H I D R O E N E R G I J A m a l e H E

H I D R O E N E R G I J A m a l e H E Doc.dr.sc. Zdenko Šimić Fakultet elektrotehnike i računarstva Zagreb, Zavod za visoki napon i energetiku zdenko.simic@fer.hr

Sa d r ža j U v od Pot r eba za m H E i st a n je k or išt en ja Sn a ga i en er gija Hidrološka svojstva - vjerojatnosna krivulja protoka Turbine E k on om ija U t jeca j n a ok ol iš Z a k lju čn o MHE u HR Slikom kroz MHE

U v od M a l e H E im a ju p u n o za jed n ičk og sa v elik im H E Počet a k k or išt en ja M H E 1883 o Sj. Irska 2 turbine ukupno skoro 40 kw uz pad od 10 m i o Brazil 2 generatora ukupno 12 kw uz pad od 5 m

O bn ov l jiv i k a p a cit et i bez v elik ih H E

Pot r eba za M H E i k or išt en je ( 2004) H E sa 720 G W osigu r a v a 17 % el ek t r ičn e en er gije sv ijet a -> n a jv a žn iji O I! M H E im a ok o 61 G W i on e d op r in ose 1-2% -> u sp or ed iv o sa ost a lim " n ov im " O I E U im a in st a l ir a n o ok o 13 G W M H E

M H E u E u r op i ( 3) 2004. E U -25 im a sa sk or o 17000 M H E in st a lir a n o 11 G W o Italija 21%, Francuska 17% i Španjolska 16% Sm a t r a se d a je u E U -15 isk or išt en o p r ek o 65% ek on om ičn ih p ot en cija l a M H E o oko 20 TW h/god. u E U-15 i o oko 27 TW h/god u novim članicama

Sn a ga m a le H E P = η ρ g Q H η ukupna efikasnost 70-80% za male HE ρ gustoća vode (1000 kg/m 3 ) Primjer: Potrebna snaga: ~5 kw P = 9,81*H*Q*η [kw] (η = 50%) potreban produkt Q H ~ 1 g akceleracija gravitacije (9.81 m/s 2 ) Q protok (m 3 /s) H neto pad (m) uključuje gubitke

H id r ol ošk a sv ojst v a k oličin a v od e k oja p r it ječe u v od ot ok e d ef in ir a se k a o: voda u promatranom vodotoku faktor otjecanja = oborinsko područje količina padavina f a k t or ot jeca n ja id e i d o 0,95 m ogu ćn ost p r et v or be en er gije p oloža ja v od e ov isi o p ozn a v a n ju k oličin e v od e u v od ot ok u p o izn osu i v r em en u ( H =f ( Q ) k on sm u p cion a Kretanje protoka za jedan vodotok na jednom mjestu u nekoj godini

Pa d a lin e k r oz god in u d iljem sv ijet a

V a r ija biln ost p a d a l in a k r oz god in u

V a r ija biln ost p r ot ok a k r oz godin u Srednji protok na raznim lokacijama rijeke Neckar za jednu godinu Srednji mjesečni protok na raznim lokacijama u Austriji

V a r ija biln ost p r ot ok a k r oz god in u Srednji mjesečni višegodišnji protok za Rockenau/Neckar i Maxau/Rhine

K r iv u l ja p r ot ok a i k r iv u lja t r a ja n ja p r ot ok a ( 1) Q T =f(t) - krivulja trajanja protoka Q [m 3 /s] Q max A+B A Q=f(t) - krivulja protoka B Q min t [mjeseci] 6 12

V el i či n a i z g r a d n j e - Q i m a k si m a l n i p r o t o k k o j i m o ž e H E p r o p u st i t i k r o z p o st r o j en j e iskoristivi volumen Q [m3/s] vode Vi Qmax Qi Vi = Qi - veličina izgradnje tdq 0 srednji iskoristivi protok Vi Vi Qsi = = t o 3154. 106 Vi - stupanj iskorištenja V Ag vode d Q t Qmin to t

Pr im jer za m a l u H E H n = 3.0 m (ukupni 3.4m) Q sr = 4.8 m 3 /s η = 75% (pretpostavljeno) Za malu HE s turbinom instaliranog protoka 3.8 m 3 /s daje snagu od 85 kw Primjer za srednji dnevni protok

O d p r ot ok a d o en er gije Krivulja trajanja protoka Efikasnost turbine Krivulja opterećenja Snaga HE Krivulja trajanja snage Količina i raspoloživost energije Ukupno isporučena električna energija u mrežu Ukupno iskorištena energija u otočnom radu

I st r a živ a n je p ot en cija l n ih l ok a cija za m a le H E Mjerenje protoka tijekom godina Određivanje krivulje trajanja protoka Ispitivanje izvedivosti i cijene projekta Hidrologija, ekologija, prostorni planovi, utecaj na kulturnu baštinu i život... Princip diskvalificiranja lokacije uz minimiziranje ulaganja 17

U sp o r ed b a t u r b i n a Područje rada turbina: Pelton Francis Kaplan

Padovi, protoci i turbine za male HE s raznim turbinama U sp or ed ba t u r bin a

Pr im jer i za m ik r o i m a lu H E Pa d 2.5 m i p r ot ok 2 m 3 /s F r a n cis t u r bin a A sin h r on i gen er a t or 42 k W G od išn ja en er gija 100 M W h F a k t or op t er ećen ja 0.27 Pa d 55 m i p r ot ok 1.2 m 3 /s ( ba r em 9 m jeseci) F r a n cis t u r bin a A sin h r on i gen er a t or 2 x 245 k W G od išn ja en er gija 1750 M W h Sp ecif ičn e in v est icije 1050 /k W

T u r bin e za m a l i p r ot ok J ed n ost a v n i p r op eler - m a la cijen a, m a la isk or ist iv ost Pop r ečn i p r ot ok - sr ed n ja cijen a, v el ik a isk or ist iv ost K a p la n - v eča cijen a, op t im a l n a isk or ist iv ost

K r iv u l j a sn a ge K a p l a n

Pr ocjen a sn a ge za p r ed v iđen i p r ot ok Assessmet Methods for Small-hydro Projects, IEA Technical Report, 2000.

H id r oel ek t r a n e ( H E ) - op is H E su p ost r ojen ja u k ojim a se en er gija p oloža ja v od e p r et v a r a u elek t r ičn u en er giju H E se sa st oji od objek a t a i d ijelov a k oji slu že za : o skupljanje vode, o odvođenje vode, o pretvorbu energije položaja vode u mehaničku energiju, o pretvorbu mehaničke u električnu energiju, o transformaciju električne energije i o razvod električke energije

H id r oel ek t r a n e - d ijel ov i br a n a ili p r egr a d a za h v a t v od e d ov od v od e v od n a k om or a, v od ost a n t l a čn i cjev ov od, k a n a l st r oja r n ica od v od v od e

K a r a k t er ist ik e i za h t jev i m a l ih H E Buckfast Abbey, Devon, UK Ključni faktori ekonomičnosti malih HE: o o o o o Veliki inicijalni troškovi Dugi životni vijek Velika pouzdanost i raspoloživost Mali troškovi pogona o Autonomni pogon Rad bez goriva 1. I d ejn o r ješen je 2. U v jet i u r eđen ja p r ost or a 3. G r a đev in sk a d ozv ola 4. U gov or o n a jm u 5. U p or a bn a d ozv ol a 6. U gov or o isp or u ci el. en er gije o Mali utjecaj na okoliš!?

E k on om ija Tipično: 1500-4500/kW Cijena investicije, cijena el. en. i isplativost Pretpostavke: o 10% diskontna stopa kroz 15 godina o O&M do 4% investicije o Faktor opterećenja 60% o Prema tome investicija od 165,000 (2000 /kw) bila bi isplativa uz 4.25 p/kwh

G od išn ja en er gija i n ov a c Podatci za primjer male HE Pretpostavke: o P Maks. = 85 kw o Q i = 3.85 m 3 /s o Rezervni protok = 0.5 m 3 /s o Cijena 4.25 p/kwh

C ijen a, p a d i v eličin a M H E

N ov i p r ist u p i i r ješen ja - bu šen je Usmjereno bušenje pojednostavljuje izgradnju malih HE

U t jeca j n a ok oliš

O d lik e m a lih h idr oelek t r a n a K a o i k od v el ik ih h idr oel ek t r a n a : Smanjivanje potrošnje fosilnih goriva Zaštita od poplava Navodnjavanje Sigu r n ost i p ou zd a n ost op sk r be en er gijom N a p a ja n je el. en. u d a l jen ih lok a cija N est a l n ost p r ot ok a varijacije toka i male akumulacije Sin k r on i i a sin k r on i gen er a t or i mogućnost samostalnog (otočnog) pogona

Pozicija male HE u EES U t jeca j M H E ov isi o st a n ju m r eže n a m jest u p r ik l ju čk a M r eža je d im en zion ir a n a za r a d ija ln o n a p a ja n je M H E su p r ik l a d n e za napajanje velikog broja ruralnih mreža s malom potrošnjom: npr. 20 MW h/km 2 u Lici prema 200 MW h/km 2 prosječno u HR popravljanje loših naponskih prilika na krajevima mreže povećavanje raspoloživosti el. en. u otočnom radu U t jeca j n a gu bit k e, t ok ov e sn a ga, n a p on sk e p r ilik e, p ou zd a n ost ( m ogu ća p ot r ebn a p oja ča n ja m r eže) Pov eća v a n je izobl ičen ja n a p on a zbog p oja v e v iših h a r m on ik a t e n est a biln ost i n a p on a Pot r ebn a p r om jen a d im en zion ir a n ja za št it e Pr oizv od n ja el. en. iz m a l ih H E izr a zit o je v a r ija biln a

Z a k lju čn o M a le H E n e m ogu d a t i v elik i d op r in os p r oizv od n ji el. en., a li n isu za n em a r iv e p r em a ost a lim O I Pod r šk a i in v est ir a n je u m a le H E im a v išest r u k e d u gor očn e k or ist i globalno zatopljenje, sigurnost opskrbe energijom i ekonomija K on st r u k cija i ek on om ičn ost je v r lo sp ecif ičn a za sv a k u lok a ciju mala akumulacija i jednostavnija hidrologija M a li n ega t iv n i u t jeca j n a ok oliš ( m a la a k u m u la cija )

Sl a jd ov i k oji n isu st a l i u p r ezen t a ciju, a za n im l jiv i su. D O D A T N O

M H E u E u r op i ( 2)

Sn a ga i en er gija H E W = dw dt mgh [ J] dm = P = g h = m dt P P = V ρ g h = Q ρ = ٩.٨١ ١٠ ٣ Q h g h g [ W] [W ] volumni protok [m 3 /s] h maseni protok [kg/s] Q = A c Snaga HE P=9,81 Q si h [kw] Vjerojatna energija W=8760 P [kwh]

B er n ou llijev a jed n a d žba p ρ + gh + ١ ٢ c ٢ + w r = w٠ = konst. p spec. energija tlaka ρ ( w - trenje strujanja ) r gh spec. energija pol. (energija pol. ) ١ c ٢ w r ٢ spec. kinetička energija spec. gubici energije Uobičajeni način pisanja jednadžbe strujanja u hidromehanici: p ρ g + h + ١ c ٢ + h konst r =. ٢g [ m] visina tlaka geodetska visina visina brzine visina gubitaka

Stanje korištenja malih HE u HR Z a n em a r a n e p ojed n ost a v ljen im v r ed n ov a n jem p r ek o m a l e sn a ge/en er gije I sk u st v o i za k on sk a r egu la t iv a ozbiljn a p r ep r ek a R el a t iv n o p r em a t r en d ov im a ( Sl ov en ija, A u st r ija,...) v r l o sl a bo isk or išt en p ot en cija l m a l ih H E U vlasništvu HEP-a: 20 (8) objekata 37 (19) agregata 68,265 (47,81) MW

Male hidroelektrane u HR D ef in icija : in st a l ir a n a sn a ga d o 5 ( 10) M W Pr ost or n a d isp er zir a n ost M a li p a d ov i u n ep r ist u p a čn im i sla bo n a sel jen im p odr u čjim a T eh n ičk i isk or ist iv i en er get sk i p ot en cija l ~180 M W

12 objekata 22 agregata 4,9 MW Privatne male hidroelektrane u pogonu R ošk i Sla p 2x 886 k W, 6 G W h F in v est 1 4x 315 k W, 3,6 G W h F in v est 2 30 k W, 0,14 G W h

Bregana (٧) Čabranka (١٠) Slapnica (٦) Kupica (٢) Kupčina (٧) Čučkov jarak (١) Mirna (٢) Vitunjčica (٣) Brzaja (٤) Orljava (٩) Pilot projekti malih HE Zrmanja Vrelo (١) Butišnica (٢) Krupa (٥) Rumin Mali (١) Ovrlja (١) Rumin Veliki (٢) Ruda (٣) Jadro (٢) Cetina (٢) Pantan (١) Žrnovnica (٤) * Preuzeto od dr.sc. H. Bašić Ljuta (٢)

Male hidroelektrane u HR- potencijal Instalirana snage (MW) Broj poteza Broj poteza (%) Instal. snaga (MW) Instal. snaga (%) 5-1,5 20 3 50 29 1,5-1,0 17 2 22 12 1,0-0,5 42 6 29 16 0,5-0,1 296 42 56 31 Manje od 0,1 324 47 21 12 UKUPNO 699 100 177 100

Slik om k r oz m a lu H E Zahvat vode zgrada, slika sa 1600 m n.v. Izvor: A. Ajanović, Intrade energija d.o.o., Sarajevo

Zahvat vode - završen

Cijevi Materijali: - čelik, - drugi materijali. Gradnja: - nadzemno, - podzemno. Zahvat vode - zamrznut

Instaliranje GRP cijevi GRP cijevi- utvrđivanje materijala oko cijevi Čelična cijev u kanalu Spajanje varenjem

Francis turbina Reguliranje ulaza vode Instaliranje turbine

Radno kolo Ulaz u turbinu sa zaobilaskom

Pelton turbina Lopatice u obliku žlice Radno kolo na osovini

Mehanizam za reguliranje vode na ulazu u turbinu

Instaliranje turbine u strojarnici Instaliranje regulatora ispred turbine

Generator Instaliranje generatora u strojarnici

Regulator turbine Nadzor i mjerenje Energetski transfomator ispred strojarnice