View
247
Download
2
Category
Preview:
Citation preview
1
OPĆA ENERGETIKA 1
Doc. dr. sc. Ranko Goić, dipl. ing. el.šk.god. 2006/2007
OPĆA ENERGETIKA
Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje SplitZavod za elektroenergetikuKatedra za električne mreže i postrojenja
OPĆA ENERGETIKA 2
Sadržaj predmeta
• Izvori i oblici energije• Primarni, transformirani i korisni oblici energije• Rezerve, vrste, osnovne karakteristike i pretvorbe neobnovljivih izvora energije• Vrste, osnovne karakteristike i pretvorbe obnovljivih izvora energije• Energetske bilance• Energetika i okoliš• Cijene i raspoloživost energenata• Energetska efikasnost i racionalno korištenje energije• Umreženi energetski sustavi (el. energija, prirodni plin i centralizirani toplinski sustavi)• Principi tarifnih sustava u energetici• Planiranje i gospodarenje u energetici (?)• Zakonska regulativa (?)
2
OPĆA ENERGETIKA 3
Literatura
PREDAVANJA NA INTERNETU:www.fesb.hr/~rgoic/oe/oe.html
B. Udovičić: Osnove energetike, ŠK Zagreb, 1991.B. Udovičić: Energija, društvo i okolina I, II, IV, Građevinska knjiga Beograd, 1988 H. Požar: Osnove energetike I, II, III, ŠK Zagreb, 1976.V. Paar: Energetska kriza: gdje (ni)je izlaz, Građevinska knjiga Zagreb, 1984. (?)
OPĆA ENERGETIKA 4
Snaga & energija
Energija je: - sposobnost vršenja rada na račun dovedene energije, ili- akumulirani rad ili sposobnost sustava da kroz odrđene procese obavi rad ili preda
toplinu
α⋅⋅=⋅= cosdsFdsFdW
Snaga: brzina korištenja energije ili transformacije jednog oblika energije u drugi
dtdWP =
Osnovne SI jedinice:Energija:
Snaga:
)smkg(mNJ 22 −⋅=
)smkg(sJW 321 −−⋅=
∫ ⋅= 2
1
t
tdt)t(PW
3
OPĆA ENERGETIKA 5
Ostale jedinice za energiju
Btu (British thermal unit): 1 Btu = 1055,06 J, 1 kWh = 3412 Btu
OPĆA ENERGETIKA 6
Ostale jedinice za snagu
4
OPĆA ENERGETIKA 7
Primjer 1: Koliko dnevno kWh pojedemo ako jedemo samo Milka čokolade za podmirenje energetskih potreba ?
Rješenje:• 1 milka od 100 g sadrži 505 kcal energetske vrijednosti• prosječno nam treba oko 2000 kcal energije dnevno
__________________________________________• 2000/505 = približno 4 čokolade• Iz tablica konverzije: 1 kWh = 859,8 kcal• 2000 kcal = 2000/859,8 kWh = 2,33 kWh____________________________________• Usporedba: toliko nam otprilike treba za 1 sat grijanja prostorije od 20m2
OPĆA ENERGETIKA 8
Primjer2 : a) Koliko treba litara vode iz akumulacije Peruča da bi se proizveo 1 kWh električne energije u nizvodnim elektranamab) koliko kuna ima u punoj akumulaciji Peručac) Koliki je energetski ekvivalent pune akumulacije Peruča preračunat u Milka čokolade
Potrebni ulazni podaci:- iz pune akumulacije Peruča (potencijalna energija vode) može se proizvesti 400 GWh električne energije- puna akumlacija Peruča sadrži 541x106m2 vode = 541x109 l vode- prosječna cijena proizvodnje električne energije je 0,3 kn/kWh
Rješenje:a) - 400 GWh = 400x106 kWh (u akumulaciji)
- 541x109 l / 400x106 kWh = 1353 l/kWh = 1,353 m3/kWhb) - ako je cijena proizvedene el. en. 0,3 kn/kWh to znači da 1353 l vode u Peruči vrijedi 0,3 kn,
a vrijednost pune akumulacije je 541x109 (l) x 0,3 (kn/kWh) / 1353 (l/kWh) ~ 120.000.000 knc) - 400 GWh = 400x106 kWh (u akumulaciji)
- 1 Milka 505 kcal/1čokolada = 505 (kcal/1čokolada )/859,8 (kWh/kcal) = 0,59 kWh/1čokolada- 400x106 (kWh)/ 0,59 (kWh/1čokolada)= 678x106 čokolada u Peruči
5
OPĆA ENERGETIKA 9
Pojavni oblici energijeDva osnovna oblika:
A) NAGOMILANIB) PRIJELAZNI – javlja se u slučajevima kad nagomilani oblik energije prelazi iz
jednog oblika u drugi (energetske transformacije)
ENERGIJA
NAGOMILANA PRIJELAZNA
UNUTRAŠNJAPOTENCIJALNAKINETIČKA
KEMIJSKATERMIČKA NUKLEARNA ZRAČENJE
OPĆA ENERGETIKA 10
Energetske pretvorbe
1 energija dovedenagubicienergijavedenado energija dovedena
energija bivenado <−==η
Stupanj djelovanja pretvorbi:
PRIMARNI OBLICI ENERGIJE
KORISNI OBLICI ENERGIJE
PRETVORBENI OBLICI ENERGIJE
6
OPĆA ENERGETIKA 11
Primarni oblici energijesu oni oblici koji se nalaze ili pojavljuju u prirodi (nekada se zovu i prirodni oblici energije).Obično se dijele prema slijedećim kriterijima:
A) Obnovljivost:
1. Neobnovljivi izvori energije – nafta, ugljen, zemni plin, uljni škriljci, nuklearna goriva, Zemljina unutrašnja toplina
2. Obnovljivi izvori energije – drvo i otpaci, biomasa, bioplin, vodne snage, energija vjetra, energija plime i oseke, energija morskih struja i valova, toplina mora, energija Sunčeva zračenja
Napomena:Bliska podjela prema kriteriju obnovljivosti je podjela na tzv. konvencionalne i nekonvencionalne oblike energije, te podjela na klasične i alternativne oblike energije.Ove podjele uglavnom odgovaraju podjeli na neobnovljive i obnovljive (eventualno s izuzetkom energije vodnih snaga)
OPĆA ENERGETIKA 12
B) Tehno-ekonomskim mogućnostima iskorištavanja:
1. Izvori energije za koje nije tehnički rješen način iskorištavanja – unutrašnja toplina Zemlje (dio koji ne izlazi na površinu u obliku vrućih izvora), fuzija, morske struje i valovi
2. Izvori energije za koje je tehnički rješen način iskorištavanja, ali nije ekonomski isplativo – uljni škriljci, toplina mora, Sunčevo zračenje, vjetar, plima i oseka.
3. Izvori energije za koje je tehnički rješen način iskorištavanja, uz ekonomsku isplativost – ugljen, nafta, plin, drvo i otpaci, biomasa, bioplin, fizija, vrući izvori, vodne snage
Napomena:Navedena podjela između 2. i 3. grupe nije uvjek točna, ovisno o lokaciji izvora energije, njihovim karakteristikama, količini, blizini potrošača i sl.Naime, vrlo često se događa da energenti 3. grupe nisu isplativi, ali ima i slučajeva kad su neki iz 2. grupe ipak isplativi.
Npr. - ako na nalazištu nekog goriva (plin, ugljen, nafta) nema velikih količina ili je daleko od mjesta upotrebe.- iskorištavanje energije sunca i energije vjetra na pogodnim lokacijama može biti isplativo
7
OPĆA ENERGETIKA 13
C) Prema fizikalnim svojstvima, primarni oblici energije mogu se podijeliti na nosioce:
1. Kemijske energije – drvo i otpaci, ugljen, sirova nafta, zemni plin, uljni škriljci, biomasa, bioplin
2. Nuklearne energije – nuklearna goriva
3. Potencijalne energije – vodne snage, plima i oseka
4. Kinetičke energije – vjetar, energija morskih struja i valova
5. Toplinske energije – geotermička, toplinska energija mora
6. Energije zračenja – Sunčevo zračenje
OPĆA ENERGETIKA 14
Primjer: ukupna svjetska potrošnja primarnih oblika energije (Izvor: International EnergyOutlook, 2002).
8
OPĆA ENERGETIKA 15
Pretvorbeni oblici energijesu oni oblici koji se određenom energetskom transformacijom dobiju iz primarnih oblika, ali se u takvom obliku ne koriste, već se dalje pretvaraju u korisne oblike energije.Jasno, postoji i varijanta direktne pretvorbe primarnih oblika energije u korisne oblike.
Najčešći oblici pretvorbe primarnih oblika energije u pretvorbene:
1. Isplinjavanje – pretvorba ugljena kojoj je glavni krajnji produkt koks
2. Rasplinjavanje – pretvorba ugljena u plinove
3. Izgaranje – pretvorba kemijske energije u toplinsku energiju
4. Destilacija – pretvorba sirove nafte u derivate
5. Degazolinaža – odvajanje lakih od teških ugljikovodika (prerada naftnog plina)
6. Nuklearne reakcije – pretvorba nuklearne energije u unutrašnju (toplinsku) energiju
7. Turbinske pretvorbe – pretvorbe potencijalne i kinetičke energije u mehanički energiju
8. Zračenje – pretvorba sunčevog isijavanja u toplinsku ili električnu energiju
OPĆA ENERGETIKA 16
Korisni oblici energijesu oni oblici koje koriste potrošači za neposrednu primjenu.
Dijele se na :
1. Toplinsku energiju (osigurava se parom i vrelom vodom, izgranjem u ložištima i električnom energijom)
2. Mehaničku energiju (osigurava se električnom energijom, toplinskom energijom, potencijalnom i kinetičkom energijom)
3. Kemijsku energiju (osigurava se električnom enrgijom, koksom itd.)
4. Energiju za rasvjetu i napajanje elektroničkih uređaja
9
OPĆA ENERGETIKA 17
Neobnovljivi izvori energije
Fosilna goriva1. Ugljen
2. Nafta
3. Zemni plin
4. Nuklearna goriva
5. Uljni škriljci
6. Zemljina unutrašnja toplina
Rezerve neobnovljivih izvora energije1. Iskoristive rezerve – rezerve koje se mogu iskorištavati uz današnje ekonomske i
tehničke uvjete
2. Poznate rezerve – rezerve za koje se može pretpostaviti da se nalaze u zemljinoj kori, a utvrđuju se na osnovu kvaliteta i debljina slojeva
3. Ukupne (geološke) rezerve – se procjenjuju na osnovu poznavanja geoloških uvjeta i sličnosti s poznatim nalazištima
OPĆA ENERGETIKA 18
Rezerve ugljena (sve vrste)
Ukupne rezerve: 984*109 t Potrošnja (1999): 4,4*109 t
0
50
100
150
200
250
Potro
šnja
(199
9)
Oce
anija
i N
. Zel
and
Ost
atak
Afri
ke
Kana
da, M
eksi
ko
Ost
atak
Azi
je
Južn
a Am
erik
a
Kaz
ahst
an
Južn
a Af
rika
Nje
mač
ka
Aust
ralij
a
Indi
ja
Ost
atak
Evr
ope
Kina
Rus
ija
USA
milj
ardi
tona
Ukupne rezerve Hrvatska (?): 39*106 t Potrošnja Hrvatska (1999): 0,37*106 t
10
OPĆA ENERGETIKA 19
Rezerve sirove nafte i NGL-a
Ukupne rezerve: 141*109 t Potrošnja (1999): 3,5*109 t
0
510
15
20
2530
35
40
Pot
rošn
ja (1
999)
Uku
pno
Oce
anija
Ost
atak
Sje
vern
a A
mer
ika
Ost
atak
Juž
na A
mer
ika
Bra
zil
Alž
ir
Ost
atak
Evr
ope
Nor
vešk
a
Ost
atak
Afri
ke
Ost
atak
Blis
ki Is
tok
Nig
erija
Ost
atak
Azi
je
US
A
Mek
siko
Libi
ja
Kin
a
Rus
ija
Ven
ecue
la
Iran
UA
E
Kuv
ajt
Irak
S. A
rabi
ja
milj
ardi
tona
Ukupne rezerve Hrvatska (?): 0,011*109 t Potrošnja Hrvatska (1999): 0,0052*109 t
OPĆA ENERGETIKA 20
Rezerve prirodnog plina
Ukupne rezerve: 151.502*109 m3 Potrošnja (1999): 2.388*109 m3
05000
100001500020000250003000035000400004500050000
Pot
rošn
ja (1
999)
Oce
anija
Ost
atak
Juž
na A
mer
ika
Indo
nezi
ja
Mal
ezija
Turk
men
ista
n
Irak
Ost
atak
Blis
ki Is
tok
Ost
atak
Sje
vern
a A
mer
ika
Ost
atak
Afri
ke
Nig
erija
Vene
cuel
a
Alž
ir
USA
S. A
rabi
ja
Ost
atak
Evr
opa
UA
R
Ost
atak
Azi
ja
Kat
ar
Iran
Rus
ija
milj
ardi
kub
nih
met
ara
Ukupne rezerve Hrvatska (?): 34*109 m3 Potrošnja Hrvatska (1999): 2,7*109 m3
11
OPĆA ENERGETIKA 21
Procjena trajanja neobnovljivih izvora energije
Udio fosilnih goriva u ukupnim zalihama:
Ugljen – 65%
Nafta – 19%
Plin – 16%
Procjena trajanja:
Smeđi ugljen – 513 g.
Kameni ugljen – 151 g.
Nafta – 44 g.
Plin – 66 g.
Uran – 40 g.
Napomene:
- ove procjene su uvijek vrlo nepouzdane
- najveća je nepoznanica koliko ima neutvrđenih rezervi
- npr. prije 30-tak godina se računalo s otprilike istim rezervama nafte kao i danas
- problem je i s procjenama razvoja novih tehnologija
- npr. prije 30-tak godina se predviđalo da će se za 30 godina tehnološki riješiti način iskorištavanja energije fuzije (danas samo optimisti vjeruju da će se riješiti prije 30 godina)
OPĆA ENERGETIKA 22
UgljenOsnovne karakteristike:
Ogrijevna moć (gornja): količina topline koja se oslobodi izgranjem 1 kg ugljena uz uvjet da se produkti izgranja ohlade do temperature koju su gorivo i zrak imali prije izgaranja, pri čemu se pretpostavlja da se sva vodena para kondenzirala.
Jedinica: MJ/kgKoličina sumpora (i ostalih kemijskih elemenata i spojeva)Količina hlapljivih sastojakaKoličina ugljikaKoličina pepela
Osnovne vrste ugljena:
Kameni ugljen i antracit: ogrijevna moć > 23,7 MJ/kg (ili 29,3 ovisno o klasifikaciji), maximalno do ~ 38 MJ/kg
Mrki ugljen: 12,56 MJ/kg < ogrijevna moć < 23,7 MJ/kg (ili 29,3)Lignit: ogrijevna moć < 12,56 MJ/kg, minimalno do ~ 7,5 MJ/kg(treset – ogrijevna moć 6,3-8,4 MJ/kg)(drvo – ogrijevna moć ~15 MJ/kg)
12
OPĆA ENERGETIKA 23
Način pridobivanja:
Jamska ili podzemna eksploatacijaPovršinska eksploatacija
- način iskorištavanja ugljena ovisi prvenstveno o karakteristikama nalazišta (količina, debljinasloja, količina jalovine i dubina nalazišta), te kvaliteti ugljena, tj. o ukupnoj ekonomičnosti
- za ugljen lošije kvalitete (manje ogrijevne moći) najčešće se ne isplati podzemna eksploatacija bez obzira na utvrđenu količinu- podzemnu eksploataciju otežavaju prvenstveno plinovi (metan)
Cijene ugljena:
a) Niže su u odnosu na druge energente (ukoliko se uspoređuje za primjenu u kojoj su moguće različite vrste goriva). Za proizvodnju električne energije se uspoređuje cijena promatranog
goriva u odnosu na količinu dobivene toplinske energije u termoelektrani ($/GJ). Npr. 4 $/GJ za prirodni plin
1,7 $/GJ za kameni ugljen0,26 $/GJ za nuklearno gorivo
b) Stabilnije su u odnosu na cijene nafte i prirodnog plina, prvenstveno zbog veće disperzije proizvođača
OPĆA ENERGETIKA 24
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1970
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
$/10
6 Btu
Ugljen
Prirodni plinNaftaNuklearna goriva
Usporedba cijena
13
OPĆA ENERGETIKA 25
Nafta i zemni plin
OPĆA ENERGETIKA 26
• Sirova nafta i zemni plin su smjese različitih ugljikovodika, s primjesama dušika, kisika, sumpora i ostalih kemijskih elemenata.
• Glavni sastavni dio nafte su naftenski ugljikovodici (cikloparafini), te u manjim količinama parafinski ugljikovodici (alkani) i aromatski ugljikovodici.
• U nalazištima nafte redovito se pojavljuje i zemni plin.• Nafta se vadi pomoću bušotina koje mogu biti na kopnu i moru, a ostvaruje se na tri
načina:- prirodnom erupcijom,- pomoću dubinskih crpki- podizanjem plinom (utiskivanjem plina smanjuje se gustoća nafte a onda i tlak, što omogućava djelovanje kao kod eruptivnog nalazišta)
• Do postrojenja za preradu (rafinerija), nafta se dovodi:- naftovodima- brodskim i željezničkim prijevozom
• Osnovni derivati nafte su: rafinerijski plin, ukapljeni plin, benzini, petrolej, plinska ulja, loživa ulja i neenergetski produkti (maziva, motorna ulja, kruti produkti).
• Tekuća goriva – produkti destilacije nafte imaju brojne tehnološke prednosti u odnosu na kruta goriva (npr. ugljen): veća toplinska vrijednost, bolje miješanje sa zrakom i potpunije izgaranje, sadrže manje pepela i vode, itd.)
14
OPĆA ENERGETIKA 27
• Zemni plin sastoji se od metana, etana, propana, butana, manjim dijelom pentana, heksana i viših ugljikovodika, te ostalih primjesa (dušik, ugljični dioksid, sumporni dioksid, helij itd.)
• Ukoliko se plin nalazi zajedno s naftom, u njemu se redovito nalaze određene količine viših ugljikovodika koje su pri normalnoj temperaturi u tekućem stanju (NGL –naturalgas liquids)
• Eksploatira se kao i nafta, bušotinama na kopnu i moru.• Do potrošača ili postrojenja za preradu, plin se dovodi:
- plinovodima- transportom u ukapljenom stanju (zauzima ~600 puta manje prostora u odnosu na plinovito stanje):
LNG - liquified natural gas (UPP – ukapljeni prirodni plin)LPG - liquified petroleum gas (UNP – ukapljeni naftni plin)
• Plinovita goriva imaju brojne prednosti u odnosu na tekuća a pogotovo u odnosu na kruta goriva: pri izgaranju ne ostavljaju krute ostatke ni pepeo, manje su količine štetnih otpadnih plinova, bolje se miješaju sa zrakom, jednostavnija je izvedba plinskih ložišta, lakša je regulacija izgaranja, itd.
OPĆA ENERGETIKA 28
Uljni škriljci i bituminozni pijesak
• Uljni škriljci su sedimentno stijenje s određenom količinom raspršenih organskih tvari –ugljikovodika.
• Bituminozni pijesak je smjesa pijeska, mineralnih materijala i bitumena.• Uljni škriljci najčešće se nalaze neposredno ispod površine tla u slojevima, slično kao
ugljen.• Za razliku od nafte i plina, ugljikovodici u uljnim škriljcima i bituminoznom pijesku su
u krutom stanju, pa je eksploatacija otežana (potrebna je rafinacija i odjeljivanje ulja).• Drugi je problem u maloj količini ulja u ukupnoj količini rude (raspon od nekoliko litara
do nekoliko stotina litara po toni), pa je iskorištavanje najčešće ekonomski neopravdano. Zbog toga ni rezerve ovih energenata nisu dobro utvrđene osim na nalazištima s većim udjelom ulja (Estonija, Kanada).
• Odjeljeno ulje se mora dalje prerađivati, najčešće u sintetičku sirovu naftu, pri čemu dolazi do ispuštanja većih količina štetnih plinova na bazi sumpora i dušika.
15
OPĆA ENERGETIKA 29
Nuklearna goriva
• Prirodna nuklearna goriva za fisiju:- Uran (U-235) - Torij (Th-232)
• Uran i torij dobivaju se iz ruda koje moraju imati određeni postotak urana odnosno torijada bi se eksploatacija ekonomski isplatila (postotak urana u rudi je najčešće ispod 0.1%).
• Za fisiju se koriste i umjetna nuklearna goriva:- Uran U-233 (dobiva se iz Th-232)- Plutonij Pu-239 (dobiva se iz U-238)
• Nuklearna goriva se u energetske svrhe primjenjuju isključivo za proizvodnju električne energije. Npr. iz 1 grama U-235 dobije se ~ 25000 kWh električne energije (prosječna godišnja potrošnja el. energije 7 kućanstava u RH).
• Prirodna nuklearna goriva za fuziju:– deuterij (D) ili teški vodik– litij (Li)
OPĆA ENERGETIKA 30
Geotermička energija• Geotermička energija podrazumijeva
energiju nagomilanu u unutrašnjosti Zemljine kore u obliku vruće vode odnosno pare (hidrogeotermička energije), te topline suhih stijena.
• Za sada se iskorištava vruća para i voda koja na površinu izvire prirodnim putem, te eventualno preko odgovarajućih bušotina s manjih dubina.
• Za iskorištavanje toplinske energije suhih stijena u unutrašnjosti zemljine kore, te vode i pare na većim dubinama još nema prihvatljivog tehno-ekonomskog rješenja.
• Iskorištavanje je moguće za:- grijanje i pripremu tople vode- proizvodnju električne energije
(para pri većim temperaturama)- neenergetske namjene
16
OPĆA ENERGETIKA 31
Neke pretvorbe prirodnih oblika energije u prikladnije oblike
Isplinjavanje ugljena:• postupci kojim se djelovanjem topline iz ugljena izlučuju plinovite i tekuće tvari, pri
čemu ne dolazi do kemijske promjene:a) švelovanje – pri temperaturama 500-600oC, najčešće se koristi mrki ugljen, a rjeđe
kameni ugljenb) koksiranje – pri temperaturama do 1100oC, redovito se koristi kameni ugljen
- provodi se grijanjem bez pristupa zraka- produkti:
- koks i koksni plin- polukoks- katran, benzol, amonijak itd.
OPĆA ENERGETIKA 32
Rasplinjavanje ugljena:• kemijski proces kojim se gorivi sastojci ugljena pretvaraju u gorive plinove izgaranjem,
uz pepeo kao kruti ostatak - postoje dvije vrste rasplinjavanja:
a) u plinskim generatorimab) podzemno rasplinjavanje – u nalazištima ugljena, najčešće kod onih gdje više nije ekonomski isplativo vađenje ugljena, a postoje uvjeti za rasplinjavanje
- produkti: različite vrste plinskih goriva
Degazolinaža prirodnog plina:• postupak kojim se vrši prerada prirodnog plina, izdvaja se tekući naftni plin i pripremaju
plinovi za direktnu potrošnju (etan, propan, butan itd.)
17
OPĆA ENERGETIKA 33
Destilacija nafte:• osnovni postupak prerade nafte kojim se postupno izdvajaju mješavine srodnih ugljikovodika sa
sličnim fizikalnim osobinama• destilacijom se na određenim temperaturama izdvajaju komponente – frakcije različitih
temperatura isparavanja, i to u tri faze: zagrijavanje, isparavanje i kondenzacija• vrste destilacije nafte: atmosferska, vakuumska, destilacija pod tlakom itd.• osnovni produkti:
- rafinerijski plin iskorištava se kao gorivo u rafinerijama i industriji ili kao sirovina ukemijskoj industriji
- ukapljeni plinovi iskorištavaju se u industriji i kućanstvima kao gorivo- tehnički ili specijalni benzini ne koriste se za energetske svrhe- motorni benzin se koristi se za pogon motora s unutrašnjim izgaranjem- teški benzini se koriste za razne neenergetske namjene, te eventualno za proizvodnjunekih plinova
- petrolej se koristi kao gorivo- gorivo za mlazne motore je smjesa benzina i petroleja- dizelsko gorivo (vrlo lako, lako srednje i teško) služi za pogon dizel motora- neenergetska ulja- ulja za loženje (ekstralako, lako, srednje i teško loživo ulje) upotrebljava se za loženje
peći za grijanje, parnih kotlova, za tehnološke peći, za pogon brodova i kao zamjenskogorivo u plinskim elektranama
- kruti produkti su parafin, bitumen, petrolkoks itd.
OPĆA ENERGETIKA 34
Destilacija nafte:
18
OPĆA ENERGETIKA 35
Pretvorba kemijske energije u unutrašnju termičku energiju
• Izgaranje je proces pretvorbe kemijske energije sadržane u nekom gorivu u unutrašnju termičku energiju (kinetička energija molekula koje se gibaju i potencijalna energija molekula kao posljedica privlačnih i odbojnih sila koje djeluju među njima).
• Proces izgaranja je kemijska reakcija različitih tvari (goriva u svim agregatnim stanjima) u dodiru s kisikom, a produkti izgaranja su plinovi i pepeo.
• Osim goriva i zraka, za početak procesa izgaranja je potrebna dovoljno visoka temperatura zapaljenja, a za nastavak izgaranja je potrebno osigurati odvođenje nastale topline.
• Izgaranje se vrši u ložištima, a dobivena termička energija može se koristiti u obliku:- korisne energije (npr. toplina za grijanje prostorija)- transformirane energije za daljnju transformaciju (npr. toplina za zagrijavanje vode i proizvodnju vode u parnom kotlu)
• Ložišta moraju biti tehnički prilagođena određenoj vrsti goriva, a nekad mogu biti prilagođena i za različite vrste goriva.
• Parni kotao je izmjenjivač topline koji toplinu oslobođenu izgaranjem goriva dovodi vodi i vodenoj pari, da bi se na izlazu iz parnog kotla dobila vodena para pri određenom tlaku i temperaturi.
OPĆA ENERGETIKA 36
<-Osnovni prikaz parnog kotla
Elementarni princip radaparnog kotla ->
19
OPĆA ENERGETIKA 37
Pretvorbe unutrašnje termičke energije u mehaničku energiju
Osnovne vrste pretvorbe:a) Preko klipnih strojeva:
- parni klipni strojevi koriste vodenu paru koja se u cilindar dovodi izvana- motori s unutrašnjim izgaranjem koriste gorivo koje izgara unutar cilindra:
- Otto proces- Sabathe proces ili kombinirani dizel proces
b) Preko turbina (motori s vanjskim izgaranjem):- parna turbina koristi vodenu paru kao pogonski medij- plinska turbina kao pogonski medij koristi smjesu zraka i plinova izgaranja
OPĆA ENERGETIKA 38
“Toplinski stroj”
Spremnik topline (ulaz)Tin
Spremnik topline (izlaz)Tout
StrojMehanička energija
Qin
Qout
W
W=Qin-Qout
in
outin
in QQQ
QW −
=≈ηin
out
TT1−=η
( Carnot-ov idealni proces )
20
OPĆA ENERGETIKA 39
Termoelektrane• Energetske transformacije: kemijska energija – unutrašnja termička energija – kinetička
energija – mehanička energija – električna energija• Vrste:
a) Dizel termoelektraneb) Plinske termoelektranec) Parne termoelektrane______________________d) Kombinirane plinsko-parne elektrane ili kombi elektranee) Kogeneracijske termoelektrane ili termoelektrane-toplane (parne i kombi)
• Osnovni podaci:- vrsta goriva koje koristi (može biti samo jedno ili više vrsta)- maksimalna snaga i tehnički minimum- specifični potrošak topline i korisnost- brzina i troškovi pokretanja i zaustavljanja- brzina promjene snage- napon na kojemu je TE priključena na električnu mrežu- faktor snageitd.
OPĆA ENERGETIKA 40
Osnovna shema parne termoelektrane
Parni kotao – proizvodi vodenu paruKondenzator – kondenzira paru na izlazu iz turbineTurbina – pretvara unutrašnju termičku energiju pare u kinetičku energiju mehaničku energiju – rotaciju osovine koja pokreće stator električnog generatoraGenerator – pretvara mehaničku u električnu energijuCrpka – omogućava cirkulaciju pare u zatvorenom krugu
21
OPĆA ENERGETIKA 41
Dimnjak
traka za transport uglja(parni kotao)
parovod
turbinaskladište ugljena
generatorTransformator + el. postrojenje
kondenzator
rashladna voda
rijeka ili more
Prostorna shema parne termoelektrane (na ugljen)
OPĆA ENERGETIKA 42
Kako bi to mali Ivica objasnio
22
OPĆA ENERGETIKA 43
Pretvorbe i efikasnost u termoelektrani
potrošači
gubici2-4%Prijenosna mreža
Distribucijska mreža gubici4-12%
GORIVO
ložište gubici1-3%
TOPLINA
PARA
ELEKTR. ENERG.
MEH. ENERG.
gubicikotao 5-8%
turbina+kond. gubicica 50%
generator gubici1-2%
ELEKTR. ENERG.
transformator gubici0.5-1%
TE
npr.
53,0172735272731 =++
−≈η
OPĆA ENERGETIKA 44
• Primjer 1: koliko treba ugljena za 12-satni rad el. radijatora snage 1000 W?1000W*12h = 12kWhGubici energije u distributivnoj i prijenosnoj mreži: 15% ==> treba proizvesti X kWh, 0,85 * X = 12kWh ==> X = 12 / 0,85 = 14,1kWhPretvaranje u MJ: 1 kWh=3,6 MJ ==> 14,1kWh = 50,8MJEfikasnost termoelektrane na ugljen je oko 38% ==> za proizvodnju 50,8MJ el. en. treba 50,8MJ / 0,38 = 133,7MJ unutrašnje kemijske energije ugljenaOgrjevna moć kamenog ugljena ugljena: npr. 25,5 MJ/kg (TE Plomin) ==> treba nam 133,7MJ / 25,5 MJ/kg = 5,2 kg
• Primjer 2: koliko to košta?Samo gorivo: 5,2kg ugljena u nabavi, uključujući prijevoz (velike količine za termoelektranu) ~ 0,36 kn/kg ==> 5,2kg * 0,36 kn/kg = 1,87knUkupna proizvodna cijena: je ~ 3,5USc/kWh = 0,22kn/kWh ==> 14,1 kWh košta 0,22 kn/kWh * 14,1 kWh = 3,1 kn (+PDV)Potrošač plaća za 12kWh:
u višoj tarifi: 0,61 kn/kWh ==> ukupno 12x0,61 = 7,3 kn (+PDV)u nižoj tarifi: 0,32 kn/kWh ==> ukupno 12x0,32 = 3,8 kn (+PDV)
23
OPĆA ENERGETIKA 45
• Primjer 3: koliko bi isto koštalo potrošača ako se grije na prirodni plin iz mreže?12kWh = 3,6x12 = 43,2 MJOgrijevna moć prirodnog plina: 33,3 MJ/m3 ==> treba 43,2MJ / 33,3 MJ/m3 = 1,3 m3
plinaCijena plina za kućanstva: ~ 2kn/m3 (u zagrebačkoj plinari) ==> ukupni trošak: 2kn/m3 * 1,3 m3 = 2,6 kn (+PDV)
• Za domaći rad:Koliko bi potrošača koštalo grijanje na ukapljeni plin (iz boce), uz pretpostavku iste količine korisne energije (12 kWh)?
OPĆA ENERGETIKA 46
Iskorištavanje geotermalne energije za proizvodnju el. energije
Varijanta 1: Direkno iskorištavanje vodene pare za pokretanje parne turbine (Tpare>150oC)
Varijanta 2: Vodena para preko izmjenjivača topline zagrijava medij u sekundarnom krugu koji ima niže vrelište (100oC<Tpare<150oC)
24
OPĆA ENERGETIKA 47
Osnovna shema plinske termoelektrane
a) Otvoreni proces
K – Kompresor upija zrak iz okoline i komprimira ga do određenog tlakaKI – Komora izgaranja: dovedeni komprimirani zrak miješa se s gorivom koje izgara (plinovi izgaranja)T – Turbina: plinovi izgaranja ekspandiraju u turbini koja pokreće generator i kompresorG – Generator M – Motor za pokretanje kompresora
Zrak Smjesa zraka i plinova izgaranja
Gorivo (plin ili ekstra lako loživo ulje)
Osovina
El. energija
OPĆA ENERGETIKA 48
c) Zatvoreni proces
b) Otvoreni proces uz zagrijavanje zraka nakon kompresije
Z – Zagrijač zraka
Gorivo
Zrak
Plinovi
Izgaranja
Rashladna voda
Smjesa zraka i plinova izgaranja
Zrak
Gorivo
25
OPĆA ENERGETIKA 49
Presjek plinske turbine
OPĆA ENERGETIKA 50
Osnovne razlike između parnih i plinskih termoelektrana:• parne termoelektrane imaju veći stupanj djelovanja (korisnost): ~40% parne, 25-30%
plinske• izgradnja parnih termoelektrana je skuplja (~2:1) i duže traje• troškovi goriva po jedinici proizvedene el. energije redovito su manji za parne
termoelektrane, pogotovo ako se radi o termoelektranama na ugljen (~1:2) • plinske termoelektrane imaju manje troškove pokretanja i zaustavljanja• plinske termoelektrane brže ulaze u pogon i fleksibilnije su u radu: moguća je brža
promjena snage • plinske termoelektrane su ekološki prihvatljivije: ispuštaju manje količine štetnih
plinova• kod plinskih termoelektrana može se javiti problem opskrbe gorivom:
- u slučaju da se plin dovodi plinovodom, potrebni su dugoročni ugovori s isporučiteljem (vrlo često samo jednim)- u varijanti kad se koristi ukapljeni plin, ovog problema nema, ali su troškovi (cijenaplina) znatno veći
26
OPĆA ENERGETIKA 51
Kombinirane plinsko-parne termoelektrane (kombi TE)
• osnovna ideja: otpadna toplina na izlazu iz plinske turbine iskorištava se za zagrijavanje vode – pripremu pare koja pokreće parnu turbinu
• na taj način povećava se ukupni stupanj djelovanja, trenutno je to nešto više od 50%, a razvojem tehnologije se očekuje dostići do 60%
• moguće je više varijanti ovisno o broju generatora i načinu povezivanja turbina:
• Multi-shaft- po jedna plinska i parna turbina, svaka
pokreće svoj generator- dvije (ili više) plinskih turbina i jedna
parna turbina• Single-shaft
- po jedna plinska i parna turbina na zajedničkoj osovini, s jednim
generatorom
OPĆA ENERGETIKA 52
Multi-shaft
27
OPĆA ENERGETIKA 53
Single-shaft
OPĆA ENERGETIKA 54
Termoelektrane - toplane
• Unutrašnja termička energija vodene pare dobivene u kotlu termoelektrane može se dijelom iskoristiti za direktnu industrijsku potrošnju, a drugi dio se privodi parnoj turbini za proizvodnju električne energije.
• Otpadna toplina iz turbine se može preko toplovodne mreže iskoristiti za grijanje.• Ukupni stupanj djelovanja (ukupna izlazna energija – toplinska i električna u odnosu na ulaznu
unutrašnju kemijsku energiju goriva) na ovaj način može dostići i preko 90%.• Zbog gubitaka energije u toplinskoj mreži stvarni stupanj djelovanja je manji.
Gorivo Kotao
Parna turbina
Generator
Otpadna toplina
Kondenzator Rashladna voda
Pumpa
Tehnološka para za industriju
28
OPĆA ENERGETIKA 55
Kombi termoelektrana - toplana
Gorivo
Parna turbina
Generator 1
Generator 2
Otpadna toplina
Izmjenjivačtopline
Otpadni plinovi
Kompresor
Zrak
Plinska turbina
Komora izg.
OPĆA ENERGETIKA 56
Nuklearne elektrane• Nuklearne elektrane mogu se smatrati i kao podvrsta termoelektrana, budući da je osnovna
funkcionalna razlika jedino u načinu dobivanja vodene pare.• Toplinsku energiju osigurava kontrolirana lančana reakcija nuklearnog goriva.
29
OPĆA ENERGETIKA 57
Osnovni djelovi nuklearne elektrene su:• Nuklearni reaktor – uređaj u kojemu se održava
kontrolirana nuklearna reakcija, a proizvedena toplina se odgovarajućim prijenosnim medijem izvodi iz reaktora
• Parogenerator – izmjenjivač topline u kojem rashladno sredstvo reaktora predaje dio svoje toplinske energije vodi odnosno pari u sekundarnom krugu nuklearne elektrane.
• Cirkulaciona crpka rashladnog sredstva reaktora omogućava cirkulaciju rashladnog sredstva u primarnom krugu reaktora
• Tlačnik – održava potreban tlak i kompenzira promjene volumena rashladnog sredstva uslijed promjene temperature
• Zaštitna posuda (kontejment) – služi za smještaj i zaštitu primarnog kruga NE i dijela reaktorskog pomoćnog postrojenja
• Klasični sistemi – dijelovi NE koji se nalaze i u TE (turbina, generator, kondenzator, crpke)
Primarno – reaktorsko postrojenje
Sekundarno postrojenje
OPĆA ENERGETIKA 58
Nuklearne elektrane se obično dijele s obzirom na vrstu rashladnog sredstva reaktora:1. Reaktori hlađeni i moderirani običnom vodom pod tlakom, PWR (Pressurized Water
Reactor) – npr. NE Krško2. Reaktori hlađeni i moderirani kipućom vodom, BWR (Boiling Water Reactor)3. Reaktori hlađeni i moderirani teškom vodom, HWR (Hevy Water Reactor) 4. Reaktori hlađeni plinom i moderirani grafitom, GCR (Gas Cooled Reactor), AGR
(Advanced Gas Reaktor), HTGR (High Temperature Gas Reaktor)5. Brzi oplodni reaktori hlađeni tekućim metalima, nemaju moderatora, LMFBR
(Liquid Metal Fast Breeder Reactor)
Jezgru reaktora (tip PWR) čine:- Gorivi elementi: cijevi od specijalnih legura ispunjene UO2- Regulacijske i zaustavne šipke- Moderator: ima funkciju usporavanja procesa fisije (neutrone)- Rashladni fluid- Konstrukcijski elementi
30
OPĆA ENERGETIKA 59
NE Krško
1 – reaktor2 – crpke3 – parogeneratori4 – tlačnik
5 – visokotlačni dio turbine6 – niskotlačni dio turbine7 – generator10 - kondenzator
OPĆA ENERGETIKA 60
Karakteristike NE:• Dobre:
- niska cijena goriva (po jedinici proizvoedene el. energije)- nema ispuštanja štetnih plinova u atmosferu
• Loše:-veliki investicijski troškovi-nema fleksibilnosti u radu-problem s tretmanom i skladištenjem nuklearnog otpada
Recommended