4. PRETVORBE OBLIKA ENERGIJE 4.1. Uvod 4.2. Pretvorba kemijske energije u unutarnju termičku 4.3. Pretvorba unutarnje toplinske energije u mehaničku 4.4. Pretvorba potencijalne energije u mehaničku i obratno 4.5. Pretvorba mehaničke energije u električnu 4.6. Neposredne pretvorbe oblika energije u električnu 4.7. Energetska bilanca 472 4.1. Uvod 473
Električna energija najplemenitiji sekundarni oblik energije Prednosti: moguća je jepretvorba iz iz svakog energetskog izvora (čak (čakiiotpad) pouzdano i i uz uzracionalne gubitke se seprenosi do dozadnjeg korisnika dalje pretvorbe su su jednostavne iiekonomične jednostavna je jeza za regulaciju, upravljanje iimjerenje nezamjenjiva je jeza za obradu iiprijenos podataka ne ne šteti šteti okolini 474 Nedostaci: Dobiva se seuglavnom toplinskim pretvorbama (η (η max max 0,4) Ne Neda da se seekonomično akumulirati Prijenos je jevezan na na elektroenergetske vodove i i transformatore (mreže) Elektrane iimreže su sukapitalno -- intezivne investicije GORIVO gorionik TOPLINA kotao PARA turbina+kond. MEH. ENERG. generator ELEKTR. ENERG. gubici 1-3% gubici 5-8% gubici oko 50% gubici 1-2% 475
PRIMARNA ENERGIJA Fosilna goriva Nuklear. goriva Energija vode Energija vjetra Sunčeva energija Otpad (biološki) ELEKTRIČNA ENERGIJA Svjetlo Mehanička energija Kemijska energija Toplinska energija KORISNA ENERGIJA Pomoćna energija 476 PRIMARNA ENERGIJA pretvorbe u toplinu vjetrenjače, vodne vodne turbine turbine klipni klipni motori, motori, plinske plinske turbine turbine gorive gorivećelije, sunčane ćelije ćelije Kao krajnji energetski oblici u osnovi se podrazumjevaju mehanički ili električki rad (energija). mehanički rad generator motor KRAJNJA ENERGIJA električki rad 477
478 Moguće pretvorbe (transformacije) oblika energije u električnu energiju Postupci proizvodnje električne energije u elektranama 479
Razvoj zahtjeva koji se postavljaju na opskrbu električnom energijom 480 Elektrane: sustav za pretvorbu drugih oblika energije u električnu energiju. Pri tome razlikujemo: 1. Neizravne (posredne) pretvorbe u el. energiju (kod kojih se bilo koji drugi oblik mora pretvoriti najprije u mehaničku energiju, a potom generatorima u električnu). Najveći dio el. energije dobija se posrednim pretvorbama: potencijalna energija vode (HE), kinetička vjetra (VE), kemijska (TE) ili nuklearna energija (NTE) goriva, geotermalna, Sunčeva u solarnim elektranama. 2. Izravne (neposredne) pretvorbe u el. energiju (kod kojih nije potrebno pretvaranja u mehaničku energiju). Kemijske energije u gorivnim ćelijama, fotonaponska (fotoelektrična) pretvorba Sunčeve energije, fotoelektrokemijska pretvorba, neposredna pretvorba toplinske energije (termoelektrična, termionska, magnetohidrodinamički (MHD) generator) neznatno!!! 481
Pretovorbe energije odnosi 482 4.2. Pretvorba kemijske energije (goriva) u unutarnju toplinsku energiju (nosioca) - Izgaranje 483
Uvod Ako se nekom tijelu ili sustavu dovede energija, ona se nagomilava, a tako nagomilana energija naziva se unutarnjom toplinskom energijom Unutarnja toplinska energija sastoji se od kinetičke energije molekula koje se gibaju i potencijalne energije molekula koja je posljedica privlačnih i odbojnih sila. Proces transformacije kemijske energije u unutrašnju energiju naziva se izgaranjem. Odvija se u ložištu. Uporaba unutarnje termičke energije: 1. Izravna (neposredna): Za grijanje prostorija, kuhanje, pripremu tople vode, za tehnološke procese kad su potrebne visoke temperature (obrada stakla, keramike, cementa, metala, plastike i sl.). Nosioci topline plinovi izgaranja. 484 2. Neizravna (posredna): Energija plinova izgaranja može se potom pretvoriti u mehaničku energiju u plinskim turbinama i motorima s unutar. izgaranjem. Nadalje, prijelazom topline u parnim kotlovima predati vodi, odnosno vodenoj pari (novi nosioc energije). Zagrijana vodena para služi za pogon parnih turbina u kojima se unutrašnja energija pare transformira u mehaničku energiju (preko kinetičke energije). Izgaranje Kemijska reakcija oksidacije gorivih sastojaka s kisikom iz zraka uz istovremenu pojavu topline i svjetlosti. Radi se o izmjeni tvari pri čemu,u broj atoma ostaje nepromijenjen (zakon o održanju mase). Energetska jednadžba izgaranja temelji se na prvom stavku termodinamike: ΣE=const. (zakon oč. energije). 485
Proces izgaranja: 1. Zagrijavanje i sušenje, 2. Destilacija (isparavanje) hlapljivih sastojaka piroliza, 3. Izgaranje hlapljivih sastojaka, 4. Izgaranje čvrstog ugljika Uvjeti izgaranja: 1. U ložištu treba biti dovoljno visoka temperatura za paljenje goriva 2. Povoljan omjer mješanja goriva i zraka 3. Odgovarajuće pripremljeno gorivo 4. Dovoljno vremena za izgaranje Volumni udio kisika u zraku je 21%, to je plin koji ne gori, ali podržava gorenje. Množina tvari n definira se u (mol), molarna masa M u (kg/mol) Znajući masene udjele pojedinih sastavnih tvari u gorivu, svaki sastojak određuje se količinom u (kmol/kg), te se mogu se odrediti minimalne potrebne količine kisika/zraka za potpuno izgaranje. 486 Količine sastojaka (elemenata) označavaju se malim slovima, tako da vrijedi c+h+s+o+n+w+a = 1. Minimalna količina kisika o min i zraka z min potrebna za potpuno izgaranje iznosi: c h s o o = + + kmol/ kg min 12 4 32 + 32 omin z min = kmol / kg 0.2 Jednadžba za izračunavanje minimalne količine kisika za izgaranje krutih i tekućih goriva je 3 o = 1,867 c+ 5,6 h+ 0,7 s 0,7 o m / kg min 487
Stehiometrijski odnosi izgaranja Avogadrov zakon: svi plinovi pri istom tlaku, temperaturi i volumenu imaju jednak broj molekula N = 6.0225 10 23 1/mol. Pri izgaranju se oslobađa određena količina topline. Stehiometrijski odnosi izgaranja (vezani uz ugljen, naftu i prirodni plin): a) vodika: 1kmol H 2 + 0.5 kmol O 2 = 1kmol H 2 O + 240 MJ/kmol b) ugljika: 1kmol C + 0.5 kmol O 2 = 1kmol CO + 123.8 MJ/kmol 1 kmol C + 1kmol O 2 = 1kmol CO 2 + 407 MJ/kmol 1kmol CO + 0.5 kmol O 2 = 1kmol CO 2 + 283.2 MJ/kmol c) sumpora: 1kmol S + 1kmol O 2 = 1kmol SO 2 + 297 MJ/kmol 1kmol SO 2 + 0.5 kmol O 2 = 1kmol SO 3 +398 MJ/kmol 488 d) ugljikovodika: 1kmol C m H n + (m+0.25n) kmol O 2 = m kmol CO 2 + 0.5 n kmol H 2 O + Q Količina oslobođene topline Q pri izgaranju ugljikovodika ovisi o njegovom kemijskom spoju, npr.: Metan CH 4 Q = 804.2 MJ/kmol Etan C 2 H 6 Q = 1444.8 MJ/kmol Propan C 3 H 8 Q = 2083.2 MJ/kmol Butan C 4 H 10 Q = 2773.1 MJ/kmol Ložišta i temperature izgaranja Ovisno o konstrukciji ložišta razlikuje se teorijska i stvarna temperatura izgaranja 1. Teorijska: izgaranje u toplinski izoliranom sustavu, plinovi izgaranja dostižu vrlo visoku temperaturu od cjelokupne topline oslobođene izgaranjem 2. Stvarna: niža jer se dio topline goriva predaje okolini (okolnom mediju) radi postojanja temperaturne razlike 489
4.3. Pretvorba unutarnje termičke energije (nosioca) u mehaničku energiju 490 Prvi glavni stavak termodinamike govori o mogućnosti pretvaranja topline u mehanički rad, ali ne potpunim kvantitativnim vrijednostima. Carnot (1843.): za pretvaranje topline u mehanički rad potreban je pad temperature (prijelaz topline), za što je potrebno imati dva spremnika topline različitih temperatura. Drugi glavni stavak termodinamike: Toplina prelazi samo s tijela više temperature na tijelo niže temperature. Toplina prelazi s tijela niže temperature na tijelo više temperature samo uz dovođenje vanjskog rada. Nije moguće trajno uzimati toplinu iz jednog spremnika i pretvarati je u mehanički rad. R. Clausius (1822-1888): Toplina sama od sebe ne može preći s tijela niže temperature na tijelo više temperature. Toplina: oblik energije koji prelazi granice sustava samo zbog postojanja razlike temperature među sustavima uz uvjet da granica među sustavima propušta toplinu. 491
Termička jednadžba stanja Plinovi i pare su mediji (nosioci) koji služe za prijenos unutrašnje termičke energije u mehaničku energiju.svi su procesi u kojima se odvijaju energetske pretvorbe, povezani s promjenama stanja radnog medija (nosioca energije). Pretpostavka: u normalnom pogonu sve promjene stanja odvijaju se kvazistacionarno, tj. da se za vrijeme promjene stanja sustav - globalno promatrajući - nalazi u stanju ravnoteže (omogućuje da se promjene stanja opisuju veličinama stanja). Termička jednadžba stanja s kojom se neki jednostavni termodinamički proces može opisati, povezuje tri unutarnje veličine stanja za definiranje homogenog procesa: tlak p, volumen V (obično kao relat. volumen po jedinici mase, v) i temperaturu T. U implicitnom obliku za homogeni proces: F ( p, v, T ) = 0 492 Samo za idealne plinove i realne plinove pri veoma niskim tlakovima termička jednadžba stanja poprima jednostavni oblik: p v = n R T R univerzalna plinska konstanta = 8.314 J/kmol,K n množina tvari (kmol), ovisno o vrsti plina T V = konst. p p = konst. F ( p, V, T ) = 0 T = konst. v Površina stanja idealnog plina u p-v-t prostoru 493
Entropija Pojam entropije usko je povezan s drugim glavnim stavkom termodinamike. Za razumijevanje 2. glavnog stavka mora se razlikovati između sustava u kojima se odvijaju nepovratljivi (ireverzibilni), odnosno povratljivi (reverzibilni) procesi. Prema Carnot-u (1843): 1. Povratljivi proces: pretvorba energije odvija se na način da se svaka promjena stanja može povratiti u početno stanje, a da nije ostala nikakva promjena u okolini. Dva uvjeta: nema trenja (interna povratljivost), te u okolini koja sudjeluje u procesu ne smije nastupiti nepovratljivost (eksterna povratljivost). 2. Nepovratljivi proces: ako se početno stanje u sustavu ne može uspostaviti bez promjene u okolini, takav se proces naziva nepovratnim. Iz iskustva se zna da su svi prirodni procesi nepovratljivi, dakle sami od sebe odvijaju se samo u jednom smjeru (Drugi glavni stavak termodinamike - bitno ograničenje energetskih pretvorbi)! 494 Iako povratljivih procesa nema, koriste se kao idealni procesi za usporedbu pri vrednovanju stvarnih procesa za pretvorbu energije. U svrhu jednoznačnog kvantitativnog razlikovanja povratljivih i nepovratljivih procesa, R. Clausius je (1865) definirao novu veličinu stanja, entropiju Entropija (S) zadovoljava drugi stavak termodinamike i raspolaže sa slijedećim svojstvima: 1. Kod adijabatskog sustava nikada se ne smanjuje; 2. Kod povratljivih procesa ostaje konstantna; 3. Kod nepovratljivih procesa se povećava. Diferencijal entropije (ds) i diferencijal specifične entropije (ds) u odnosu na jedinicu mase definiraju se kao: dq + dw 12 R ds [ J / K ds dq + dwr = ] ds = = [ J / kg, K] T m T dq 12 promjena topline pri prijelazu iz stanja 1 u 2, dw R rad sile trenja 495
Promjene stanja idealnih i realnih plinova Specifična toplina (toplinski kapacitet) c: količina topline potrebna da bi se temperatura 1 kg tvari povećala za 1 K: c = dq/(m dt) = dq/dt [J/kg, K] Razlikuje se specifična toplina c v pri konstantnom volumenu i pri konstatnom tlaku c p Obzirom na moguće promjene stanja medija dovođenjem topline ( q > 0) s promjenom p, V i T razlikujemo slijedeće promjene stanja idealnog plina Naziv Dov. toplina (q) ili izv. meh. rad (w): a) izohora (V = const., p i T raste) q 12 = c v (T 1 T 2 ) > 0 b) izobara (p = const., V i T raste) q 12 = c p (T 1 T 2 ) > 0 c) izoterma (T = const., V raste, p pada) q 12 = w 12 = p 1 v 1 ln(p 1 /p 2 ) > 0 Obratne promjene veličina stanja vrijede kad se toplina odovodi ( q < 0) 496 Adijabata: promjena stanja idealnog plina (p, V i T) u slučaju kad nema izmjene topline ( q = 0) s promjenom d) adijabata (s, Q = const.), dva slučaja ekspanzija: p pada, V raste, T pada) q 12 = 0, w 12 > 0 kompresija: p raste, V pada, T raste) q 12 = 0, w 12 < 0 Realni plinovi prikazuju se općim hiperbolama (politropama) e) politropa: q 12 = c v (T 1 T 2 ) (n κ )/(n - 1), gdje je κ = c p / c v Pri tome se dobija za: n = 0 izobara n = 1 izoterma n = κ adijabata n = izohora 497
Kružni termodinamički proces Zatvoreni proces kod kojeg su početna i završna točka jednake (iste veličine stanja p, V i T) U kružnom procesu toplinskog stroja pogonski medij ekspandira s višeg (točka 1) na niži tlak (točka 2) uz povećanje volumena, proizvodeći mehaničku energiju, što se vidi na p-v dijagramu Kada bi kompresija (2-1) tekla po istoj krivulji po kojoj je obavljena ekspanzija, ne bi se mogao izvršiti rad (razlika dovedene i odvedene topline) Stoga je uvjet za dobivanje energije iz sustava da je utrošeni rad za kompresiju manji nego dobivena energija ekspanzijom medija. Utjecaj okoline (temperatura i tlak) 498 Kružni proces u T-s dijagramu površina odgovara toplini 499
U točki 1 unutarnja energija medija na početku i na kraju procesa je jednaka, pa se rad ne obavlja promjenom unutrašnje energije nego na račun promjene topline. W = Q 1 Q 2 Ako se mediju mijenja stanje bez promjene topline, entropija ostaje nepromijenjena (primjer: adijabatska ekspanzija) Specifična entalpija (h): sadržaj topline pri konstantnom tlaku, jednaka je zbroju specifične unutrašnje energije i specifične energije strujanja medija: h = wu + p v [ J / kg] Dovedena toplina mijenja mediju unutarnju energiju i volumen V uz konstantan tlak p ili mu mijenja unutarnju energiju i tlak p uz konstantan volumen V 500 Obzirom na način upotrebe pogonskog medija, toplinski se strojevi dijele na: 1. Turbostrojeve (rad medija se prenosi na lopatice rotora parne i plinske turbine). 2. Stapne strojeve (stap ili klip je dio stroja na koji se prenosi rad medija motori s unutarnjim izgaranjem) i Turbostrojevi U zatvorenom termodinamičkom sustavu ekspanzija medija može se iskoristiti samo jednom za dobivanje mehaničkog rada pa je nezanimljiv za uporabu Potrebno je načiniti otvoreni termodinamički proces (dovođenje medija prije kompresije i odvođenje medija nakon kompresije)- mogućnost izmjene mase i energije između granica sustava. Kružni proces parnih i plinskih turbina opisuje se kao Carnot kružni proces (iako se radi o idealnom, u stvarnosti neostvarivom procesu) 501
Carnot-ov kružni proces 502 Carnotov kružni proces: Tok energije sastoji se od dviju izotermi i dviju adijabata Toplina se dovodi po izotermi od točke 1 do 2, pa je dovedena toplina Q d prikazana površinom u T-s dijagramu ispod dužine 1-2 Od točke 2 do 3 odvija se adijabatska ekspanzija, a od točke 4-1 adijabatska kompresija bez izmjene topline (realno nije ostvarivo). Toplina se odvodi po donjoj izotermi od točke 3-4, pa je odvedena toplina Q o prikazana površinom ispod dužine 3-4 (uvijek manja od dovedene!!!) Termički stupanj korisnog djelovanja Carnotovog kružnog procesa: η W Q Q d o t = = = 1 Qd Qd Q Q o d η mt ( s s ) o 2 1 t = 1 = 1 mtd ( s2 s1 ) T T o d 503
p Carnotov idealni proces - maksimalni stupanj djelovanja kod pretvorbi unutarnje topline u mehanički rad Carnot p-v dijagram Q o W Q d Izoterma T d i T o Adijabata V 100 80 60 40 η η(%) T T d o t = = 1 Td T T o d Izvršeni mehanički rad (J/kg): W = Q d Q o 20 0 200 400 600 800 T d (K) 1000 504 Stapni strojevi Pretvorba energije se odvija u cilindru i dobiveni rad se prenosi dalje preko stapa (klipa) na osovinu stroja, radilicu, crpku i sl. Energija se dovodi u cilindar izvana iz okoline, putem medija: 1. Vodena para za parni stroj, 2. Plinovito ili tekuće gorivo za motore s unutarnjim sagorijevanjem Parni stapni strojevi se danas upotrebljavaju relativno malo (lokomotive) Motori s unutarnjim izgaranjem: 1. Otto ili benzinski - Otto kružni proces 2. dizelski (Diesel) motor Dizelski i Sabathe-ov (kombinirani dizelski) kružni proces 505
Gorivo izgara (dovođenje topline) pri stalnom volumenu V 2 (od 2 do 3), uz porast temperature, obratno vrijedi za odvođenje topline iz procesa od 4 do 1 Procesi od 3 do 4 i od 1 do 2 su tehničke politrope (ekspan. i kompr. između izoterme i adijabate) Otto proces p-v i T-s dijagrami 506 Otto proces Otto motori mogu biti dvotaktni i četverotaktni Četverotaktni: 4 hoda stapa (klipa) 2 puna okreta osovine 1. takt: Usisavanje smjese zraka i goriva pri hodu klipa od gornje mrtve točke do donje mrtve točke. U T - s dijagramu donja isprekidana linija (izobara na 0.1 MPa nešto manje od atmosferskog zbog otpora pri usisavanju zraka) 2. takt: Kompresija gorive smjese oba ventila zatvorena, klip dolazi u gornju mrtvu točku. U p-v i T-s dijagramu politropa kompresije od točke 1 do 2. Slijedi izgaranje (2-3). 3. takt: Ekspanzija plinova (od gornje do donje mrtve točke) kada svjećica baca iskru u gornjoj mrtvoj točki hoda klipa (od točke 3 do 4). 4. takt: Ispuh izgorjelih plinova (od točke 4 do 1) zbog otpora zraka u cilindru tlak nešto veći od atmosferskog pri istiskivanju. Proces ispuha završava u gornjoj mrtvoj točki klipa. 507
1-2 Kompresija čistog zraka adijabatska kompresija Sabatheov proces (kombinirani dizelski proces) 2-2 Usis goriva sa samozapaljenjem uslijed visokih parametara p i T Prvi dio izgaranja - uz V = const (razlika!) 2-3 Drugi dio izgaranja - izobarna ekspanzija 3-4 Adijabatska ekspanzija 4-1 Ispuh - izohora Zajedničko za Otto i Sabathe proces: toplina se odvodi tijekom izohore 508 4.4. Pretvorba potencijalne energije (vode) u mehaničku energiju (i obratno) 509
Pretvorba potencijalne energije vode u mehaničku Za određivanje potencijalne energije vodotoka nužno je poznavati količinu vode (masu) i visinsku razliku Ukupna količinu vode koja protiče vodotokom tijekom godine nazivamo srednjim protokom Q sr (m 3 /s) Energija vode u vodotoku sastoji se od energije tlaka, potencijalne i kinetičke energije koje se preko turbine pretvaraju u mehaničku energiju Snaga turbine: P = g Q sr H n η T Neto pad računa se prema: H n = H b H dr H gdje je: H b bruto visina vode, H dr visina donje vode i H gubici uslijed protoka vode (trenje između slojeva vode, trenje između vode i stijenki cjevovoda) 510 Gubici i stupanj korisnog djelovanja vodne turbine Ukupni gubici u turbini sastoje se od hidrauličnih gubitaka η h, gubitaka vode η v i mehaničkih gubitaka η m. Hidraulični gubitci u statoru i rotoru nastaju uslijed trenja i promjene brzine. Tada se može definirati hidraulični stupanj djelovanja turbine: H S + H R + H D + H I η h = 1 H H S gubici u statoru, H D gubici u difuzoru, H R gubici u rotoru, H i gubici u odvodnom kanalu, svi gubici su izraženi visinama Osim toga, postoje gubici vode koja uđe u stator ali ne prođe kroz rotor, već kroz raspor između statora i rotora. Ako kroz stator protječe količina vode (protok) Q, a pri tome nastaju gubitci Q za volumetrijski stupanj djelovanja može se pisati: N Q ηv =1 Q 511
Mehanički gubici nastaju uslijed otpora trenja u ležajevima i brtvama turbine, otpora ventilacije pri okretanju rotora i otpora vode koja se gubi između statora i rotora. Stoga uvijek vrijedi da je mehanički stupanj djelovanja < 1. Ukupni stupanj korisnog djelovanja turbine definira se kao: η = η η η T h v m 512 Ograničenja maksimalnog protoka vode kroz turbinu Turbina predaje mehaničku energiju generatoru pa broj okretaja turbine treba biti prilagođen broju okretaja generatora (projektirani sinkroni broj okretaja): Maksimalni protok vode kroz turbinu Q max određen je prolaskom vode uz maksimalno otvorene zasune prema turbini. Raste s povećanjem neto pada, jer raste brzina protjecanja vode. Ograničenje vezano uz maksimalnu snagu instaliranog generatora (da bi se spriječilo preopterećenje generatora): Q P η η G max max = g H n T G 60 f n S = p Zaključak: svaka turbina se gradi za određeni neto pad, tzv. konstrukcijski pad, odabran prema topografskom dijagramu tako da maksimalnoj snazi turbine odgovara upravo taj konstrukcijski pad, čime se postiže maksimalni stupanj djelovanja turbine. 513
Primjena turbina ovisno o konstrukcijskom padu 514 Pretvorba električne energije u potencijalnu energiju vode Za pretvorbu električne energije u potencijalnu energiju vode (crpne HE) koriste se centrifugalne crpke, i to: 1. Jednostrujne ili dvostrujne (dotok tekućine u rotor sa vodoravnom ili okomitom osovinom) 2. Jedno i višestupanjske (ovisno o broju rotora spojenih u seriju) Energetski odnosi kod crpki mogu se promatrati jednako (odnosno suprotno) kao energetski odnosi kod vodnih turbina. Teorijska snaga crpljenja potrebna da se 1 kg tekućine podigne na visinu H p (teorijska visina crpljenja) računa se kao: P = g H p Stvarna snaga crpljenja je nešto manja radi postojanja gubitaka (hidraulični, volumetrijski i mehanički), ali je uvijek veća od stvarne snage turbine. 515
Pogonska karakteristika crpke, tj. stvarna visina crpljenja, H može se prikazati izrazom: H = a 2 2 1 n + a2 n Q + a3 Q gdje su: a 1, a 2 i a 3 n konstante ovisne o dimenzijama crpke, broj okretaja Hidraulički stupanj djelovanja: η h = H/H p Volumetrijski stupanj djelovanja: η v = Q/(Q+ Q) ( Q volum. gubici) Mehanički stupanj djelovanja: η m = (P 0 - P m )/P 0 (P 0 snaga na osovini, P m mehanički gubici snage) 516 Ukupni stupanj korisnog djelovanja crpke: η C = η η η h v m Zbog različitih visina i stupnja djelovanja snaga crpke se razlikuje od snage turbine (u crpno-akumulacijskim HE): P C = g Q p H C 1 η C 1 >1 η C P T = g Q H η < 1 T n T η T Za optimalni pogon crpke i turbine vrijedi uvjet da je snaga crpke veća od snage turbine P C > P T! 517
4.5. Pretvorba mehaničke energije u električnu 518 Pretvorba mehaničke energije u električnu el. generatori Pretvorba električne energije u mehaničku el. motori Vidjeti predmete: Električni strojevi (I, II...) :-) 519
4.6. Neposredne pretvorbe oblika energije u električnu energiju 520 Neposredne pretvorbe oblika energije u električnu Sa pretvorbama energije u više etapa (unutrašnja toplinska mehanička - električna), u svakoj etapi nastaju gubici; postrojenja su veoma složena zahtjevi na skupo i teško održavanje, uz mali stupanj djelovanja. Neposredne pretvorbe u el. energiju slijedećih oblika energije: 1. Toplinske u električnu: termoelektrička, termoionska, magnetohidrodinamički generator 2. Sunčevog zračenja u električnu: fotonaponska pretvorba (fotoelektrični efekt) 3. Kemijske u električnu: gorivi elementi (ćelije) 4. Kombinacija fotoelektrične i kemijske u električnu: fotoelektrokemijska 521
Termoelektrična pretvorba Termoelektrična pretvorba međusobna ovisnost strujanja topline i električne struje. Može se opisati s tri efekta: 1. Seebeck-ov efekt (1821.): kada su krajevi dvaju međusobno spojenih različitih vodiča na različitim temperaturama pojavit će se električni napon 2. Peltier-ov efekt (1834.): kada kroz spojeve međusobno spojenih različitih vodiča protječe električna struja oni će izmjenjivati (preuzimati ili odavati) toplinu 3. Thomson-ov efekt (1857.): kada vodičem teče struja i temperatura uzduž njega opada ili raste on će preuzimati ili odavati toplinu, ovisno o smjeru struje Temeljni princip: postojanje kontaktnog napona između dva metala (različitih veličina izlaznog rada) u dodiru, odnosno prelazak slobodnih elektrona iz jednog u drugi metal ovisno o temperaturi 522 Prijelaz elektrona nije potpuno slobodan: moraju se savladati sile koje vuku elektrone prema unutrašnjosti (tzv. izlazni rad) Kontaktni napon je vrlo mali i uspostavlja se na kontaktnoj površini (dvije dodirne točke: točka A - mjerni topli spoj, temp. T 1 i točka B - referentni hladni spoj, temp. T 0 ) prema izrazu; U AB = k (T 1 T 0 ) gdje je: k - termoelektrični koeficijent Termoelektrični koeficijent: ovisan o materijalima termopara (bimetala), a nije ovisan o dimenzijama, označuje napon koji se uspostavi za razliku temperature od 1 K, na primjer: Konstantan - Fe Konstantan Cu Ni Fe Pt Platinarodij k = 5,2 10-5 V/K k = 4,1 10-5 V/K k = 3,2 10-5 V/K k = 0,6 10-5 V/K 523
Termionska pretvorba Jedna od najjednostavnijih pretvorbi, princip: pri zagrijavanju metala oslobađaju se elektroni. Kristalna rešetka sastoji se od iona koji privlače elektrone Coulombovom silom (rezultat: potencijalna energija). Na granici metala nastaje nagli porast potencijalne energije (na elektrone djeluje znatno veća privlačna sila koja ga sprečava da napusti metal). Zagrijavanjem materijala na 1000-2000 K (dovođenjem toplinske energije) velik broj elektrona napušta njihovu površinu, pa nastaje termoionska emisija (kod većine metala na oko 2000 K) Najjednostavniji termoionski pretvarač sastoji se od dvije metalne elektrode: emitera (anode) i kolektora (katode), spojenih preko otpornika. 524 Emiteru se dovodi topline i on vruć emitira elektrone koji struje prema kolektoru, a odatle preko otpornika R natrag u emiter. Da bi se iz emitera oslobodio elektron potrebno je dovesti energiju E (dio se troši za oslobađanje elektronaiz metala izlazni rad φ, a dio na kinet. en. elektrona) E = φ +1/2 m e v 2 Primjena: 1. Za provođenje struje kroz vakuumske (katodne) cijevi 2. Kao visokotemperaturni pretvornici s plazmom (novija tehnologija) sposobni da u vanjski strujni krug daju snagu 10 40 W/cm 2 (napon na stezaljkama oko 1 V, snaga nekoliko 100 W, stupanj djelovanja 0,15-0,20, problem: rok trajanja oko 1-2 godine) 525
Fotonaponska pretvorba Neposredna pretvorba Sunčeve energije u električnu (poglavlje 4.4.). Pojava fotoelektriciteta odnosno oslobađanja elektrona iz poluvodiča obasjanog svjetlošću (iz izvora svjetlosti izlaze fotoni). Energija fotona: E = h ν gdje je h Planckova konstanta 6.625 10-34 Js v frekvencija fotona (obrnuto proporcionalna valnoj duljini) Dva osnovna tipa uređaja: a) fotoćelije pasivan fotokemijski pretvarač jer je za gibanje oslobođenih elektrona potreban vanjski izvor energije (električna energija ovisi o intenzitetu Sunčevog zračenja), poglavlje 4.5. b) fotočlanak ili fotoelement konstrukcija: zaporni sloj između poluvodičke elektrode malog izlaznog rada (selen, germanij, silicij) i metalne podloge 526 Fotoelement: na metalnoj elektrodi skupljaju se elektroni negativni naboj, a na poluvodičkoj elektrodi pozitivni naboji pa nastaje razlika potencijala. U uporabi: bakar-oksid na bakru, selen na željezu i silicij na željezu. Stupanj djelovanja fotoelementa je vrlo nizak (11-14%). Maks. stupanj djelovanja fotonap. ćelije ograničen termodinamički: 1. Gubici zbog poluvodičkih svojstava ćelije 23% 2. Gubici energije fotona većih od zabranjenog pojasa 31% 3. Gubici zbog ograničenja napona na veličinu manju od E g /e,gdje je Eg donja granična energija, e jedinični naboj elektrona (kod Silicija: E g /e = 0.8V, gubici 12%) 4. Gubici iz dodatnih termodinam. razloga vezani uz omjer struje kratkog spoja i napona otvorenog kruga, tj. praznog hoda (za Silicij kod omjera 0.9 gubici su oko 3% Glavne zapreke (razlozi protiv) šire uporabe su dakle nizak stupanj djelovanja (maks. 0.33) i vrlo mali izlazni napon (do 0.7 V). 527
Gorivne (elektrokemijske) ćelije Gorivne ili elektrokemijske ćelije (gorivni elementi) su uređaji u kojima se kemijska energija neposredno pretvara u električnu, a sastoje se od dvaju elektroda uronjenih u isti elektrolit. U principu, goriva ćelija radi kao baterija. Za razliku od baterije, goriva ćelija se ne prazni, i ne treba ju nadopunjavati. Ona će proizvoditi energiju u obliku električne struje i topline dokle bude opskrbljena gorivom. Gorivo je kemijski element ili spoj visokog sadržaja unutarnje energije koje se dovodi na anodu gdje oksidira, a rezultat oksidacije je oslobađanje elektrona koji putem vanjskog strujnog kruga (vodiči i trošila) dolaze na katodu. Elektroni na katodi reduciraju drugi kemijski element ili spoj koji je oksidans u kemijskoj reakciji. 528 Princip rada gorivne (elektrokemijske) ćelije Primjer: vodik kao gorivo (dovodi se anodi), a kisik kao oksidacijsko sredstvo (katodi). Kemijska reakcija oksidacije: atom vodika postaje ioniziran i nosi pozitivni el. naboj. Negativno nabijeni elektroni prenose struju preko vodiča do trošila. Kisik ulazi u gorivu ćeliju na katodi i tamo se spaja sa elektronima koji se vraćaju iz strujnog kruga i vodikovim ionima koji su putovali kroz elektrolit od anode. 529
Elektrolit ima posebno važnu funkciju: Propušta samo određene ione, u protivnom raskid kemijske reakcije. Mogu biti tekući ili čvrsti. Tekući elektroliti su tekućine koje otapaju ionske kristale ili rastopljive soli. Najvažniji su čvrsti elektrolitski ionski izmjenjivači, a to su membrane od polimera s aktivnim skupinama SO 3 H, COOH, OH i NH 2 dopirani dodatkom metala ili membrane od nikal-borida i bor-nitrida. Elektrode tehnološki najzahtjevnije: Metali ili materijali s poluvodičkim svojstvima čija površina potpomaže (katalizira) kemijske reakcije. Moraju imati dobra mehanička svojstva, visoku specifičnu površinu i poroznost, i pri tome zadržati dobru otpornost na korozivno djelovanje elektrolita i spojeva koji nastaju kao rezultat reakcije (npr. vodena para). Neki od materijala od kojih se izrađuju elektrode su platina, paladij, radij, rutenij, itd. 530 Vodikova goriva ćelija je napona samo oko 1 V. Da bi dobili veću snagu, stotine ovakvih sklopova anoda-membrana-katoda se slažu jedna do druge tako da čine više gorivih ćelija u jednoj. Do sada najveće projektrirane jedinice su snage do nekoliko MW (vrlo malo u odnosu na klasične TE s neposrednim izgaranjem goriva). 531
Teorijski stupanj djelovanja iznosi 99.75%,ali u praksi je nešto manji 60-80% (ne pojavljuju se oganičenja Carnotovog procesa, pa je djelotvornost pretvorbe znatno veća nego pri izgaranju goriva). Stupanj djelovanja veći osobito pri nižim temperaturama (tehnički prihvatljivije!) 532 Zbog male pojedinačne snage spoja anoda-membrana - katoda u komercijalnoj primjeni (serijska proizvodnja) su gorivi elementi snage oko nekoliko stotina kw (obično oko 200 kw). Primjena: škole, hoteli, stambeni blokovi, automobili, brodovi i sl. 533
Fotoelektrokemijska pretvorba Vrsta izravne pretvorbe solarne energije zračenja u istom pretvaraču i u električnu i u kemijsku energiju proizvodnjom goriva. Princip: elektrolitski uređaji u kojima se konv. izvori energije za kemijsku razgradnju elektrolita zamjenjeni solarnom energijom. Početna točka pretvorbe: fotoanoda (poluvodič N-tipa) gdje se energija sunčevog zračenja pretvara u električnu. Nastale šupljine (nosioci pozitivnih naboja) prelaze u elektrolit, a elektroni ostaju u vanjskim slojevima polova. Ovdje elektrolit ima svojstva P-tipa poluvodiča. Za proces elektrolize u fotoelektrokemijskoj pretvorbi potreban je minimalni napon od 1.23 V (za H 2 O), a maksimalni napon koji se može postići ovisi o tipu obasjanog poluvodiča. U sustavima s jednom fotodiodom najdjelotvorniji su poluvodiči sa izlaznim radom oko 1.4 ev, čiji je teorijski stupanj djelovanja 30%. U praksi st. djelovanja oko 12% (ćelije s monokristalom Ga-As N-tipa, za P-tip istog poluvodiča je oko 11.5% uz znatno stabilniju ćeliju) 534 4.7. Energetska bilanca 535
Energetska bilanca: statistika posebnog oblika kojim se prate tokovi energije od njezine pojave u energetskoj privredi promatranog područja do predaje neposrednim potrošačima. Tokovi svih oblika energije: 1. Prirodni oblici energije 2. Energetske pretvorbe 3. Uvoz-izvoz različitih oblika energije 4. Vlastita potrošnja 5. Gubici energije u transportu i distribuciji 6. Opskrba neposrednih potrošača. Energetska bilanca se izražava u apsolutnim jedinicama karakterističnim za pojedine oblike energije i u zajedničkoj jedinici J (ili za električnu energiju Wh). Preračunavanje se ostvaruje umnoškom količine goriva i ogrijevne vrijednosti (moći) pojedinih oblika energije. 536 Osnovna shema toka oblika energije energetska bilanca 537
Elektroenergetska bilanca HR 2003. - tokovi energije 538 Raspoloživa snaga proizvodnih kapaciteta (MW) u HR 539
Proizvodnja i uvoz električne energije u HR 2001.-2003. 540 Plinski sustav u HR 2003. 541
Plinska polja u proizvodnji 542 Energetska bilanca plina u HR 2003. - tokovi energije 543
Naftni sustav u HR 2003. 544 Potrošnja primarne energije u HR (2000. 2003.) 545
Uvoz i izvoz energije HR 546