Теоријска анализа коришћења енергије ветра у ветропарку Кањижа Богдан Маравић Факултет техничких наука у Чачку Техника и информатика, 2013/2014 maravicb@gmail.com проф. др Снежана Драгићевић Апстракт У овом раду је извршена анализа коришћења енергије ветра у Републици Србији и у Аутономној Покрајини Војводини. У раду су представљени основни параметри коришћења енергије ветра и његове предности и мане. Резултати рада показују да је у Репблици Србији, а поготово у њеној Аутономној Покрајини Војводини могуће изградити ветропарк, који би обезбедио производњу од 49,3 GWh/год. и омогући понтенцијални приход од око50 милиона. Кљтчне речи Обновљжвж жевожж гнгжгжјг; гнгпгжја вгепа; вгепоглгкепана; 1 УВОД Почетак ХХІ века обележен је интензивним порастом потрошње свих видова енергије у свету, а нарочито фосилних горива, наговештавајући да би она ускоро могла бити потпуно исцрпљена. То је довело до наставка раста цена нафте, гаса и других енергената, што је започело у задњој деценији ХХ века, али и до глобалне забринутости за будуће изворе енергије и развој човечанства. Друга карактеристика овог периода је наставак повећања концетрације штетних гасова у атмосфери, као што је угљен-диоксида (СО2). Ова два тренда, константан раст потрошње фосилних горива и интензивирање последица ефекта стаклене баште, уз ограничење или забрану коришћења атомске енергије, навеле су развијене земље, а пре свега земље Европске Уније, да се на самом крају ХХ века окрену ширем коришћењу обновљивих извора енергије. У том периоду ЕУ је користила тек 6% енергије добијене из обновљивих извора, док је чак 79% било из фосилних извора. Због тога се је пажња истраживача, конструктора, индустријалаца, инвенститора и других окренула ка енергији ветра и сунца, као облика код којих ефикасност претварања и развијена технологија пружају најповољније услове. Као резултат те оријентације дошло је до интезивног развоја технологије, пре свега, ветроелектрана, по степену, који је упоредљив са прогресом у рачунарској индустрији. Најновији планови развоја енергетике у ЕУ до 2020. год на бази одлуке шефова земаља ЕУ на састанку у Бриселу 9. децембра 2008. год. и исказани у Climate-energy legislative package директиви о обновљивим изворима енергије. На основу планова развоја може се увидети значајан пораст удела ветроелектрана са 14% у 2005. на 35% 2020. 2 ТЕХНОЛОГИЈА КОРИШЋЕЊА ЕНЕРГИЈЕ ВЕТРА Претварање енергије ветра у електричну енергију врши се помоћу ветрогенератора. Ветрогенератор претвара кинетичку енергију ветра помоћу лопатица елисе ротора, преносног механизма и елекрогенератора у електричну енергију. Енергија добијена из ветра зависи од средње брзине ветра и то тако што је пропорцијална трећем степену брзине ветра. Ветрогенератор не може да странформише целокупну кинетичку енергију ветра који струји кроз површину коју обухватају краци ротора. Алберт Дец је 1919. године показао да је улазноизлазна карактеристика (ВТГ) номиналне снаге 660 kw максимално 59 % укупне кинетичке енергије ветра може претворити у механичку енергију ротора ветрогенератора. Модерни (ВТГ) почињу да производе електричну енергију већ при брзини ветра од 2,5 m/s, а заустављају се из безбедносних разлога при брзини од 25 m/s. Ветрогенератор може да обезбеди економичну прозводњу електричне енергије уколико је средња брзина ветра већа од 6 m/s. 2.1 Енгпггеркж радпдај вгепа Основни циљ ветротурбине је претварање кинетичке енергије ветра у механичку енергију, па у следећој трансформацији у електричну. Из тог разлога битан параметар је количина корисне енергије ветра. Maкроскопски гледано ветротурбина успорава ветар, количина ваздуха која улази у њу стационарном режиму једнака је количини ваздуха који из ње излази. Излазна брзина ваздуха је мања од улазне брзине ваздуха, те ваздух који излази из турбине прелама се и захвата пресек већег пречника (слика 1.).
Слика 1. Брзина ветра код ветротурбине У реалности преламање ветра наступа пре него што ветар дође до ветротурбине. Како ветар прилази ветротурбини притисак испред ње постепено расте, јер се понаша као баријера која је на путањи ветра. 2.2 Енгпггеркж жоегнфжјал вгепа Количник снаге и површине ротора Р/А назива се густина снаге ветра WPD (Wind Power Density) и дат је у W/m². Као што је показано у (2) густина снаге ветра (WPD) је директно сразмерна густини ваздуха ρ, која је дефинисана као: ρ = m / V. (1) У стварности, варијације брзине ветра захтевају сложеније израчунавање праве вредности. Да би се добила што прецизнија процена густине снаге ветра, мора се извршити сумирање низа података измерених у времену, као што следи да је: 1 WPD = 0,5 n n 3 j j j где је n број очитавања брзине ветра а и v j су ј-та очитавања густине ваздуха и брзине ветра. Како се густина ваздуха ρ и брзина ветра v мењају при сваком очитавању, најпрецизнији резултат би захтевао рачунање при сваком очитавању. На пример, да би израчунали најтачнију вредност за WPD на датој локацији за целу годину, потребно је извршити израчунавање за ρ и v 105120 пута (што одговара очитавању на 5 min). j 1 (2) 2.3 Тспбслгнфжја ж сепофж нареајања У областима са веома неравним површинама, иза објеката, као што су зграде, ствара се пуно турбуленција, са веома хаотичним кретањем ветра, често као ковитлање или увијање (слика 16). Зона турбуленције је око три пута дужа од висине препреке. Турбуленција умањује могућност искоришћења енергије ветра помоћу ветрењаче. Такође повећава и хабање ветрењаче. Стубове ветрењача треба правити довољно високо да би се избегла турбуленција која потиче од ветра који је ближи површини земље. Слика 2. Турбуленција Ветар ретко дува сталном брзином, углавном брзина ветра варира у времену што може бити измерено интензитетом турбуленције дефинисаног термином ефективне вредности флуктације брзине (Root Mean Square). Да би квантификовали ову релацију, предпоставимо да је брзина ветра у било ком тренутку t, сума средње брзине v и промене брзине v(t). Треба приметити да средња вредност v(t) је нула. Интензитет турбуленције је дефинисан као: 2.4 Тпаг ж жапк гтгкае Iv = v 2 = v T 1 v v 0 2 dt Енергетски садржај ветра иза ветрењаче мора бити мањи од оног испред ветрењаче. Ово произилази директно из чињенице да се енергија узима, а не предаје ветру. Сама ветрењача се увек понаша као сенка ветра за све објекте иза ње. У ствари, доћи ће до појаве трага иза ветрењаче, стварања репа са турбуленцијом и успоравањем ветра. 1/2 (3)
На бази траг ефекта, свака ветрењача успорава ветар иза себе извлачећи енергију из ветра. У случају формирања парка ветрењача, траг ефекат утиче на одређивање локација појединачних јединица. 2.5 Конвгпежја гнгпгжјг вгепа с мгуанжхкс гнгпгжјс Кинетичка енергија ветра није погодна за директно конвертовање у електричну енергију, већ се мора прво свести на облик, који се може употребити за производњу електричне енергије. Сви конвенцијални електрични генератори као улазни облик енергије, користе механичку енергију обртних маса. Из овога следи да је енергију ветра потребно превести у механичку енергију, користећи турбине на ветар, а затим помоћу генератора у електричну енергију. Принципска шема конверзије енергије ветра у електричну енергију ветроагрегата који су прикључени на мрежу приказана је на слици 3. Слика 3. Принципска шема конверзије енергије ветра у електричну Са слике се види како се кинетичка енергија ветра трансформише у механичку енергију помоћу ветротурбине. Брзину обртања ветротурбине (која износи неколико десетина обртаја у минути), обично је потребно прилагодити захтеваној брзини генератора. Због тога се користи механички редуктор како би се прилагођена механичка брзина преко генератора трансформисала у електричну. 2.6 Сепсјна фгв При конверзији енергије ветра у механичку енергију, основна ствар је прелазак ветра преко турбине ветрењаче и утицај турбине на струјање ваздуха. За ову анализу послужиће струјна цев. То је замишљени цилиндар, који обухвата турбину и чији је полупречник R далеко већи од полупречника саме турбине R 1, с тим да се оса цилиндра и оса ротације турбине поклапају (слика 4). Предња страна струјне цеви је довољно удаљена од лопатица тако да оне, у том делу, немају утицаја на ток ваздуха. Сматра се да брзина ваздуха, v 0 једнака брзини ветра, а притисак је једнак атмосферском притиску. Слика 4. Пресек струјне цеви 3 ИСТРАЖИВЊЕ ПОТЕНЦИЈАЛА ЕНЕРГИЈЕ ВЕТРА Највећи изазов данашњице је пронаћи начин да се задовољи све већа потреба за енергијом, а да се при том загађење животне средине смањи на минимум. Србија, а посебно Војводина има велики потенцијал у области коришћења обновљивих извора енергије, пре свега ветра, воде, сунца, као и биомасе. С друге стране, производњом енергије на тај начин смањује се емисија штетних гасова, чиме се штити животна средина, што је једно од кључних питања за све државе, као и целу планету. Тренутно у свету око 13% потрошње примарне енергије потиче од обновљивих извора мада су технолошки капацитети знатно већи. 3.1 Поегнфжјал гнгпгжјг вгепа с АП Војводжнг ж Спбжјж Предходним истраживањима показано је да у Републици Србији постоје погодне локације за изградњу ветрогенератора, на којима би се у перспективи могло инсталирати око 1.300 МW ветрогенераторских производних капацитета и годишње произвести око 2.300 GWh електричне енергије. На основу упоредних анализа може се закључити да је глобални технички искористив ветроенергетски потенцијал у Србији : Р = 8 15
GW, односно, ако би ветрогенератори радили са фактором искоришћења од 20 % могли би произвести електричну енергију од 17,500 GWh/год. или 17,5 ТWh/год. Најпогодније локације за коришћење енергије ветра су: 1. Панонска низија, северно од Дунава и Саве. Ова област покрива око 2000 km² и погодна је за инсталирање ветрогенератора јер је изграђена путна инфраструктура, постоји електрична мрежа, близина великих центара потрошње електричне енергије и слично. 2. Источни делови Србије Стара Планина, Власина, Озрен, Дели Јован, Црни Врх итд. У овим регионима постоје локације чија је средња брзина ветра преко 6 m/s. Ова област просторно покрива око 2000 km² и у њој би се перспективно могло изградити значајне инсталисане снаге ветрогенератора. 3. Златибор, Копаоник, Дивчибаре су планинске области где би се мерењем могле утврдити погодне локације за изградњу ветрогенератора. Очекује се да у овој области такође могу инсталирати већи капацитети ветрогенератора. а) б) Слика 5. Карта локација у Србији са годишњим средњим брзинама ветра а) од 5 до 6 m/s и б) већим од 6 m/s, одређених на бази 10-min средњих брзина на висини од 50 m изнад тла 3.2 Maжг вгепова АП Војводжнг Мапе брзине ветрова у m/s и мапе средњих густина снаге ветрова у W/m² на 10 m, 25 m, 50 m, 100 m и 200 m висине над тлом су кључни резултати обраде података са 8 метеоролошких станица (Кикинда, Палић, Нови Сад Римски Шанчеви, Сомбор, Сремска Митровица, Вршац, Банатски Карловац, Зрењанин) у АП Војводини, који су добијени коришћењем WАSP софтерског пакета. У наредној презентацији употребљене су дигитализоване мапе које се користе као подлоге метеоролошким моделима и које имају корак од 0,033º географске ширине и дужине. На слици 6 а) приказанa je мапa средње годишње брзине ветрa у m/s на 10 m изнад тла, док на слици 6 б) презентоване су прорачунате вредности средње густине снаге ветра у W/m² за 10 m висине над тлом, респективно, за посматрани период од 2000. до 2007. год. Слика 6. Мапе ветрова на 10 m изнад тла 3.3 Иебоп локафжјг еа жореављањг вгепоггнгпаеопа Избор локације за постављање ветрогенератора је најважнија фаза при планирању изградње ветроелектране. Најбитнији параметар при анализи погодности локација за постављање ветрогенератора је брзина ветра. У почетној фази одређивања локације најчешће се располаже само са метеоролошким подацима. На основу тих података, односно средњих годишњих брзина ветра, потребно је издвојити регионе у којима постоје потенцијално погодне микролокације за постављање ветрогенератора. Од интереса су локације у којима је средња годишња брзина ветра ( v sr 5 m/s) мерена на 10 m изнад тла (стандардна висина на коју се постављају
анемометри у хидро метеоролошким станицама). На основу конфигурације терена, прелиминарних мерења и консултација са метеоролозима треба одабрати микролокације на којима се морају извршити наменска мерења параметара ветра. 4 АНАЛИЗА ИНСТАЛИРАЊА ВЕТРОЛЕКТРАНЕ У КАЊИЖИ Да би се утврдило који регион је најадекватнији за почетак пројекта и саму изградњу ветроелектране, оно што мора бити познато је генерално клима у тој области, расподела и специфичности атмосферских слојева, правац или главни правци ветрова, локални услови области као што су препреке (насеља, зграде, шуме итд.), и генерална орографија (рељеф) ове области. Када се та прелиминарна студија уради, низ различитих процеса се мора реализовати тако да се област детаљно упозна да би добили оправдан и тачан одговор на питање - какав потенцијал ветра можемо да очекујемо у том одређеном подручју? Ако је одговор задовољавајућ по генерално устаљеним стандардима за искоришћење потенцијала ветра приступа се почетку пројекта једног ветропарка. Овакви пројекти су опширни и веома детаљни јер садрже веома много делова од којих се ниједан не сме занемарити ни у најмањој мери, како реализација и оправданост целог пројекта зависи од сваког од њих. Сваки пројекат ветроелектране или ветропарка у основи може се поделити у три фазе: - Планирање, логистика и припремни радови, - Монтажа ветроагрегата и свих додатних делова ВЕ, и - Рад турбина на ветар. Како је већ наглашено, енергија ветра је тренутно најекономичнији обновљиви извор енергије који се користи. Заправо, трошкови коришћења енергије ветра су толико смањени да се такмиче са многим конвенционалним технологијама за производњу енергије. Пре него што уложи средства у мерење брзине ветра, дозволе и активности везане за период пре изградње, инвеститор мора да обезбеди пласман произведене енергије на тржиште. Економска оправданост фарме ветрењача је одлучујући фактор. У обрачуну економске оправданости у периоду од око 20 година рада, разни фактори - као што су стварни принос енергије, поправке,трочкови одржавања итд. - морају се узети у обзир, иако се не могу предвидети са потпуном сигурношћу. С једне стране, инвестициони трошкови су кључни фактор у одређивању изводљивости, они углавном зависе од цене самих турбина, монтаже и оперативних трошкова. С друге стране, приход од произведене енергије у оквиру дефинисаних феед-ин тарифа је такође одлучујућ. 4.1 Локафжја вгепоглгкепана Локација ветропарка чија је изградња тема овог рада је претпостављена као шира околина града Кањиже у АП Војводини. Град и околина се налазе на надморској висини од 80 метара изнад нивоа мора. Кањижа се налази на десној обали реке Тисе на самом северу Баната, на прелазу Суботичке пешчаре и алувијалне равни поменуте реке. Све климатске карактеристике које важе генерално за целу покрајину важе и за околину Кањиже, поготово оне које се тичу ветрова који дувају и њихове учестаности. У овој области најчешћи су западни и југо - источни ветрови који су по прелиминарним проценама углавном задовољавајући по питању могућности искориштења њиховог потенцијала ветротурбинама, мада се гледајући мапе средњих брзина ветрова или густина снага ветрова испод 100m у овој области не би дошло до таквог закључка. Међутим екстраполацијом вредности које су представљене у Атласу ветрова АП Војводине у корелацији са дугорочним мереним подацима станице ХМЗС-а на Палићу закључак о оправданости инсталације ветроелектране у овом подручју биће заиста позитиван. 4.2 Планжпањг ж ожежмжеафжја вгепоглгкепанг Сама оптимизација просторног плана подразумева оптимизацију распореда турбина уз минималне негативне утицаје самог терена на тој локацији и ефекта заветрине. При анализи терена и имплементације одговарајућег просторног плана турбина морамо обратити пажњу на рељеф терена, у смислу препрека које ће можда негативно утицати на проток ваздуха до турбина, или ако можемо да искористимо могуће ефекте убрзања ветра (нпр. ефекта "брда" тј. убрзања ветра при наиласку на узвишење на терену). Што се тиче ефекта заветрине оптимизација је далеко компликованија. Идеално би било да турбине поставимо у линији једна до драге окренуте према најдоминантнијем правцу ветра. Тако би све турбине избегле негативне wаке ефекте док год ветар дува из најдоминантнијег правца или неког блиског њему. Проблем се јавља у случају да ветра дува из правца нормалног на најчешћи правац ветра (или неком који је сличног правца), и тада имамо веома велике губитке услед заветрине ако турбине нису на довољно великом растојању, јер ће ветар бити све спорији како пролази редом иза сваке турбине, мада ће се ова појава јако ретко јављати у случају већине локација (зависно од података представљених ражом ветрова). Међутим оваква конфигурација у већини случајева није изводљива јер нас ограничавају дозвољене границе саме ветроелектране. До сада су у пракси овај проблем се обично решавао помоћу врло једноставних правила која доводе до примене простих геометријских распореда, најчешће правоугаоних где се често турбине организују у идентичне редове који су на одређеном пригодном растојању.
5 ЕКОНОМСКА АНАЛИЗА ИНСТАЛИРАЊА ВЕТРОЕЛЕКТРАНЕ Целокупне трошкове једне ветроелектране у највећој мери одређују два фактора: сложеност и карактеристике специфичне за локацију на којој је предвиђена градња ветропарка и предвиђена максимална оптерећења (производња). Локација се може сматрати "сложеном" ако су теренски услови тешки - стеновити, веома влажни или веома неравни терени на пример, или ако је приступ локацији проблем. Главни параметри који описују економске аспекте једне ветроелектране су: 1. Инвестициони трошкови, главни и помоћни 2. Трошкови рада електране и њеног одржавања, 3. Производња електричне енергије, 4. Век трајања турбина и 5. Усвојена дисконтна стопа (стопа за израчунавање садашње вредности будућих новчаних износа). Најважнији параметри су производња електричне енергије и укупни инвестициони трошкови. Како производња електричне енергије зависи у великој мери од климатологије и интензитета ветрова, одабир одговарајуће локације турбина је од критичне важности за постизање економске одрживости. Око 75-85 процената укупних трошкова производње електричне енергије из ветра се односе на капиталне трошкове - цене турбина, темеља, електричне опреме и повезивања са мрежом. 5.1 Инвгрежфжонж епоцковж Капиталним трошковима пројекта за добијање електричне енергије коришћењем енергије ветра доминира цена самих турбина. Табела 1. показује типичну структуру трошкова за стандардну 2 МW-ну турбину подигнуту у Европи. ТАБЕЛА I. СТРУКТУРА ТРОШКОВА Улагање ( 1000/МW) Проценат (%) Турбине 928 Темељ 80 Електрична инсталација 18 1.5 Повезивање на мрежу 109 8.9 Контролни систем 4 0.3 Консултанти 15 1.2 Земља 48 3.9 Финансиски трошкови 15 1.2 Пут 11 0.9 Укупно 1227 100 Видимо да трошкови куповине самих турбина (без транспорта) чине већину укупних инвестиционих трошкова и називају се главним, а сви остали помоћним трошковима - изградња темеља, електричне инсталације, повезивање на мрежу, контролни и надзорни системи, трошкови професионалних консултантских компанија или метеоролошких завода, цена земљишта, изградња путева и сл. Удео турбина у укупним трошковима је у просеку око 75%, док је повезивање на мрежу заступљено се око 9%, а изградња темеља и остали грађевински радови са око 7 одсто. 5.2 Раднж епоцковж ж епоцковж одпдавања Модерне ветротурбине су дизајниране и предвиђене за око 150 000 сати рада током њиховог пројектованог животног века који је обично око 20 година. Трошкови рада и одржавања ветропарка (Оператион & Маинтананце) представљају знатан део укупних годишњих трошкова електране. Искуства су показала да су трошкови одржавања и трошкови током рада ветроелектране генерално веома ниски на почетку радног века, када су турбине потпуно нове, али се повећавају како турбине старе. Уколико су турбине прилично нове, учешће у укупним трошковима може бити само 10-15 %, али то може да повећа на 20-35 % при крају животног века турбине.
6 ПРОЦЕНА ПРОИЗВОДЊЕ ЕЛЕКТРИЧНЕ ЕНЕРГИЈЕ ИЗ ВЕТРОЕЛЕКТРНЕ КАПАЦИТЕТА 20 MW Када се процењује или израчунава укупна производња енергије и време исплативости фарме ветрењача, потребно је да се процени (или израчуна) и утицај потенцијалних енергетских губитака. Када се израчуната производња сваке турбине у парку (на основу резултата мерења ветра, карактеристика терена и турбине) сабере, добићемо идеализовану представу о годишњој укупној производњи ветроелектране. Да би добили реалну представу о вредности производње постројења морамо да узмемо у обзир и губитке, тј. негативне утицаје на рад турбина. Сматра се да постоји пет главних фактора који утичу на смањење произведене енергије ветроелектрана, од којих се сваки може поделити на више подврста: - ефекат заветрине турбина (wаке), - расположивост ветротурбине за рад, - енергетска ефикасност, - перформансе турбина и - губици специфични за локацију парка. 7 ЗАКЉУЧАК У раду су представљене теоријске основе и практичан пример плана изградње ветроелектране на територији АП Војводине. Применом одговарајућих модела турбина и пажљивим планирањем можемо постићи задовољавајуће резултате у погледу пројектоване производње енергије и процењеног времена исплативости ветроелектране, без обзира што је ово генерално област класификована као сиромашна квалитетним ветровима. Предности коришћења енергије ветра, као најисплативијег обновљивог извора Европа је увидела одавно, и до сада већ развила стратегије и детаљне далекосежне планове развоја у овој области. Овај рад је показао да добрим планирањем и коришћењем савремених технологија у области ветротурбина, у комбинацији са постојећим ресурсима које Република Србија поседује (повољне локације за изградњу ветроелектране) могуће обезбедити на годишњем нивоу 49,3 GWh/год. Што је довољно да се један град од 100.000 становника снабдева електричном енергијом годину дана. Самом изградњом ветропарка корист би била вишеструка. Поред заштите животне средине, могуће је остварити и финансијску добит. Како је наведено у раду, инсталирањем ветроелектране у Кањижи могуће је уложен новац вратити за седам година. Пошто је период експлоатације ветроелектране 20 година, целокупан даљи рад би донео чист профит. Очекивани приход је око 50 милиона, а током целокупног радног века предвиђа се производња од око 890 GWh елекртичне енергије. 8 ЛИТЕРАТУРА [1] Др Мирослав Ламбић: Енергетика, Технички факултет Михајло Пупин, Зрењанин 2003. [2] Duffie, J.A., Beckman, W.A., Solar Engineering of Thermal Processes. 2nd ed. NY Wiley, 1991. [3] Nataša Đereg, Zvezdan Kalmar, Ionut Apostol, Оbnovljivi izvori energije u Srbiji, preporuke, potencijali i kriterijumi, Centar za ekologiju i razvoj, Subotica, 2008. [4] Misija OEBS-a u Srbiji i Crnoj Gori, LIBER PERPETUUM knjiga o obnovljivim izvorima energije u Srbiji i Crnoj Gori, Novi Sad, 2004. [5] Програм остваривања стратегије развоја енергетике Републике Србије у АП Војводини (2007.- 2012.), Изврсно Веће АП Војводине, Нови Сад, 2007. [6] Студија Атлас ветрова АП Војводине", Извршно Веће АПВ, Нови Сад, 2008. International energy agency, Renewables in Global Energy Supply-An IEA Fact Sheet, http://www.iea.org/publications/, 2007. Global Wind Energy Council, Global Wind Report Annual market update 2010, http://www.gwec.net/index.php?id=8, 2010. [7] www.wwea.org [8] www.ewea.org [9] http://www.hidmet.gov.rs