Energetika Problematika kojom se energetika bavi obuhvaća: pretvorbu izvornih oblika energije u električnu i toplinsku energiju projektiranje energetskih postrojenja razvoj, konstrukciju i održavanje energetske opreme planiranje i vođenje energetskih procesa i sustava Pretvorbe energije Pri pretvorbi energije možemo definirati sljedeće oblike energije: primarna (prirodna) energija (u prirodnom stanju), sekundarna (pretvorbena) energija (od opskrbljivača pripremljena za korisnika kroz tehničke procese) i korisna energija (kod korisnika primijenjena energija). Najvažniji zadaci energetike su: racionaliziranje pretvaranja raznih oblika primarne (prirodne) energije u krajnje (korisne) energetske oblike i racionaliziranje uporabe energije. Prirodni (primarni) oblici energije S obzirom na obnovljivost prirodne oblike energije dijelimo na: - neobnovljive fosilna goriva (ugljen, nafta, zemni plin) nuklearna goriva unutarnja toplina zemlje (geotermalna energija) - obnovljive energija sunčevog zračenja energija vjetra vodne snage energija morskih struja i valova energija plime i oseke drvo i otpaci biomasa i bioplin. S obzirom na postanak goriva dijelimo na ona: - biljnog podrijetla (ugljen, treset, drvo i biomasa), - životinjskog podrijetla (nafta i plin), - mješovitog podrijetla (bioplin).
Prema fizikalnim svojstvima prirodne oblike energije dijelimo na nosioce: - kemijske energije: drvo i otpaci, ugljen i treset, sirova nafta, zemni plin, biomasa, bioplin, - nuklearne energije: nuklearna goriva, - potencijalne energije: vodne snage, plima i oseka, - kinetičke energije: vjetar, energije morskih struja i valova, - toplinske energije: geotermalna, toplinska energija mora, - energije zračenja: Sunčevo zračenje. Prema uobičajenosti uporabe prirodne oblike energije možemo podijeliti i na: - konvencionalne (fosilna goriva, vodne snage, nuklearna goriva i geotermalni izvori) i - nekonvencionalne (ostali). Pretvorbeni (sekundarni) oblici energije Najčešće se vrši više pretvorbi (transformacija) da bi se dobili korisni oblici energije, moguće kombinacije su pretvorbe: - prirodnih oblika energije u prikladnije: rasplinjavanje, destilacija - kemijske u unutarnju toplinsku energiju: izgaranje - nuklearne u unutarnju toplinsku energiju: fisija i fuzija - unutarnje toplinske u mehaničku energiju: parne i plinske turbine - potencijalne energije vode u mehaničku energiju: vodne turbine - mehaničke u električnu energiju: generatori - električne u mehaničku i potencijalnu energiju vode: motori i vodne pumpe - sunčeve energije u električnu energiju: fotonaponske ćelije - kinetičke u mehaničku energiju: vjetroturbine Pretvorbe kemijske energija goriva Kemijska energija goriva najčešće se transformira u unutarnju energiju. Moguća je i neposredna transformacija u električnu energiju (gorive ćelije). Proces transformacije kemijske energije u unutarnju energiju nazivamo izgaranjem. Unutarnja energija plinova izgaranja može se koristiti neposredno: za grijanje prostorija, kuhanje, pripremu tople vode, za tehnološke procese kad su potrebne visoke temperature (keramička, metalurška, cementna industrija i sl.) pri čemu su nosioci energije plinovi izgaranja. Unutarnja energija plinova izgaranja može se koristiti i posredno, tj. prijelazom topline u parnim kotlovima predati vodi, odnosno vodenoj pari te pretvoriti u toplinsku energiju koja zatim služi za grijanje prostorija ili u tehnološkim procesima kad su potrebne relativno niske temperature ili za pogon parnih turbina u kojima se unutarnja energija pare preko kinetičke energije konačno transformira u mehaničku (parne termoelektrane i nuklearne termoelektrane). Unutarnja energija plinova izgaranja može se i neposredno pretvoriti u mehaničku energiju u plinskim turbinama i motorima s unutarnjim izgaranjem. 2
Pretvorbe ostalih oblika energije Nuklearna energija transformira se u unutarnju energiju nositelja energije (fisija), a zatim u mehaničku i električnu energiju pomoću parnih turbina i električnih generatora. Pri tome nuklearni reaktori preuzimaju funkciju parnih kotlova. Uran kao nuklearno gorivo može biti u svojem prirodnom obliku (prirodna smjesa U-235 i U-238) ili kao obogaćeni uran (povećani udio U-235). Slika 1. Broj nuklearnih elektrana u svijetu i raspored nuklearnih elektrana u europskim državama (2007. godine) Slika 2. Nuklearna elektrana Krško 3
Energija Sunčevog zračenja može se transformirati u toplinsku energiju koja se može koristiti za pasivno solarno grijanje (izravno grijanje zgrade kao kolektora), aktivno solarno grijanje (zagrijavanje vode pomoću solarnih kolektora) i posrednu proizvodnju električne energije (solarne elektrane). Slika 3. Solarni kolektori za toplinsku pretvorbu energije sunčevog zračenja Energija Sunčevog zračenja može se transformirati i neposredno u električnu energiju pomoću solarnih poluvodičkih elemenata (fotonaponske ili sunčeve ćelije). Slika 4. Fotonaponski moduli za pretvorbu sunčeve u električnu energiju Da bi se iskoristila potencijalna energija vodotoka, plime i oseke te energije valova, potrebna je pretvorba u mehaničku a zatim u električnu energiju. To vrijedi i za kinetičku energiju vjetra i toplinsku energiju mora. 4
Slika 5. Vjetroelektrana Ravne na Pagu Toplina geotermalnih izvora i toplina suhih stijena može se iskoristiti neposredno, ali samo na ograničenoj udaljenosti od bušotina, ili pretvorbom u mehaničku, a zatim u električnu energiju. Električna energija Najčešće korišteni sekundarni oblik energije je električna energija. Prednosti električne energije: PRIMARNA ENERGIJA fosilna nuklearna energija energija sunčeva otpad goriva goriva vode vjetra energija (biološki) ELEKTRIČNA ENERGIJA KORISNA ENERGIJA rasvjetna mehanička kemijska toplinska pomoćna energija energija energija energija energija Slika 6. Pretvorba energije moguća je pretvorba iz različitih energetskih izvora, pouzdano i uz racionalne gubitke prenosi se do krajnjeg korisnika, daljnje pretvorbe su jednostavne i ekonomične, jednostavna je za regulaciju, upravljanje i mjerenje, nezamjenjiva je za obradu i prijenos podataka, ne šteti okolini. 5
Nedostaci električne energije: dobiva se uglavnom toplinskim pretvorbama (η max = 0,4), GORIVO (gorionik gubici 1-3%) TOPLINSKA ENERGIJA (kotao gubici 5-8%) PARA (turbina i kondenzator gubici oko 50%) MEHANIČKA ENERGIJA (generator gubici 1-2%) ELEKTRIČNA ENERGIJA Slika 7. Raspodjela gubitaka energije pri pretvorbi primarnih oblika energije u električnu energiju ne može se ekonomično akumulirati, prijenos je vezan na elektroenergetske vodove i transformatore (mreže), elektrane i mreže su kapitalno zahtjevne investicije. Sustave za pretvorbu primarnih oblika energije u električnu energiju nazivamo elektranama. Pri tome razlikujemo: Neizravne (posredne) pretvorbe u električnu energiju kod kojih se bilo koji drugi oblik mora pretvoriti najprije u mehaničku energiju, a potom generatorima u električnu. Najveći dio električne energije dobiva se posrednim pretvorbama: potencijalne energije vode (hidroelektrane), kinetičke energije vjetra (vjetroelektrane), kemijske energije goriva (termoelektrane), nuklearne energije goriva (nuklearne elektrane), sunčeve energije (solarne elektrane) te geotermalne energije. Pri pretvorbi energije u više faza (unutarnja toplinska mehanička - električna), u svim fazama nastaju gubici energije, postrojenja su složena i zahtijevaju skupo održavanje, uz mali stupanj iskoristivosti. Izravne (neposredne) pretvorbe u električnu energiju kod kojih nije potrebno pretvaranje u mehaničku energiju. Pri tome se koriste neposredne pretvorbe sljedećih oblika energije: toplinske energije u električnu (termoelektrična, termoionska pretvorba). Pri zagrijavanju metala (1000 do 2000 K) oslobađaju se elektroni i napuštaju površinu metala te nastaje termoionska emisija. energije Sunčevog zračenja u električnu energiju (fotonaponska pretvorba). Solarna ćelija pretvara elektromagnetsko zračenje Sunca u električnu energiju. kemijske energije u električnu (gorivim ćelijama). Gorive ćelije su elektrokemijski uređaji za neposrednu pretvorbu kemijske energije, sadržane u nekom kemijskom elementu ili spoju, u istosmjernu električnu struju. 6
Korisni oblici energije Korisna energija može biti u jednom od sljedećih oblika: toplinska energija, mehanička energija, rasvjetna energija i kemijska energija. Kao izvori toplinske energije koriste se vrela voda ili vodena para kao nosioci unutarnje energije. Za korištenje su najčešće potrebni izmjenjivači topline (radijatori i sl.), a ponekad se primjenjuje i postupak miješanja vodene pare ili vrele vode s tvari koju treba ugrijati. Izvor mehaničke energije za stacionarne potrošače praktički je samo električna energija (električni motori). Za transport se mehanička energija proizvodi pomoću motora s unutarnjim izgaranjem (cestovni i zračni promet), dok se za željeznički i brodski promet upotrebljavaju i parni kotlovi s parnim turbinama. Za željeznički i gradski promet može se koristiti i električna energija. Izvor rasvjetne energije je jedino električna energija. Kemijska energija kao korisni oblik energije koristi se u redukcijskim pećima i elektrolizama. Energija i okoliš Proizvodnjom i uporabom energije vrši se utjecaj na okoliš (zrak, temperaturu, vode, itd.). Štetni nusproizvodi pretvorbe energije u fosilnim i nuklearnim termoelektranama su: štetni plinovi izgaranja: sumporni dioksid SO 2 (uzrokuje kisele kiše s H 2 SO 3 ), dušični oksidi NO x (uzrokuju stvaranje ozona O 3 u nižim slojevima atmosfere koji je otrovan za ljude), ugljični monoksid CO (otrovan za ljude i životinje), ugljikovodici C m H n (kancerogeni), ugljični dioksid CO 2 (uzrokuje pojačani efekt staklenika ), radioaktivni otpaci (neizvjesne posljedice nakon više tisuća godina), prašina iz dima (sadrži radioaktivne elemente npr. U, Th, Ra, K, Pb). Klimatske promjene uključuju globalno zagrijavanje vezano uz efekt staklenika i pojavu ozonskih rupa. Prirodni efekt staklenika održava globalnu temperaturu Zemlje na 15 C. Bez stakleničkog efekta globalna bi temperatura iznosila -18 C. Odlučujuću ulogu u toj pojavi imaju plinovi u tragovima u zračnom omotaču Zemlje, koji preuzimaju ulogu transparentnih stijenki u stakleniku. Najvažniji od tih plinova su H 2 O i CO 2. Kratkovalne sunčeve zrake prolaze neometano kroz zračni Zemljin omotač (CO 2 i H 2 O ne predstavljaju prepreku za kratke svjetlosne valove). Sunčeve zrake zagrijavaju Zemlju i ona zrači u svemir energiju dugih toplinskih (infracrvenih) valova. CO 2 i H 2 O ne propuštaju duge valove već ih vraćaju na Zemlju. Time se zagrijavaju niži slojevi zraka. 7
Slika 8. Shematski prikaz prirodnog efekta staklenika Energetske pretvorbe kemijske energije fosilnih goriva u toplinu povećavaju emisiju CO 2 a time i staklenički efekt, pa se predviđa porast globalne temperature kao i značajne klimatske promjene. Postoje osnovane bojazni promjena uvjeta života velikih razmjera npr. povišenje razine mora. Ozonske rupe Fotokemijskim reakcijama u stratosferi (na visini 15-50 km od površine Zemlje) dio sunčevog zračenja se apsorbira i time štiti Zemlju od intenzivnog UV-zračenja. Za to je potreban ozonski (O 3 ) Zemljin omotač. Fluorovodici i klorovodici koji se ispuštaju u atmosferu uzrokuju katalitičku reakciju raspadanja ozona u stratosferi. To uzrokuje smanjenje količine ozona u zaštitnom omotaču te nastaju područja sa smanjenom koncentracijom ozona tj. ozonske rupe. U tim područjima smanjena je zaštitna uloga ozona i omogućen je slobodniji prolaz štetnim UV-zrakama. Slika 9. Povećavanje ozonske rupe iznad južne polutke u razdoblju od 1980.-1991. godine 8
U svrhu smanjenja štetnih utjecaja na okoliš nužno je poduzimati različite mjere kao što su: mjere za smanjenje emisije CO 2 : - racionalno korištenje energije u domaćinstvima, industriji, uslužnim djelatnostima i prometu, - povećanje efikasnosti pretvorbi energije u elektranama, - povećanje udjela kogeneracijskih postrojenja i - korištenje obnovljivih izvora energije (sunca, vjetra, vodne energije i biomase). S ciljem provođenja mjera za smanjivanje emisije CO 2 doneseno je nekoliko međunarodnih sporazuma. Na UN-konferenciji u Rio de Janeiru 1992. godine većina se industrijskih zemalja obavezala smanjiti emisiju CO 2. 1997. godine potpisan je Međunarodni sporazum o smanjenu emisije CO 2 i ostalih stakleničkih plinova (tzv. Kyoto protokol). Ovim se sporazumom nastoji smanjiti kombinirana emisija stakleničkih plinova razvijenih zemalja u razdoblju od 2008. do 2012. godine za otprilike 5 % u odnosu na vrijednost iz 1990. godine. mjere za smanjenje potrošnje energije u prometu: - zahvati na vozilima - smanjenje mase, poboljšanje aerodinamike, zahvati na gumama, - zahvati na motoru - elektronička regulacija, tehnika više ventila, poboljšanja na komori za izgaranje, poboljšanje prijenosa mehaničke energije, - poboljšanja na prometnicama - gradnja cesta, regulacija semafora, uvođenje tehnike vođenja na putovima, - ponašanje sudionika prometa - vožnja prilagođena situaciji. Osiguranje opskrbe energijom u budućnosti Kako bi se osigurala pouzdana opskrba energijom potrebno je kontinuirano provoditi sljedeće mjere: kod dobavljača energije: osigurati veću djelotvornost energetskih pretvorbi, smanjivati gubitke u prijenosu električne energije, uvoditi mjere za smanjenje emisije CO 2, više koristiti obnovljive izvore energije, kod korisnika energije racionalno koristiti energiju. 9