Vrste, osnovne karakteristike i pretvorbe obnovljivih izvora energije 1. Biomasa i bioplin 2. Otpad 3. Energija vodnih snaga 4. Energija vjetra 5. Energija mora 6. Energija sunčeva zračenja Rezerve obnovljivih izvora energije - iako su praktički neograničene, može se govoriti o rezervama u smislu mogućeg stupnja iskorištenja (eventualno u odnosu na ukupni energetski potencijal) OPĆA ENERGETIKA 1 Zajedničke karakteristike - najčešće obnovljivi izvori energije imaju veliki ukupni energetski potencijal, ali: - s malim mogućnostima efektivnog iskorištenja - niska energetska koncentracija - nestalnost u vremenu - većina obnovljivih izvora energije nije prikladna za direktnu potrošnju (s izuzetkom npr. drva), a također su rijetki slučajevi da se može uskladištiti - većina obnovljivih izvora energije trenutno nije ekonomski konkurentna klasičnim neobnovljivim izvorima (veliki investicijski troškovi i relativno amli stupanj korisnosti) - ova mana se donekle može ublažiti raznim poreznim olakšicama i poticajima kojima se stimulira razvoj i korištenje obnovljivih izvora energije - osnovne prednosti obnovljivih izvora energije su: - obnovljivost u smislu mogućnosti dugoročnog razvoja i korištenja - niski (nikakvi) varijabilni troškovi -općenito mali utjecaj na okoliš OPĆA ENERGETIKA 2 1
Biomasa i bioplin a) Drvna biomasa (ubiranje prirodnorastućeg drveća, ciljani uzgoj brzorastućeg drveća, ostaci iz šumarstva, drvne i ostale industrije) b) Nedrvna biomasa (ostaci, sporedni proizvodi i otpad iz poljoprivrede) c) Biomasa životinjskog podrijetla (otpad i ostaci iz stočarstva) Udio biomase u ukupnoj svjetskoj potrošnji energije: ~15% (razvijene zemlje ~3%, nerazvijene ~38%) Energetski sadržaj biomase: - drvo: 8-19 MJ/kg - životinjski izmet: 6-17 MJ/kg Primjena: - direktno iskorištavanje (grijanje, priprema tople vode) - proizvodnja tzv. biogoriva (etanol, metanol, biodizel...) - proizvodnja električne energije ili kogeneracija Bioplin: - dobiva se procesom anaerobnog truljenja, najčešće od životinjskog izmeta (metan) - ogrjevna moć: ~25 MJ/l - može se koristiti u kućanstvima kao supstitucija za prirodni odnosno ukapljeni plin, ili u kogeneracijskim postrojenjima za proizvodnju električne i toplinske energije OPĆA ENERGETIKA 3 Otpad - podrazumijeva komunalni i industrijski otpad primjenjiv za termičku obradu (izgaranje) - moguće iskorištavanje za: - kogeneraciju toplinske i električne energije (izgaranje krutog otpada) - proizvodnja deponijskog plina i bioplina - koristi se uglavnom u razvijenim industrijskim zemljama - velika nehomogenost u ogrjevnoj moći (od negativno do ~40 MJ/kg) - komercijalno iskorištavanje zahtjeva relativno velike količine otpada, tj. ograničeno je na veće gradove -računa se da je za grad od oko 1.000.000 stanovnika ekonomski isplativa izgradnja kogeneracijskog postrojenja u spalionicama otpada OPĆA ENERGETIKA 4 2
Primjer: kogeneracijsko postrojenje s 2 kotla loženim na komunalni otpad i jednim kotlom loženim na otpadno drvo i slamu OPĆA ENERGETIKA 5 Energija vodnih snaga Uređaji: - Pretvorba potencijalne energije vode u mehaničku energiju: VODNE TURBINE - Pretvorba mehaničke energije u potencijalnu energiju vode: CENTRIFUGALNE PUMPE - 1. + 2.: REVERZIBILNA PUMPA-TURBINA HIDROELEKTRANE KLASIČNE HIDROELEKTRANE REVERZIBILNE HIDROELEKTRANE PROTOČNE AKUMULACIJSKE PRIBRANSKE DERIVACIJSKE OPĆA ENERGETIKA 6 3
Proizvodnja električne energije iz HE: - bruto hidroenergija - tehnički iskoristiva hidroenergija - proizvodnja 1999. g. Po kontinentima - tehnički iskoristiva hidroenergija - proizvodnja 1999. g. OPĆA ENERGETIKA 7 OPĆA ENERGETIKA 8 4
Hidroelektrane Snaga i energija HE: Potencijalna energija: Snaga: P = W t = ρ - gustoća vode (=1000 kg/m 3 ) g gravitacijska konstanta q protok (m 3 /s) h pad (m) t Energija: W = 9,81 η 0 η - ukupna korisnost HE W = m g h m t V ρ g h = g h = t (t) q(t) h(t) dt V ρ g h = q ρ g h t = 9,81 10 [ kwh] 3 q h [W] OPĆA ENERGETIKA 9 Osnovni podaci za hidroelektrane: 1. Instalirana snaga (MVA/MW) nazivna snaga HE, zbroj prividne/radne snage svih generatora 2. Snaga na pragu (MW) radna snaga koju HE može predati u mrežu (instalirana snaga umanjena za vlastitu potrošnju) 3. Raspoloživa snaga (MW) snaga kojom HE može raditi u određenom momentu, polazeći od stvarnog stanja HE (raspoloživosti agregata), uz raspoloživi pad i dotok 4. Tehnički minimum (MW) najmanja radna snaga s kojom HE može raditi 5. Moguća proizvodnja srednja godišnja proizvodnja dobivena iz ostvarenih godišnjih proizvodnji u duljem nizu godina ili računata na osnovu srednje vrijednosti iskoristivog godišnjeg protoka 6. Instalirani protok (m 3 /s) nazivni protok, tj. najveći protok koji odgovara nazivnoj snazi HE 7. Srednji specifični potrošak vode (m 3 /kwh) ili odgovarajuća krivulja specifičnog potroška u ovisnosti o protoku i padu 8. Korisni volumen akumulacijskog bazena i energetska vrijednost (samo za akumulacijske HE) 9. Ostali podaci (nazivni napon mreže, nazivni faktor snage, srednji, minimalni i maksimalni pad pad...) OPĆA ENERGETIKA 10 5
Protočne HE: HE bez uzvodne akumulacije ili s akumulacijom čiji se sadržaj može isprazniti za manje od dva sata rada HE s nazivnom snagom Akumulacijske HE: -HE s dnevnom akumulacijom -HE s tjednom akumulacijom -HE s mjesečnom akumulacijom -HE sa sezonskom akumulacijom -HE s godišnjom akumulacijom -HE s višegodišnjom akumulacijom (definirano vremenom punjenja/pražnjenja akumulacije) Primjer: Prosječni mjesečni dotoci i proizvodnja HE Peruča (1973-1997); akumulacija Peruča je sezonska 1 0.9 0.8 Dotok u Peruču (p.u.) Proizvodnja HE Peruče (p.u.) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Mjesec Dotok Proizvodnja OPĆA ENERGETIKA 11 Instalirani protok (snaga) Iskoristivo kod protočne HE Minimalni protok (tehnički minimum HE) Srednji godišnji protok (Srednji iskoristivi protok je uvjek manji) 12(365) q(t)dt Vsr 0 Qsr = = 31536000 6 31,536 10 3 [ m / s] OPĆA ENERGETIKA 12 6
Djelovi HE Akumulacija Brana, uključujući preljevno polje i temeljni ispust Zahvat omogućava ulaz vode iz akumulacije u tunel ili tlačni cjevovod Gravitacijski dovod (otvoreni kanal ili tunel) Vodna komora nalazi se na početku tlačnog cjevovoda sa svrhom da kod naglog smanjenja opterećenja HE (zatvaranja turbina) tlak vode u cjevovodu ne poraste iznad dozvoljene granice Zasunska komora regulira dovod vode u tlačni cjevovod Tlačni cjevovod dovod vode do turbine Strojarnica Vodna turbina Generator Pomoćna oprema (uzbuda, turbinski regulator, razvod ulja, sustav za hlađenje generatora, razvod i uređaji vlastite potrošnje, električne zaštite, dizalice, odvodnja i drenaža ) Blok transformator Odvod vode OPĆA ENERGETIKA 13 Vodne turbine Osnovni tipovi vodnih turbina: - Pelton turbine: veliki padovi (H>200m) i manji protoci (Q<20m 3 /s) - Fransis turbine: srednji padovi (30m<H<300m) i srednji protoci (Q<100m 3 /s) - Kaplan turbine: mali padovi (H<30m) i veliki protoci (Q>200m 3 /s) Napomena: granice su samo okvirne Pelton turbina - akciona turbina (turbina slobodnog mlaza) OPĆA ENERGETIKA 14 7
Francis turbina - reakciona turbina (pretlačna turbina) OPĆA ENERGETIKA 15 Regulacija protoka (snage) Francis turbine Lopatice sprovodnog aparata: pokreće ih servo motor, služe za regulaciju protoka vode kroz turbinu, a njima upravlja turbinski regulator OPĆA ENERGETIKA 16 8
Kaplan turbina - reakciona turbina (pretlačna turbina) OPĆA ENERGETIKA 17 Generator Rotor Osovina Stator OPĆA ENERGETIKA 18 9
Smještaj (situacija) HE (s otvorenim dovodnim kanalom) OPĆA ENERGETIKA 19 Akumulacija - brana OPĆA ENERGETIKA 20 10
Pribranska HE OPĆA ENERGETIKA 21 Derivacijska HE - djelovi OPĆA ENERGETIKA 22 11
Derivacijska HE tlocrt strojarnice OPĆA ENERGETIKA 23 Derivacijska HE poprečni presjek strojarnice 1. TLAČNI CJEVOVOD 2. KUGLASTI ZATVARAČ 3. TURBINA 4. GENERATOR 5. HALA STROJARNICE 6. MOSNA DIZALICA 7. DIFUZORSKI ZATVARAČ 8. ODVODNI TUNEL OPĆA ENERGETIKA 24 12
Hidroenergetski sliv: najčešće se na jednom vodnom slivu nalazi više akumulacija i HE Primjer: širi sliv rijeke Cetine Kanal Kablić Kanal Plovuča-Brda Kanal Drinovac Kanal Jagme Kanal Brda-Lipa Komp. b. Lipa Reverzibilni kanal Buško Blato-Lipa ~~~ Ak. Buško Blato CS Buško Blato Pm=3x3.4MW Pg=3x1.6MW Ak. Mandak Cetina Ak. Peruča HE Peruča Pmax=41.6MW ~~ Pmin=5MW ~~~ HE Orlovac Pmax=237MW Pmin=50MW Cetina Ruda Komp. b. Đale HE Đale Pmax=40.8MW Pmin=6MW ~~ Komp. b. Prančevići Cetina Komp. b. Kraljevac HE Zakučac P max=2x108+2x135mw=486mw P min=50+80mw ~~ ~~ Cetina ~~ ~~ HE Kraljevac Pmax=46.4MW Pmin=1MW OPĆA ENERGETIKA 25 Crpno-akumulacijska postrojenja reverzibilne HE - može raditi kao elektrana (turbinski/generatorski režim) koristeći vodu iz gornjeg akumulacijskog bazena, koji može ali ne mora imati i svoj prirodni dotok - u crpnom/pumpnom režimu djeluje kao potrošač, tako da koristeći električnu energiju iz mreže prebacuje vodu iz donjeg bazena u gornji - ukupna iskoristivost takvog ciklusa je oko η= 0,7 (ako se ne računa proizvodnja iz prirodnog dotoka u gornji bazen) - pumpanje se obično vrši u noćnim satima, a proizvodnja električne energije danju (obično za vrijeme vršnih opterećenja) - ukupni energetski manjak opravdan je u sljedećim varijantama: 1. ako su troškovi proizvodnje električne energije iz termoelektrana tijekom dana veći od troškova noćne proizvodnje, i to u iznosu većem od (1-η)*100% 2. ako se na taj način osigurava pokrivanje vršnih opterećenja, što je zamjena za izgradnju klasičnih elektrana 3. ako se energija za pumpni režim osigura iz preljevne energije 4. ako se radi o tržišnom sustavu gdje se noćna energija može kupiti po niskoj cijeni, a dnevna prodati po većoj cijeni (u Zapadnoj Evropi je taj omjer redovito veći od 1:2) OPĆA ENERGETIKA 26 13
OPĆA ENERGETIKA 27 2000 1800 1600 P (MW) 1400 1200 1000 800 Turbiniranje (420 MWh) Pumpanje (600 MWh) 600 400 200 Dnevni dijagram bez RHE Dnevni dijagram sa RHE 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 t (h) OPĆA ENERGETIKA 28 14
Energija mora 1. Energija morskih struja 2. Energija valova 3. Toplinska energija mora 4. Energija plime i oseke -za sve navedene vrste postoje više-manje definirana tehnološka rješenja (najnaprednije za 4), ali trenutno su vrlo daleko od mogućnosti komercijalne primjene OPĆA ENERGETIKA 29 Primjer: Elektrana na plimu i oseku - amplituda plime i oseke ovisi o lokaciji i datumu - amplitude se kreću od nekoliko centimetara pa do desetak metara, a razmak između dvije plime je 12-24 h - iskorištavanje je moguće na mjestu uz obalu s dovoljno velikom amplitudom, te mogućnošću stvaranja akumulacijkog bazena izgradnjom brane - mogu se koristiti turbine: - koje rade u jednom smjeru - koje rade u oba smjera - koje mogu raditi i kao crpke More Brana Bazen OPĆA ENERGETIKA 30 15
Princip rada (dvosmjerna crpka-turbina): H 1 6 7 8 Razina mora u bazenu Razina mora 2 3 4 5 Hmin Pumpni rad Turbinski rad t OPĆA ENERGETIKA 31 16