne elektrarne. 7.2 Hidrodinami~ne osnove Mo~ in izkoristek Znano je, da so lahko turbinski stroji enakotla~ni ali nadtla~ni, kar velja tudi za vodne turbine. Skozi vodilne lopatice (skozi vodilnik turbine) se tlak delovne snovi zni`uje, pove~uje pa se njena hitrost. Potek tlaka skozi gonilne lopatice (skozi gonilnik turbine) pa se razlikuje glede na tip. Pri enakotla~ni turbini ostaja tlak delovne snovi skozi gonilne lopatice nespremenjen, hitrost delovne snovi pa se zmanj{uje na ra~un mehanskega dela. Pri nadtla~ni turbini pa se tlak skozi gonilne lopate {e naprej zmanj{uje, prav tako tudi hitrost delovne snovi, oboje na ra~un energije vode. Energijska ena~ba za vodno elektrarno (u 1 =u 2,p 1 =p 2 ) za nestisljivo delovno snov (ρ = konst.) in z upo{tevanjem izgub energije zaradi trenja, posebej za sesalno (indeks: 1T) in posebej za tla~no stran (indeks: T2) po sliki 7.2 je: 2 2 v1 p v 2 + gh 1 = + gh 2 2 ρ 2 Za enakotla~no vodno turbino velja: 1T p Wt + ρ m T2 (7.01)

205 7 VODNE ELEKTRARNE 205 Slika Postavitev vodne elektrarne m W m g H H v 2 p t1t = ( 1 T ) + 1 m 2 ρ 1T Za nadtla~no vodno turbino velja: m W m g H H v 2 p v 2 t12 = ( 1 2 ) + ( 1 2 ) m m 2 ρ 1T p ρ T2 (7.02) (7.03) Iz zadnjih dveh ena~b je razvidno, da izkori{~a nadtla~na turbina razpolo`ljivi vodni padec bolje kot enakotla~na. Razlika dela je naslednja: m W W W m g H H v 2 p t = t12 t1t = ( T 2 ) 2 m (7.04) 2 ρ T2 Enakotla~na vodna turbina mora imeti za gonilnikom prost odtok, zato ne more izkoristiti celotnega razpolo`ljivega vodnega padca. Pri nadtla~nih vodnih turbinah ta pogoj ni potreben. Pri velikih geodetskih razlikah (H 1 H 2 ) sta obe vrsti vodnih turbin enakovredni, nasprotno pa pri majhnih razlikah enakotla~ne turbine niso sprejemljive. Postavitev enakotla~ne vodne turbine je upravi~ena, ~e velja: H1 H 2 >> H T H 2 (7.05) Pri natan~nej{ih ra~unih je treba upo{tevati {e hitrost reke, ki razpolo`ljivo geodetsko razliko rahlo zmanj{uje. Dejanski izkoristek vodne elektrarne je zmno`ek ve~ izkoristkov: ηe = ηc ηi ηm ηg (7.06) pri tem je η C izkoristek cevovoda, η i notranji izkoristek turbinskega stroja, η m mehanski izkoristek in η G izkoristek generatorja. [tevil~ne vrednosti za va`nej{e izkoristke so navedeni na koncu poglavja v preglednici 7.2. Dejansko delo in dejanska mo~ vodne elektrarne: W = η m g H (7.07) e e

206 206 HIDRODINAMI^NE OSNOVE P = η m& g H = η ρ V& g H (7.08) e e e Izraz (g DH) pomeni specifi~no energijo in ima enako dimenzijo kot specifi~na entalpija pri toplotnih turbinskih strojih: m 2 /s 2 = J/kg Pretok vode Pri postavitvi vodne elektrarne je eden od najva`nej{ih podatkov pretok vode na mestu, kjer je vodna elektrarna na~rtovana. V Sloveniji in v mnogih drugih dr`avah so vzdol` rek postavljene vodomerne postaje, na razpolago so ob{irni statisti~ni podatki, iz katerih je razvidna letna koli~ina padavin, vodostaj rek, preto~ne koli~ine itd., vse v odvisnosti od ~asa in kraja. Upo{tevati je treba, da se podnebje na dalj{o dobo rahlo spreminja in da se podatki od leta do leta razlikujejo (su{no, normalno, de`evno leto). Za dolo~itev imenskega pretoka se zato jemlje povpre~je zadnjih 10 do 30 let. Od vseh padavin (P) prite~e na povr{ino zemlje kot teko~a voda (V) le del. Del padavin porabijo rastline ali pa takoj izhlapi (R), del padavin ponikne in ostane pod povr{ino kot talna voda (T). Del te talne vode prite~e na plan s ~asovnim odmikom kot izvir (I). Primer prikazuje slika 7.3: P = V + R + T I (7.09) Razmerje med padavinami in teko~o vodo je v veliki meri odvisno od topografskih, geolo{kih in klimatskih razmer opazovanega podro~ja in se lahko mo~no spreminja: Slika 7.3. Nami{ljen primer za vodne razmere v odvisnosti od letnega ~asa: I izviri vode, P padavine, R rastline in izhlapevanje, T talna voda, V teko~a voda

207 7 VODNE ELEKTRARNE 207 P = 0,2 1,0 (7.10) V Reka je za pridobivanje elektri~ne energije primernej{a, ~e je sprememba pretoka med letom majhna in ~e je zanesljivost predvidevanja pretoka v posameznih dobah velika. Zanesljivost predvidevanja je tem ve~ja, ~im manj{i so odstopki od srednjega mese~nega pretoka. Glede na ve~letne meritve so bile za ve~je reke v biv{i Jugoslaviji po metodah statisti~ne matematike izra~unane krivulje verjetnosti srednjih mese~nih pretokov. Rezultati za Dravo in Drino so zbrani na sliki 7.4, ki prikazuje spremembe relativnih pretokov vode za (5, 20, 50, 80 in 95) % verjetnosti. S slike je razvidno, da ima Drava bolj izravnane pretoke kot Drina, da je zanesljivost predvidevanja pretoka na Dravi ve~ja in da je zato v primerjavi z rekami dinarskega podro~ja potrebna najmanj{a prostornina zbiralnega jezera. Nasprotno tendenco ka`e Drina, relativno kratka in hudourni{ka reka dinarskega podro~ja, ki le`i geografsko ni`je in je bolj toplo od alpskega. Drava spada med visokogorske reke, ki imajo najve~ji pretok pozno pomladi in v za~etku poletja, ko se v gorah tali sneg, in najmanj{ega pozimi, ko je vse zamrznjeno. Sava je, podobno kot Drina, srednjegorska reka, ki ima dva maksimuma: spomladi in jeseni, So~a pa je primorska reka, saj ima najve~ji pretok v dobi zimskega de`evja. Slika 7.4. Pretoki vode [za verjetnost (5, 20, 50, 80 in 95) %] v odstotkih dolgoletnega srednjega pretoka V & m za Dravo in Drino (obdobje od leta 1926 do 1952)

208 208 HIDRODINAMI^NE OSNOVE Za dolo~itev mo~i in {tevila turbin v na~rtovani elektrarni je va`en urejen letni diagram za srednje dnevne pretoke, kakor ga prikazuje slika 7.5. Ne gre ve~ za srednje mese~ne vrednosti, ampak za srednje dnevne vrednosti, razen tega so izmerjene vrednosti urejene po velikosti. Tudi tak diagram je izdelan na osnovi ve~letnih meritev, krivulja pa pomeni srednje dnevne vrednosti za ve~ let. Za na~rtovanje mo~i vodne elektrarne so pomembni podatki: V& 100 najmanj{i ugotovljeni pretok vode ( V & min ) V& 95 pretok vode, ki je zagotovljen 95 % ~asa V& 50 pretok vode, ki je zagotovljen 50 % ~asa V& m srednji letni pretok vode (navadno se vrednosti za V & 50 in V & m med seboj razlikujeta). Starej{e vodne elektrarne so bile na~rtovane tako, da so obratovale z imensko mo~jo 200 ali celo 300 dni v letu, v novej{em ~asu pa se izkori{~a energija pri pretoku vode, ki je pri~akovan, v povpre~ju 100 dni v letu. To pomeni, da je turbina ve~ino leta obremenjena le delno, slika 7.6. S slike je razvidno, da se pretok med letom spreminja od V & min do V & max. Mo~ vodne turbine z nara{~ajo~im pretokom nara{~a do imenske mo~i P i, pri visoki vodi (od 0 do 100 dni v letu) pa mo~ turbine zaradi slab{ega izkoristka pada. Najve~ji koristni vodni padec DH max je na razpolago pri najmanj{em pretoku vode V & min. Ve~ji pretoki imajo za posledico ve~ji hidravli~ni upor, zato se koristni vodni padec z nara{~anjem pretoka rahlo zmanj- {uje. Razpolo`ljiva vodna energija je dejansko vedno porazdeljena na ve~ enakih turbinskih postrojev v skupni strojnici, tako da je mogo~e s postopnim vklap- Slika 7.5. Urejeni letni diagram za srednje dnevne pretoke Drave pri Dravogradu (za obdobje od leta 1977 do 1987)

209 7 VODNE ELEKTRARNE 209 Slika 7.6. Pretok, koristna vi{ina in mo~ vodne turbine, ra~unano s 100-dnevno vodo ljanjem oziroma izklapljanjem posameznih turbin optimalno izkoristiti vsakokratni vodni tok. 7.3 Vrste vodnih elektrarn Poznanih je ve~ vrst vodnih turbin, od katerih je vsaka primerna samo v dolo~enem obmo~ju, ki ga opredeljuje specifi~na vrtilna frekvenca. Ta je funkcija pretoka in vodnega padca: za velike padce so primerne enakotla~ne Peltonove turbine, za srednje in manj{e pa nadtla~ne Francisove in Kaplanove turbine. Slika 7.7 prikazuje razdelitev vodnih turbin glede na vodni padec in specifi~no vrtilno frekvenco: n y 1 2 = n V& / (7.11) 3/ 4 y L 1 2 n = n V & / q H 3/ 4 (7.12) Pri tem velja medsebojna povezava: n q /min 1 = (3,0074 n y )/s 1. Vodne elektrarne nadalje delimo na preto~ne, zajezne (ali akumulacijske) in ~rpalno-zajezne elektrarne.

210 210 VRSTE VODNIH ELEKTRARN Slika 7.7. Razdelitev vodnih turbin glede na specifi~no vrtilno frekvenco Preto~ne elektrarne Voda te~e brez zadr`evanja skozi turbine, morebitni prese`ek pa neizkori{~en ~ez jez mimo turbin. Preto~ne vodne elektrarne so primerne za osnovno preskrbo omre`ja z elektri~no energijo, tok vode mora biti skozi vse leto ~im bolj enakomeren. V Sloveniji ve~ina rek zaradi mo~nega spreminjanja toka vode glede na letni ~as ni primerna za postavitev takih elektrarn Zajezne (akumulacijske) elektrarne Voda te~e v zbiralnik vode (akumulacijsko jezero) in se nato vodi na turbine glede na potrebe elektri~nega omre`ja. Zbiralnik vode je namre~ tisti, ki napravi vodno elektrarno vsestransko uporabljivo. V splo{nem je zbiralnik vode dovolj velik, ~e je na~rtovan za 60 % do 70 % vse vode, ki v povpre~ju prite~e v enem letu. Razlikujemo: dnevno akumulacijo vode (manj{i jezovi), na primer vodne elektrarne na Dravi tedensko akumulacijo vode (ve~ji jezovi in pregrade) in letno akumulacijo vode (dolinske pregrade).

211 7 VODNE ELEKTRARNE 211 K zajeznim (akumulacijskim) vodnim elektrarnam spada tudi postavitev elektrarn v stopnjah, tako da je ~im bolj popolno izkori{~en ves razpolo`ljivi re~ni padec. O stopenjskem obratovanju govorimo, ~e imata prva in zadnja elektrarna v taki verigi zbiralnik vsaj za dnevno akumulacijo vode. Tak zbiralnik se polni pono~i, ko veriga elektrarn ne obratuje. Podnevi, ko so potrebe po elektri~ni energiji ve~je, pa za~no elektrarne obratovati ena za drugo in pri tem te~e skozi turbine ve~ja koli~ina vode, kakor pa doteka v zbiralnik vode na za~etku verige. Izravnalni zbiralnik vode na koncu verige skrbi za enakomernej{i odtok vode. Z energetskega vidika je va`na prostornina napolnjenega zbiralnika vode, saj pove, koliko je v njem shranjene potencialne energije vode. Velja: We = ηe ρ V g H (7.13) Preglednica 7.1 prikazuje potrebno vi{insko razliko in pretok vode, ki sta potrebna za proizvodnjo 1 kw h elektri~ne energije pri η e = 0,85. Potencialna energija vode je v primerjavi s kemi~no vezano energijo goriv majhna. Vzemimo HE Zlatoli~je na Dravi, ki ima dejansko mo~ P e = 132'000 kw in bruto padec DH = 33 m. Za to mo~ potrebuje V & = 450 m 3 /s ali &m 450'000 kg/s vode. Primerjava s termoelektrarno enake mo~i na teko~e gorivo s kurilnostjo H i = 40'000 kj/kg in dejanskim izkoristkom η e = 0,35 poka`e, da je poraba goriva &m Go = 9,4 kg/s. Za jedrsko termoelektrarno enake mo~i, s tla~novodnim reaktorjem na obogateni uran pa je ta poraba goriva le &m Go 0,185 kg/h = 51 mg/s. Preglednica 7.1. Potrebna vi{inska razlika in pretok vode za proizvodnjo 1 kw h pri η e = 0,85 DH / m & V / (m 3 /s) ,6 8,6 4,3 0, ^rpalno-zajezne (akumulacijske) elektrarne Pri ~rpalno-zajeznih elektrarnah se voda zbira v dveh zbiralnikih, ki sta postavljena na razli~nih geodetskih vi{inah. Spodnji zbiralnik vode je navadno (ni pa nujno) zajezena reka, zgornji pa umetno zgrajen hranilnik vode. Pri takih elektrarnah se ~rpa re~na voda ob prese`kih elektri~ne energije iz omre`ja v vi{je le`e~i hranilnik. Potencialna energija te vode se nato uporablja za pridobivanje elektri~ne energije v ~asu velikih potreb, tako da te~e voda iz vi{je le`e~ega hranilnika nazaj po istem cevovodu do turbin, ki so postavljene ob reki. Delovanje ~rpalno-zajezne vodne elektrarne prikazuje slika 7.8; zaradi nazornosti je narisan starej{i na~in, kjer sta turbina in ~rpalka na eni osi, vendar konstrukcijsko lo~eni. V novej{em ~asu so na voljo posebne ~rpalne turbine, ki zdru`ujejo v enem turbinskem stroju lastnosti vodne turbine in ~rpalke. S tem se poceni investicija, prvi pogoj je dober izkoristek takega reverzibilnega turbinskega stroja. Najbolj{i izkoristek ~rpalke je namre~ pri druga~ni specifi~ni vrtilni hitrosti kot najbolj{i

212 212 VRSTE VODNIH ELEKTRARN Slika 7.8. ^rpalno-zajezna elektrarna izkoristek vodne turbine. Navadno je treba izbrati neko kompromisno specifi~no vrtilno hitrost, ki je enaka za oba na~ina obratovanja, pri tem pa mo~ ~rpalke in vodne turbine po velikosti pribli`amo tako, da izberemo skozi ~rpalko manj{i pretok kot pa skozi turbino. Za vi{ine do 20 m se uporabljajo cevne ~rpalne turbine, za vi{ine od 50 m do 150 m posebne Francisove ~rpalne turbine s nastavljivimi gonilnimi lopaticami (Deriazove turbine) in za vi{ine od 100 m do 600 m posebne izvedbe Francisove turbine. Shranjevanje potencialne energije vode je lahko pri ugodni konfiguraciji zemeljske povr{ine zelo gospodarna re{itev. S tem dobimo: oplemeniteno energijo (~rpanje v vi{je le`e~i hranilnik vode z no~nimi prese`ki elektri~ne energije in proizvodnja drage vr{ne elektri~ne energije podnevi); energijo v rezervi za primer nenadne potrebe (okvara ene od elektrarn, ki je v obratovanju itd.). Prednosti takega na~ina shranjevanja so: takoj{en vklop postroja (hitreje kot pri plinskem postroju) mo`nost hitrih in velikih sprememb mo~i velike koli~ine shranjene energije. Bistvenega pomena pri ~rpalno-zajeznih elektrarnah je ~im bolj{i skupni izkoristek postroja, saj gre za dvakratno spremembo energije: elektri~na energija se spremeni v potencialno energijo vode in ta ponovno nazaj v elektri~no, preglednica 7.2.

213 7 VODNE ELEKTRARNE 213 Preglednica 7.2. Izkoristki sodobne ~rpalno-zajezne elektrarne Stroj ali naprava posami~ni Izkoristki zaporedni zmno`ek ^rpanje Dovedena elektri~na energija iz omre`ja Transformator Lastna raba energije Elektromotor za pogon ~rpalke ^rpalka Cevovod med obema hranilnikoma vode Dovedena energija v zgornji hranilnik vode 1,000 0,996 0,992 0,990 0,920 0,985 1,000 0,996 0,988 0,978 0,900 0,886 0,886 Izkori{~anje Cevovod med obema hranilnikoma vode Vodna turbina Generator Lastna raba energije Transformator Odvedena elektri~na energija v omre`je 0,983 0,940 0,990 0,987 0,996 0,871 0,819 0,811 0,800 0,797 0,797 Zgled. ^rpalno-zajezna elektrarna Gladina zgornjega hranilnika vode le`i 100 m nad gladino reke, ob kateri je postavljena vodna elektrarna. Skupni izkoristek turbinskega postroja je η T = 0,88, skupni izkoristek ~rpalnega postroja pa η^ = 0,86. Koliko vode je treba na~rpati v jezero (zgornji hranilnik), da je mogo~e s to vodo v 2 urah proizvesti 50'000 kw h vr{ne elektri~ne energije? Kak{na mora biti mo~ ~rpalke, ~e so pono~i za ~rpanje na voljo 4,5 ure? Koli~ina vode, ki jo je treba na~rpati v zgornji hranilnik vode: W = η ρ V g H T T T WT 50' ' 1000 V = = = 208'507 m 3 η ρ g H 0, , Mo~ vodne turbine: WT PT = = 25'000 kw tt Volumenski tok, ki je potreben, da napolnimo izra~unano prostornino v zahtevanem ~asu t^: V & V = = 12,87 m 3 /s t ^

214 214 PRIMERJAVA MED VODNO ELEKTRARNO IN TERMOELEKTRARNO Mo~ ~rpalke: 1 P = V g H ^ ^ η ρ & = 14'682 kw ^ Razmerje med pridobljeno in porabljeno energijo: PT tt = ηt η = 0,757 ^ P t ^ ^ Pri dvakratni spremembi energije smo torej izgubili okrog 25 % koristne energije v obliki elektri~ne energije. 7.4 Primerjava med vodno elektrarno in termoelektrarno Energijska bilanca elektrarne pove, da je vsota vseh energij, skupaj s toploto, ki so dovedene v sistem, enaka vsoti vseh energij in tehni~nemu delu, ki ga dobimo iz sistema: m U p V v m g H 1 + Q 12= 2 m =U p V v m g H 2 + W t12 (7.14) 2 Za vodno elektrarno velja poenostavljeno U 1 = U 2, p 1 = p 2, v 1 = v 2 in Q 12 = 0: Wt12 = m g ( H1 H 2 ) (7.15) Tehni~no delo je torej odvisno samo od potencialne energije vode. ^e zanemarimo vse vrste izgub (izgube v dovodnem cevovodu, notranje izgube v vodni turbini, mehanske izgube, elektri~ne izgube generatorja itd.), potem je to tehni~no delo enako elektri~nemu delu na sponkah generatorja. Dejanska mo~ vodne elektrarne, kjer so vse izgube upo{tvane z izkoristkom, je manj{a od teoreti~ne: Pe = η e m& g H (7.16) Za termoelektrarno velja poenostavljeno H 1 = H 2, v 1 = v 2 in Q 12 = 0: Wt12 = U1 U 2 + p1 V1 p2 V2 = m ( h1 h2 ) (7.17) Tehni~no delo je torej odvisno od notranje in tla~ne energije delovne snovi, torej od entalpije pare. ^e zanemarimo vse izgube (izgube v parnem kotlu, notranje izgube v parni turbini, mehanske izgube, elektri~ne izgube generatorja itd.), potem je to tehni~no delo enako delu na sponkah generatorja. Dejanska mo~ termoelektrarne, kjer so vse izgube upo{tevane z izkoristkom, je manj{a od teoreti~ne: P = η m& H (7.18) e e

215 7 VODNE ELEKTRARNE 215 ^e primerjamo med seboj delo, ki ga iztr`imo iz enega in drugega postrojenja, je specifi~no delo g H (m 2 /s 2 = J/kg) pri vodni elektrarni primerljivo s specifi~nim delom c p T (J/kg) pri termoelektrarni. Pri vodni elektrarni dobimo mehansko delo s tem, da pada voda skozi turbino iz zgornjega v spodnji zbiralnik vode, pri termoelektrarni pa s tem, da "pada" toplota skozi turbino od temperature v parnem kotlu na temperaturo v kondenzatorju, slika 7.9. Pri vodni elektrarni je energija son~nega sevanja tista, ki vrne vodo v za~etno lego, pri termoelektrarni pa spro{~ena energija goriva (iz katere se napaja tudi elektromotor kotlovske ~rpalke). Pri tem sta specifi~ni energijski veli~ini g H in c p T ostali v teku celotnega povra~ljivega procesa pribli`no konstantni. Tako lahko za Slika 7.9. Primerjava med vodno elektrarno in termoelektrarno

216 216 VODNA ELEKTRARNA IN OKOLJE povra~ljiv proces brez izgub (notranji, mehanski in drugi izkoristki so enaki ena) med seboj primerjamo tudi izkoristek kro`nega procesa. Vodna elektrarna: W mg ( H1 H 2 ) H 2 η "t" = = = 1 (7.19) Wdo mgh 1 H 1 Termoelektrarna: W mc p ( T1 T2 ) T2 η t = = = 1 (7.20) W mc T T do p 1 Potencialno energijo vode lahko izkori{~amo v ve~ stopnjah prav do morske gladine (H 2 =H=0). V tem teoreti~nem primeru se je energija vode popolnoma pretvorila v (elektri~no) delo, energijski izkoristek je enak ena. Toploto pa lahko vsaj na Zemlji izkori{~amo le do temperature okolice T 2 = 300 K (in ne do T 2 =T = 0 K). Energija toplote torej ni popolnoma pretvorljiva v druge oblike energij, zato energijski izkoristek ne more biti ena. Kot je znano, upo{teva to "pomanjkljivost" toplote eksergijski izkoristek, ki je lahko v teoreti~nem primeru enak ena Vodna elektrarna in okolje Vodne elektrarne {e desetletja ne bodo izgubile svoje pomembnosti. Nasprotno, gradnja vodnih elektrarn bo mo~no pridobila veljavo na podro~jih, kjer doslej vodna energija {e ni bila izkori{~ana. Tehni~ni problemi so znani, strokovnjaki jih obvladujejo, velikost postrojenj je odvisna le od zemljepisne lege in razpolo`ljivega pretoka vode. Pri gradnji vodnih elektrarn gre za precej{nje posege v naravo, kljub temu pa se okolje z gradnjo vodnih elektrarn ne kvari bistveno, v~asih se celo izbolj{a. Slabe strani gradnje vodne elektrarne: izguba obdelovalne zemlje, premestitev cest in zgradb, sprememba vi{ine talne vode v okolici elektrarne, pove~anje megle, spreminjanje jezerske gladine, slab{e razkrajanje organskih snovi zaradi zmanj{ane koli~ine kisika v vodi, zasipavanje jezera zaradi stalnega kopi~enja naplavin. Dobre strani gradnje vodne elektrarne: u~inkovito namakanje zemlje, bolj{a preskrba s pitno vodo, meliorirana okoli{ka zemlja in prepre~ena mo`nost poplav, urejena plovba.

217 8 NEKONVENCIONALNI ENERGIJSKI VIRI Poglavje obravnava najva`nej{e mo`nosti izkori{~anja tistih nekonvencionalnih obnovljivih energijskih virov, ki jih danes {e ne izkori{~amo v ve~ji meri. Akumulirana son~na energija, ki je shranjena v fosilnih gorivih itd. ni obravnavana, prav tako ne vodna energija, saj sta zaradi svoje pomembnosti obravnavani v predhodnih poglavjih. 8.1 Zna~ilnosti Obnovljivi primarni energijski viri so posledica jedrske fuzije na Soncu, razpadanja izotopov razli~nih elementov v zemeljski notranjosti in planetarnega gibanja Zemlje. To primarno energijo pa ni mogo~e enozna~no pripisati posameznemu energijskemu viru. Preglednica 8.1 prikazuje vire in red velikosti te primarne energije. Preglednica 8.1. Obnovljiva primarna energija Vir energije Energija son~nega sevanja Geotermalna energija Zemlje Energija zaradi gibanja Zemlje Energija 5'600' J/a J/a J/a

218 218 ZNA^ILNOSTI Najpomembnej{i vir energije je son~no sevanje, njegovo delovanje na Zemljo je razvidno iz preglednice 8.2. Preglednica 8.2. Porazdelitev son~nega sevanja na Zemlji Energija son~nega sevanja 100,0 % Energija, ki se na robu atmosfere odbija nazaj v vesolje Energija, ki se spremeni v toploto okolice Energija za izhlapevanje vode in za padavine Energija za tvorjenje biomase Energija vetra, morskih valov in tokov Energija teko~ih voda 30 % 45,2 % 22,1 % 0,1 % 2,5 % 0,003 % Kak{ne so na~elne mo`nosti izkori{~anja obnovljivih energijskih virov prikazuje slika 8.1. Nekatere mo`nosti, na primer vodne elektrarne, izkori{~a ~love{tvo `e stoletja, druge so postale zanimive {ele v zadnjem ~asu. Slika 8.1. Mo`nosti izkori{~anja obnovljivih energijskih virov

219 8 NEKONVENCIONALNI ENERGIJSKI VIRI 219 Od vse son~ne energije je teoreti~no mogo~e izkori{~ati pribli`no 0,3 %, kar pa je {e vedno ve~, kot je vsa sedanja poraba koristne energije na svetu. Glavna te`ava gospodarnega izkori{~anja obnovljivih energijskih virov je majhna gostota proizvodnje te vrste energije. To pomeni, da potrebujejo tehnologije za izkori{~anje teh vrst primarnih energijskih virov velike povr{ine in veliko materiala. Zato so tehni~ne re{itve drage. Nadaljnja pomanjkljivost predvsem najpomembnej{ega vira, to je son~nega sevanja, je mo~no ~asovno spreminjanje ter neenakomerna porazdelitev te energije po povr{ini zemlje. 8.2 Son~no sevanje Sonce oddaja energijo zaradi stalne jedrske fuzije, pri kateri se vodik spreminja v helij. Vodik tvori pribli`no 60 %, helij pribli`no 35 %, vsi drugi elementi pa pribli`no 5 % mase Sonca. Jedrska fuzija se dogaja v notranjosti Sonca pri temperaturah (15 20) 10 6 K in tlakih bar. Pri tem se na ra~un energije stalno zmanj{uje masa za pribli`no kg/s. Son~no sevanje je fizikalno gledano elektromagnetno sevanje ~rnega telesa pri temperaturi 5'760 K z valovnimi dol`inami od 0,25 µm (ultravijoli~no sevanje) do 3 µm (infrarde~e sevanje). Gostota son~nega sevanja &w Sl / (kw/(m 2 µm)) je najmo~nej{a pri valovni dol`ini Slika 8.2. Spektralna porazdelitev gostote son~nega sevanja: A son~no sevanje, pravokotno na morsko gladino, B son~no sevanje na robu zemeljske atmosfere, C sevanje ~rnega telesa pri 5'760 K, ^ difuzna komponenta pri rahlo meglenem nebu, D difuzna komponenta pri jasnem nebu

220 220 SON^NO SEVANJE 0,5 µm, ki le`i v vidnem spektru sevanja (svetloba) in pripada zeleni barvi, slika 8.2. Na povr{ini Sonca je gostota sevanja 62 MW/m 2, gostoto sevanja na robu zemeljske atmosfere pa dobimo, ~e integriramo sevanje ~ez vse valovne dol`ine. Tako izra~unana konstanta, ki je potrjena z meritvami, je 1353 W/m 2, pri tem je natan~nost meritev ± 1,6 % (± 3,4 % zaradi letno spreminjajo~e se razdalje med Zemljo in Soncem). Na poti skozi atmosfero se gostota sevanja zmanj{a vsaj za tretjino in dose`e zemeljsko povr{ino delno kot difuzno, delno kot direktno sevanje. To zmanj{anje povzro~a absorpcija sevanja na molekulah H 2 O, O 3,O 2 in CO 2 v atmosferi ter molekulah zraka in trdnih ter teko~ih delcih (prah, led, vodne kapljice itd.) v atmosferi v bli`ini zemeljske povr{ine. Pod ugodnimi pogoji dose`e gostota son~nega sevanja na povr{ini Zemlje vrednosti okoli 1000 W/m 2. Dejansko je son~no sevanje porazdeljeno po zemeljski povr{ini zelo neenakomerno in je mo~no odvisno od zemljepisne {irine, obla~nosti, ~isto~e zraka itd. Slika 8.3 prikazuje direktno dnevno sevanje pri jasnem nebu, in sicer na povr{ino, ki je ves ~as pravokotna na smer son~nih `arkov. Pri zemljepisnih {irinah blizu ekvatorja je sevanje vse leto pribli`no konstantno, medtem ko je pri ve~jih {irinah sevanje zelo odvisno od letne dobe. Ta okoli{~ina mo~no ote`uje izkori{~anje son~ne energije, zaradi tega so namre~ nujni hranilniki energije, to pa je problem, ki do danes {e ni zadovoljivo re{en. Slika 8.3. Srednja dnevna direktna energija sevanja na enoto povr{ine, postavljene pravokotno na son~ne `arke za razli~ne zemljepisne {irine pri jasnem nebu (dnevi so {teti od za~etka pomladi)

221 8 NEKONVENCIONALNI ENERGIJSKI VIRI 221 Slika 8.4. Srednja dnevna direktna energija sevanja za razli~ne zemljepisne {irine pri vodoravno le`e~i povr{ini in jasnem nebu (dnevi so {teti od za~etka pomladi) Vodoravno le`e~e povr{ine sprejemajo ob~utno manj energije, slika 8.4, kar je posebej o~itno pozimi in pri ve~jih zemljepisnih {irinah. Namesto povpre~no 7,4 kw h/m 2 pri optimalnih sprejemnih legah, je ta izra~unana vrednost pri horizontalnih legah na ekvatorju le 5,5 kw h/m 2. V bli`ini polarnega kroga pa se zmanj{a na 3,2 kw h/m 2. Za Slovenijo so izmerjene vrednosti za povpre~no dnevno energijo son~nega sevanja v juliju od 4,30 kw h/m 2 do 5,80 kw h/m 2 in v januarju od 0,83 kw h/m 2 do 1,34 kw h/m 2, letno povpre~je je pribli`no 3,1 kw h/m Sprejemniki son~ne energije Son~ni kolektorji ali sprejemniki son~ne energije spreminjajo sevalno energijo sonca v toploto. Idealna povr{ina sprejemnika absorbira vse valovne dol`ine son~nega sevanja λ = 0,3 3,0 µm. Imamo sprejemnike, ki to toploto dvigajo na vi{jo temperaturno stopnjo, in son~ne sprejemnike, ki te toplote ne "koncentrirajo", to je, ne dvignejo jo na vi{ji temperaturni nivo. Ti dve vrsti sprejemnikov son~ne energije se razlikujeta po razmerju med sprejemno plo{~ino A R in absorpcijsko A A ; to razmerje se imenuje razmernik koncentracije: ξ = A R AA (8.01)

222 222 SON^NO SEVANJE Slika 8.5. Vrste sprejemnikov son~ne energije: A plo{~ati sprejemnik, B paraboli~ni sprejemnik, C paraboloidni sprejemnik, ^ heliostat s sprejemnim stolpom Preglednica 8.3. Glavne vrste sprejemnikov son~ne energije Vrsta sprejemnika son~ne energije A plo{~ati, nepremi~ni B paraboli~ni, vodljivi C paraboloidni, vodljivi ^ heliostati, vodljivi Razmernik koncentracije ξ = A R /A A Temperaturno obmo~je delovanja, T / C Glede na razmernik koncentracije ξ (eno-, dvo- ali tridimenzijska koncentracija energije) razlikujemo {tiri glavne vrste sprejemnikov son~ne energije, slika 8.5 in preglednica 8.3. Uporaba sprejemnikov son~ne energije je glede na razmernik koncentracije in temperaturno obmo~je razli~na: Plo{~ati, nepremi~ni sprejemniki son~ne energije za direktno in difuzno sevanje. Primerni so za pripravo tople vode (sanitarna voda, voda za bazene), za ogrevanje in klimatizacijo. Paraboli~ni sprejemniki son~ne energije, vodljivi glede na polo`aj sonca na nebu, son~no sevanje je koncentrirano enodimenzionalno. Primerni so za pripravo toplote za procesno tehniko (priprava pitne vode iz morske), za ogrevanje, hlajenje in klimatizacijo. Paraboloidni sprejemniki son~ne energije, vodljivi glede na polo`aj sonca na nebu, son~no sevanje je koncentrirano dvodimenzionalno. Primerni so za

223 8 NEKONVENCIONALNI ENERGIJSKI VIRI 223 Slika 8.6. Shemati~ni prikaz plo{~atega son~nega kolektorja (ξ = 1):A okvir, B izolacijska plast, C prozorni pokrov, ^ absorber, D cevi za delovno snov pripravo toplote za procesno tehniko, za ogrevanje, hlajenje in pripravo elektri~ne energije. Heliostati so zrcala, ki usmerjajo son~no sevanje na skupni sprejemnik, vodljivi so glede na polo`aj sonca na nebu, son~no sevanje je koncentrirano dvodimenzionalno. Primerni so za pripravo elektri~ne energije in toplote za procesno tehniko (izdelava zlitin). Osnovna zgradba plo{~atega sprejemnika son~ne energije, ki toplote ne dviga na vi{jo temperaturno stopnjo, prikazuje slika 8.6. Sestavljen je iz absorberja (~rna plo{~a), cevi za dovod in odvod delovne snovi (voda, zrak), prozornega za{~itnega pokrova (steklo), toplotne izolacije (mineralna volna) in okvirja. Delovna snov prena{a toploto od sprejemnika son~ne energije v hranilnik ali naravnost k porabnikom po znani ena~bi: Q& = m& c p T (8.02) Sprejemniki son~ne energije z vi{jim razmernikom koncentracije dose`ejo zelo visoke temperature, segrejejo in uparijo lahko primerno delovno snov, ki `ene parno ali plinsko turbino v zaprtem kro`nem procesu za preskrbo z elektri~no energijo. Dose`ene temperature dovoljujejo pripravo toplote celo za visokotemperaturne metalur{ke procese. Izkoristek son~nega kolektorja je odvisen od precej{njega {tevila parametrov; izgube je mogo~e razvrstiti v dve veliki skupini: v opti~ne in toplotne. Medtem ko so opti~ne izgube odvisne le od lastnosti materialov sprejemnika son~ne energije, so toplotne izgube odvisne predvsem od dose`enih temperaturnih razlik, slika 8.7. q& σ + q& α + q& λ ηe = η0 x t = ρ τ α (8.03) ξ w& S Opti~ni izkoristek kolektorja dosega vrednosti vrednosti η 0 = 0,7 0,8 in je odvisen od:

224 224 SON^NO SEVANJE Slika 8.7. Primer za izgube vodljivega son~nega kolektorja (ξ > 1): A reflektivnost zrcala, B prepustnost stekla, C absorptivnost povr{ine, ^ druge nepopolnosti, D konvekcija, E sevanje, F dejanski izkoristek reflektivnosti zrcala ρ / prepustnosti stekla τ / absorptivnosti sprejemne povr{ine α / in drugih izgub, na primer od (ne)natan~nosti vodenja kolektorja glede na polo`aj sonca. Toplotne izgube kolektorja pa so odvisne od: izgub zaradi sevanja &q σ / (W/m 2 ) izgub zaradi konvekcije &q α / (W/m 2 ) izgub zaradi prevoda &q λ / (W/m 2 ) razmernika koncentracije ξ in gostote toka son~nega sevanja &w S / (W/m 2.) Toplotne izgube so ugotovljene izkustveno z meritvami in so mo~no odvisne od vrste sprejemnika. Za toplotni tok, ki ga je mogo~e izkoristi, velja: Q& = η A w& e S (8.04) Izgube v sprejemniku stolpa pa je mogo~e razvrstiti na tri ve~je skupine: izgube zaradi konvekcije, reemisije in refleksije.

225 8 NEKONVENCIONALNI ENERGIJSKI VIRI Son~ne celice Pretvorba sevalne energije sonca v toploto je sicer dobrodo{la re{itev, vendar ne prispeva bistveno k re{evanju t. i. energetske krize, o kateri se pogosto pi{e in govori. Dejansko gre pri energetski krizi predvsem za zagotovitev preskrbe z elektri~no energijo, torej za zagotovitev energije v obliki mehanskega dela in nikakor ne za zagotovitev energije v obliki toplote. Pretvorba sevalne energije sonca v elektri~no je izvedljiva v son~nih celicah. Sprememba je elegantna, saj poteka direktno in brez vmesne preobrazbe v toploto, kot je to primer pri toplotnih kro`nih procesih. Pri izkori{~anju energije son~nega sevanja bodo zato imele son~ne celice v prihodnje zelo pomembno vlogo. Son~ne celice delujejo po principu fotoelektri~nega ali fotovoltai~nega pojava: pri nekaterih polprevodnikih povzro~a absorpcija svetlobe, tj. elektromagnetno valovanje, nastanek elektri~ne napetosti in kot posledica te napetosti nastanek induciranega elektri~nega toka. Zna~ilno za polprevodnike je, da prevajajo elektri~ni tok samo v eni smeri, da torej delujejo kot diode. Najbolj raz{irjen polprevodni{ki material je silicij Si, ki ga je v zemeljski skorji 28 %. Zgradbo son~ne celice, ki spreminja son~no sevanje v elektri~no energijo, prikazuje slika 8.8. Direktna in difuzna svetloba seva skozi antirefleksijsko plast na tanko polprevodni{ko plo{~o. Pri tem mora imeti polprevodnik pravilno kristalno strukturo in visoko ~istoto. Absorpcija son~nega sevanja povzro~a, da se v materialu polprevodnika sprostijo prosti naboji: negativno nabiti elektroni in pozitivno nabite "vrzeli". Elektron v atomu preide iz t. i. valen~nega podro~ja, v katerem se nahaja v normalnem stanju, v t. i. prevodno podro~je, pri tem ostane v valen~nem podro~ju vrzel. Zaradi prigrajenega zunanjega elektri~nega polja ostanejo ti naboji lo~eni in potujejo k obema elektrodama. Ta pojav, ki ga povro~i absorpcija son~nega sevanja, je mo`en tudi na sti~ni ploskvi med nekaterimi polprevodniki in kovino, pa tudi na sti~ni ploskvi med dvema razli~nima polprevodnikoma. Glede na to se son~ne celice delijo na tri osnove vrste: Slika 8.8. Shemati~ni prikaz son~ne celice: A antireflekcijski sloj, B ~elna polprevodni{ka plo{~a, C mejna plast (podro~je, kjer se spro{~ajo naboji), ^ osnovna polprevodni{ka plo{~a, D kovinski elektrodi, odvod elektri~nega toka

226 226 SON^NO SEVANJE homogene son~ne celice; ~elna in osnovna plo{~a sta iz enakega polprevodni{kega materiala, na primer Si/Si; kovinske son~ne celice; na osnovni polprevodnik je naparjena tanka ~elna kovinska plast, na primer Al/Si; heterogene son~ne celice; ~elna in osnovna plo{~a sta iz razli~nih polprevodni{kih materialov. V elektri~no energijo se spreminja samo del sevalne energije sonca. Pri silicijevi son~ni celici, ki je najbolj raz{irjena, je to pri valovni dol`ini λ = 1,15 µm. Dolgovalovna svetloba za pretvorbo nima dovolj energije in se spreminja v toploto. V toploto se spreminja tudi del kratkovalovne svetlobe, ki ima sicer dovolj energije, da izbije elektrone, kljub temu pa ne prispeva k nastajanju elektri~nih nabojev. Zato je v najugodnej{ih razmerah teoreti~ni izkoristek son~ne celice okrog 28 %. Laboratorijsko so bili dose`eni izkoristki do 21 %, v praksi do 17 %. Pri tem je izkoristek vedno razmerje med proizvedeno elektri~no energijo in dovedeno energijo son~nega sevanja. Za homogene silicijeve son~ne celice je zna~ilna elektri~na napetost 0,7 V, medtem ko je jakost elektri~nega toka odvisna od jakosti son~nega sevanja. Po grobi oceni lahko v Sloveniji obratujejo son~ne celice okrog 1200 ur na leto. Zgled. Son~ne celice in proizvodnja elektri~ne energije v Sloveniji Kak{na je teoreti~no potrebna povr{ina zemlje za son~ne celice, da se pridobi elektri~na energija, ki jo letno potrebuje Slovenija? Povpre~na dnevna energija son~nega sevanja: w S = 3,1 kw h/(m 2 d) Povpre~na letna energija son~ega sevanja: w S = 3,1 3,65 = 1131 kw h/(m 2 a) Izkoristek son~ne celice: η SC = 0,15 Povpre~na leta energija son~nega sevanja, ki se v son~ni celici pretvori v elektri~no energijo: η SC w S = 170 kw h/(m 2 a) Letna proizvodnja elektri~ne energije v Sloveniji W E = kw h/a WE Potrebna povr{ina, pokrita s son~nimi celicami: w S η = m 2 Na 1 m 2 povr{ine son~ne celice dobimo v Sloveniji na leto pribli`no 170 kw h elektri~ne energije, teoreti~no potrebna povr{ina zemlje za namestitev son~nih celic pa je pribli`no 82 km 2 (9 km 9 km). Poglavitne te`ave uporabe son~nih celic pri preskrbi z elektri~no energijo so povezane z velikimi stro{ki investicije in kratko trajnostno dobo son~nih celic, ki odlo~ilno vplivata na zaenkrat (pre)visoko ceno proizvedene elektri~ne energije. Proizvodnja elektri~ne energije je neenakomerna, zato je treba poskrbeti za ustrezno shranjevanje energije, kar je povezano z dodatnimi stro{ki. SC

227 8 NEKONVENCIONALNI ENERGIJSKI VIRI Energija biomase Energija son~nega sevanja se v naravi spreminja s fotosintezo v kemi~no energijo. Del te energije potrebujejo organizmi za ohranjanje `ivljenja, del energije je na razpolago v obliki biomase. Biomasa so vse snovi organskega tkiva (rastlinskega in `ivalskega izvora, `ivega in odmrlega), ki je nastal z biosintezo. Najve~ji del biomase rabi zopet za hrano drugim organizmom, manj{i del je na razpolago za pretvarjanje v koristno energijo. Tudi fosilna goriva, ki jih danes uporabljamo, so spremenjena oblika biomase. Pridobivanje koristne energije iz biomase je mogo~e razdeliti na termokemi~ne, ekstraktivne in biolo{ke procese. Med termokemi~ne procese spadajo: trda goriva, ki niso fosilnega izvora, na primer les, slama itd.; uplinjanje brez prisotnosti zraka (piroliza), na primer strupeni odpadki; uplinjanje z delnim dovodom zraka, na primer {ota. Med ekstraktivne procese spada: ekstrakcija razli~nih rastlinskih olj, na primer oljna repica, son~nice, soja itd. Med biolo{ke procese spadajo: hidroliza in vrenje brez prisotnosti zraka za pridobivanje etanola in butanola, na primer iz rastlin, ki vsebujejo nekaj sladkorja, {kroba ali celuloze; gnitje brez prisotnosti zraka za pridobivanje bioplina (metana), kamor spadajo `ivinski odpadki, mulj komunalnih ~istilnih naprav in ostanki `ivilsko-predelovalne industrije. Tehnolo{ki postopki za pridobivanje energije iz biomase so zelo razli~ni in spadajo na rob obravnavanega podro~ja energetskih sistemov. Ta energija je po kon~nem tehnolo{kem postopku na razpolago kot toplota ali pa kot kemi~no vezana energija. Toda tudi ta kemi~no vezana energija se v nadaljnjem tehnolo{kem postopku zgorevanja pretvori v toploto. V Sloveniji ima bodo~nost predvsem termokemi~ni proces zgorevanja, in sicer: razli~nih lesnih ostankov, `aganja itd. iz industrijskih obratov in lesne mase, pridobljene direktno iz gozda, kot posledice vzdr`evanja in ~i{~enja gozdnih povr{in, ki se v Sloveniji `e nekaj desetletij {irijo. Kurilnost lesa je odvisna od vsebnosti vlage. Sve`e posekan les ima vsebnost vlage od 50 % do 60 % in kurilnost 7'000 do 8'000 kj/kg, popolnoma suh les pa 19'000 kj/kg. Zna~ilno za pridobivanje energije iz biomase je velika poraba energije za pripravljalna dela. Pri tem pa je za to pripravo potrebno dragoceno ~love{ko in mehansko delo (elektri~na energija), iz biomase pa se po pretvorbi pridobi le toplota.

228 228 ENERGIJA VETRA Zgled. Pridobivanje metana iz komunalnih odpadkov v ljubljanskem podjetju Snaga Mesto Ljubljana in okoli{ki kraji imajo na Barju urejeno skupno centralno odlagali{~e industrijskih, komunalnih in drugih odpadkov. Koli~insko je najve~ komunalnih odpadkov, ki so nasuti pribli`no 20 m debelo nad barjansko osnovo. V ta urejena odlagali{~a komunalnih odpadkov so postavljene navpi~ne cevi, ki so preluknjane, in na vrhu v vodoravni smeri povezane v celoto. Ker gre v precej{nji meri za organske odpadke, se v teh odpadkih 10 let in ve~ tvori metan. To je anaerobna pretvorba in gnitje, ki ni eksotermno. Zaradi podtlaka, ki je vzpostavljen v celotnem cevovodnem sistemu, te~e metan skozi luknje v cevovod in ne na prosto. Tako zbrani bioplin se vodi v posebne hranilnike in rabi za gorivo plinskih motorjev. Pridobljeni metan zadostuje za pogon {tirih plinskih motorjev s skupno mo~jo 800 kw, proizvedena elektri~na energije gre v javno elektri~no omre`je. To je preprost in u~inkovit na~in izkori{~anja odpadne biomase. 8.4 Energija vetra Del razpolo`ljive energije son~nega sevanja se v zemeljski atmosferi spreminja v notranjo in kineti~no energijo zra~nih mas; ta energija, ki je posledica segrevanja zraka, izhlapevanja in kondenzacije vode ter vrtenja zemlje okoli lastne osi, pa ni porazdeljena enakomerno po zemeljski obli, odvisna je od son~nega sevanja, odboja, absorpcije, konvektivnega in latentnega prenosa toplote. Zaradi tega nastajajo v troposferi, to je v spodnjem delu zemeljske atmosfere, tla~ne razlike, ki se izena~ujejo z zra~nimi tokovi. Pojem 'veter' ozna~uje gibanje zra~nih mas glede na povr{ino Zemlje. Hitrost vetra je torej hitrost zra~nih mas glede na Zemljino povr{ino. V ni`jih plasteh se zra~ne mase gibljejo (piha veter) zaradi lokalnih razlik atmosferskega tlaka, nad 1000 m vi{ine (na morju `e pri manj{ih vi{inah) sledi tok zraka linijam konstantnega tlaka (enakomerno gibanje zra~nih mas relativno glede na povr{ino Zemlje). Ve~anje hitrosti vetra z nara{~ajo~o oddaljenostjo od zemeljske povr{ine je torej vezano tudi s spremembo smeri vetra. Za izkori{~anje energije vetra so zanimive predvsem ni`je zra~ne plasti ob zemeljski povr{ini. Debelina mejne plasti zra~nega toka (vetra) je odvisna od zemeljske povr{ine: pri gladkih povr{inah (voda, sneg, pu{~ava) je debela nekaj milimetrov, pri gozdovih pribli`no 10 m. Za dolo~itev kineti~ne energije vetra za neki izbrani kraj niso potrebne samo meritve povpre~nih vrednosti za dalj{e ~asovno obdobje, ampak tudi meritve urnih in dnevnih vrednosti; od tod je mogo~e dobiti povpre~ne dnevne in povpre~ne mese~ne vrednosti. Pri tem je treba upo{tevati, da je hitrost vetra vektor: ima smer in velikost, kar je najpogosteje prikazano s t. i. ''vetrnimi ro`ami''. To so grafi, ki so za dolo~en kraj za glavne nebesne smeri narisane povpre~ne letne hitrosti vetra. Te

229 8 NEKONVENCIONALNI ENERGIJSKI VIRI 229 povpre~ne vrednosti vetra se od leta do leta lahko razlikujejo tudi za 20 %. Vedeti je namre~ treba, da povpre~ne vrednosti zakrivajo trenutni pojavi: brezvetrje, majhne hitrosti vetra, ki so za izkori{~anje energije neuporabne, in velike hitrosti vetra, ki so zaradi mogo~ih po{kodb stroja zopet neuporabne. Hitrost vetra je naklju~na funkcija, njeno porazdelitev je mogo~e opisati s statisti~no matematiko, pogosto pa z Weibullovo porazdelitveno funkcijo. Potek hitrosti v turbulentni, stacionarni in izotermni mejni plasti na zemeljski povr{ini ne sledi popolnoma klasi~ni teoriji mejnih plasti. Dobro jo opisuje ena~ba: n H vh = vx (8.05) H X pri tem je v X znana hitrost vetra na znani vi{ini H X,v H hitrost vetra na vi{ini H, n pa izkustveno dolo~en eksponent. Njegova vrednost je od 0,10 do 0,24, pri tem veljajo ni`je vrednosti eksponenta za ravne povr{ine. ^e predpostavimo, da so meritve vetra ve~inoma opravljene na vi{ini 10 m nad tlemi, potem je ocenjena vrednost za Slovenijo: 0,17 H vh = v10 (8.06) 10 Po tej ena~bi se podvoji energija vetra pri vi{ini 39 m nad tlemi. Prvi pogoj za gradnjo energetskih postrojev, ki bi izkori{~ali kineti~no energijo vetra, so seveda dovolj velike hitrosti, v 0 3 m/s. Slika 8.9. Srednje mese~ne hitrosti vetra za Jezersko, Ajdov{~ino in Ljubljano za obdobje od 1956 do 1975

230 230 ENERGIJA VETRA Slika Urejeni letni diagram za srednje urne hitrosti vetra za Ajdov{~ino za obdobje od 1975 do 1984 Srednje mese~ne hitrosti vetra za nekatere kraje v Sloveniji prikazuje slika 8.9. Ker gre za povpre~ne vrednosti v enem mesecu, mo~nej{i sunki vetra niso vidni, prav tako ne brezvetrje; mogo~e pa je razbrati, da so hitrosti vetra v zimskem ~asu ve~je kot v letnem, kar velja predvsem za primorske in hribovite kraje. Slika 8.10 pa prikazuje primer za urejeni letni diagram za povpre~ne urne hitrosti vetra. Ne gre ve~ za povpre~ne mese~ne vrednosti, ampak za povpre~ne urne, razen tega so izmerjene vrednosti urejene po velikosti. Potek hitrosti na sliki je neugoden: le nekaj sto ur na leto piha mo~an veter (burja!), ve~ji del leta pa so hitrosti vetra nizke. Vzemimo, da se celotna kineti~na energija vetra spremeni v mehansko delo, kar seveda ni mogo~e, saj bi v tem primeru morala biti hitrost vetra za vetrnico enaka ni~. Velja: W max = 2 0 m v 2 (8.07) Z upo{tevanjem kontinuitetne ena~be dobimo za celotni energijski tok zraka skozi vetrnico: 2 v 0 Pmax = ρ A 1 v 0 (8.08) 2 pri tem je ρ gostota zraka, A 1 povr{ina vetrnice, pravokotno na smer vetra, in v 0 hitrost vetra pred vetrnico. Pri povpre~ni gostoti zraka ρ 1,22 kg/m 3 glede na tlak in temperaturo okolice je gostota mo~i vetra:

231 8 NEKONVENCIONALNI ENERGIJSKI VIRI Pmax v 0 3 = ρ 061, v 0 (8.09) A1 2 Hitrost vetra je torej odlo~ujo~a veli~ina. Kot je znano, je od celotne mo~i vetra mogo~e teoreti~no izkoristiti najve~: 16 P = η a P max = P max (8.10) 27 kjer je η a = 16/27 = 0,593 aerodinami~ni izkoristek, poznan tudi pod imenom Betzovo {tevilo, upo{teva pa preprosto dejstvo, da kineti~na energija vetra zaradi kontinuitetne zakonitosti ni poljubno pretvorljiva. Teoreti~no je torej mogo~e z vetrnico spremeniti v mehansko delo le 59 % kineti~ne energije vetra. Iz ena~b (8.09) in (8.10) dobimo ena~bo: P 3 036, v 0 (8.11) A1 ki je izvrednotena na sliki Dodana je Beaufortova skala za veter. Dejanska mo~ vetrnice P e je manj{a, saj je treba upo{tevati notranji izkoristek vetrnice η i, mehanski izkoristek η m, izkoristek zobni{kega reduktorja η R in izkoristek generatorja η G : Pe = ηa ηi ηm ηr ηg Pmax (8.12) Kot vsi turbinski stroji ima tudi vetrnica najbolj{i notranji izkoristek samo pri imenski hitrosti vetra, pri vseh drugih hitrostih je izkoristek manj{i. Ker nima Slika Gostota mo~i vetra v odvisnosti od hitrosti in primerjava z Beaufortovo skalo

232 232 ENERGIJA VETRA vodilnika ampak samo gonilnik, notranji izkoristek vetrnice ni prav posebno velik, bolj{i je pri ve~jih strojih. Iz teorije turbinskih strojev je znano, da je notranji izkoristek stroja η i odvisen predvsem od razmerja (u/v 0 ), pri vetrnici od razmerja med obodno hitrostjo na vrhu lopate u in absolutno hitrostjo vetra pred vetrnico v 0. Razli~ne konstrukcije vetrnic z ve~ ali manj lopaticami in njihove dejanske izkoristke je tako mogo~e medsebojno primerjati. Poznanih je mnogo razli~nih konstrukcij vetrnic, najve~krat so ti stroji aksialni in nadtla~ni. Vetrnice, ki so namenjene za pretvorbo kineti~ne energije vetra v mehansko in naprej v elektri~no, so do`ivele v zadnjih letih izreden razvoj. Tako silovit razmah teh turbinskih strojev je mogo~e pri~akovati tudi v naslednjih letih, predvsem vetrnic s tremi lopatami. Imenska mo~ vetrnic v obratovanju je presegla 32'000 MW. V poskusnem obratovanju je vetrnica s premakljivimi lopatami in spremenljivo vrtilno frekvenco ter za ve~je hitrosti vetra. Primerna je za postavitev na morju, njena elektri~na mo~ je 4,5 MW. V ugodnih razmerah obratujejo vetrne elektrarne, ki so postavljene na kopnem, letno od 1'800 do 2'200 ur in elektrarne, ki so postavljene v bli`ini obale v plitvem morju, od 3'500 do 4'000 ur. Slovenija ni vetrovna de`ela, zato nima veliko krajev, ki bi bili primerni za postavitev vetrnih elektrarn. Dejanske izkoristke nekaterih vrst vetrnic v odvisnosti od razmerja (u/v 0 ) prikazuje slika Vetrnice, ki imajo majhne vrednosti za (u/v 0 ), imajo velik moment in so Slika Izkoristki nekaterih zna~ilnih vrst vetrnic v odvisnosti od razmerja hitrosti (u/v 0 ):A η a = 16/27, B ameri{ka vetrnica z ve~ lopaticami, C Savoniusova vetrnica, ^ sodobna vetrnica s tremi lopaticami, D vetrnica klasi~nega mlina na veter, E sodobna vetrnica z dvema lopaticama, F Darrieusova vetrnica

233 8 NEKONVENCIONALNI ENERGIJSKI VIRI 233 zato primerne na primer za pogon batnih ~rpalk. Vetrnicam, ki imajo velike vrednosti za (u/v 0 ), je pri zagonu potrebno spremeniti smer lopat ali pa vetrnico zagnati z elektromotorjem. Strme karakteristike so zna~ilne za po~asne stroje z nepremakljivimi lopatami, polo`ne karakteristike pa za hitre stroje z vodoravno osjo in premakljivimi lopatami. Te vrste turbinskih strojev so najobetavnej{e. Priporo~ljivo je, da je vrtilna frekvenca vetrnice premo sorazmerna s hitrostjo vetra. Tako se izbolj{a letno povpre~je proizvodnje energije posebno tam, kjer se hitrosti vetra mo~no spreminjajo. 8.5 Energija morja Energijo morja je mogo~e deliti na: notranjo energijo morja, kineti~no energijo morskih tokov in potencialno energijo valov in bibavice. Izkori{~anje energije morja je povezano z velikimi investicijskimi stro{ki in je le v redkih primerih gospodarsko upravi~eno Notranja energija morja Notranja energija morja je od vseh vrst energij morja najve~ja, njeno izkori{~anje pa je omejeno na tropske in subtropske predele. V tropskih delih oceanov je temperatura vrhnje plasti vode do globine okoli 100 m stalno med 27 C in 29 C. Temperatura vode se mo~neje zni`a {ele pri globini 150 m in dose`e v morskih globinah od 500 m do 1000 m konstantne vrednosti od 6 C do 8 C. V celotnem ekvatorialnem pasu je na razpolago med povr{ino morja in globino 1000 m povpre~na letna temperaturna razlika od 20 K do 24 K. ^e pa vzamemo razliko globin 500 m, ka`ejo {e vedno ob{irna morska podro~ja stalno temperaturno razliko 20 K. Termi~ni izkoristek takega toplotnega postrojenja je zaradi majhne temperaturne razlike majhen: T T do od η t = Tdo 20 = = 301 0, 0664 (8.13) Dejanski izkoristek je manj{i, mogo~e ga je oceniti na η e 0,03. Pri tako majhnem izkoristku je treba za 1 MW elektri~ne mo~i dovajati 33 MW in odvajati 32 MW toplotne mo~i. Za delovno snov so primerni amoniak, freon, propan itd. Poskusno postrojenje te vrste OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) je postavljeno na Havajih, shemo takega postrojenja prikazuje slika Povpre~no letno son~no sevanje v zemljepisnih {irinah v bli`ini ekvatorja je 200 W/m 2 ; za izhlapevanje se porablja pribli`no polovica te energije, polovica pa ostane za ogrevanje morske vode, ki te~e nato kot topli morski tok k ve~jim zemljepisnim {irinam. Vzemimo, da se pretvori od 1 % do 5 % sevalne energije v

234 234 ENERGIJA MORJA Slika Shema postrojenja, ki izkori{~a toploto morja Legenda: p / bar h / (kj/kg) &m / (kg/s) T / C elektri~no delo z dejanskim izkoristkom η e = 0,03. S temi realnimi predpostavkami dobimo elektri~no mo~ od 30 kw/km 2 do 150 kw/km 2 ; o~itna je majhna gostota dose`ene elektri~ne mo~i na enoto zemeljske povr{ine Energija morskih tokov Za morski tok velja enako kot za veter: 2 v 0 Pmax = ρ A 1 v 0 2 (8.14) pri tem je ρ gostota vode, A 1 prerez vodne turbine, pravokotno na smer toka, in v 0 hitrost vode pred turbino. Pri povpre~ni gostoti morske vode ρ 1025 kg/m 3 je gostota mo~i morskega toka: 3 Pmax v 0 3 = ρ 512 v 0 (8.15) A1 2 Hitrost morskega toka je torej odlo~ujo~a veli~ina. Kot je znano, je od celotnega morskega toka mogo~e teoreti~no izkoristiti najve~: 16 P = η a P max = P max (8.16) 27 Iz ena~b (8.15) in (8.16) dobimo ena~bo: P v 0 (8.17) A 1

235 8 NEKONVENCIONALNI ENERGIJSKI VIRI 235 Dejanska mo~ vodnega toka P e je manj{a, saj je treba upo{tevati notranji izkoristek vodne turbine η i, mehanski izkoristek η m itn. Vzemimo za primer Zalivski tok, ki ima v svojem jedru v bli`ini Floride {irino 50 km, globino 100 m in nadpovpre~no veliko hitrost 1,8 m/s. Teoreti~na mo~ je okoli 9000 MW, prakti~no pa smemo ra~unati z izkoristkom η e = 0,5 in z dejstvom, da zaradi mo~nega vpliva Zalivskega toka na podnebje Evrope toka ne smemo preve~ upo~asniti. Ra~una se, da bi bilo mogo~e pridobiti okoli 1000 MW elektri~ne mo~i. Izkori{~anje kineti~ne energije morskih tokov nima velike bodo~nosti Energija bibavice Bibavica morja je posledica vrtenja Zemlje in isto~asnega delovanja sile privla~nosti mase Lune in mase Sonca. Na odprtem morju je razlika med plimo in oseko nekaj manj kot 1 m. Ta razlika se lahko zaradi resonan~nih pojavov in efekta lijaka na nekaterih morskih obalah pove~a do 20 m in nastopa v poldnevnem ali celodnevnem ritmu. Gospodarno je mogo~e izkori{~ati bibavico, ~e je na razpolago primeren zaliv, ki ga je mogo~e pregraditi, in ~e je razlika med plimo in oseko od 3 m do 5 m. Takih zalivov je na zemlji okrog 30. Celotna potencialna energija vode v pregrajenem zalivu: Wmax = m g H (8.18) Z upo{tevanjem kontinuitetne ena~be dobimo celotno mo~: m P = A H max g H g H t = ρ (8.19) t pri tem je ρ 1025 kg/m 3 gostota morske vode, g zemeljski pospe{ek, DH razlika morske gladine med plimo in oseko in A povr{ina jezera za pregrado. ^as med plimo in oseko je t = 12 h 25 min = 44'700 s. Po preureditvi ena~be (8.19) dobimo: Pmax 2 0, 225 H (8.20) A Dejanska mo~ P e je manj{a, saj je treba upo{tevati notranji izkoristek stroja η i, mehanski izkoristek η m, stalno menjajo~o se razliko vi{ine DH itn. Doslej obratuje ena sama ve~ja vodna elektrarna in nekaj manj{ih, ki izkori{~ajo razliko gladine morja, nastale zaradi bibavice. Francozi so na ugodnem mestu s 750 m dolgim betonskim jezom pregradili ustje reke La Rance. Za pregrado je nastalo jezero s pribli`no m 3 vode in plo{~ino 22 km 2. Elektrarna obratuje na leto okrog 2'100 ur. Nekaj tehni~nih podatkov: elektri~na mo~ (24 Kaplanovih turbin): 240 MW letna proizvodnja elektri~ne energije: 500 do 600 GW h vi{inska razlika: 3,5 do 14,5 m (srednja vrednost 9,2 m) pretok vode: 18'000 m 3 /s.

236 236 ENERGIJA MORJA Energija morskih valov Morski valovi so v glavnem posledica energije vetra, pri tem je energija valov sestavljena iz kineti~nega in potencialnega dela, pri ~emer navadno upo{tevamo le potencialni del. Za ra~unanje pomikajo~ega se vala je navadno predpostavljeno sinusoidno valovanje s kratko valovno dol`ino nasproti globini (valovi v globoki vodi, brez vpliva obre`ja). Masa morske vode, ki se spreminja v valu dol`ine L: B H m = ρ L (8.21) Celotna energija vala na ~asovno enoto: m P = H max g t 2 2 = ρ B H H L g = ρ 2 g B H L (8.22) t t pri tem je m masa vode, ki valovi, gostota morske vode ρ 1025 kg/m 3, celotna amplituda vala DH, razmik med dvema valoma B, ~as med njima t in dol`ina vala L. Nadalje je bila za odprto morje z meritvami ugotovljena empiri~na povezava med frekvenco valovanja 1/t in razmikom med dvema valoma B: 2 π B t = g Povezava med ena~bo (8.22) in (8.23) nam da mo~ vala na enoto dol`ine L: P g max = t H L 32 π ρ 2 2 P max 981 t H L 2 (8.23) (8.24) (8.25) Slika Stroj za pretvarjanje potencialne energije valov v mehansko delo

237 8 NEKONVENCIONALNI ENERGIJSKI VIRI 237 Dejanska mo~ P e je manj{a, saj je treba upo{tevati notranji izkoristek stroja η i, mehanski izkoristek η m, stalno menjajo~o se razliko vi{ine DH itn. Vzemimo val povpre~ne vi{ine DH = 1,5 m in ~as med dvema valoma t =8s, potem dobimo P e /L = 17'700 W/m. Pri ocenjenem izkoristku η e = 0,2 potrebujemo za 1 MW elektri~ne mo~i valovno fronto dol`ine L = 280 m. Primer, kako pretvoriti energijo morskih valov v mehansko delo in naprej v elektri~no energijo, prikazuje slika Valovna fronta povzro~a osciliranje plovcev, ki so povezani s skupno cevjo. Cev je postavljena vzporedno z valovanjem. Oscilirajo~i nosovi teh plovcev tla~ijo olje na tlak od 150 do 200 bar. Komprimirano olje je nato uporabljeno za pogon hidravli~nega motorja, ki poganja elektri~ni generator. Slovensko morje je premelo valovito, zato ni primerno za postavitev takih elektrarn. Preglednica 8.4. Specifi~ne mo~i pri izkori{~anju nekaterih nekonvencionalnih virov energije Kineti~na energija vetra Kineti~na energija morskih tokov Potencialna energija bibavice Potencialna energija morskih valov 3 0 P = ρ A v max 1 2 P= η a P max = 16 = 27 P max 3 Pe v = ηe ηa ρ 0 A1 2 ρ = 1,22 kg/m 3 Pe 3 0,36 ηe v0 A P = ρ A v max 1 2 P= η a P max = 16 = 27 P max 3 Pe v = ηe ηa ρ 0 A1 2 ρ = 1025 kg/m 3 Pe ηe v0 A 1 P = ρ g A H 2 max t 2 Pe H = ηe ρ g A t ρ = 1025 kg/m 3 t = s Pe 0,225 ηe H A 2 P max = 2 ρ g t L H 32 π Pe g = 2 ρ ηe t H L 32 π ρ = 1025 kg/m 3 Pe 981 ηe t H L Geotermalna energija Zaradi gibanja magme se v zemeljski skorji tvorijo plasti vro~e vode in pare. Ta me{anica vode in pare vsebuje tudi razli~ne druge kemi~ne spojine in pline, ki so pogosto agresivni. Skozi umetne vrtine dobimo to vro~o vodo in vodno paro na zemeljsko povr{je, kjer se nato njena notranja in tla~na energija koristno uporabita. Geotermalno energijo je mogo~e izkori{~ati do globine pribli`no 5000 m, in sicer tam, kjer je zemeljska notranjost nadpovpre~no mo~no ogreta in kjer se isto~asno nahajajo med plastmi vklenjena ve~ja le`i{~a vode in vodne pare. Te predpostavke so izpolnjene samo na nekaterih podro~jih. Taka mesta so predvsem tam, kjer imamo opravka z geolo{ko mlaj{imi zemeljskimi plastmi, ki so bile ali so {e vulkansko aktivne in kjer prihaja pogosto do potresov.

238 238 GEOTERMALNA ENERGIJA Doslej je ve~ina obstoje~ih vrtin globokih od 1000 m do 2000 m, voda iz teh vrtin ima okrog 200 C in najve~ 350 C, tlak je navadno pod 15 bar. Temperatura nara{~a z globino od 10 K/km do 70 K/km, v povpre~ju 30 K/km. Za proizvodnjo elektri~ne energije je potrebna temperatura pare 150 C ali ve~, ni`je temperature so primerne le za ogrevanje. Ra~unati je treba, da se koli~ina vode in vodne pare iz ene vrtine s ~asom manj{a, in sicer povpre~no za 10 % na leto. To seveda ne pomeni, da so le`i{~a iz~rpana; koli~ine vode in vodne pare je namre~ mogo~e ohraniti s tem, da se napravijo v bli`ini nove vrtine in mehani~no o~istijo stare. Imenska mo~ postrojenj, ki izkori{~ajo geotermalno energijo, je presegla 8'000 MW elektri~ne mo~i in ve~ desettiso~ megawattov toplotne mo~i. Postrojenja so v 20 dr`avah, najve~ v Mehiki, na Filipinih, Islandiji, v ZDA, Japonski in na Novi Zelandiji. V Sloveniji nimamo mo~nih in vro~ih vrelcev, geotermalno energijo pa uspe{no uporabljamo za ogrevanje termalnih kopali{~. Primer sodobnega geotermalnega postrojenja za pridobivanje elektri~ne energije prikazuje slika Me{anica vro~e vode in pare iz notranjosti zemlje te~e najprej v prenosnik toplote, kjer se kondenzira in se kot voda pri temperaturi okolice vra~a v zemljske globine. Prenosnik toplote ni nujen, je pa pogost. Me{anica vode in pare deluje namre~ erozivno, saj vsebuje tudi trdne delce, in korozivno, prime{ane so namre~ razli~ne agresivne snovi. Turbinski delovni proces ima pogosto za delovno snov namesto vode organsko delovno snov, ki ima pri teh temperaturah manj{o specifi~no prostornino kot vodna para, na primer: amoniak, izobutan, freon itn. Slika Shema geotermalnega postrojenja za proizvodnjo elektri~ne energije z zaprtim hladilnim sistemom

239 9 PRENOS, SHRANJEVANJE IN ODJEM ENERGIJE Poglavje obravnava prenos elektri~ne energije (ali mehanskega dela) in toplote, prikazuje na~ine shranjevanja te energije, zna~ilnosti odjema in najpomembnej{e vrste izgub, ki nastanejo pri tem. 9.1 Zna~ilnosti Kot je `e omenjeno v uvodnem poglavju, je zna~ilnost elektri~ne energije in toplote njuna kratkotrajnost. Ti dve vrsti energije se pojavljata le takrat, ko na primer primarna energija menja svojo obliko in prehaja v sekundarno. Prenos, shranjevanje in odjem primarne energije, za katero je zna~ilna njena obstojnost, na primer: kemi~no vezana, potencialna, kineti~na ali notranja energija, ne bo obravnavana. Doslej je bil govor o pretvarjanju energije iz ene oblike v drugo, predvsem o pretvarjanju primarne energije v sekundarno z namenom, da dobi porabnik energijo v obliki, ki jo potrebuje. Pretvarjanje primarne energije v sekundarno te~e stalno in neprekinjeno, koncentrirano je v velikih postrojenjih in samo na dolo~enih mestih. Nasprotno od tega pa je povpra{evanje po sekundarni energiji zelo raznoliko, krajevno raztreseno in mo~no odvisno od dnevnega, tedenskega in letnega ~asa. Zato je vloga prenosa, shranjevanja in odjema energije pomemben ~len v verigi pretvarjanja primarne energije preko sekundarne v kon~no in naprej v koristno

240 240 PRENOS ENERGIJE energijo. Eden od klju~nih problemov pri izkori{~anju son~ne energije je na primer prav njeno shranjevanje. 9.2 Prenos energije Transport nosilcev primarne energije (fosilnih in jedrskih) je tehni~no dognan. Poleg `e znanih na~inov (ladje, `eleznice, tovornjaki itd.) so se v novej{em ~asu uveljavili cevovodi za teko~a in plinasta goriva, deloma tudi cevovodi za suspenzije (na primer: metanol-premogov prah). Dobro je re{en tudi prenos sekundarne energije, posebno dobro prenos elektri~ne energije Prenos elektri~ne energije Elektri~na energija, ki se proizvaja v elektrarnah, se prena{a s prosto stoje~imi elektri~nimi daljnovodi (prenosno omre`je za ve~je razdalje) in s podzemnimi kabli (razdelilna omre`ja v naseljih in industrijskih obmo~jih, redko v prenosnem omre`ju), ki pa so dra`ji. Da so izgube ~im manj{e, so pri prenosu potrebne visoke napetosti. Elektri~ne napetosti v prenosnem omre`ju so: (65, 110, 220, 380) kv, v novej{em ~asu in za velike razdalje tudi 750 kv in 1100 kv; v razdelilnem omre`ju so elektri~ne napetosti bistveno ni`je. Skupne izgube elektri~ne energije v prenosnem in razdelilnem omre`ju so od 4%do12%.VSloveniji so te izgube v prenosnem omre`ju 2,4 %, v razdelilnem pa 3,0 %. Pri prenosu elektri~ne energije imamo: izgube, odvisne od obremenitve: P izg,r =3 R I 2 (9.01) izgube, neodvisne od obremenitve: P izg,u =3 G U 2 (9.02) I / A elektri~ni tok R / Ω elektri~ni upor faznega vodnika U / V imenska napetost G / Ω 1 elektri~ni prevod (konduktanca) faznega vodnika Izgube P izg,r zaradi upora daljnovoda so odvisne predvsem od obremenitve, koronarne izgube P izg,u pa od vremena in pridejo v po{tev {ele pri napetostih 380 kv in ve~. V povpre~ju so 2 3 kw/km daljnovoda. ^e upo{tevamo za elektri~no mo~ ena~bo: P =3 I U cos ϕ (9.03)

241 9 PRENOS, SHRANJEVANJE IN ODJEM ENERGIJE 241 potem velja za izgube, ki so odvisne od obremenitve daljnovoda: 2 RP Pizg, R = (9.04) U cos ϕ Da ostajajo izgube P izg,r v mejah, je treba za prenos ve~jih elektri~nih mo~i P (za dani daljnovod z uporom R) pove~evati elektri~no napetost U in paziti, da je kompenzacijski faktor cos ϕ ~im vi{ji. Evropske de`ele so zdru`ene v UCPTE (Union pour la coordination de la production et du transport de l'électricité) in so med seboj z elektri~nim omre`jem tesno povezane. Slovenija je ~lanica tega zdru`enja. Vsaka ~lanica mora izpolnjevati naslednje pogoje. V vsakem trenutku mora pokrivati svoje potrebe po elektri~ni energiji z lastnimi elektrarnami, z elektrarnami v zakupu ali s sklenjenimi pogodbami o nabavi elektri~ne energije. Pokrivati mora svoje potrebe po elektri~ni energiji tudi v primeru motenj. Imeti mora torej ustrezno toplo (rotirajo~o) rezervo, ki je v slovenskem primeru 5 % najve~je na~rtovane mese~ne elektri~ne mo~i. Imeti mora v svojih proizvodnih postrojenjih vgrajeno primarno regulacijo elektri~nih veli~in in razpolagati z najmanj 2,5 % obratovalne mo~i, ki se aktivira v 1 sekundi. Imeti mora v svojih proizvodnih postrojenjih vgrajeno sekundarno regulacijo, to je regulacijo med elektri~no frekvenco in mo~jo. Imeti mora v hladni rezervi proizvodna postrojenja, ki so po elektri~ni mo~i enaka najve~jemu postrojenju v sistemu Prenos toplote Kot delovno sredstvo za prenos toplote se uporablja danes ve~inoma: topla voda (T < 110 C) vro~a voda (T > 110 C in p > 1,5 bar) vodna para Voda ali para te~e po cevovodih, ki so podzemski ali nadzemski in toplotno dobro izolirani. Toplota se proizvaja v toplarnah in kotlarnah. Glede na dol`ino cevovoda in {tevilo ~rpalk je hitrost tople vode 1 3 m/s in tlak do 40 bar. Toplotne izgube so od 0,1 K/km do 0,5 K/km cevovoda. Najpogostej{e temperature ogrevalne vode so C in temperature povratne vode C, vrednosti se od dr`ave do dr`ave nekoliko razlikujejo. Gospodarsko gledano je prenos toplote po cevovodih upravi~en za ve~je koli~ine (ogrevanje mest, velika raba v industriji), za razdalje do 40 km in za dovolj veliko gostoto odjema toplote MW/km 2. V primerjavi s prenosom elektri~ne energije ali prenosom nosilcev primarne energije (premog,

242 242 PRENOS ENERGIJE surova nafta, zemeljski plin, uran) je prenos toplote drag in ni vedno gospodarsko upravi~en. Pripomore pa k varovanju okolja in je zato v mnogih dr`avah obravnavan prednostno. V novej{em ~asu se uveljavlja ne samo prenos toplote, ampak tudi prenos hladu v obliki ledene brozge. V ve~jem merilu je dobro re{en prenos toplote v Ljubljani, ki tudi edina v Sloveniji izkazuje dovolj veliko gostoto odjema toplote. V Mostah obratuje toplarna, ki ima tri ve~ja parna postrojenja za so~asno proizvodnjo elektri~ne energije in toplote, v [i{ki pa kotlarna, ki v ve~ toplovodnih kotlih proizvaja vr{no toploto, ki je potrebna predvsem v zimskem ~asu. Pod zemljo je polo`enih okrog 150 km cevovodov, ki omogo~ajo daljinsko ogrevanje ve~jega dela mesta. Daljinsko ogrevanje v manj{em obsegu imajo tudi nekatera druga slovenska mesta. Izgube energije pri prenosu toplote s fluidom v cevovodu so odvisne predvsem od hitrosti fluida: λ 2 Pizg,v = m& F vf (9.05) 2 Gospodarnost postavitve cevovoda je odvisna od stalnih in obratovalnih stro{kov. Stalni stro{ki C f so vsi tisti v zvezi z gradnjo. Te stro{ke je treba odpla~evati, ne glede na to, ali je pretok skozi cevovod velik (pozimi), majhen (poleti), ali ga sploh ni. Obratovalni stro{ki pa so tisti za energijo C vw (v glavnem za elektri~no energijo za pogon ~rpalk) in stro{ki za ~rpalne postaje C vp (obratovalni stro{ki zato, da je mogo~e upo{tevati tudi kasnej{e postavitve ~rpalnih postaj). Specifi~ni stalni stro{ki: C f cf = ac m& t L F (9.06) C f / EUR stro{ki gradnje cevovoda a C / anuitetni faktor za cevovod &m F / kg/h masni tok fluida t / h {tevilo ur obratovanja na leto L / m dol`ina cevovoda. Grafi~ni prikaz te ena~be je hiperbola: ~im ve~ji je tok &m F, manj{i so specifi~ni stalni stro{ki c f. Specifi~ni obratovalni stro{ki za elektri~no energijo: c vw c = m& W F W t L c W / EUR/kW h specifi~ni stro{ki za elektri~no energijo W / kw h poraba elektri~ne energije na leto (9.07)

243 9 PRENOS, SHRANJEVANJE IN ODJEM ENERGIJE 243 Specifi~ni obratovalni stro{ki za ~rpalne postaje: cp PP cvp = ap m& F t L c P / EUR/kW specifi~ni stro{ki postavitve ~rpalnih postaj P P / kw mo~ ~rpalk a P / anuitetni faktor za ~rpalne postaje. Za nadaljnji ra~un je potrebna {e ena~ba za mo~ ~rpalke: 1 PP = m& F H P η e (9.08) (9.09) pri ~emer je H P dobavna vi{ina ~rpalke, ki je sestavljena iz uporov v cevovodu, iz vi{inske razlike in predtlaka: 2 L v F H P = λ ρf + ρf g H + p (9.10) D 2 Kontinuitetna ena~ba za okrogli cevovod: 4 m& F v F = (9.11) 2 π D ρf Za celotne specifi~ne stro{ke prenosa toplote s fluidom v cevovodih velja: c = c f + (c vw + c vp ) = ac C f cw W ap cp PP = + + (9.12) m & F t L m & F t L m & F t L Ena~ba je re{ljiva, ~e so vse vrednosti razen zmno`ka ( &mf t), ki pomeni letni pretok fluida skozi cevovod, dolo~ljive in konstantne. Pri tem so stro{ki za cevovod premera D najmanj{i, ~e je izpolnjen pogoj: c ( m& = 0 (9.13) F t) 2 c > 0 (9.14) 2 ( m& F t) Za vsak premer cevovoda dobimo svoj minimum; vsi minimumi le`ijo na krivulji, ki poteka pribli`no po hiperboli, slika 9.1. Pri cevovodih so najve~ji stro{ki za postavitev. Obratovalni stro{ki postanejo lahko veliki v primeru, da se pretok fluida skozi cevovod mo~no pove~a. Zato je pogosto gospodarnej{e postaviti vzporedno k obstoje~emu cevovodu {e en cevovod, kot pa pove~evati {tevilo ~rpalnih postaj zaradi tla~nih izgub, ki jih povzro~ajo velike hitrosti. Nekatere orientacijske vrednosti:

244 244 SHRANJEVANJE ENERGIJE c vw ( 04, 05, ) c c 3 c vw f Slika 9.1. Specifi~ni stro{ki prenosa toplote za razli~ne premere cevovodov in razli~ne pretoke 9.3 Shranjevanje energije Shranjevanje nosilcev primarne energije (fosilnih in jedrskih) je tehni~no dognano. Poleg `e znanih na~inov skladi{~enja (deponije premoga, razli~ni rezervoarji za teko~a in plinasta goriva itd.) se v novej{em ~asu vedno pogosteje uporabljajo zatesnjeni podzemni prostori, na primer opu{~ene rudni{ke jame. Svetovni trg s teko~imi in plinastimi gorivi je namre~ nepredvidljiv, zato so za nemoteno preskrbo z energijo v Evropski zvezi predpisani veliki hranilniki, ki zadostujejo za ve~mese~no rezervo teko~ih in plinastih goriv. Shranjevanje sekundarne energije (elektri~ne energije in toplote) {e ni zadovoljivo re{eno. [iroka raba novih energijskih virov, na primer son~ne energije, je odvisna prav od uspe{nega razvoja novih mo`nosti shranjevanja energije. V laboratorijskem merilu je na razpolago veliko zanimivih re{itev, ki pa se doslej zaradi visoke cene niso mogle uveljaviti. Pri tem je zmogljivost hranilnika vedno definirana kot zmno`ek (elektri~nega ali toplotnega) toka in ~asa praznjenja.

245 9 PRENOS, SHRANJEVANJE IN ODJEM ENERGIJE Shranjevanje elektri~ne energije Shranjevanje elektri~ne energije je mogo~e le v posebnih primerih, navadno je treba to energijo najprej pretvoriti v neko drugo obliko. V vztrajniku se elektri~na energija hrani v obliki kineti~ne energije mase. V [vici so pred leti vozili mestni avtobusi ("girobusi"), ki so jih gnali vztrajniki premera 1,5 m z maso pribli`no 1000 kg. Kineti~na energija vztrajnika je zadostovala za obratovanje elektromotorja vozila za 6,6 km dolgo ravno progo pri hitrosti do 60 km/h. Teorija se danes ukvarja predvsem z iskanjem primernej{ih materialov za vztrajnike. V ~rpalno-akumulacijski vodni elektrarni se elektri~na energija hrani v obliki potencialne energije vode. Taki hranilniki energije se uporabljajo uspe{no in v velikem merilu `e dolgo ~asa; o tem je pisano v poglavju o vodnih elektrarnah. V ~rpalno-akumulacijski plinski elektrarni se elektri~na energija hrani v obliki tla~ne energije zraka. Na~elno je za tako re{itev potreben velik hranilnik stisnjenega zraka; za ta namen so primerne opu{~ene rudni{ke jame. Mogo~i sta dve re{itvi: tlak zraka se v takem podzemnem hranilniku ne spreminja, za kar skrbi Slika 9.2. Shema ~rpalno-akumulacijske plinske elektrarne, Huntorf, Nem~ija: A podzemni hranilnikstisnjenega zraka (300'000 m 3 ), B visokotla~ni gorilnik, C visokotla~na plinska turbina, ^ nizkotla~ni gorilnik, D nizkotla~na plinska turbina, E motorgenerator (polnjenje: 8 h, 2,5 bar/h, 60 MW, praznjenje: 2 h, 10 bar/h, 290 MW), F nizkotla~ni kompresor, G vmesni hladilnikzraka, H visokotla~ni kompresor, I kon~ni hladilnik, J reduktor (7 622/3 000 min 1 ), K sklopka

246 246 SHRANJEVANJE ENERGIJE nadzemni rezervoar vode, in tlak zraka se s praznjenjem hranilnika postopoma zmanj{uje. Shemo prve ~rpalno-akumulacijske plinske elektrarne na svetu prikazuje slika 9.2. Obratovanje kompresorja zraka je ~asovno lo~eno od obratovanja plinske turbine. V konici rabe elektri~ne energije zalaga hranilnik plinsko turbino s stisnjenim zrakom, ki se v gorilniku pred vstopom v turbino ogreje; s tem se mo~ turbine ve~a premo sorazmerno z vstopno temperaturo zraka. V ~asu majhne rabe elektri~ne energije pa se vklju~i elektromotor, ki `ene kompresor in tla~i zrak iz okolice v podzemni hranilnik. Zato da bi bila koli~ina zraka v hranilniku ~im ve~ja, se zrak pred tem z ohlajevanjem zgosti. Zaradi dodatnih izgub ima tak postroj slab{i izkoristek kot navadni plinski postroj, ima pa toliko drugih prednosti, npr. elasti~nost obratovanja, velika koni~na elektri~na mo~, kratek zagonski ~as itd., da se bo tak na~in shranjevanja energije glede na dane zemljepisne mo`nosti gotovo raz{iril. V hranilniku pare se elektri~na energija hrani v obliki notranje in tla~ne energije (entalpije) pare. Veliki jekleni hranilniki pare morajo biti postavljeni v bli`ini termoelektrarne. Pri majhnem povpra{evanju po elektri~ni energiji se ti hranilniki polnijo s sve`o paro iz parnega kotla ali jedrskega reaktorja, pri velikem povpra{evanju pa ta para poganja posebno parno turbino, tako da se skupna mo~ elektrarne zaradi te dodatne turbine za kraj{i ~as pove~a. Elektrokemi~ni hranilniki hranijo elektri~no energijo v kemi~no vezani obliki. Gre za litij-`veplene celice, ki obratujejo pri 400 C, elektrolit pa je me{anica litijeve in drugih soli. Namesto litija imamo tudi zlitine Li-Al, namesto `vepla pa FeS ali FeS 2. V razvoj takih hranilnikov vlagajo mnogo denarja, posebno v zvezi z izkori{~anjem son~ne energije. Te celice naj bi imele ve~jo zmogljivost in dalj{o trajnostno dobo kot pa sedanji svin~evi ali nikelj-kadmijevi akumulatorji elektri~ne energije. Hranilniki elektri~ne energije s superprevodnimi magneti. V magnetnem polju je mogo~e hraniti energijo kot magnetno energijo polja; ta energija je sorazmerna prostornini tega polja in kvadratu lokalne indukcije. V podzemnih skalnatih prostorih (dobrodo{la opora tehni~nim napravam zaradi velikih magnetnih sil!) naj bi zgradili velike obro~aste magnete s premerom ve~ sto metrov, okrog katerih naj bi tekel istosmerni elektri~ni tok zaradi superprevodnosti brez izgub. Raziskave na tem podro~ju so se razmahnile, od kar je bilo ugotovljeno, da je superprevodnost mogo~a ne samo pri temperaturah blizu absolutne ni~le, ampak tudi pri precej vi{jih temperaturah od 100 K do 150 K. Dolo~ene izgube energije ostanejo zaradi nujnega vzdr`evanja temperatur pod temperaturo okolice. Magnetni obro~ naj bi bil povezan z zunanjo izmeni~no elektri~no razdelilno mre`o.

247 9 PRENOS, SHRANJEVANJE IN ODJEM ENERGIJE Shranjevanje toplote Pri senzibilnem shranjevanju toplote ostane pri dovajanju ali odvajanju energije agregatno stanje snovi nespremenjeno, spreminja pa se temperatura. Ta na~in shranjevanja toplote se uporablja `e dolgo ~asa in v zelo razli~nih izvedbah. Njegove prednosti so zanesljivost, gospodarnost in enostaven prenos toplote. Najve~krat je delovna snov voda pri tlaku 1 bar. Razlikujemo hranilnike toplote za kratko dobo (~as polnjenja ali praznjenja: od nekaj minut do enega dne) in hranilnike toplote za dolgo dobo (od nekaj dni do {est mesecev). Za ~asovno dalj{e shranjevanje so hranilniki toplote iz plo~evine in pokon~ni (da je sti~na povr{ina med toplo in hladno vodo ~im manj{a) ali pa betonski, pogreznjeni v zemeljska tla in zaradi bolj{e izolacije pokriti. Temperaturna razlika med toplo in hladno vodo je navadno 40 K. Shranjevanje toplote se je uspe{no uveljavilo v nekaterih industrijskih tehnolo{kih procesih (jeklarne in livarne, keramika, tekstil itd.). Pri dnevnem spreminjanju cene elektri~ne energije ima smisel tudi pri so~asni proizvodnji elektri~ne energije in toplote. Tak hranilnik toplote ima tudi ljubljanska toplarna. Pri latentnem shranjevanju toplote se pri dovajanju ali odvajanju energije spremeni agregatno stanje, pri tem ostane temperatura ~iste snovi nespremenjena, temperatura zmesi pa se seveda spremeni. V glavnem gre za izkori{~anje talilne ali strjevalne toplote pri spremembi faznega stanja trdo-teko~e, medtem ko izkori{~anje uparjalne ali kondenzacijske toplote pri spremembi faznega stanja teko~e-plinasto zaradi velike plinske prostornine prakti~no ne pride v po{tev. Skoraj za vsako temperaturo shranjevanja toplote je mogo~e najti primerno delovno snov oziroma zmes, na primer: natrijev acetat (tali{~e: 58 C) in barijev hidroksid (78 C), za visoke temperature litijev fluorid (848 C) itd. Shranjevanje toplote z reverzibilnimi kemi~nimi reakcijami je {ele v povojih. ^eprav izkazuje ta na~in shranjevanja energije po teoriji mnogo odli~nih lastnosti (visoka gostota energije, mo`nost ~asovno dolgega shranjevanja z majhnimi izgubami), ve~ina izvedb {e ni zrela za prakti~no rabo. Shranjevanje toplote z reverzibilnimi kemi~nimi reakcijami je pomembno predvsem v zvezi z izkori{~anjem son~ne energije. 9.4 Odjem energije Odjem elektri~ne energije in toplote se v teku dneva, tedna in leta spreminja, potreba po energiji je ve~ja podnevi kot pono~i, ve~ja ob delavnikih kot ob nedeljah in ve~ja pozimi kot poleti. Proizvodna postrojenja se morajo temu razli~nemu povpra{evanju po energiji prilagajati, kajti ustreznih hranilnikov elektri~ne energije ali toplote, ki bi hitro in u~inkovito izravnavali nesorazmerje med proizvodnjo in porabo, danes {e ni.

248 248 ODJEM ENERGIJE Proizvodnja elektri~ne energije ali toplote na dolo~eni lokaciji in ta energija pri porabnikih se med seboj razlikujeta za izgube v prenosnem in razdelilnem omre`ju. Gre za razliko med sekundarno in kon~no energijo Odjem elektri~ne energije Odjem elektri~ne energije se glede na porabo spreminja od ure do ure. Proizvodnja mora temu slediti in pri tem zadr`ati frekvenco elektri~nega toka v ozkih toleran~nih mejah. Zato skrbi frekven~na regulacija. Primarna regulacija ima nalogo vzpostaviti ravnote`je med proizvodnjo in porabo elektri~ne energije s turbinskim regulatorjem vrtljajev. Sekundarna regulacija ima nalogo, da vzpostavi nastavljeno vrednost frekvence (50 Hz) in vzpostavi povezavo s sosednjimi elektri~nimi omre`ji ter s tem sprosti primarno regulacijo. Terciarna regulacija skrbi v primeru ve~jih motenj v elektroenergetskem sistemu za pravo~asno ponovno vzpostavitev potrebne rezerve za sekundarno regulacijo. Zna~ilen diagram dnevne potrebe po elektri~ni mo~i v odvisnosti od dnevnega ~asa poleti in pozimi prikazujeta sliki 9.3 in 9.4. Dnevno spreminjanje potreb po elektri~ni energiji izravnavajo predvsem akumulacijske vodne elektrarne, plinske in enostavnej{e parne elektrarne in le izjemoma ve~je termoelektrarne, kot je to v Sloveniji TE [o{tanj. Prav tako je mogo~e razbrati, da je Slovenija tesno povezana z evropskim elektri~nim omre`jem, saj vsak dan prejema in oddaja precej{nje koli~ine elektri~ne energije. Diagrami dnevne proizvodnje in porabe se v na~elu od dr`ave do dr`ave ne razlikujejo veliko: vedno imamo bolj ali manj izrazit dopoldanski in ve~erni maksimum porabe ter globok minimum v no~nem ~asu. Te vrste diagrami prikazujejo samo trenutno proizvodnjo in porabo in so manj primerni za kakr{nokoli na~rtovanje. Navadno se spremlja proizvodnja in poraba elektri~ne energije ~ez vse leto. Ti podatki se nato vnesejo v urejeni obliki v diagram, kot ga prikazujeta za pridobivanje elektri~ne energije sliki 2.1 ali 2.5. Imenska mo~ vseh hidro- in termoelektrarn v dr`avi mora zadostiti najve~ji potrebi po elektri~ni energiji, ki se pojavi med letom. Ker je treba vedno ra~unati na zaustavitve elektrarn zaradi obveznih pregledov, rednega vzdr`evanja, nizkega vodostaja rek in raznih nepredvidenih okvar, mora biti skupna imenska mo~ vseh elektrarn precej ve~ja, kot je najve~ja ugotovljena poraba elektri~ne energije. Konice porabe elektri~ne energije je mogo~e zmanj{ati, za kar imamo naslednje mo`nosti:

249 9 PRENOS, SHRANJEVANJE IN ODJEM ENERGIJE 249 Slika 9.3. Dnevni diagram proizvodnje elektri~ne mo~i v Sloveniji, poleti (t d ura dneva) odklop elektri~ne energije najve~jim porabnikom po vnaprej{njem opozorilu, zlasti neposrednim odjemalcem na elektri~nem omre`ju 110 kv; s takimi surovimi ukrepi v sili se je mogo~e konicam skoraj popolnoma izogniti; ubla`itev konic s primernimi gospodarskimi ukrepi, kot so: visoka cena elektri~ne energije, no~ne izmene v tovarnah itd.; uvoz elektri~ne energije, s tem da se ta energija vrne, br` ko je mogo~e. V Sloveniji so najve~ji porabniki elektri~ne energije: Talum, proizvodnja aluminija Kidri~evo, Tovarna du{ika Ru{e in `elezarne Jesenice, Ravne in [tore. Ti nepo-

250 250 ODJEM ENERGIJE Slika 9.4. Dnevni diagram proizvodnje elektri~ne mo~i v Sloveniji, pozimi (t d ura dneva) sredni odjemalci elektri~ne energije porabijo pribli`no 40 % elektri~ne energije, ki jo proizvede jedrska elektrarna v Kr{kem na leto Odjem toplote Diagram dnevne proizvodnje toplote iz toplarne ali kotlarne ima podobne zna~ilnosti kot `e obravnavani diagram za dnevno proizvodnjo elektri~ne energije: podnevi dva maksimuma, pono~i minimum. Tudi tu velja, da je treba spremljati proizvodnjo in porabo toplote ~ez vse leto in te podatke v urejeni obliki vnesti v diagram, kot ga prikazuje slika 2.2.

251 9 PRENOS, SHRANJEVANJE IN ODJEM ENERGIJE 251 Slika 9.5. Urejeni letni diagram srednje dnevne temperature okolice za osrednjo Slovenijo Povpra{evanje po toploti za ogrevanje se z nara{~ajo~o temperaturo okolice zmanj{uje, dokler poleti ne dose`e minimuma. Poleti toplota za ogrevanje bivalnih prostorov ni potrebna, ostane samo toplota za ogrevanje vode za umivanje in pranje (sanitarna voda) ter toplota za industrijske tehnolo{ke procese. Razlika med zimsko Slika 9.6. Primer temperatur v toplovodnem omre`ju: A ogrevalna voda, B povratna voda

252 252 ODJEM ENERGIJE in letno rabo je pri toploti {e ve~ja kot pri elektri~ni energiji. Razmejitev med toploto iz vr{ne kotlarne in toploto iz toplarne ni to~no dolo~ena, meja je rezultat optimizacijskega ra~una in je pribli`no (0,5 0,6) Q & max. Za na~rtovanje daljinskega ogrevalnega sistema so va`ni klimatski podatki o povpre~nih temperaturah okolice za obravnavano podro~je, slika 9.5. S takim diagramom in z ustreznimi podatki o potrebah porabnikov po toploti je mogo~e oceniti potrebe med letom. Kon~no je na sliki 9.6 prikazan primer za temperaturne razmere v toplovodnem omre`ju. Najvi{ja in povpre~na temperatura ogrevne vode je odvisna od dol`ine in razvejenosti toplovodnega omre`ja, od izolacije cevovodov, od povr{ine prenosnikov toplote v priklju~enih podpostajah posameznih porabnikov itd. Stremeti je treba, da so te temperature ~im ni`je, temperaturne razlike med ogrevalno in povratno vodo pa ~im ve~je.

253 10 PRIHODNJA PRESKRBA Z ENERGIJO Poglavje obravnava na~rtovanje preskrbe z energijo, nekatere mo`nosti pretvarjanja primarne energije v sekundarno, ki vodijo k smotrnej{i rabi energije, omenja te`ave v zvezi s preskrbo energije v prihodnosti ter nakazuje mo`nosti izkori{~anja novih nosilcev primarne energije Zna~ilnosti Zaloge primarnih energijskih virov na zemlji so omejene. Pri sedanji rabi kon~ne energije in pri sedanjih tehnologijah pretvarjanja primarne energije v sekundarno in naprej v koristno energijo bo ~love{tvo porabilo ve~ji del nosilcev primarne energije, ki jih je danes mogo~e gospodarno izkori{~ati, zelo kmalu. V nekaj generacijah bo za~elo primanjkovati zemeljskega plina, kmalu za tem tudi surove nafte in urana 235 U. Ra~unati je mogo~e le na premog in na uran 238 U. Pri tem pa je treba vedeti, da je sedanji na~in zgorevanja premoga povezan s tvorjenjem velikih koli~in CO 2 v dimnih plinih, dana{nji oplodni reaktorji, v katerih se uporablja kot gorivo uran 238 U, pa {e niso zreli za industrijsko uporabo. Raziskave gredo v dveh smereh: sedanje energijske vire uporabljati bolj smotrno ~im prej za~eti izkori{~anje novih.

254 254 ZNA^ILNOSTI Slika Projekcija nara{~anja prebivalstva in porabe primarne energije Slika 10.1 prikazuje projekcijo nara{~anja prebivalstva in porabo primarnih energijskih virov v naslednjih desetletjih. Na sliki so ozna~ene to~ke nara{~anja prebivalstva do leta 2100 in porabe primarih energijskih virov do leta 2050, ki so rezultat raziskav ve~ kot 500 strokovnjakov v okviru World Energy Council. Ekstrapolacija krivulj do leta 2150 je ocenjena in rabi za orientacijo. Upo{teva predvsem napovedi strokovnjakov glede rabe obnovljivih energijskih virov in glede jedrske fizije ter mnenje strokovnjakov, da bodo do sredine tega stoletja re{eni glavni problemi jedrske fuzije. Ne glede na vrsto primarnih energijskih virov bodo parni in plinski kro`ni procesi obdr`ali svojo pomembnost, kajti prete`ni del pretvorb primarne energije v sekundarno se bo tudi v naslednjih desetletjih odvijal preko vmesne pretvorbe v toploto. Povi{evala se bo temperatura sve`e pare v parnih postrojenjih in temperatura plinov v plinskih postrojih. S tem se bo pove~al izkoristek kro`nega procesa in posledi~no izkoristek termoelektrarn. Pri visokih temperaturah bodo na trgu postroji, ki danes {e niso pogosti, na primer: magnetnohidrodinami~ni generatorji. Iz teh postrojev bo delno ohlajena delovna snov oddajala svojo energijo naprej v poznane kro`ne procese. Seveda pa je v prihodnje treba ra~unati tudi s tehni~nimi postopki, kjer se bo primarna energija pretvarjala naravnost v sekundarno, na primer: son~ne celice, gorivne celice itd. Strokovnjaki pripisujejo velike mo`nosti bolj{emu izkori{~anju vseh vrst premogov in urana, pri tem pa resno opozarjajo na nevarnost u~inka tople grede.

255 10 PRIHODNJA PRESKRBA Z ENERGIJO 255 Dosedane raziskave potrjujejo naslednja dejstva: v naslednjih 30 letih bo porabljeno toliko energije iz fosilnih goriv, kot jo je bilo doslej v celotni ~love{ki zgodovini; fosilni primarni energijski viri bodo tudi v prihodnosti nosili glavno breme preskrbe z energijo; obnovljivi energijski viri (biomasa, veter, voda in sonce) bodo pridobivali pomembnost, vendar pa bo v absolutnem se{tevku njihov pomen tudi v prihodnje obroben; jedrska energija bo potrebna tudi v prihodnje; energetika bo v prihodnje v veliki meri krojila okoljevarstvene ukrepe Na~rtovanje preskrbe Za na~rtovanje preskrbe z energijo je najva`nej{i podatek ocena prihodnjih potreb po energiji v neki de`eli. Ta ocena temelji na statisti~nih podatkih iz preteklosti. Na osnovi teh podatkov je mogo~e postaviti regresijsko krivuljo in jo ekstrapolirati za prihodnje potrebe. Za regresijsko krivuljo je treba vzeti matemati~no funkcijo, ki ima neko kon~no vrednost tudi za neskon~no dolg ~as. Tej zahtevi odgovarja npr. logisti~na funkcija: Φ = d W (10.01) dt dw KW W W = (10.02) dt W Prihodnja priprava energije na ~asovno enoto Φ je premo sorazmerna (sorazmernostni faktor K) energiji W, ki jo trenutno porabljamo, in relativnem delu energije, ki je {e ostal na razpolago ()/ W W W. Pri tem je W celotna energija, razlika ( W W) pa tista, ki je {e na razpolago. Vzemimo, da se ta energija nahaja v zemlji v obliki premoga. ^e se za~no zaloge premoga zmanj{evati, potem se bo zelo verjetno za~el zmanj{evati tudi izkop premoga, {e preden bodo zaloge popolnoma iz~rpane. Funkcija Φ mora v za~etku nara{~ati (t > 0), dose~i po nekem ~asu najve~jo vrednost (t = t max pri dφ/dt = 0), nato pa padati (t ). Slika 10.2 prikazuje za celotno Zemljo mogo~ razvoj izkori{~anja primarne energije glede na znane zaloge fosilnih goriv. Obravnavana funkcija je izvrednotena za zemeljski plin, surovo nafto in premog ter skupaj za vsa fosilna goriva. Integral obravnavane logisti~ne funkcije nam da ena~bo: K t e W = a1 (10.03) K t b + e 1

256 256 NA^RTOVANJE PRESKRBE Slika Mogo~ razvoj izkori{~anja fosilnih goriv glede na znane zaloge A zemeljski plin W = 8, kj B surova nafta W = 14, kj C premog W = 58, kj ^ fosilna goriva, skupaj W = 82, kj Robni pogoji za za~etno leto 1980: t 0 W = a 1 /(b 1 +1) t W = W = a 1 Vrednosti K, a 1 in b 1 so konstante, dobljene so na osnovi statisti~nih podatkov: K = 3, / a 1 a 1 = 1519, / kj b 1 = 4,0 Letne potrebe po energiji v preteklosti (od 1950 do 1980) in ekstrapolacija (od 1980 do 2020) z logisti~no funkcijo je razvidna iz preglednice Za na~rtovanje potreb po energije se uporabljajo tudi druge regresijske funkcije, na primer: b2 t W = a e (10.04) 2 a 2 = 81, / kj b 2 = 4, / a 1 W = a 3 + b 3 t (10.05)

257 10 PRIHODNJA PRESKRBA Z ENERGIJO 257 a 3 = 67, / kj b 3 = 7, / (kj/a) pri ~emer veljajo konstante za obe navedeni ena~bi za za~etno leto Letne potrebe po energiji (ena~bi (10.04) in (10.05)) nara{~ajo z nara{~ajo~im ~asom ~ez vse meje in zato ne odgovarjajo dejanskim razmeram, kljub temu se ena~bi pogosto uporabljata za ekstrapolacije v kraj{ih ~asovnih obdobjih. Preglednica Letne potrebe po energiji na svetu do leta 1980 in ekstrapolacija potreb od leta 1990 naprej Leto W / (kj/a) Na sliki 10.3 so narisane in ekstrapolirane vse obravnavane funkcije. O~itno je, da se rezultati na dalj{o dobo med seboj precej razlikujejo. V splo{nem so potrebe po energije odvisne od strukture gospodarstva, od na~ina `ivljenja, podnebja, izkoristka pretvarjanja primarne energije v koristno in od stopnje razvoja prebivalstva v neki dr`avi. Potrebe po energiji bodo v prihodnje prav gotovo nara{~ale hitreje v dr`avah v razvoju kot pa v industrijsko razvitih dr`avah. Zna~ilno je, da se je po statisti~nih podatkih v industrijskih dr`avah od leta 1910 do leta 1960 specifi~na proizvodnja elektri~ne energije podvojila vsakih 10 let, in to ne glede na gospodarske krize in ne glede na obe svetovni vojni. Najenostavnej{e je, ~e vzamemo za izra~un prirejeno ena~bo (10.04): we t = we e b t (10.06) pri tem je w Et / (kw h/(a cap.)) proizvodnja elektri~ne energije na leto in prebivalca po t letih, w E / (kw h/(a cap.)) proizvodnja elektri~ne energije na leto in prebivalca v za~etnem letu in t obravnavana doba. Za povpre~no letno pove~anje potreb po elektri~ni energiji dobimo: ln(/ we t we) ln2 b = = = 0, 0693 (10.07) t 10 Za nadaljnje ra~unanje privzamemo: e b = (1 + p/100) (10.08)

258 258 NA^RTOVANJE PRESKRBE Slika Medsebojna primerjava logisti~nih krivulj za prihodnje potrebe po energiji K t e A: W = a1 K t b + e, B: W a b2 t = 2 e, C: W = a 3 + b 3 t 1 pri tem je p / % povpre~ni letni prirastek proizvodnje elektri~ne energije. Od tod rezultat: p = 100 (e b 1) 7,2 % (10.09) Povpre~ni letni prirastek proizvodnje elektri~ne energije v tem obdobju je torej 7,2 %. Najenostavnej{i model prihodnje preskrbe energije predpostavlja, da nara{~a potreba po kon~ni energiji sorazmerno z dru`benim proizvodom DP in sorazmerno z elasti~nostjo tega proizvoda Γ(t). Elasti~nost dru`benega proizvoda je definirana kot razmerje med spremembo potreb po kon~ni energiji W k in spremembo dru`benega proizvoda (DP) na leto in prebivalca: W Γ () t = k (10.10) ( DP) Vrednost Γ(t) bo nara{~ala po~asneje, ~im bolj smotrna bo poraba kon~ne energije in ~im hitreje bo nara{~al dru`beni proizvod glede na vlo`eno energijo. ^e upo{tevamo {e nara{~anje {tevila prebivalstva C(t), potem je potreba po kon~ni energiji v odvisnosti od ~asa t definirana takole: DP() t Γ () t C() t Wk( t) = Wk( 0) DP( 0) Γ ( 0) C( 0) (10.11)

259 10 PRIHODNJA PRESKRBA Z ENERGIJO 259 Dolga leta je dru`beni proizvod nara{~al pribli`no premo sorazmerno s potrebami po energiji; ta odvisnost se je spremenila {ele v zadnji tretjini prej{njega stoletja, ko je za~el dru`beni proizvod nara{~ati hitreje kot pa potrebe po energiji. Ukrepi za zmanj{anje rabe energije zahtevajo stalno investicijska vlaganja. Pri oceni prihodnje rabe energije je treba oceniti povpre~ni izkoristek pretvorbe primarne energije v kon~no. Ta je odvisen od tehnolo{ke opremljenosti industrije in od strukture kon~ne rabe energije in se od dr`ave do dr`ave razlikuje Smotrna raba sedanjih energijskih virov Kak{ne so na~elne mo`nosti pretvarjanja primarne energije, ki je akumulirana kot kemi~no vezana energija goriv, v sekundarno, prikazuje slika S slike je razvidno, da se urejena energija goriva v ve~ini dana{njih energetskih procesov najprej spremeni v neurejeno obliko (v toploto) in nato zopet v urejeno obliko (mehansko ali elektri~no delo). Zadnja pretvorba je zvezana s Carnotovim izkoristkom, ki upo{teva dejstvo, da vse toplote ni mogo~e spremeniti v delo. Od primarne do sekundarne energije je pogosto potrebnih ve~ pretvorb, vsaka od njih pa je povezana s stro{ki na eni strani in z energijskimi izgubami na drugi. Zato je jasno, da sku{ajo znanstveniki dobiti elektri~no energijo naravnost iz primarne energije ali pa vsaj neposredno iz toplote, brez vmesne pretvorbe v mehansko delo. Slika Najpomembnej{e mo`nosti pretvarjanja primarne energije v sekundarno

260 260 SMOTRNA RABA SEDANJIH ENERGETSKIH VIROV Slika Primerjava dejanskih izkoristkov za nekatere pretvorbe primarne energije v sekundarno: A gorivne celice, B motorji z notranjim zgorevanjem Diesel, C motorji z notranjim zgorevanjem Otto, ^ plinske turbine, D parne turbine Doslej se je to v ve~jem obsegu posre~ilo pri elektri~nih baterijah in pri son~nih celicah. Z novimi tehnologijami `elimo nosilce primarne energije izkoristiti bolje (z ve~jim izkoristkom) in ~isteje (z manj{o obremenitvijo okolice). Raziskave so usmerjene tako, da bi {kodljive snovi v nosilcih primarne energije (na primer: `veplo) lo~ili ~im prej, npr. `e pred zgorevalnim procesom, in ne {ele po njem. Lo~itev okolju {kodljivih snovi iz goriv je treba prestaviti od konca energetskega procesa na za~etek. Z uplinjanjem premoga sku{amo dose~i gospodarnej{e izkori{~anje premoga kot nosilca primarne energije. Premog se pri vi{jih tlakih od atmosferskega pretvarja v gorilni plin; ta se nato pri nizkih temperaturah o~isti vseh okolju {kodljivih snovi. Kot tak lahko podobno kot vodik nadomesti nosilce primarne energije, ki jih bo po predvidevanjih strokovnjakov najprej zmanjkalo (npr. zemeljskega plina za kombinirani plinsko-parni kro`ni proces). Mogo~e ga je enostavno shranjevati in transportirati. Posebno pozornost posve~ajo strokovnjaki uplinjanju rjavih premogov v zvezi s plinsko-parnim procesom. Slika 10.5 prikazuje izkoristke za nekatere pretvorbe primarne energije v sekundarno.

261 10 PRIHODNJA PRESKRBA Z ENERGIJO Magnetohidrodinami~ni generatorji Magnetohidrodinami~ni (MHD) generatorji delujejo po enakem indukcijskem na~elu kot elektri~ni generatorji in motorji. Pri navadnem generatorju se inducira elektri~ni tok s tem, da se rotor z navitjem iz bakra vrti v statorju in ustvarja magnetno polje. Pri MHD-generatorju imamo namesto rotorja vro~ ioniziran plin (plazma), ki te~e skozi stator. Pri tem nastane elektri~ni tok, pravokotno na tok plazme in pravokotno na nastalo magnetno polje. S primerno postavljenima elektrodama in sklenjenim zunanjim tokokrogom dobimo enosmerno elektri~no napetost nekaj kilovoltov. Ioniziran plin je mogo~e dobiti z zgorevanjem fosilnih goriv itd. Da bi dosegli dovolj mo~no ionizacijo, mora biti temperatura plina nad 3000 C ali pa mu moramo dodajati majhne koli~ine kalija ali cezija, ki pove~ujeta ionizacijo `e pri ni`jih temperaturah (pribli`no od 2200 C do 2800 C). Ionizirani plin je komprimiran in v Lavalovi {obi pospe{en na visoko hitrost; plin zapu{~a MHD-generator z visoko temperaturo, svojo toploto oddaja parnemu ali plinskemu kro`nemu procesu, ki je navadno prigrajen MHD-generatorju, slika Slika Shema MHD-generatorja in parnega kro`nega procesa: A dovod goriva, B odvod dimnih plinov, C gorilnik, ^ MHD-generator, D grelnik zraka, E uparjalnikin pregrevalnikpare, F parna turbina, G kompresor zraka za zgorevanje, H elektri~ni generator, I kondenzator pare, J napajalna ~rpalka

262 262 VODIK KOT GORIVO 10.5 Vodik kot gorivo Vodik nastopa v naravi samo v vezani obliki; da ga lahko dobimo v elementarni obliki, potrebujemo energijo. Zato ga ne moremo {teti kot nosilca primarne energije, pa~ pa lahko vodik nadomesti nosilce primarne energije, ki jih bo po predvidevanjih strokovnjakov najprej zmanjkalo (na primer vodik namesto bencina pri motorjih z notranjim zgorevanjem). Nadalje lahko vodik pripomore, da se skupni izkoristek nekega energetskega procesa izbolj{a na ra~un popolnej{e tehnologije pretvarjanja primarne energije v sekundarno. Vodik je mogo~e pridobivati v velikih koli~inah z elektrolizo vode, pri ~emer so strokovnjaki mnenja, da bosta elektriko, ki je potrebna za ta kemi~ni proces, proizvajali predvsem jedrska in son~na energija: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O kj/kmol (10.12) To je kemi~na reakcija, pri kateri se od vseh poznanih kemi~nih reakcij sprosti najve~ energije, namre~ 33,4 kw h/kg vodika. Vodik pa je mogo~e pridobivati tudi iz teko~ih goriv in iz zemeljskega plina. Kemi~ne reakcije potekajo v reaktorju, za katerega se je udoma~ilo ime reformer. V reformerju dobimo torej iz ogljikovodikov na eni strani vodik v elementarni obliki, na drugi strani pa preostale, manj pomembne produkte kemi~nih reakcij. Pridobivanje vodika iz teko~ih goriv Pri pridobivanju vodika iz teko~ih goriv razlikujemo v splo{nem tri kataliti~ne procese: delno oksidacijo avtotermi~no lo~evanje in lo~evanje s paro. Pri prvih dveh postopkih je zgradba kemi~nega reaktorja reformerja enaka, razli~ne so le kemi~ne reakcije. Pri lo~evanju vodika iz teko~ih goriv, kot so metanol in teko~i ogljikovodiki (z izjemo nekaterih aromatov) z delno oksidacijo, veljajo kemijske ena~be: CH 3 OH + 1/2 O 2 2 H 2 + CO 2 (10.13) C n H m + n/2 H 2 m/2 H 2 + n CO (10.14) Zgornjima ena~bama je zado{~eno, ~e v kemi~ni reaktor dovajamo z zrakom koli~ino kisika, ki je manj{a od stehiometri~ne, ker bi sicer pri{lo do popolne oksidacije. Za popolno oksidacijo pa veljajo ena~be: CH 3 OH + 3/2 O 2 2 H 2 O + CO 2 (10.15) C n H m + (n + m/4) H 2 m/2 H 2 O + n CO 2 (10.16)

263 10 PRIHODNJA PRESKRBA Z ENERGIJO 263 Kemi~ne reakcije so eksotermne in potekajo ob prisotnosti katalizatorjev iz bakra ali plemenitih kovin. ^e v enak kemi~ni reaktor poleg goriva in zraka dovajamo {e vodo, dobimo avtotermi~no lo~evanje. Imamo dodatne kemi~ne reakcije, ki so opisane z ena~bama: CH 3 OH + H 2 O 3 H 2 + CO 2 (10.17) C n H m + n H 2 O m/2 H 2 + n CO (10.18) Kemi~ne reakcije so endotermne, reakcijsko toploto dobimo z delno ali popolno oksidacijo goriva. Kot katalizator so primerne zlitine bakra in cinka ali plemenitih kovin. Iz teh ena~b je razvidno, da izstopajo iz reformerja razen vodika H 2 {e ogljikov dioksid CO 2, ogljikov monoksid CO in du{ik N 2, ki ga v reaktor dovajamo z zrakom. [kodljiva je predvsem navzo~nost ogljikovega monoksida, zato ga je treba predhodno lo~iti od drugih plinov in dose~i kon~no oksidacijo s kataliti~nim zgorevanjem. Prav tako je treba s kataliti~nim zgorevanjem dose~i dokon~no oksidacijo neoksidiranih komponent plinov, ki zapu{~ajo gorivne celice in ki poleg vode vsebujejo {e ogljikov monoksid, metanol in preostanek neoksidiranega vodika. Slika Primerjava procesov lo~evanja vodika iz metanola: avtotermi~no lo~evanje (levo) in lo~evanje s paro (desno)

264 264 VODIK KOT GORIVO Bolj{o u~inkovitost lo~evanja vodika iz teko~ih goriv obeta lo~evanje s paro, kjer potekajo kemi~ne reakcije po ena~bah (10.17) in (10.18) v posebnem reaktorju, kot je prikazano na sliki 10.7, desno. Potrebno toploto za kemi~ne reakcije dobimo s popolno oksidacijo dela goriva samega ter preostalih neoksidiranih plinov iz kemi~nega reaktorja v kataliti~nem gorilniku v reaktorju. Vodik lo~imo od ogljikovih oksidov s semipermeabilno membrano iz zlitine paladija in srebra, ki zadnje navedene ne prepu{~a. Na izhodu iz membrane imamo samo vodik. Pridobivanje vodika iz zemeljskega plina Vodik lahko pridobivamo tudi iz metana, ki v prete`ni meri sestavlja zemeljski plin. Z dovajanjem pare pride v navzo~nosti katalizatorja iz niklja ali plemenitih kovin in pri temperaturah okoli 700 C do reakcije: CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 (10.19) Podobno kot kemi~ne reakcije po ena~bah (10.17) in (10.18) je tudi ta reakcija mo~no endotermna. Formiranje plinov iz reformerja je odvisno {e od stranske reakcije ogljikovega monoksida in pare, kemi~na reakcija pa je nekoliko eksotermna: CO + H 2 O CO 2 + H 2 (10.20) Toploto za kemi~no reakcijo po ena~bi (10.20) lahko dobimo z elektrokemi~no reakcijo v visokotemperaturnih gorivnih celicah. Lo~evanje vodika iz zemeljskega plina poteka na posebej oblikovanih anodah gorivnih celic. Vodik je mogo~e enostavno shranjevati in dobro transportirati, okolju {kodljivih snovi v izgorelih plinih ni, te`ave povzro~a le prevelika hitrost zgorevanja. Uporaba vodika kot goriva je mogo~a z nekaterimi spremembami `e z dosedanjimi tehnologijami. Najva`nej{e so: Zgorevanje s plamenom za pridobivanje toplote v industriji in v {iroki porabi. Zgorevanje je pri visokih temperaturah, zato so spro{~ene koli~ine NO X enake ali ve~je, izkoristki pa enaki kot pri navadnem zgorevanju. Motorji z notranjim zgorevanjem z vodikom kot gorivom delujejo podobno kot motorji z notranjim zgorevanjem Otto, vendar imajo bolj{i izkoristek; koli~ine NO X so pri celotni obremenitvi enake ali ve~je kot pri sedanjih motorjih, pri delnih obremenitvah pa za 30 % do 60 % ni`je. Plinske turbine. Pri letalskih potisnikih z vodikom kot gorivom je mogo~e ra~unati s prihranki pri masi letala, medtem ko so koli~ine NO X enake ali ve~je kot pri dana{njih plinskih turbinah. V razvoju so tudi nove tehnologije za uporabo vodika kot goriva, najva`nej{e so: Kataliti~no zgorevanje za pridobivanje toplote. Zgorevanje je pri temperaturah < 500 C, koli~ine NO X so zaradi nizkih zgorevalnih temperatur zanemarljive, izkoristek pa ve~ji kot pri drugih na~inih zgorevanja.

265 10 PRIHODNJA PRESKRBA Z ENERGIJO 265 Vodikov parni kotel, kjer vodik in kisik, ki sta dovedena v stehiometri~nem razmerju, zgorevata pri temperaturi > 3000 C. V nastalo vro~o paro se vbrizga voda, tako da se zni`a njena temperatura na 1000 C do 500 C. Dragi in ob~utljivi cevni prenosniki toplote, ki jih imamo pri sedanjih parnih kotlih, niso potrebni. Zaradi stehiometri~nega razmerja vodika in kisika se NO X ne more tvoriti. Gorivne celice so zaradi svoje pomembnosti obravnavane v naslednjem poglavju Gorivne celice Gorivne celice pretvarjajo kemi~no energijo goriva (vodika) neposredno v elektri~no energijo brez vmesne pretvorbe v toploto. Elektrokemi~ni proces v gorivni celici je ravno nasproten kot pri elektrolizi vode. Vodik kot gorivo oksidira pri nizkih temperaturah (brez zgorevanja) in spro{~ena kemijska energija se z odli~nim izkoristkom, ki ni omejen s Carnotovim izkoristkom, pretvori direktno v elektri~no energijo. Delovanje gorivne celice prikazuje slika Gorivne celice sestavljata elektrodi (anoda in katoda), med katerima je elektrolit za prenos ionov. Ta mora prevajati to~no dolo~ene ione; elektroni in drugi ne`eleni ioni, ki bi jih elektrolit prevajal, bi zavirali ali celo prepre~evali delovanje gorivne celice. Na elektrodah je nane{en katalizator, ki pospe{uje elektrokemi~no reakcijo. Preko elektrod je gorivna celica sklenjena z zunanjim tokokrogom. Prenos elektrine v zunanjem tokokrogu opravljajo prosti elektroni v obliki elektri~nega toka (za opravljanje koristnega dela), v elektrolitu pa ioni. Ti so pri ni`jih temperaturah v kislinskih elektrolitih kationi, v bazi~nih pa so prete`no hidroksidni anioni OH. V visokotemperaturnem obmo~ju poteka transport ionov preko karbonatnih CO ali oksidnih O 2 -anionov. Slika Delovanja gorivne celice

266 266 GORIVNE CELICE Pri gorivnih celicah vstopa vodik pri anodi, kjer pod vplivom katalizatorja ionizira: molekula vodika razpade na dve kationa in odda dva prosta elektrona: H 2 2 H e (10.21) Anoda prevaja proste elektrone, povezana je s katodo preko zunanjega tokokroga, kjer dobimo elektri~ni tok nizke napetosti. Kisik vstopa pri katodi. Do redukcije vodika v vodo lahko pride bodisi na katodi bodisi na anodi, odvisno od vrste gorivne celice, slika 10.8: 1/2 O H e H 2 O (10.22) Skupna kemi~na reakcija je torej: H 2 + 1/2 O 2 H 2 O (10.23) Gorivna celica proizvaja le majhno enosmerno napetost reda velikosti 1 V, zato je treba pri tehni~ni uporabi ve~ celic zaporedno povezati v ustrezno velike enote. Glede na temperaturo delovanja lahko gorivne celice razvrstimo v dve skupini: nizkotemperaturne in visokotemperaturne. Razlog, da se gorivne celice do sedaj {e niso pojavile v {ir{em obsegu, je v visokih specifi~nih investicijskih stro{kih in relativno kratki trajnostni dobi obratovanja. Na visoke relativne specifi~ne investicijske stro{ke vplivajo predvsem drag razvoj v povezavi s sedanjo maloserijsko proizvodnjo ter uporaba dragih gradiv za izdelavo elektrod in katalizatorjev, ki morajo biti odporni proti agresivnim elektrolitom ali visokim temperaturam. Na kratko trajnostno dobo pa vpliva zlasti zastrupljanje katalizatorja gorivnih celic zaradi navzo~nosti ne`elenih plinov, ki se spro{~ajo pri reformiranju plinastih in teko~ih ogljikovodikov. Slika Primerjava delovanja osnovnih vrst gorivnih celic

267 10 PRIHODNJA PRESKRBA Z ENERGIJO 267 Teoreti~no je mogo~e izvesti gorivne celice s poljubnim gorivom (snovjo, ki oksidira) v teko~i ali plinasti obliki, torej tudi z gorivi, ki so bogati z ogljikom, npr. ogljikovodiki. Nasprotno od ~istega vodika, ki ga odlikujeta visoka elektrokemi~na aktivnost `e pri nizkih temperaturah in enostavnost mehanizmov kemi~nih reakcij brez ne`elenih stranskih proizvodov, pa imajo druga goriva (ogljikovodiki) bistveno manj{o elektrokemi~no aktivnost, razen tega pa se pri kemi~nih reakcijah tvorijo ogljikove spojine, ki pri temperaturah pod 300 C zastrupljajo gorivne celice. Na splo{no se gorivne celice razlikujejo po vrsti elektrolita ter po temperaturi delovanja. Navadno so gorivne celice imenovane po vrsti elektrolita Nizkotemperaturne gorivne celice Nizkotemperaturne gorivne celice delujejo u~inkovito le s ~istim vodikom, ki ga pridobimo na primer z elektrolizo vode. Pri pridobivanju vodika iz teko~ih ali plinastih goriv v reformerju pa se izkoristek celotne pretvorbe mo~no poslab{a zaradi nepovra~ljivosti kemi~nih reakcij v reformerju samem in zaradi nepovra~ljivosti pri transportu ionov v gorivni celici. Ne`elen je zlasti ogljikov monoksid CO, ker reagira s katalizatorjem in elektrolitom, kar skraj{uje trajnostno dobo gorivnih celic. Alkalne gorivne celice (Alcaline Fuel Cell AFC) Za delovanje sta potrebna komprimirani vodik in kisik. Kot elektrolit rabi vodna raztopina kalijevega hidroksida KOH. Alkalne gorivne celice delujejo pri temperaturah med 150 C in 200 C, z izkoristkom okrog 70 % in zmogljivostjo med 0,3 kw in 5 kw. Delujejo na osnovi ~istega vodika in kisika, zato je njihova zgradba draga (kemijsko odporne elektrode s katalizatorjem iz platine, nevarnost pu{~anja). Te vrste gorivnih celic so bile prvi~ uporabljene v vesoljskem programu Appolo za pridobivanje elektri~ne energije in pitne vode. Polimerne gorivne celice (Polymer Electrolyt Membrane Fuel Cell PEMFC) Elektrolit je tanka polimerna in prevodna folija, na katero je kot katalizator na obeh straneh nane{en sloj platine. Izkoristek membranskih gorivnih celic je med 40 % in 50 % pri temperaturi delovanja okrog 80 C. Dana{nje celice dosegajo mo~i med 50 kw in 250 kw. Zaradi same zgradbe in nizke temperature delovanja so primerne za uporabo v transportni tehniki za pogon vozil in za so~asno proizvodnjo elektri~ne energije in toplote v zgradbah. ^e gorivo ni ~isti vodik, npr. zemeljski plin ali metanol, je treba uporabiti reformer, kar zmanj{a izkoristek in podra`i napravo. Fosforno-kislinske gorivne celice (Phosphoric Acid Fuel Cell PAFC) Elektrolit je fosforna kislina. Pri obratovalnih temperaturah med 150 C in 200 C dosegajo izkoristek med 40 % in 80 %. Posamezne enote imajo izhodno mo~ do 200 kw, v presku{anju je raziskovalna enota z mo~jo 11'000 kw. Katalizator na

268 268 GORIVNE CELICE elektrodah je platina. Elektrode in drugi deli gorivne celice, ki so v stiku z elektrolitom, morajo biti zgrajeni iz korozijsko odpornih gradiv. Pri uporabi ogljikovodikov se na elektrodah tvori ogljikov monoksid. Pri koncentracijah ogljikovega monoksida do 1,5 % in temperaturi 200 C je elektrolit odporen proti ne`elenim kemi~nim reakcijam. To omogo~a {ir{o izbiro goriv, npr. naftnih derivatov, brez predpriprave v posebnem reformerju. Iz goriva pa je treba izlo~iti `veplo Visokotemperaturne gorivne celice Visokotemperaturne gorivne celice ne potrebujejo predhodnega lo~evanja vodika iz teko~ih ali plinastih goriv, saj prihaja zaradi visokih temperatur do disociacije goriva na sami anodi gorivne celice, pri ~emer se del toplote iz elektrokemi~ne reakcije porabi. Prese`ek spro{~ene toplote je na razpolago pri zelo visoki temperaturi in jo je mogo~e uporabiti bodisi v prigrajenih plinskih ali parnih kro`nih procesih ali pa kot vir toplote v ogrevalnih postrojenjih. Ugodne obratovalne karakteristike, kot so enostavno vzdr`evanje, nizka raven hrupa in vibracij, nizke emisije plinov in majhna poraba vode, omogo~ajo vgradnjo tak{nih sistemov v urbana okolja. Zaradi visokih temperatur delovanja je uporaba visokotemperaturnih gorivnih celic omejena na stacionarne energetske objekte za pridobivanje elektri~ne energije in toplote. Karbonatne gorivne celice (Molten Carbonate Fuel Cell MCFC) Elektrolit je sestavljen iz visokotemperaturnih karbonatov, npr. natrijevih ali magnezijevih, v obliki taline. Te celice dosegajo izkoristek med 60 % in 80 % pri temperaturi okrog 650 C. V obratovanju so enote z mo~jo do 20'000 kw, na~rtovane pa so {e ve~je. Kataliza se odvija na enostavnih in cenenih nikljevih elektrodah. Gorivne celice so pri visokih temperaturah odporne proti onesna`enju z ogljikovimi oksidi, toplota pa se lahko uporabi za delovne procese ali pa za so~asno pridobivanje elektri~ne energije in toplote. Pri kemi~nih reakcijah se v gorivni celici porabljajo ogljikovi ioni, zato je treba na katodni strani dovajati ogljikov dvokis. Keramiène gorivne celice (Solid Oxid Fuel Cell SOFC) Elektrolit je iz kerami~ne zmesi kovinskih oksidov, kar je zelo ugodno, saj ne more priti do izlitja. Te vrste celic delujejo pri zelo visokih temperaturah okrog 1000 C z izkoristkom do 60 %. Posamezne enote imajo izhodno mo~ okrog 100 kw. Kot katalizator na elektrodah se uporablja platina Gorivne celice v kro`nih procesih Pri visokotemperaturnih gorivnih celicah se le manj{i del spro{~ene toplote porabi za reformiranje goriva. Preostala toplota s temperaturo od 650 C do 1000 C se lahko koristno uporabi v razli~nih delovnih kro`nih procesih, s ~imer se skupni

269 10 PRIHODNJA PRESKRBA Z ENERGIJO 269 Slika Gorivne celice in parni kro`ni proces izkoristek pretvorbe bistveno pove~a. Na~eloma je visokotemperaturne gorivne celice mogo~e kombinirati z razli~nimi procesi, vendar je z vidika tehni~ne izvedljivosti in gospodarske upravi~enosti zanimivih le nekaj izvedenk; dve izmed njih sta predstavljeni v nadaljevanju. Gorivne celice in parni kro`ni proces Shemo sestavljenega procesa prikazuje slika V utilizatorju so lo~eno prikazane povr{ine prenosnikov toplote za reformiranje goriva, pregrevalnika, uparjalnika ter grelnika vode in zraka. Tak{na zasnova omogo~a u~inkovito obratovanje v {irokem obmo~ju obremenitev. Izkoristek pretvorbe z uporabo kerami~nih gorivnih celic (SOFC) presega 55 %, zaradi obratovalnih lastnosti gorivnih celic je izkoristek pri delnih obremenitvah {e ve~ji. Gorivne celice in plinski kro`ni proces Toploto iz gorivnih celic uporabimo za predgretje zraka pred gorilnikom, kakor je prikazano na sliki Gorivnim celicam dovajamo komprimiran zrak in s tem izbolj{amo njihovo delovanje. Za reformiranje lahko uprabimo paro, pridobljeno v utilizatorju za plinsko turbino. Tak, sestavljeni delovni proces se je izkazal za zelo obetavnega: dosega izkoristke do 70 % in ima zelo nizke vrednosti koncentracije NO X v izpu{nih plinih plinske turbine.

270 270 NOVI ENERGETSKI VIRI Slika Gorivne celice in plinski kro`ni proces 10.7 Novi energijski viri Gledano na dalj{o dobo lahko zagotovijo blagostanje samo novi viri energije. Mednje spadajo predvsem: sevanje sonca, cepitev jeder (jedrska fizija) v novih tipih jedrskih reaktorjev in spajanje jeder (jedrska fuzija). Energija son~nega sevanja bo v prihodnjih desetletjih, skupaj s potencialno energijo vode, zagotavljala pribli`no 25 % vseh potreb po primarni energiji. Na ra~un zmanj{evanja dele`a fosilnih energijskih virov predvsem plinastih in teko~ih se bo pove~eval dele` jedrskih: najprej v obstoje~ih in novih fizijskih reaktorjih (pri tem pri~akujemo, da bodo oplodni jedrski reaktorji nasledili dana{nje termi~ne) in pozneje v fuzijskih jedrskih reaktorjih. Ti naj bi ~love{tvu v naslednjih stoletjih zagotovili dovolj koristne energije. V poglavju o jedrskih elektrarnah je bil govor o jedrski fiziji o cepitvi jeder te`kih elementov v jedra la`jih. Po kon~ani cepitvi je ostalo prostih nekaj nevtronov, skupna masa pa je postala manj{a, kot je bila pred cepitvijo. Razlika v masi se je po Einsteinovi ena~bi W = m c 2 s spremenila v energijo. ^e so v neposredni bli`ini {e druga jedra, lahko ti prosti nevtroni spro`ijo nadaljnjo cepitev. Nasprotno se dogaja pri jedrski fuziji pri spajanju jeder lahkih elementov v jedra te`jih. Nova jedra imajo skupaj manj{o maso kot prvotna, razlika v masi se tudi v tem primeru pojavi kot energija. Ta vrsta energije je poznana: energija sevanja sonca, energija vodikove atomske bombe.

271 10 PRIHODNJA PRESKRBA Z ENERGIJO 271 Spajanje jeder je te`ko vzpostaviti in {e te`je obdr`ati. Jedra atomov so namre~ pozitivno nabita in se zato med seboj odbijajo. Da pride do spajanja jeder, je treba to elektrostati~no pregrado (Coulombove sile) nekako premostiti jedra je treba spojiti z neko zunanjo silo. Za to morajo biti izpolnjeni trije glavni pogoji: zelo visoka temperatura: jedra se morajo gibati zelo hitro; velika gostota: jedra morajo biti dovolj tesno skupaj, da se pove~a verjetnost trkov; stisnjena in vro~a jedra morajo biti dovolj dolgo v tem stanju, da se za~ne njihovo spajanje in da se le-to tudi obdr`i. Na soncu je ta sila te`nost, ki dr`i skupaj, stiska in raz`ari jedra atomov. To je mogo~e samo pri zvezdah, ki imajo dovolj veliko maso in dovolj visoko temperaturo; na zemlji ni teh pogojev, zato je treba iskati drugo pot. Pri temperaturah nad 10'000 C je vsaka snov v obliki plazme: elektroni, ki sicer kro`ijo okrog jeder, se pri visokih temperaturah lo~ijo od njih. Nastane plazma to je me{anica, ki jo sestavljajo prosti, negativno nabiti elektroni in prosta, pozitivno nabita jedra ali ioni. Plazma je torej sestavljena iz elektri~no nabitih delcev in jo je zato mogo~e z magnetnim poljem obdr`ati v dolo~enih tirih. Po dosedanjih izku{njah se najla`e spajata izotopa vodika: devterij in tricij. Devterij je naraven izotop, vsak liter morske vode ga vsebuje 0,0297 g; tricij v naravi ne obstaja, pridobiti ga je mogo~e iz litija, vendar je radioaktiven. Da bi dosegli podobne pogoje, kot so na Soncu, je treba ta dva izotopa segreti na najmanj K. To je precej ve~, kot je temperatura v notranjosti Sonca, ki je le (15 20) 10 6 K, vendar je to potrebno zaradi manj{e gostote plazme, s katero imamo opravka na zemlji. ^e bi se nam posre~ilo ujeti plazmo v magnetno polje, bi dosegli atomi vodika pri visokih temperaturah tako veliko notranjo energijo, da bi dovolj pogosto udarjali drug ob drugega in se kon~no spojili v te`ja jedra helija. Tudi pri spajanju jeder so najva`nej{i nosilci energije nevtroni (80 %) in samo v manj{i meri α-delci (20 %). V opisanem primeru se zmanj{a masa pribli`no za 0,4 %. Pri 1 kg plazme je tako spro{~ena energija po Einsteinovi ena~bi enaka: W = 0, '000'000 2 = J Jedro devterija sestavljata pozitivno nabit proton in nevtron, jedro tricija pa proton in dva nevtrona. ^e pride do spajanja jeder teh dveh vodikovih izotopov, dobimo jedro helija, ki je sestavljeno iz dveh protonov in dveh nevtronov, enega α-delca in prostega nevtrona: 2 D + 3 T 4 He + n + 17,6 MeV (10.24) Spajanje jeder je mogo~e dose~i v posebni napravi, imenovani tokamak, ki je zgrajena v obliki obro~a in obdana z mo~nimi elektromagneti. V obro~u se plin zaradi elektri~nega stika segreje in spremeni v plazmo. Obro~ ima troje magnetnih polj z namenom, da prisilijo vklenjeno plazmo, da se odmakne od sten, da ostane stisnjena in vro~a, slika Zaradi nastalega vmesnega vakuuma plazma ne

272 272 NOVI ENERGETSKI VIRI Slika Delovanje tokamaka: A plazma, B silnice magnetnega polja, C smer toka plazme, ^ vertikalno magnetno navitje, D toroidno magnetno navitje, E transformatorsko navitje Slika Doslej opravljene raziskave in podro~je samodejnega delovanja jedrske fuzije: A Alcator, Boston, ZDA, B Asdex, Garching, Nem~ija, C D III-D, San Diego, ZDA, ^ Isar 1, Garching, Nem~ija, D Iter, EU, Japonska, ZDA in Rusija, E Jet, Culham, Velika Britanija, F JT 60, JT 60-U, Naka, Japonska, G Pulsator, Garching, Nem~ija, H TFTR, Princeton, ZDA, I Tore Supra, Cadarache, Francija, J T3, T10, Moskva, Rusija, K Wendelstein, Garching, Nem~ija