46
SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU ODJEL ZA FIZIKU GORAN HORVAT OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE Završni rad Osijek, 2015.

GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

  • Upload
    lethuan

  • View
    232

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU

ODJEL ZA FIZIKU

GORAN HORVAT

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

Završni rad

Osijek, 2015.

Page 2: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

ii

SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU

ODJEL ZA FIZIKU

GORAN HORVAT

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

Završni rad

Predložen Odjelu za fiziku Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku

radi stjecanja zvanja prvostupnika fizike

Osijek, 2015.

Page 3: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

iii

Ovaj završni rad je izrađen u Osijeku pod vodstvom prof.dr.sc. Branka Vukovića u sklopu

Sveučilišnog preddiplomskog studija fizike na Odjelu za fiziku Sveučilišta Josipa Jurja

Strossmayera u Osijeku.

Page 4: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

iv

Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku Završni rad

Odjel za fiziku

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

GORAN HORVAT

Sažetak

Proizvodnja energije jedan je od najvažnijih znanstvenih, tehnoloških, gospodarskih i

političkih problema današnjega svijeta. Većina proizvedene energije danas dolazi iz

neobnovljivih izvora – fosilnih goriva (ugljena, nafte i zemnog plina) i nuklearnih goriva.

Međutim, zbog globalnog zatopljenja i ostalih ekoloških problema uzrokovanih primjenom

neobnovljivih izvora energije te sve bržeg smanjivanja rezervi fosilnih goriva, koje uzrokuje

porast cijena nafte i zemnog plina, sve više se prelazi na obnovljive izvore energije. Obnovljivi

izvori energije su oni izvori koji ne mogu biti potrošeni jer se stalno prirodno obnavljaju, a

njihovo korištenje općenito je manje štetno po okoliš. U obnovljive izvore energije ubrajamo

vodne snage (energija vodotokova, morskih struja i valova, plime i oseke), energiju biomase,

energiju Sunčevog zračenja, energiju vjetra i geotermalnu energiju. U ovom radu bit će opisana

svojstva obnovljivih izvora energije i najvažnije tehnologije primjene energije iz obnovljivih

izvora s njihovim prednostima i manama. Pokazat će se da tehnologija primjene obnovljivih

izvora energije nudi velike mogućnosti razvoja.

( 40 stranica, 20 slika, 1 tablica, 81 literaturni navod)

Rad je pohranjen u knjižnici Odjela za fiziku.

Klju čne riječi: energija, obnovljivi izvori energije, hidroenergija, biomasa, solarna energija,

energija vjetra, geotermalna energija

Mentor: prof.dr.sc. Branko Vuković

Ocjenjivači: prof.dr.sc. Branko Vuković

Rad prihvaćen:

Page 5: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

v

University Josip Juraj Strossmayer Osijek Bachelor of Physics Thesis

Department of Physics

RENEWABLE ENERGY SOURCES

GORAN HORVAT

Abstract

Energy production is one of the most important scientific, technological, economic and

political subjects of today's world. Majority of energy produced today comes from non-

renewable sources – fossil fuels (coal, oil and natural gas) and nuclear fuels. However, due to

global warming and other environmental problems caused by use of non-renewable energy

sources and increasingly fast lessening of fossil fuels reserves, resulting in rise of oil and gas

prices, renewable sources are increasingly used. Renewable energy sources are sources which

are unexhaustable because they are continuously naturally replenished. Their use is generally

less harmful to the environment. Renewable energy sources include hydro energy (energy of

watercourses, sea currents and waves and tides and ebbs), biomass energy, solar energy, wind

energy and geothermal energy. In this thesis properties of renewable energy sources have been

described, as well as main technologies of their use with their advantages and disadvantages. It

has been shown that renewable energy sources technology has many possibilities of

improvement.

( 40 pages, 20 figures, 1 table, 81 references)

Thesis deposited in Department of Physics library

Keywords: energy, renewable energy sources, hydro energy, biomass, solar energy, wind

energy, geothermal energy

Supervisor: Branko Vuković, Ph.D.

Reviewers: Branko Vuković, Ph.D.

Thesis accepted:

Page 6: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

vi

SADRŽAJ

1.UVOD .......................................................................................................................................... 1

2.ENERGIJA I ENERGETIKA ...................................................................................................... 2

2.1. Osnovni fizikalni pojmovi ....................................................................................................... 2

2.2. Energija kao gospodarski i politički pojam .............................................................................. 5

2.3. Osnovni izvori energije ............................................................................................................ 6

2.4. Klasifikacija izvora energije ..................................................................................................... 7

2.5. Potrošnja energije .................................................................................................................. 11

3. VODNE SNAGE ....................................................................................................................... 12

4. BIOMASA ................................................................................................................................ 17

5. ENERGIJA SUNČEVOG ZRAČENJA.................................................................................... 22

6. ENERGIJA VJETRA ................................................................................................................ 29

7. GEOTERMALNA ENERGIJA ................................................................................................ 33

8. ZAKLJUČAK ........................................................................................................................... 37

9. LITERATURA .......................................................................................................................... 38

ŽIVOTOPIS .................................................................................................................................. 40

Page 7: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

1. UVOD

Energija je fizikalna veličina koja označava sposobnost tijela ili sustava da obavi rad ili preda

toplinu. Sva živa bića trebaju energiju – biljke koriste energiju Sunčevog zračenja, a životinje

kemijsku energiju hrane. Ljudi osim energije hrane koriste i druge izvore energije još od početka

korištenja vatre. S tehnološkim napretkom i rastom životnog standarda paralelno je rasla i

potrošnja energije. Suvremeni svijet koristi goleme količine energije za industriju, promet,

poslovanje, rad državnih institucija i potrošnju u kućanstvima. Sva ta energija dolazi iz raznih

prirodnih izvora. Izvori energije mogu se podijeliti na neobnovljive i obnovljive. U neobnovljive

izvore ubrajaju se fosilna goriva (ugljen, nafta i zemni plin) i nuklearna goriva (uran i torij).

Količina tih goriva na Zemlji je ograničena i ona bi mogla biti potrošena tijekom narednih

desetljeća ili stoljeća. Osim toga, korištenje neobnovljivih izvora energije uzrokuje velike štete

po prirodni okoliš. Gorenjem fosilnih goriva ispuštaju se velike količine otrovnih plinova, kao i

ugljični dioksid koji uzrokuje efekt staklenika i globalne klimatske promjene. Korištenje

nuklearnih goriva u nuklearnim elektranama donosi rizik od havarije s ispuštanjem radioaktivnih

materijala u okoliš i njihovim širenjem po cijelom svijetu, a i bez havarije se proizvodi

radioaktivni otpad. Zbog tih razloga sve se više prelazi na obnovljive izvore energije. U

obnovljive izvore ubrajaju se vodne snage, biomasa, solarna energija, vjetar i geotermalana

energija. Korištenje obnovljivih izvora je ekološki prihvatljivije, a njihove količine ne mogu biti

iscrpljene. Ipak, korištenje obnovljivih izvora, s izuzetkom velikih hidroelektrana, uglavnom je

ekonomski neisplativije. Isplativost se može povećati tehnološkim napretkom u području

iskorištavanja obnovljivih izvora, s obzirom da tehnologija nudi brojne mogućnosti razvoja. U

ovom radu prvo ću navesti osnovne činjenice o energiji i energetici, a zatim opisati svojstva

obnovljivih izvora energije i najčešće načine njihovog korištenja te njihove prednosti i

nedostatke.

Page 8: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

2

2. ENERGIJA I ENERGETIKA

2.1. Osnovni fizikalni pojmovi

Energija je fizikalna veličina koja označava sposobnost sustava da obavi rad ili preda

toplinu. Mjerna jedinica za energiju je džul (oznaka : J). Rad i toplina imaju istu mjernu

jedinicu, tj. iste su dimenzije kao i energija. Da bismo razumjeli pojam energije, očito treba

definirati i pojmove rada i topline.

Rad se definira [3] kao svladavanje sile na nekom putu. Za neko tijelo kažemo da obavlja

mehanički rad W kada se ono giba po putu s (od točke 1 do točke 2) pod utjecajem sile F

koja djeluje u smjeru puta :

� = � � ���� ∙ ��

Rad je, dakle, skalarni produkt sile i puta. Sila i put su vektorske veličine, a rad skalarna. Rad

od jednog džula odgovara djelovanju sile od jednog njutna na putu od jednog metra. Pri tome

sila djeluje tako da tijelu povećava brzinu ili se suprotstavlja djelovanju sila koje djeluju

nasuprot gibanju (npr. trenja ili sile teže) ili oboje. Ovisno o prirodi sile, rad može ovisiti

samo o krajnjim točkama puta, a može ovisiti i o putanji kojom je tijelo došlo od početne do

krajnje točke. Sile čiji rad ne ovisi o putanji nazivamo konzervativnima. Primjeri

konzervativnih sila su gravitacijska, elektrostatska (Coulombova), magnetska (Lorentzova) i

elastična sila. Primjeri nekonzervativnih sila su trenje i otpor zraka.

Toplina je oblik energije koji prelazi s jednog tijela na drugo zbog razlike u njihovim

temperaturama. Grana fizike koja se bavi vezom između topline i drugih oblika energije zove

se termodinamika. Termodinamika proučava promjene energije sustava s okolinom.

Osnovni su zakoni termodinamike [4] :

1. „ Dovedemo li tijelu količinu topline Q, tijelo dijelom tu energiju utroši na promjenu

unutarnje energije, a dijelom na izvođenje rada.“

= ∆� + �

Page 9: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

3

Ovo je u biti zakon očuvanja energije. Posljedica toga zakona jest da je nemoguće

konstruirati stroj koji ne bi primao nikakvu energiju od okoline, a predavao bi joj mehaničku

energiju, tj. perpetuum mobile prve vrste je nemoguć.

2. „ Nemoguć je proces u kojem bi jedini rezultat bila apsorpcija topline iz jednog izvora i

potpuno pretvaranje topline u rad.“

Iz ovog zakona proizlazi da nije moguće konstruirati stroj koji bi od jednog jedinog

spremnika oduzimao toplinu i pretvarao je, u kružnom procesu, u mehanički rad, tj.

perpetuum mobile druge vrste je nemoguć.

3. „ Pri apsolutnoj nuli nestaju razlike entropija između svih stanja nekog sustava u

unutarnjoj dinamičkoj ravnoteži.“

Termička energija tijela proizlazi iz gibanja čestica od kojih se sastoji: kaotičnog

(Brownovog) gibanja kod fluida i titranja oko ravnotežnog položaja kod čvrstih tvari. Sadržaj

toplinske energije nekog sustava dan je temperaturom, koja je proporcionalna srednjoj

kinetičkoj energiji molekula u sustavu. Kada su dva tijela različitih temperatura u kontaktu,

toplina spontano prelazi s toplijeg na hladnije tijelo. Termodinamički rad obavljen pri

promjeni tlaka p i volumena V neke tvari iznosi � = � �� .

U proizvodnji i uporabi energije služimo se sustavima za pretvorbu energije. Sustav za

pretvorbu energije je (prema [2]) postrojenje odijeljeno od okoline u kojem se odvija

energetska pretvorba. Odvajanje sustava od okoline radi se putem stvarnih ili zamišljenih

granica. S obzirom na propusnost njihovih granica sustavi se dijele na zatvorene i otvorene.

Zatvoreni sustav je onaj preko čijih granica nema razmjene mase, tj. toka radnog medija, već

postoji samo razmjena energije. Kod otvorenih sustava postoji razmjena i mase i energije s

okolinom. Sustavi kod kojih je razmjena energije s okolinom moguća samo putem rada,

dakle bez izmjene topline, zovu se adijabatski sustavi. Adijabatski sustavi mogu biti

zatvoreni ili otvoreni. S obzirom na unutarnja svojstva, sustavi za pretvorbu energije dijele se

na homogene i heterogene. Kod homogenih sustava kemijski sastav i fizičke osobine su u

sustavu svugdje jednake. Heterogeni sustavi sastoje se od više homogenih područja, tzv.

faza. Na granicama faza osobine se mijenjaju skokovito.

Za opis pretvorbi energije potrebno je definirati bezdimenzijske parametre koje nazivamo

stupnjevima djelovanja. Definiramo ih pomoću veličina eksergije (E), anergije (B) i energije

gubitaka (Eg) [2]. Eksergija (E) je dio ukupno dovedene energije koji se može pretvoriti u

Page 10: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

4

bilo koji drugi oblik energije ili vršiti rad. Anergija (B) je energija koja se ne može korisno

upotrijebiti, tj. ne može vršiti rad. Energija dovedena sustavu iznosi E+B, a odvedena

energija E - Eg. Termički stupanj djelovanja energetske pretvorbe je mjera sposobnosti

pretvorbe energije u korisni rad i iznosi : � = �������

Maksmalni stupanj djelovanja energetske pretvorbe mjeri dio dovedene energije koji se može

korisno upotrijebiti i iznosi : � = ����

Eksergijski (tehnički) stupanj djelovanja mjeri korisnost tehničkog procesa i iznosi :

� = �����

Uz pojam energije usko je vezan pojam snage. Snaga je fizikalna veličina koja mjeri

brzinu transformacije energije iz jednog oblika u drugi. � = ����

U slučaju mehaničkog rada (gibanja tijela po nekom putu) razvija se snaga [3] :

� = � � ∙ ! = � ∙

� = � ∙ "

Mjerna jedinica za snagu je vat (oznaka : W). Vat je snaga uređaja koji obavi jedan džul rada

u jednoj sekundi. Stara jedinica za snagu je konjska snaga (KS) koja iznosi 735,5 W. Jedinica

za energiju kilovat-sat (kWh) je rad koji obavi uređaj radeći snagom od 1 kW tijekom jednog

sata i iznosi 3,6 MJ.

Na kraju ovog poglavlju iznijet ću klasifikaciju osnovnih oblika energije (prema [1)].

Energija se najopćenitije može podijeliti na energiju nagomilanu u materiji i prijelaznu

energiju. Nagomilana energija dijeli se na kinetičku, potencijalnu i unutarnju energiju.

Kinetička energija potječe od gibanja tijela i jednaka je radu potrebnom da se tijelo ubrza iz

mirovanja do brzine kojom se giba. Potencijalna energija javlja se kad se tijelo nalazi u polju

konzervativne sile, pa može biti gravitacijska potencijalna, električna potencijalna, elastična

potencijalna i slično. Unutarnja energija koncentrirana je na razini molekula, atoma i

atomskih jezgara. Na razini molekula nagomilana je termička energija, koja se mijenja

dovođenjem i odvođenjem topline. Na razini atoma nagomilana je kemijska energija, koja se

mijenja kemijskim reakcijama. Na razini jezgara nagomilana je nuklearna energija, koja se

Page 11: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

mijenja nuklearnim reakcijama fisije i

se prijelazom oblika nagomilane energije

prijelazne energije su rad, toplina i energija zra

2.2. Energija kao gospodarski i politi

Proizvodnja, distribucija i potrošnja energije ubrajaju se u najvažnije gospodarske,

društvene i političke probleme suvremenog svijeta. Potrošnja energije po stanovniku u nekoj

zemlji visoko korelira s njenom gospodarskom razvijenoš

Najvažniji faktor o kojem ovisi potrošnja energije u državi je bruto doma

a ostali faktori su (prema [2])

potrošača i energetska politika

(slika 1), dijelom zbog porasta svjetskog stanovništva, a dijelom zbog poboljšanja životnog

standarda.

Slika 1. Potrošnja energije u svijetu 1820.

Energetska politika pokušava riješiti probleme globalnog zatopljenja, one

i ubrzanog pražnjenja rezervi fosilnih goriva. Pri tome se služi poticanjem štednje energije,

racionalnog korištenja energije (npr. korištenje energetski u

štedljivijih automobila, energetska obnova ku

U razvijenim zemljama sve se više o

i privatizacija u energetici

izvora. Liberalizacija energetskih tržišta omogu

Privatizacija u energetici rješava problem nedostatka državnih investicija.

tržište električne energije je liberalizi

su za sve proizvođače i distributere pod jednakim uvjetima.

nuklearnim reakcijama fisije i fuzije. Prijelazna energija je kratkotrajna i pojavljuje

se prijelazom oblika nagomilane energije s jednog tijela na drugo. Najvažniji oblici

prijelazne energije su rad, toplina i energija zračenja.

2.2. Energija kao gospodarski i politički pojam

nja, distribucija i potrošnja energije ubrajaju se u najvažnije gospodarske,

ke probleme suvremenog svijeta. Potrošnja energije po stanovniku u nekoj

zemlji visoko korelira s njenom gospodarskom razvijenošću i životnim standardom.

niji faktor o kojem ovisi potrošnja energije u državi je bruto doma

(prema [2]) klima, industrijska struktura, cijena energije, ponašanje

olitika. Ukupna potrošnja energije u svijetu raste iz go

1), dijelom zbog porasta svjetskog stanovništva, a dijelom zbog poboljšanja životnog

Slika 1. Potrošnja energije u svijetu 1820. – 2000. po izvorima

Energetska politika pokušava riješiti probleme globalnog zatopljenja, one

i ubrzanog pražnjenja rezervi fosilnih goriva. Pri tome se služi poticanjem štednje energije,

racionalnog korištenja energije (npr. korištenje energetski učinkovitiji

štedljivijih automobila, energetska obnova kuća) i uporabe obnovljivih izvora.

U razvijenim zemljama sve se više očituju globalizacija i liberalizacija energetskih tržišta

i privatizacija u energetici [2]. Globalizacija tržišta omogućava bržu i jeftiniju gradnju novih

izvora. Liberalizacija energetskih tržišta omogućava konkurenciju i sniženje cijena.

Privatizacija u energetici rješava problem nedostatka državnih investicija.

ne energije je liberalizirano. Prijenosne mreže u državnom vlasništvu otvorene

e i distributere pod jednakim uvjetima.

5

fuzije. Prijelazna energija je kratkotrajna i pojavljuje

s jednog tijela na drugo. Najvažniji oblici

nja, distribucija i potrošnja energije ubrajaju se u najvažnije gospodarske,

ke probleme suvremenog svijeta. Potrošnja energije po stanovniku u nekoj

u i životnim standardom.

niji faktor o kojem ovisi potrošnja energije u državi je bruto domaći proizvod (BDP),

a energije, ponašanje

Ukupna potrošnja energije u svijetu raste iz godine u godinu

1), dijelom zbog porasta svjetskog stanovništva, a dijelom zbog poboljšanja životnog

2000. po izvorima

Energetska politika pokušava riješiti probleme globalnog zatopljenja, onečišćenja okoliša

i ubrzanog pražnjenja rezervi fosilnih goriva. Pri tome se služi poticanjem štednje energije,

inkovitiji h kućanskih aparata,

a) i uporabe obnovljivih izvora.

globalizacija i liberalizacija energetskih tržišta

ava bržu i jeftiniju gradnju novih

ava konkurenciju i sniženje cijena.

Privatizacija u energetici rješava problem nedostatka državnih investicija. U Europskoj uniji

rano. Prijenosne mreže u državnom vlasništvu otvorene

Page 12: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

6

2.3. Osnovni izvori energije

Sva energija na Zemji potječe iz triju osnovnih izvora : energije Sunca, energije Zemlje i

energije gravitacije [1].

Energija Sunca posljedica je nuklearnih reakcija u njegovom središtu. Tamo se pod

utjecajem visoke temperature (107 K) i tlaka (1014 Pa) odvija nuklearna fuzija jezgara vodika

u jezgre helija uz oslobađanje energije. Energija se konvekcijom i zračenjem prenosi na

površinu Sunca, gdje je temperatura 5760 K. Odatle odlazi u svemir u obliku

elektromagnetskog zračenja. Dio Sunčeve energije koji dolazi na Zemlju iznosi [1] 1,5·109

TWh od čega se 30% reflektira natrag u svemir, a Zemlja apsorbira 70%, tj. 1,05·109 TWh,

što je više od ukupnih rezervi nafte i ugljena zajedno. Veći dio energije Sunca dobiva se

posredno kroz fotosintezu, isparavanje vode i strujanje vode i zraka. Fotosinteza je proces

kojim biljke pretvaraju solarnu energiju u kemijsku. Time se dobiva hrana za ljude i životinje

te energija drveta, biomase i fosilnih goriva. Isparavanje vode uzrokuje kruženje vode u

prirodi, čime se dobiva kinetička energija vodotokova. Strujanje vode i zraka posljedica je

nejednolikog zagrijavanja i različitih temperatura. Time se dobiva kinetička energija vjetra te

morskih struja i valova. Manji dio solarne energije koristi se izravno za proizvodnju energije.

Energija Zemlje (geotermalna energija) također potječe od nuklearnih reakcija. One se

događaju u Zemljinoj jezgri, koja se sastoji od rastaljene materije na 5500 K i 3,5 · 1011 Pa.

Energija koja dolazi na površinu Zemlje iznosi [1] 2,7 ·105 TWh godišnje. Moguće primjene

geotermalne energije vezane su uz temperaturni gradijent jer se toplinska energija može

iskoristiti samo ako postoji razlika u temperaturi. Prosječni emperaturni gradijent Zemlje

iznosi [1] 1 kelvin na 33 metra, a Zemljine kore 0,3 kelvina na 33 metra. Temperaturni

gradijent je visok u područjima jakih seizmičkih ativnosti. Prema trenutno razvijenoj

tehnologiji moguće primjene su : izvori vruće vode i pare, toplinske crpke i energija suhih

stijena. [1]

Energija gravitacije posljedica je gravitacijske sile između Sunca, Mjeseca i Zemlje koje

utječu na razinu vode u moru. Posljedica su morske mijene – plima i oseka, koje nose

kinetičku energiju.

Page 13: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

7

2.4. Klasifikacija izvora energije

Općenito pri pretvorbi energije možemo definirati sljedeće oblike energije [1] :

1. Primarna (prirodna) energija (u prirodnom stanju)

2. Sekundarna (pretvorbena) energija (pripremljena za korisnika kroz tehničke procese)

3. Krajnja energija (kod korisnika transformirana energija)

4. Korisna energija (kod korisnika primjenjena energija)

Pri svakoj pretvorbi u lancu dolazi do gubitaka energije. Racionaliziranje pretvorbi primarnih

oblika energije u korisne oblike energije najvažniji je zadatak energetike.

Prirodni (primarni) oblici energije mogu se klasificirati po više kriterija. Prema

obnovljivosti, dijele se na neobnovljive i obnovljive oblike energije. U neobnovljive oblike

ubrajaju se fosilna goriva (ugljen, nafta i zemni plin) i nuklearna goriva. Obnovljivi oblici su

biomasa i bioplin, vodne snage (vodotokovi, morske struje i valovi, plima i oseka), sunčevo

zračenje, vjetar i unutarnja toplina Zemlje (geotermalna energija). Prednosti neobnovljivih oblika

(izvora) energije su [1] konstantnost (za razliku od npr. vjetra i Sunca), bolja mogućnost

skladištenja, transporta i prilagodbe potrebama u prirodnom obliku, manje investicije za

izgradnju postrojenja za njihovo dobivanje, pretvorbu i uporabu, te pogon i održavanje (u odnosu

na instaliranu snagu) i, najvažnije, veće tehničke mogućnosti i bolja ekonomska opravdanost

njihova korištenja. Zbog ovih razloga neobnovljivi izvori energije danas se više koriste. No,

upotreba neobnovljivih izvora energije uzrokuje štetne posljedice po okoliš, a njihove količine su

ograničene i mogle bi biti posve iscrpljene, što su razlozi sve većeg prelaska na obnovljive

izvore. Obnovljivi izvori ne mogu se s vremenom iscrpiti, ali je moguće potpuno iscrpiti njihove

potencijale. Na primjer, utvrdimo li najpogodnije lokacije za gradnju hidroelektrana određene

instalirane snage na određenom vodotoku i izgradimo li te elektrane, u potpunosti smo iscrpili

energetski potencijal vodotoka. Neke obnovljive izvore nije moguće uskladištiti i transportirati u

prirodnom obliku (vjetar, Sunčevo zračenje), a neke jest (voda u akumulacijama, biomasa i

bioplin). Energiju koju nije moguće usladištiti treba iskoristiti u trenutku kad se pojave ili

pretvoriti u neki drugi oblik energije.

Prema fizikalnim svojstvima, prirodne oblike energije dijelimo na [1] nosioce kemijske

energije (ugljen, nafta, zemni plin, biomasa i bioplin), nuklearne energije (nuklearna goriva),

mehaničke energije (vodne snage i vjetar), termičke energije (geotermalna energija, toplina

Page 14: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

8

mora) i energije zračenja (solarna energija). S obzirom na uobičajenost uporabe dijele se na

konvencionalne (fosilna goriva, nuklearna goriva, vodotokovi) i nekonvencionalne (ostali). S

obzirom na postanak, goriva dijelimo na ona biljnog podrijetla (drvo i ostala biomasa, ugljen),

životinjskog podrijetla ( nafta i zemni plin) i mješovitog podrijetla (bioplin).

Da bi se od prirodnih oblika energije dobili korisni, obično je potrebno više

transformacija (pretvorbi). Time nastaju pretvorbeni (sekundarni) oblici energije. Moguće su

transformacije [2] :

- prirodnih oblika energije u prikladnije (isplinjavanje, destilacija)

- kemijske u termičku energiju (gorenje)

- nuklearne u termičku energiju (fisija i fuzija)

- termičke 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 (elektromotori i vodne pumpe)

- solarne energije neposredno u električnu (fotonaponske ćelije)

- kinetičke u mehaničku energiju (vjetroturbine).

Kemijska energija goriva najčešće se pretvara u termičku energiju procesom izgaranja.

Termička energija neposredno se koristi za grijanje prostorija, kuhanje, pripremu tople vode,

tehnološke procese pri kojima je potrebna visoka temperatura (keramička, metalurška, cementna

industrija i sl.). Nosioci energije su plinovi nastali izgaranjem. Termička energija plinova

izgaranja može se, dalje, prijelazom topline u parnim kotlovima predati vodi, odnosno vodenoj

pari. Para se može koristiti za grijanje prostorija ili u tehnološkim procesima gdje su potrebne

relativno niske temperature (do nekoliko stotina °C), a može se i upotrijebiti za pogon parnih

turbina u kojima se unutrašnja energija pare konačno transformira u kinetičku, a kinetička u

električnu pomoću generatora. Unutarnja energija plinova izgaranja može se i neposredno

pretvoriti u mehaničku energiju u plinskim turbinama i motorima s unutrašnjim izgaranjem.

Moguća je i neposredna transformacija kemijske energije goriva u električnu energiju pomoću

gorivih ćelija. Ponekad se ona koristi i kao kemijska energija (koks u metalurgiji).

Page 15: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

9

Da bi se iskoristila kinetička energija vode ili vjetra, potrebna je pretvorba u mehaničku

energiju turbine, a zatim u električnu energiju. To vrijedi i za toplinsku energiju mora. Toplina

vrućih izvora i suhih stijena može se iskoristiti neposredno, ali samo na ograničenoj udaljenosti

od bušotina, ili pretvorbom u mehaničku, a zatim u električnu energiju. Energija Sunčevog

zračenja može se transformirati u unutrašnju energiju bez koncentracije zračenja (grijanje vode)

ili s koncetracijom zračenja da bi se postigla viša temperatura (proizvodnja vodene pare,

specijalni metalurški postupci) ili se može transformirati neposredno u električnu energiju

pomoću solarnih poluvodičkih elemenata.

Korisni oblici energije su oni koji su izravno potrebni potrošačima. To su uglavnom četiri

oblika energije [2] : toplinska, mehanička, rasvjetna i kemijska energija. Ponekad je potrebno i

više oblika energije istovremeno.

Izvor toplinske energije obično je vrela voda ili vodena para kao nosioc unutarnje

energije. Najčešće su potrebni izmjenjivači topline (npr. radijatori); ponekad se primjenjuje i

postupak miješanja vodene pare ili vrele vode s kapljevinom koju treba ugrijati, npr. u kupkama

za bojenje u tekstilnoj industriji.

Izvor mehaničke energije za stacionarne potrošače je gotovo isključivo električna

energija za pogon elektromotora. Za transport se mehanička energija proizvodi uglavnom

pomoću motora s unutrašnjim izgaranjem. Za brodski promet upotrebljavaju se i parni kotlovi s

parnim turbinama. Za željeznički i gradski promet u obzir dolazi i električna energija.

Izvor rasvjetne energije isključivo je električna energija. Ta je energija također

nezamjenjiva za elektrokomunikacijske uređaje (telefon, računalo, radio, televizija).

Kemijska energija je korisni oblik energije u redukcijskim pećima i pri elektrolizama.

Koriste se kemijska energija koksa i električna energija. Tu se pojavljuje i toplinska energija kao

korisni oblik energije.

Page 16: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

10

2.5. Potrošnja energije

Ukupna potrošnja energije u svijetu u 2012. godini procjenjuje se na 5,6 · 1020 J ili 155 TWh [6].

Raspodjela po izvorima je sljedeća : nafta 34 %, ugljen 25%, zemni plin 21%, biomasa 11%

(većinom drvo u nerazvijenim zemljama), nuklearna goriva 6,4%, hidroenergija 2,2% i ostali

izvori 0,4%.

Slika 2. Udio izvora energije u ukupnoj potrošnji

Najveći potrošači energije su Kina, SAD, Rusija, Indija, Japan, Kanada, Njemačka,

Brazil, Južna Koreja i Francuska. Navedenih 10 zemalja troši 64% svjetske energije.

Slika 3. Najveći potrošači energije u 2001. i 2011.

Page 17: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

11

33% svjetske energije troši industrija, 28% promet, 21% kućanstva i javne ustanove, a 18%

poslovni sektor (bez industrije).

Slika 4. Potrošnja energija po sektorima

U kućanstvima se 31% energije troši na grijanje, po 12% na klimatizaciju i pripremu tople vode,

11% na rasvjetu, po 9% na kućanske aparate i elektroniku, 8% na rad hladnjaka i 8% na ostale

primjene.

Slika 5. Potrošnja energije u kućanstvima

Page 18: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

12

3. VODNE SNAGE

U vodne snage ubrajamo energiju vodotokova, morskih struja i valova te plime i oseke.

Od tih oblika energije najviše se koristi energija vodotokova. U povijesti se energija vode

koristila za navodnjavanje, mljevenje žita, piljenje drveta, obradu metala i razne druge primjene.

Danas se pretežno koristi za proizvodnju električne energije. Prva hidroelektrana proradila je

1881. godine u SAD u blizini Niagarinih slapova. U hidroelektranama se proizvodi 16 %

svjetske električne energije [6].

Slika 6. Brana hidroelektrane Tri klisure u Kini, najveće elektrane na svijetu (22 500 MW).

Brana je duga 2 km i visoka 175 m.

Energija vode je prirodno transformirana Sunčeva energija. Sunčevo zračenje zagrijava

Zemljinu površinu i uzrokuje isparavanje vode iz mora i drugih voda te iz tla i biljaka. Voda se

potom vraća na površinu Zemlje u obliku oborina, pri čemu može pasti na veću visinu od one na

kojoj je isparila . Podizanjem vode dobiva se gravitacijska potencijalna energija. Voda potom

otječe niz rijeku i pri tome ima kinetičku energiju. Energija morskih struja i valova posljedica je

nejednolikog zagrijavanja vode (morske struje) i zraka (valovi, posredno putem vjetra). Energija

plime i oseke dolazi od gravitacijskog djelovanja Mjeseca i Sunca i rotacije Zemlje oko svoje

osi. Energija vode koristi se tako što se potencijalna (u akumulacijama) ili kinetička energija

vode ( kod protočnih hidroelektrana) pomoću vodnih turbina pretvara u mehaničku energiju, a

potom u električnu pomoću generatora.

Ukupna snaga oborina može se izračunati iz ukupne mase oborina i prosječne visine s

koje one padaju na Zemlju (3 000 m). Izračunom se dobiva [2] iznos od 4,4·1010 W, što je više

od ukupne energetske potrošnje čovječanstva, ali se teorijski može iskoristiti samo 0,01% do

0,15%. Dostupni dio potencijalne energije vode može se izračunati [2] iz prosječne nadmorske

Page 19: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

visine tla (700 m), prosječne koli

Dobiva se

# = $ ∙ % ∙ & = ' ∙ � ∙ % ∙ & =8,035 ∙ 10�./ = 223 ∙ 1012�Dvije trećine vode će ispariti, a samo 16% preostale energije položaja je

je ukupna iskoristiva energija 11,9

Hidrološka svojstva hidroelektrane su

otjecanja, vodostaj (H), pad vode, protok (Q), konsumpciona krivulja,

veličina izgradnje, bruto i neto snaga te mogu

otjecanja računa se kao 345�67zanemarivo do 0,95 [2]. Količina vode koja pritje

topografiji tla i vremenskom rasporedu oborina.

Protok je volumen vode koji pro

H = f(Q) daje ovisnost vodostaja o protoku. Razli

o obliku korita na mjestu mjerenja.

vjerojatnosti pojave različitih iznosa protoka u vremenu. Za protoke koji se

nagib krivulje bit će manji, a za rije

Slika

odlučuje se koja će se veličina i

protok Qi koji hidroelektrana može propustiti kroz pretvorbeni sustav.

volumen vode je �8 = � � 9:.

količine oborina (0,9 m godišnje) i površine kopna (130

= 1000 5%$�; ∙ 130 ∙ 10��$� ∙ 0,9 $ ∙ 9,812�& .

e ispariti, a samo 16% preostale energije položaja je iskoristivo

je ukupna iskoristiva energija 11,9·106 GWh.

Hidrološka svojstva hidroelektrane su količina vode koja pritječ

vodostaj (H), pad vode, protok (Q), konsumpciona krivulja, krivulja trajanja protoka,

ina izgradnje, bruto i neto snaga te moguća i stvarna godišnja proizvodnja energije.

345�67 6�=>?4@=4 = AB�C D EFBGC�FCHBG AB�B�BIDBJBF8HKIB EB�FDčMN ∙IBO8č8HC BJBF8HC

Količina vode koja pritječe u vodotok ovisi o količ

topografiji tla i vremenskom rasporedu oborina. Vodostaj i pad vode mjere se pomo

Protok je volumen vode koji prođe vodotokom u jedinici vremena. Konsumpciona krivulja

daje ovisnost vodostaja o protoku. Različita je na različitim mjestima vodotoka. Ovisi

o obliku korita na mjestu mjerenja. Krivulja trajanja protoka Q = f(t)

čitih iznosa protoka u vremenu. Za protoke koji se

e manji, a za rijeđe protoke veći. Prema krivulji trajanja protoka

Slika 7. Primjer krivulje trajanja protoka

čina i snaga hidroelektrane graditi. Veličina izgradnje je maksimalni

koji hidroelektrana može propustiti kroz pretvorbeni sustav.

� . O veličini izgradnje i krivulji trajanja protoka ovisit

13

ine oborina (0,9 m godišnje) i površine kopna (130·1012 m2) .

81 $�� ∙ 700 $ =

iskoristivo [2], tako da

ina vode koja pritječe u vodotok, faktor

krivulja trajanja protoka,

a i stvarna godišnja proizvodnja energije. Faktor

AB�B�BIDBJBF8HC i iznosi od

e u vodotok ovisi o količini oborina, sastavu i

Vodostaj i pad vode mjere se pomoću vodokaza.

Konsumpciona krivulja

itim mjestima vodotoka. Ovisi

Krivulja trajanja protoka Q = f(t) je krivulja koja daje

itih iznosa protoka u vremenu. Za protoke koji se često pojavljuju

Prema krivulji trajanja protoka

ina izgradnje je maksimalni

koji hidroelektrana može propustiti kroz pretvorbeni sustav. Pripadni iskoristivi

ini izgradnje i krivulji trajanja protoka ovisit će stupanj

Page 20: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

iskorištenja vode, koji je jednak omjeru iskoristivog volumena vode i ukupnog proteklog

volumena. Snaga hidroelektrane iznosi

� = #� = $%&

� = �'%&� =

gdje je Qsi srednji iskoristivi protok, a H pad elektrane. Mogu

energije iznosi W = 8760 · P [kWh].

Tehnički iskoristiva energija vodotoka smanjena je zbog trenja u dovodima (tunel, tla

cjevovod), te gubitaka protoka, što se de

[2]. Srednja iskoristiva snaga (neto snaga) koju hidroelektrana daje na priklju

može se odrediti iz jednadžbe

korisnog djelovanja turbine i generatora, H

Ukupni stupanj korisnog djelovanja

hidroelektranama iznosi i do 90%.

manja postrojenja približno 75%

Hidroelektrana se sastoji od

pretvorbu potencijalne energije vode u mehani

i razvod električne energije [1]

dovod vode, vodna komora ili vodostan, tla

i odvod vode.

Slika

Konstrukcija hidroelektrane ovisi o

zahtjevima, hidroenergetskom iskorištenju vodotoka, uvjetima poljoprivrede i opskrbe vodom,

iskorištenja vode, koji je jednak omjeru iskoristivog volumena vode i ukupnog proteklog

Snaga hidroelektrane iznosi [2] :

= �� '%& = '%& = 9,81 ∙ 10; & Q�R = 9,81

srednji iskoristivi protok, a H pad elektrane. Moguća godišnja proizvodnja elektri

· P [kWh].

ki iskoristiva energija vodotoka smanjena je zbog trenja u dovodima (tunel, tla

cjevovod), te gubitaka protoka, što se definira kroz neto pad Hn (neto pad = bruto pad

Srednja iskoristiva snaga (neto snaga) koju hidroelektrana daje na priklju

može se odrediti iz jednadžbe : � = 9,81 ∙ �� ∙ �� ∙ K8 ∙ SH QI�R , gdje su

risnog djelovanja turbine i generatora, Hn raspoloživi neto pad i Qsi srednji iskoristivi protok.

Ukupni stupanj korisnog djelovanja η = ηt ·ηg pri optimalnom optere

hidroelektranama iznosi i do 90%. Prosječno za veća postrojenja iznosi

manja postrojenja približno 75% [2].

Hidroelektrana se sastoji od objekata i dijelova koji služe za skupljanje i odvo

pretvorbu potencijalne energije vode u mehaničku, odnosno električnu energiju te transformaciju

[1]. Tipični dijelovi hidroelektrane su brana ili pregrada, zahvat,

dovod vode, vodna komora ili vodostan, tlačni cjevovod, strojarnica (vodne turbine i generatori)

Slika 8. Pojednostavljena shema hidroelektrane

Konstrukcija hidroelektrane ovisi o topografskim i geološkim uvjetima, pogonskim

zahtjevima, hidroenergetskom iskorištenju vodotoka, uvjetima poljoprivrede i opskrbe vodom,

14

iskorištenja vode, koji je jednak omjeru iskoristivog volumena vode i ukupnog proteklog

81 ∙ K8 ∙ S Q5�R a godišnja proizvodnja električne

ki iskoristiva energija vodotoka smanjena je zbog trenja u dovodima (tunel, tlačni

(neto pad = bruto pad – gubici)

Srednja iskoristiva snaga (neto snaga) koju hidroelektrana daje na priključcima generatora

gdje su ηt i ηg stupnjevi

srednji iskoristivi protok.

pri optimalnom opterećenju u modernim

a postrojenja iznosi približno 80%, a za

objekata i dijelova koji služe za skupljanje i odvođenje vode,

nu energiju te transformaciju

brana ili pregrada, zahvat,

ni cjevovod, strojarnica (vodne turbine i generatori)

topografskim i geološkim uvjetima, pogonskim

zahtjevima, hidroenergetskom iskorištenju vodotoka, uvjetima poljoprivrede i opskrbe vodom,

Page 21: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

15

ribarstvu i prirodnom okolišu. Ovisno o konstrukciji, hidroelektrane se mogu podijeliti po više

kriterija. Prema padu se dijele na niskotlačne (do 25 m), srednjetlačne (25-200 m) i visokotlačne

(>200 m) [2]. Prema smještaju strojarnice, hidroelektrane se dijele na pribranske, kod kojih je

strojarnica smještena neposredno uz branu, i derivacijske, kod kojih su zahvat vode i strojarnica

prostorno odijeljeni, a voda se dovodi do turbina cjevovodom dugim i više kilometara. Prema

načinu korištenja vode dijele se na protočne, akumulacijske i crpno – akumulacijske. Kod

protočnih hidroelektrana voda se koristi kako dotječe. Kod akumulacijskih hidroelektrana voda

se može akumulirati u razdoblju kada je potreba mreže za električnom energijom manja, a trošiti

kad je potreba veća. Kod crpno – akumulacijskih hidroelektrana moguće je i pomoću električne

vodne pumpe vraćati vodu u akumulaciju u razdobljima viška energije u mreži. Akumulacija

može biti dnevna ili sezonska. Dnevne akumulacije pune se noću, a prazne danju. Sezonske

akumulacije pune se u kišnom, a prazne u sušnom periodu.

Turbine su strojevi koji pretvaraju kinetičku energiju vode u energiju rotacije rotora koji

pokreće električni generator. Općenito se dijele na turbine slobodnog mlaza (akcione) i pretlačne

(reakcione) turbine [2]. Akcione turbine slične su vodenom kotaču. Samo su dijelom uronjene u

vodu. Pogodne su za velike padove. Reakcione turbine slične su elisi broda. U cijelosti su

potopljene u vodi. Prikladne su za male padove i velike protoke.

Slika 9. Akciona (gore) i reakciona (dolje) turbina

Tri najvažnija tipa vodnih turbina su Peltonova, Francisova i Kaplanova (nazvane po

izumiteljima) [7]. Peltonova turbina je akciona i pogodna je za velike padove (do 2 km), a okreće

se do 60 puta u minuti. Francisova i Kaplanova turbina su reakcione i pogodne su za manje

padove (Francisova 30 - 300 m, Kaplanova 7 - 30 m) i veće količine vode, a okreću se brže

(Francisova do 500 puta u minuti, Kaplanova do 1200).

Page 22: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

16

Slika 10. (s lijeva na desno) Peltonova, Francisova i Kaplanova turbina

Hidroenergetski sustavi se po dimenzijama dijele na velike (>30 MW), male (100

kW – 30 MW) i mikrosustave (<100 kW) [2]. Veliki sustavi mogu zadovoljavati potrebe

za energijom i više milijuna ljudi. Mali sustavi dovoljni su za potrebe industrijskog

pogona ili manjeg grada. Mikrosustavi su osobito pogodni za nepristupačna i slabo

naseljena područja. Mikrosustavi su ekološki najprihvatljiviji jer njihova izgradnja ne

mijenja uvelike tok rijeke i prirodni okoliš. Mogu raditi i bez stalno prisutnog osoblja.

Glavni nedostatak im je nekonstantnost proizvodnje električne energije zbog varijacija u

protoku i malih akumulacija.

Hidroenergija je uglavnom ekološki prihvatljiv izvor energije jer nema emisija u

okoliš (osim pri gradnji elektrane), obnovljiv je izvor, učinkovitost pretvorbe u električnu

energiju je visoka, a izgradnjom elektrane može se kontrolirati tok rijeke i spriječiti

poplave te osigurati navodnjavanje poljoprivrednih površina. Međutim, postoje i značajni

ekološki problemi vezani uz primjenu hidroenergije. Turbine ozljeđuju ribe i ostale

životinje i utječu na njihove migracije. Promjenom prirodnog toka rijeke okolni biosustav

se značajno mijenja. Smanjuje se kvaliteta vode nizvodno. Ponekad se kod gradnje

velikih hidroelektrana poplavljuju nastanjena područja i iseljava stanovništvo.

Page 23: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

17

4. BIOMASA

Biomasa su sve biorazgradive tvari biljnog i životinjskog porijekla, dobivene od otpada i

ostataka poljoprivredne i šumarske proizvodnje [2]. Biomasa dolazi u čvrstom, tekućem

(biodizel, bioetanol) i plinovitom stanju (bioplin, plin iz rasplinjavanja biomase, deponijski plin).

Najčešće vrste biomase su [prema 1] :

1. Šumska biomasa – ogrjevno drvo te ostaci i otpad iz šumarske proizvodnje nastali

redovitim gospodarenjem šumama. Korištenje drva za ogrjev tradicionalna je i

najzastupljenija vrsta korištenja biomase. Uporaba šumske biomase ekološki je

prihvatljiva samo ako je održiva, odnosno ako su posječene površine manje od prirasta.

2. Biomasa iz drvne industrije – ostaci i otpad pri piljenju, brušenju i blanjanju. Često je to

otpad koji opterećuje poslovanje drvne industrije, pa se uz proizvodnju energije rješava i

taj problem. Takva biomasa je jeftinije i kvalitetnije gorivo od šumske biomase. Piljevina

se koristi kao gorivo u kotlovnicama ili prerađuje u brikete, pelete i slično.

3. Poljoprivredna biomasa – ostaci godišnjih kultura poput slame, kukuruzovine, stabljika,

ljusaka ili koštica. Poljoprivredna biomasa heterogenog je sastava i niske ogrijevne moći

s visokim udjelom vlage i različitim primjesama.

4. Energetski nasadi – biljke uzgojene radi proizvodnje energije. Uzgajaju se biljke bogate

uljem ili šećerom (npr. uljana repica, šećerna trska) ili drveće s velikim udjelom suhe

tvari i koje brzo raste (npr. vrba, topola, jablan, eukaliptus). Takva proizvodnja daje

velike prinose. Proizvodnja energije ovdje može konkurirati proizvodnji hrane u uporabi

poljoprivrednih površina.

5. Biomasa s farmi životinja – izmet životinja i spaljivanje lešina (npr. na peradarskim

farmama). Od izmeta životinja anaerobnom fermentacijom se proizvodi bioplin.

Slika 11. Postrojenje za proizvodnju bioplina

Page 24: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

18

6. Bioetanol i biodizel – goriva slična benzinu i dizelu. Bioetanol nastaje fermentacijom

šećera u alkohol. Šećer dolazi od šećerne trske ili se dobiva hidrolizom škroba iz

kukuruza ili celuloze iz drveta. Biodizel nastaje esterifikacijom biljnih ulja s alkoholom

(uljana repica, suncokret, soja, otpadno jestivo ulje). Koriste se za pogon vozila u čistom

obliku ili pomiješana s benzinom ili dizelom iz nafte.

7. Komunalni otpad – organski dio kućnog otpada, biomasa iz parkova i vrtova, mulj iz

kolektora otpadnih voda. Korištenje takve biomase zahtijeva velike investicijske

troškove, ali time se uz proizvodnju energije rješava problem zbrinjavanja otpada.

Sve su vrste biomase obnovljiv izvor energije, s tim da je za ogrjevno drvo uvjet

obnovljivosti neprekidno pošumljavanje prostora barem toliko da godišnji prinos bude jednak

godišnjem iskorištenju drvne mase.

Ogjevna moć (energetska vrijednost) biomase je nehomogena, kao posljedica različitih

sadržaja vlage i pepela. Drvo ima ogrjevnu moć [1] 8,2 do 18,7 MJ/kg, biljni ostaci 5,8 do 16,7

MJ/kg, bioplin 26 MJ/m3, bioetanol 26,8 MJ/l a biodizel 37,2 MJ/l. Za usporedbu, ogrjevna moć

ugljena je 12,6 - 37,7 MJ/kg, nafte 42 MJ/l a zemnog plina 34-38 MJ/m3.

Za dobivanje biomase potrebno je utrošiti energiju. Kod šumske biomase energija se troši na

sječu drva, pošumljavanje i uzgoj šume, transport od mjesta sječe do mjesta upotrebe te za

pripremu drveta za korištenje. Pri tome je moguća neracionalnost uporabe, odnosno da utrošak

energije bude veći od proizvedene energije. Kod poljoprivredne, životinjske i biomase iz drvne

industrije te otpada moguće je izostaviti utrošak pridobivanja jer se odvija neovisno od

energetskog korištenja (npr. slama kao rezultat proizvodnje pšenice).

Pri sagorijevanju biomase emitiraju se štetni plinovi kao i kod fosilnih goriva, no štetnost je

manja jer praktički nema sumpora u biomasi. Emisija čestica i dušikovih oksida manja je nego

kod nafte i ugljena, a veća nego kod zemnog plina [1]. Emisija kod korištenja otpada može biti i

opasna ako se prethodno iz otpadaka ne izdvoje štetni sastojci.

Upotreba biomase ne povećava količinu ugljičnog dioksida u atmosferi zbog tzv.

kumulativne neutralnosti : emisija CO2 pri izgaranju jednaka je količini CO2 koju je biljka

potrošila fotosintezom prilikom rasta. Ovo je ispunjeno ako je godišnji prirast mase veći ili

jednak iskorištenoj masi.

Page 25: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

19

Slika 12. Kumulativna neutralnost biomase

Biomasa je relativno ravnomjerno rapodijeljena po površini s koje se prikuplja, no

energetska površinska gustoća je vrlo mala. Npr. na 1 km2 slama ima energetski sadržaj oko 2

kWh godišnje [1]. Za usporedbu, naftna bušotina koja zauzima površinu od nekoliko stotina

kvadratnih metara može proizvesti energetski sadržaj nafte od milijardu kWh godišnje.

Biomasa se može transportirati na razumno veliku udaljenost (pretjerana udaljenost

tražila bi više energije za transport od energetskog sadržaja tereta) te se može uskladištiti i

koristiti prema potrebi. To je velika prednost u odnosu na npr. energiju Sunčevog zračenja i

vjetra.

Prirodni oblici biomase često se prerađuju u pogodnije. Osnovni razlog za to je povećanje

energetske vrijednosti po jedinici mase, koja je kod prirodnih oblika biomase preniska. Time se

olakšava transport, skladištenje i uporaba. Osim toga, biomasa se prerađuje u tvari koje mogu

poslužiti za pogon parnih turbina i motora s unutarnjim izgaranjem. Tehnologije prerade biomase

mogu se podijeliti na tehnologije zgušnjavanja, biokemijske pretvorbe i termokemijske pretvorbe

[2].

Zgušnjavanje je proces kojim se od drveta proizvode briketi ili peleti. Faze procesa su

usitnjavanje drveta, sušenje, prešanje i hlađenje. Dobiveni proizvod ima manji volumen po

jedinici energije i uniformnog je oblika, što olakšava transport i skladištenje. Peleti su manjih

dimenzija od briketa te omogućuju automatizaciju loženja, npr. u pećima za centralno grijanje

koje imaju spremnik za pelete, pa nije potrebno ručno ubacivati gorivo u ložište [8].

U biokemijske prevorbe ubrajaju se anaerobno truljenje, fermentacija i esterifikacija.

Anaerobno truljenje je raspadanje tvari bez pristupa zraka pri čemu se razvijaju plinovi i njime se

od životinjskog izmeta proizvodi bioplin. Sastav bioplina ovisi o svojstvima materijala i

Page 26: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

20

temperaturi i tlaku u digestoru . Fermentacijom se od ugljikohidrata proizvodi bioetanol. Moguće

sirovine su šećer iz šećerne trske, škrob iz kukuruza ili celuloza iz drveta i poljoprivrednih

ostataka. Bioetanol služi kao zamjena za benzin. Motori projektirani za pogon benzinom mogu

se pokretati smjesom benzina i bioetanola s maksimalnim udjelom bioetanola od 20% [1]. Uz

preinake na motoru moguć je i pogon čistim bioetanolom. Esterifikacijom se od masti proizvodi

biodizel. Moguće sirovine su biljna ulja (najčešće od uljane repice), životinjske masti i otpadna

jestiva ulja. Biodizel zamjenjuje dizelsko gorivo i može se koristiti u čistom stanju za pogon svih

dizelskih motora. Ipak, za gorivo s udjelom biodizela većim od 20% potrebne su manje preinake

na cijevima za gorivo i brtvama koje dolaze u dodir s gorivom [1]. Biodizel ima bolju mazivost

od mineralnog dizela, što je povoljno za vijek trajanja motora, sadrži manje sumpora i

aromatskih ugljikovodika i biorazgradiv je, zbog čega njegov transport nije ekološki rizičan.

U termokemijske pretvorbe ubrajaju se rasplinjavanje i piroliza. Rasplinjavanjem se od

čvrste biomase (npr. drveta) proizvodi plin [9]. U spremnik pri visokoj temperaturi (do 1400 °C)

ulaze usitnjeno drvo i ograničena količina zraka, a izlaze plin i pepeo. Rasplinjavanjem se

povećava efikasnost proizvodnje električne energije, jer plinska turbina ima veću korisnost od

parne turbine na drva. Proces se može odvijati istostrujno, protustrujno, poprečno i u

fluidiziranom sloju (vidi sliku 13).

Slika 13. Vrste rasplinjavanja – u fluidiziranom sloju, istostrujno i protustrujno

Glavni sastojci dobivenog plina su metan, ugljični monoksid i vodik [9]. Najveći nedostatak

drvnog plina je velik udio nečistoća koje mogu oštetiti osjetljive parne turbine. Plin se može

pročistiti, ali pročišćavanje je skupo.

Piroliza je termokemijski proces djelomičnog izgaranja uz slab dotok kisika, pri čemu

dolazi do isparavanja hlapljivih sastojaka i proizvodnje tekućeg goriva (bioulja), pogodnijeg za

transport i skladištenje [1]. Piroliza ima znatan potencijal (npr. piroliza otpada), ali se još uvijek

slabo koristi. Potrebna su daljnja ulaganja u istraživanje i razvoj.

Page 27: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

21

Biomasa se koristi za proizvodnju električne energije u termoelektranama na isti način

kao i fosilna goriva. Kemijska energija biomase najprije se pretvara u termičku energiju vodene

pare ili plina, koja se zatim pomoću turbine pretvara u mehaničku, pa potom pomoću generatora

u električnu energiju. Zbog visokih troškova transporta za biomasu su pogodna postrojenja male

snage, ali ona imaju manji stupanj korisnosti. Npr. za elektranu na biomasu snage 5 MW

korisnost iznosi 15% - 20% [1]. Stupanj korisnosti može se povećati gradnjom kogeneracijskih

postrojenja – postrojenja koja istovremeno proizvode električnu energiju i toplinu. Za

kogeneraciju je potreban potrošač toplinske energije (npr. industrija).

Elektrane na biomasu dijele se na niskonaponske (0,4 kV), srednjenaponske (10, 20 i 35

kV) i visokonaponske (110, 220 i 400 kV) [1]. Niskonaponske elektrane na biomasu su male

kogeneracije snage nekoliko desetaka ili stotina kW. Srednjenaponske elektrane su najčešće u

primjeni i tipično su elektrane na biomasu ili bioplin. Imaju snagu od nekoliko MW do nekoliko

desetaka MW. Visokonaponske elektrane su velike industrijske ili kogeneracijske elektrane

snage nekoliko desetaka ili stotina MW.

Primjena biomase ekonomski je isplativa jer osnovna sirovina ima nisku ili gotovo

zanemarivu (npr. poljoprivredni ostaci) cijenu. No. znatan utjecaj na ukupnu cijenu imaju

troškovi dobivanja (izvlačenja), prerade i transporta, uz dodatan problem manjeg stupnja

korisnosti kod proizvodnje električne energije. Cijena biomase za grijanje i proizvodnju

električne energije konkurentna je cijeni fosilnih goriva [1]. Bioetanol i biodizel su skuplji od

fosilnih goriva, ali njihova primjena se potiče smanjenjem ili ukidanjem poreza ili trošarina.

Biomasa je ekološki prihvatljiviji izvor energije od fosilnih goriva zbog spomenute

kumulativne neutralnosti, tj. gotovo da nema emisije CO2. Emisije ostalih štetnih plinova su za

drvo manje nego za ugljen i naftu, a veće nego za zemni plin. Korištenjem bioetanola i biodizela

u prometu emitiraju se benzen, toluen, sumporni dioksid i teški metali slično kao i kod

mineralnih goriva. Održivost uporabe biomase zahtijeva da količina koja se koristi bude manja

ili jednaka prirastu, ali i vraćanje pepela u tlo kako bi se vratili minerali (dušik, kalcij, fosfor,

kalij) koje je biljka iscrpila tijekom rasta.

Page 28: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

22

5. ENERGIJA SUNČEVOG ZRAČENJA

Sunčevo zračenje izvor je gotovo sve energije na Zemlji, no u proizvodnji energije koristi

se pretežno energija transformirana u pogodnije prirodne oblike, poput fosilnih goriva, biomase i

hidroenergije. U ovom poglavlju govorit ću o neposrednom korištenju energije Sunčevog

zračenja (solarne energije) u proizvodnji energije.

Snaga Sunčevog zračenja koja dopire do vanjskog ruba Zemlje ovisno o udaljenosti

Zemlje od Sunca iznosi 1307 – 1399 W/m2 na plohu okomitu na smjer zračenja [2]. Kako se

Zemlja giba oko Sunca po eliptičnoj putanji, udaljenost Zemlje od Sunca ovisi o dobu godine.

Srednja vrijednost snage Sunčevog zračenja na okomitu plohu naziva se solarna konstanta i

iznosi E0sr = 1367,7 W/m2. Za određenu udaljenost Zemlje od Sunca stvarna snaga Sunčevog

zračenja na okomitu plohu iznosi : #. = #.KF ∙ TFUV�

, gdje je r srednja udaljenost Zemlje od

Sunca, a R stvarna udaljenost Zemlje od Sunca. Snaga Sunčevog zračenja za određeni dan u

godini može se približno izraziti kao [2]:

#. @! = W. @!#.KF = [1 + 0,034 cos(360° H;1Z )]#.KF

gdje je n broj dana u godini proteklih prije promatranog dana. Ukupna dnevna količina energije

po jedinici površine koja se dobije ozračenjem vodoravne plohe računa se po izrazu [2] :

�. @, [, \, ]K! = ^1 _..` #.KF[1+0,034cosT360° H

;1ZVR �`;1.° ]Ka@[a@\ + a@]K?6[?6\!

gdje je ]K satni kut Sunca, ϑ zemljopisna širina promatranog mjesta a δ deklinacija Sunca (kut

između spojnice središta Zemlje sa središtem Sunca i ravnine ekvatora). Deklinacija Sunca za

određeni dan iznosi : \ = 23,45° ∙ a@ T360° �_^�H;1Z V�

. Prosječna mjesečna ili godišnja energija

Sunčevog zračenja u nekom mjesecu ili godini dobiva se kao aritmetička sredina dnevnih

energija za sve dane u promatranom mjesecu ili godini. Ipak, pri prolasku kroz atmosferu dolazi

do gubitaka energije koji ovise o atmosferskim prilikama (vedro. poluoblačno, oblačno),

zagađenosti atmosfere i nadmorskoj visini. Maksimalni dotok energije do Zemljine površine

iznosi u prosjeku dnevno 920 W/m2 na plohu okomitu na smjer zračenja [2]. Kako ploha nije

stalno okomita na Sunčevo zračenje zbog rotacije Zemlje, na površinu Zemlje dolazi prosječno

dnevno 230 W/m2 [2]. To daje dnevno 5,52 kWh/m2 energije, ovisno o trajanju insolacije

(zemljopisna širina, godišnje doba) te naoblaci i zagađenosti.

Kako je površina Zemlje 510 milijuna km2, ukupna godišnja energija zračenja je oko

Page 29: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

23

109 TWh, što je mnogo više od ukupne potrošnje energije. No, postoje veliki problemi pri

iskorištavanju te energije. Energija po jedinici površine je mala. Intenzitet zračenja oscilira

tijekom dana i godine te ovisi o klimatskim uvjetima. Pri tome se intenzitet zračenja ne poklapa s

intenzitetom potrošnje. Energiju nije moguće skladištiti u prirodnom obliku. Korištenje energije

Sunca još uvijek nije ekonomski isplativo u odnosu na druge izvore energije, a isplativije je

pretvarati Sunčevu energiju u toplinsku nego izravno u električnu. Osnovni su načini uporabe

energije Sunca [prema 1] :

1. Pasivno solarno grijanje

2. Aktivno solarno grijanje

3. Solarne toplinske elektrane

4. Fotonaponske (solarne) ćelije.

U prva tri slučaja energija Sunca se pretvara u toplinsku, a kod fotonaponskih ćelija u električnu.

Pasivno solarno grijanje podrazumijeva izravno grijanje zgrade kao kolektora topline.

Osnovni zahtjevi pasivne solarne arhitekture su velika južna površina zgrade za prihvat sunčevog

zračenja, konstrukcija s velikim toplinskim kapacitetom (npr. gusti beton ili puna cigla), dobra

izolacija na prozorima i vratima i izbjegavanje zasjenjavanja objekta.

Aktivno solarno grijanje je zagrijavanje vode pomoću solarnih kolektora. Voda se može

koristiti za grijanje stanova, kao potrošna topla voda u kućanstvu, kao topla voda u bazenima, za

industrijske procese i druge namjene. Solarno zagrijavanje vode je isplativo ako je potreba za

toplom vodom konstantna kroz tjedan, a poželjno i kroz godinu, ako je cijena drugih izvora

energije visoka i ako postoje dovoljne površine za postavljanje kolektora. Sunčanija klima

također pomaže, ali nije uvjet; solarno grijanje moguće je i u hladnijoj klimi. Potenciijalne

lokacije za postavljanje kolektora su kuće za stanovanje, škole, bolnice, hoteli, industrijski

pogoni i slično.

Solarni toplinski kolektori mogu se podijeliti po temperaturi na kojoj efikasno griju vodu

na niskotemperaturne, srednjetemperaturne i visokotemperaturne kolektore [2].

Niskotemperaturni kolektori nemaju pokrov i nisu izolirani. Srednjetemperaturni kolektori su

izolirani i imaju stakleni pokrov koji propušta Sunčevo zračenje, a zadržava infracrveno zračenje

u suprotnom smjeru. Visokotemperaturni kolektori su oni koji koncentriraju Sunčevo zračenje ili

kod kojih se voda nalazi u vakuumiranim cijevima.

Page 30: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

24

Slika 14. Tipovi solarnih kolektora – niskotemperaturni (gore lijevo), srednjetemperaturni

(ravna ploča – gore desno), vakuumirana cijev (dolje lijevo), koncentrirajući parabolični kolektor

(dolje desno)

Da bismo izračunali stupanj korisnosti solarnih kolektora, uvodimo sljedeće oznake [2] :

G – ukupno (izravno i difuzno) zračenje (W/m2)

A – površina kolektora (m2)

τ – vodljivost kolektora

α – apsorptivnost apsorbera

F – faktor prijenosa topline

Qk – korisna toplinska snaga (W)

k – koeficijent ukupnih toplinskih gubitaka (W/m2K)

Tu – ulazna temperatura (K) (temperatura vode u kolektorima)

Tz – vanjska temperatura (K)

Ukupna energija primljenog Sunčevog zračenja iznosi 2 ∙ d, apsorbirana energija iznosi

2 ∙ e ∙ f ∙ � ∙ d, gubici 5 ∙ gD − gi! ∙ � ∙ d, a korisna toplina

I = � ∙ d ∙ Qe ∙ f ∙ 2 − 5 ∙ gD − gi!R. Stupanj korisnosti je

� = 9jk∙l = � ∙ me ∙ f − I∙ no�np!

k q. Niskotemperaturni kolektori su najefikasnija vrsta kolektora kada je razlika temperature

vode i vanjske temperature manja od 10°C, srednjetemperaturni ako je razlika 10 – 50 °C, a

visokotemperaturni za razlike temperature veće od 50 °C [2]. Iz ovog svojstva proizlaze i

Page 31: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

25

moguće primjene. Niskotemperaturni kolektori koriste se za zagrijavanje vode u bazenima,

predgrijavanje zraka za ventilaciju, praonice automobila i otapanje snijega. Srednjetemperaturni

kolektori koriste se za proizvodnju stambene i komercijalne tople vode, javne ustanove,

rekreacijske centre i sl. Visokotemperaturni kolektori koriste se za proizvodnju tople vode za

industrijske procese i proizvodnju električne energije.

Solarne toplinske elektrane proizvode električnu energiju korištenjem vode ili drugog

medija koji se zagrijava solarnim toplinskim kolektorom. Pri tome se koriste visokotemperaturni

kolektori te zrcala ili leće za koncentriranje Sunčevog zračenja. Princip rada je kao i kod klasične

termoelektrane. Sunčevo zračenje može biti jedini izvor energije, a može se koristiti i dodatni

izvor, npr. zemni plin ili biomasa. Za temperature niže od 600°C koristi se parna turbina, a za

više temperature plinska. Umjesto vode može se koristiti i medij većeg toplinskog kapaciteta, u

praksi smjesa rastaljenog natrijevog i kalijevog nitrata ili rastaljeni natrij [12]. Tada se toplina

može i akumulirati i koristiti za proizvodnju električne energije prema potrebama mreže.

Efikasnost solarnih toplinskih elektrana je relativno niska – samo 10% - 30% energije Sunčevog

zračenja se pretvara u električnu energiju [2]. To se događa jer u ciklusu postoje mnogi gubici –

energija se gubi na zrcalima, kolektoru, apsorberu, prijenosu topline, turbini i generatoru.

Solarne toplinske elektrane ekološki su vrlo prihvatljiv izvor energije jer nema emisija u okoliš

(ne računajući trošak izgradnje) ni drugih štetnih utjecaja, a cijenom energije mogu konkurirati

fosilnim gorivima. Najveći nedostatak im je što zauzimaju veliku površinu u odnosu na

proizvedenu energiju. Zato se solarne toplinske elektrane često grade u pustinjama.

Slika 15. Shema solarne toplinske elektrane sa zemnim plinom kao dodatnim izvorom

Page 32: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

26

Sunčeva energija može se izravno pretvarati u električnu energiju korištenjem

fotonaponskih (solarnih) ćelija. Rad solarnih ćelija zasniva se na fotoelektričnom efektu – pojavi

da fotoni svjetlosti ili drugog elektromagnetskog zračenja izbacuju elektrone iz valentne u

vodljivu vrpcu materijala. Fotoni su čestice elektromagnetskog zračenja i njihova energija

proporcionalna je frekvenciji, a obrnuto proporcionalna valnoj duljini zračenja. Kada foton

padne na materijal, može proći kroz njega, biti odbijen (reflektiran) ili upijen (apsorbiran). Foton

će biti apsorbiran ako je njegova energija jednaka ili veća od razlike energija između dviju

energijskih razina elektrona u materijalu. Tada će energija fotona biti dijelom utrošena na

izbijanje elektrona iz atoma, a dijelom preći u kinetičku energiju elektrona Na mjestu gdje je

elektron izbijen ostat će u materijalu šupljina koju možemo smatrati nosiocem pozitivnog naboja.

Solarna ćelija načinjena je od dva sloja poluvodičkog materijala: n – sloja, obogaćenog

(dopiranog) primjesama donora, tj. materijala koji lako može otpustiti elektron, i p – sloja,

dopiranog primjesama akceptora, materijala koji lako može primiti elektron susjednog atoma,

čime nastaju šupljine. Na mjestu kontakta dvaju slojeva doći će do difuzije elektrona iz n – sloja

u p – sloj, ali ne do izjednačavanja koncentracija jer će se nagomilati pozitivni naboj na n – strani

spoja i negativni na p – strani spoja. To gomilanje stvorit će difuziju suprotnog smjera koja će

biti u ravnoteži s prvotnom difuzijom. Zbog toga će, djelovanjem Sunčevog zračenja, na

n – sloju ostati višak elektrona, a na p – sloju višak šupljina, što će stvoriti električno polje i

razliku potencijala (napon). Spojimo li krajeve ćelije vodičem, poteći će struja elektrona iz

n – sloja u p – sloj. Struja će nositi energiju koja se može korisno upotrijebiti.

Fotonaponska ćelija je temeljna gradivna jedinica fotonaponskog sustava [1]. Dimenzije

pojedine ćelije su 1 – 10 cm, a snaga 1 – 2 W, premalo za većinu primjena. Zato se ćelije

električki povezuju u module zaštićene od atmosferskih utjecaja. Moduli se mogu dalje

povezivati u nizove. Niz je cjelokupno proizvodno postrojenje sastavljeno od jednog do nekoliko

tisuća modula (ovisno o potrebnoj snazi).

Glavne prednosti fotonaponskih sustava su izravnost pretvorbe, modularnost i

jednostavnost korištenja i održavanja [1]. Zahvaljujući izravnosti pretvorbe Sunčeve u električnu

energiju nisu potrebni veliki mehanički sustavi generatora. Modularnost znači da je moguće brzo

instalirati nove module ako je potrebno povećati snagu. Korištenje i održavanje fotonaponskih

sustava je jednostavno jer nema pokretnih dijelova i nije potrebno koncentriranje zračenja budući

da solarne ćelije koriste i izravno i difuzno Sunčevo zračenje.

Za gradnju fotonaponskih ćelija koriste se poluvodički materijali : silicij (monokristalni,

polikristalni, amorfni), germanij, galijev arsenid, kadmijev telurid i drugi. Za dopiranje silicija

koriste se fosfor kao donor i bor kao akceptor [1].

Page 33: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

27

Ćelije od monokristalnog i polikristalnog silicija imaju duljinu i širinu od 5 – 10 cm i

debljinu 0,2 – 0,3 mm. Elektromotorna sila im je 0,55 – 0,7 V, teorijska efikasnost 16% – 25%, a

stvarna 10% – 13,5% [1]. Njihova jedina mana je visoka cijena proizvodnje zbog skupog

tehnološkog postupka. Poseban problem predstavlja vijek trajanja solarnih ćelija koje su izložene

atmosferskim utjecajima (kiša, snijeg, tuča). Tehnologija proizvodnje brzo napreduje pa i cijena

proizvodnje opada.

Radi smanjenja cijene razvija se tehnologija tankih filmova. Materijali koji se koriste su

amorfni silicij i neki spojevi, npr. bakrov indijev selenid. Takve ćelije imaju nižu cijenu, ali i niži

stupanj efikasnosti.

Ćelije od galijevog arsenida prave se u obliku tankog filma od jedne (GaAs) ili dviju

komponenata (GaAs + Cu2S). Takve ćelije bi prema teorijskim predviđanjima trebale biti vrlo

efikasne. Teorijska efikasnost im je 25% – 40%, a najviša postignuta stvarna efikasnost 28,8%,

što je rekord za solarne ćelije [13]. Glavni nedostatak im je visoka cijena.

Tehnologija fotonaponskih ćelija nudi velike mogućnosti razvoja. Istražuje se gradnja

ćelija od organskih materijala, primjena nanostruktura, kvantnih efekata, dvosmjernih pretvorbi i

slično s ciljem podizanja efikasnosti na 30 do 60%.

Teorijska efikasnost solarnih ćelija ovisi o iskorištenju spektra Sunčevog zračenja. Radi

korištenja što većeg dijela spektra proizvode se ćelije građene od više poluvodičkih materijala od

kojih svaki koristi jedan dio spektra.

Slika 16. Fotonaponske ćelije izvor su energije na satelitima

Uporaba fotonaponskih ćelija ograničena je njihovom zasad visokom cijenom. Ipak, i one

nalaze svoju primjenu. Koriste se kao izvor energije za satelite, gdje su bolji od baterija jer se ne

mogu potrošiti. U svemiru je snaga Sunčevog zračenja i proizvedena energija mnogo veća jer

nema apsorpcije zračenja u atmosferi. Fotonaponske ćelije se koriste i za svjetleće prometne

znakove, parkirne automate, kalkulatore, ručne satove i slične uređaje. Dolaze u obzir i kao izvor

energije u udaljenim i rijetko naseljenim područjima i na vikendicama daleko od naseljenih

Page 34: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

28

mjesta. Primjena solarnih ćelija kao izvora energije za javnu električnu mrežu trenutno je

isplativa samo uz visoke poticaje, no očekuje se da će postati isplativija kroz tehnološki razvoj.

Fotonaponske ćelije problematične su s ekološkog stajališta [1]. Poluvodiči od kojih su

izrađene sadrže teške metale, pa se tretiraju kao specijalni otpad pri odstranjivanju. Pri izradi

dijelova koriste se za okolinu vrlo neugodne kiseline. Tijekom korištenja solarnih ćelija dolazilo

je do požara, koji su prouzrokovali širenje toksičnih sastojaka. Utrošak energije za proizvodnju

ćelija je velik. S druge strane, fotonaponski sustavi su pouzdani, ne zahtjevaju vodu za hlađenje i

nema emisije štetnih plinova. Osnovni nedostatak veće primjene ostaje visoka cijena, za koju se

očekuje da će postati prihvatljiva s razvojem tehnologije.

Page 35: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

29

6. ENERGIJA VJETRA

Vjetar je gibanje velike mase zraka. Gibanje može biti horizontalno ili vertikalno.

Uzrokuje ga razlika u tlakovima zraka na različitim mjestima, pri čemu vjetar puše s mjesta

višeg tlaka na mjesto nižeg tlaka. Razlika tlakova posljedica je razlike temperatura, stoga

energiju vjetra možemo smatrati transformiranom Sunčevom energijom. Osim razlike tlakova na

vjetar utječu i rotacija Zemlje i konfiguracija tla. Brzina vjetra vrlo se brzo povećava s visinom

iznad tla – omjer brzina obično se približno računa kao peti korijen omjera visina iznad tla [2].

Energija vjetra danas se koristi za proizvodnju električne energije pomoću vjetroturbina.

Energija vjetra je kinetička energija, dakle iznosi # = �� $"�. Kako je masa proteklog zraka

jednaka umnošku volumena i gustoće, za energiju vjetra dobiva se [1] :

# = 12 $"� = 1

2 '�"� = 12 'd";

gdje je ρ gustoća zraka, A površina rotora turbine, a v brzina vjetra, dakle energija vjetra

proporconalna je trećoj potenciji brzine! Kako je gustoća zraka približno 1,25 kg/m3, energija

vjetra je # = 0,625 d"; . Zrak mora strujati i iza turbine da napravi mjesta zraku koji nadolazi,

pa je moguće iskoristiti samo energiju koja je proporcionalna razlici brzina na treću :

# = 0,625 ∙ d ∙ "� − "�!�. Može se pokazati da je zbog ovog razloga maksimalna enegija koja

se može dobiti djelovanjem zračne turbine jednaka �1�r energije vjetra [1]. Maksimalni stupanj

djelovanja turbine je 0,65 , a generatora 0,8 [1], pa za maksimalnu energiju vjetra vrijedi :

# = 1627 ∙ 0,65 ∙ 0,8 ∙ 0,625 ∙ d ∙ "; = 0,193 ∙ d ∙ ";

Dakle, samo 31% (0,193/0,625) energije vjetra pretvara se električnu energiju. Često se za

proračun energije umjesto površine uvrštava promjer turbine (D). Energija tada iznosi :

# = 0,193 ∙ s� ∙ t4 ∙ "; = 0,152 ∙ s� ∙ ";

Međutim, graf ovisnosti proizvodnje energije o brzini vjetra nije jednak grafu kubne

funkcije. Postoje četiri odstupanja, vidljiva na slici 17, a svako smanjuje ukupnu proizvodnju

energije u vjetroturbini :

Page 36: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

30

Slika 17. Graf ovisnosti proizvodnje energije o brzini vjetra

Kao prvo, postoji startna brzina – minimalna brzina na kojoj je moment sile na lopatice turbine

dovoljan da bi se ona počela okretati. Iznad te brzine proizvedena energija je u početku

proporcionalna trećoj potenciji brzine, no pri većim brzinama graf ima manji nagib zbog

smanjivanja stupnja djelovanja turbine i generatora. Daljnjim povećanjem brzine dostiže se

maksimalna snaga generatora i proizvedena energija više ne raste povećanjem brzine. Brzina

rotacije održava se jednakom zakretanjem lopatice radi promjene kuta između smjera vjetra i

turbine i time smanjenja okomite komponente vjetra. Konačno, postoji i maksimalna brzina

iznad koje se generator isključuje jer bi ga daljnji rad mogao oštetiti.

Najveći problem kod korištenja energije vjetra je velika varijabilnost brzine vjetra u

prostoru i vremenu. Varijabilnost brzine u vremenu problem je jer se električna energija mora

potrošiti u istom trenutku kad se proizvede zbog nemogućnosti značajnijeg skladištenja.

Varijabilnost u prostoru problem je pri planiranju izgradnje vjetroelektrana. Kada se želi odrediti

statistika vjetra za neku lokaciju, mogu se provesti mjerenja na toj lokaciji ili uzeti podatke s

drugih bliskih sličnih lokacija ili oboje. Problem s mjerenjem na samoj lokaciji je što je gotovo

uvijek vrijeme mjerenja prekratko jer bi bilo potrebno mjerenje od najmanje jedne godine da bi

se utvrdile sezonske varijacije, a poželjno i više jer nije svaka godina klimatski ista. Zbog toga

treba statistiku dobivenu mjerenjem korelirati s bliskim i sličnim lokacijama na kojima se

mjerenje vrši dulje jer je tamo postojeća vjetroelektrana ili meteorološka stanica. Problem s

korištenjem tih podataka je da oni ne odgovaraju zbog različite konfiguracije tla te prepreka.

Zbog toga su razvijene korelacijske metode koje to uzimaju u obzir.

Osnovni dijelovi vjetroturbine su temelji, toranj, kućište i lopatice rotora. U kućištu se

nalaze uređaj za pozicioniranje, osovina rotora, uređaj za prijenos, generator i kontrolni uređaji

[1].

Page 37: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

31

Slika 18. Vjetroturbina kod Hong Konga u Kini

Princip rada vjetroturbine je jednostavan. Vjetar okreće lopatice rotora na koje je spojena

osovina rotora. Rotacija osovine prenosi se na rotor generatora uređajem za prijenos koji

funkcionira slično kao mjenjač automobila. Njegova je uloga pretvoriti sporo okretanje lopatica

s velikim momentom sile u brzo okretanje rotora generatora s manjim momentom sile jer

generatori rade na većem broju okretaja od tipičnog za vjetroturbinu. Uloga generatora je

pretvorba mehaničke energije u električnu, koja se predaje električnoj mreži. Većina

vjetroturbina ima uređaj za pozicioniranje koji zakreće turbinu tako da os rotacije lopatica bude

okomita na smjer vjetra, jer je tada iskorištenje energije vjetra maksimalno. Pri prevelikoj brzini

vjetra koja može oštetiti generator uređaj će zakrenuti turbinu tako da se smanji komponenta

brzine vjetra okomita na os rotacije lopatica, a aktivirat će se i kočnice.

Vjetroturbine se dijele na male, srednje i velike [1]. Male turbine imaju snagu 1 – 30 kW

i služe za proizvodnju električne energije na dalekim izoliranim lokacijama. Odnos cijene i snage

turbine najnepovoljniji je kod malih turbina. Srednje turbine imaju snagu 30 – 650 kW, a velike

u pravilu 650 kW – 1,5 MW, ali postoje turbine snage i do 8 MW. Velike turbine su

najisplativije po omjeru cijene i snage turbine. Srednje i velike turbine služe za proizvodnju

električne energije za javnu mrežu. Vjetroelektrane se u pravilu sastoje od više desetaka, pa i

stotina turbina i mogu imati snagu od više stotina, pa i tisuća megavata. Vjetroelektrane se grade

na kopnu, ali i na morskoj pučini. Gradnja pučinskih vjetroelektrana je skuplja zbog visoke

cijene temelja turbina, ali isplativa jer je vjetar na pučini jači.

Velika varijabilnost i slaba predvidljivost brzine vjetra veliko je ograničenje pri

integraciji vjetroelektrana u mrežu [1]. Varijabilnost se može smanjiti instaliranjem

Page 38: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

32

vjetroelektrana na širokom području. Slaba predvidljivost može se popraviti korištenjem

poboljšanih metoda predviđanja vremena. Ipak, vjetroelektrane ne mogu biti bazne elektrane

elektroenergetskog sustava. Sustav mora imati dovoljnu snagu u baznim elektranama

(termoelektrane, velike hidroelektrane, nuklearne elektrane) da pokrije vršno opterećenje mreže.

Stoga vjetroelektrane ne mogu smanjiti izgradnju termoelektrana i nuklearnih elektrana, već

samo smanjiti potrošnju goriva u njima. Još jedan problem s integracijom vjetroelektrana u

električnu mrežu je što su povoljne lokacije za gradnju ponekad udaljene od mreže, pa u

troškove treba uračunati i gradnju vodova do elektrane.

Vjetar je ekološki vrlo prihvatljiv izvor energije. Nema emisija u okolinu, a proizvedena

energija mnogo je veća od energije utrošene za izgradnju elektrane. Ekološke štete primjene

energije vjetra su ozljede ptica, buka i zauzimanje prostora te promjena izgleda krajolika, no te

štete nisu velike i mogu se kontrolirati.

Page 39: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

33

7. GEOTERMALNA ENERGIJA

Geotermalna energija je toplinska energija koja potječe sa Zemlje. To je dijelom izvorna

toplina iz doba kad je Zemlja nastala, a dijelom proizvod nuklearnih reakcija koje se odvijaju u

Zemljinoj jezgri. Zemlja je nastala prije otprilike 4,5 milijarde godina i bila je u početku vruća i

sastavljena od tekuće lave. Hlađenjem se formirala Zemljina kora debljine oko 50 km i ispod nje

omotač, koji je također čvrst, dok je Zemljina jezgra tekuća. Temperatura u središtu Zemlje je

oko 6 000 °C. Temperatura Zemlje se od središta do površine kontinuirano smanjuje. U

Zemljinoj jezgri odvijaju se nuklearne reakcije fisije koje su dodatni izvor topline. Procjenjuje se

da 60% geotermalne energije potječe od izvorne topline iz doba nastanka Zemlje, a 40% od

nuklearnih reakcija [2]. Toplina se od središta Zemlje prema površini prenosi na dva načina :

kondukcijom (vođenjem), tj. bez prijenosa tvari, i konvekcijom, uz prijenos materije, kroz

tektonska gibanja. Prijenos topline kondukcijom tipičan je za koru, a konvekcijom za omotač.

Prijenos topline je spor. Toplini iz 100 km dubine treba oko 100 milijuna godina da dođe do

površine [2].

Moguće primjene geotermalne energije vezane su za temperaturni gradijent, jer se

toplinska energija može koristiti samo ako postoji razlika u temperaturi. Temperaturni gradijent

povećava se s dubinom. Prosječni temperaturni gradijent Zemlje je 1 °C/33 m , a Zemljine kore

0,3 °C/ 33 m [1]. Prosječna dnevna količina topline koja se dovodi na površinu iznosi od 3,3 do

7,5 kJ/m2 na dan [2]. Za čitavu Zemlju to daje 2,8·1015 kJ/m2 na dan. Iskoristivom se načelno

smatra geotermalna energija do dubine 3 km, iako se provode i eksperimenti s bušenjima do 10

km. Tek oko 1% iskoristive geotermalne energije ima potencijal za proizvodnju električne

energije [2].

Geotermalna energija dolazi u obliku tople vode, vodene pare i toplih stijena. Moguće

primjene su izravna uporaba izvora vruće vode i vodene pare, crpljenje tople podzemne vode i

primjena energije suhih stijena utiskivanjem hladne i crpljenjem tople vode. [2]

Slika 19. Izvor vruće vode i pare na Sumatri u Indoneziji

Page 40: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

34

Voda i vodena para iz površinskih izvora ima temperaturu do 370 °C [2]. Može se

koristiti za proizvodnju električne energije, grijanje, hlađenje i potrošnu toplu vodu za kućanstva

ako postoje potrošači u blizini izvora, bazene (toplice) te za razne industrijske procese. U tablici

(preuzeto iz [2]) su navedeni neki industrijski procesi i temperatura pri kojoj se odvijaju.

DJELATNOST TEMPERATURA (°C)

Prerada mesa 60 – 93

Proizvodnja sira 38 – 93

Prerada mlijeka 71 – 204

Dehidracija voća i povrća 71 – 177

Zamrzavanje voća i povrća 77 – 10

Sušenje žitarica 49 – 175

Rafiniranje šećerne repe 60 – 134

Proizvodnja jestivog ulja 71 – 204

Proizvodnja piva 76 – 204

Destilacija žestokih pića 99 – 204

Proizvodnja cigareta 104

Prerada pamuka 93 – 135

Proizvodnja papira 99 - 188

Tablica 1. Industrijski procesi i temperature pri kojima se odvijaju

Tople podzemne vode mogu se i crpiti električnim crpkama. Takvi sustavi koriste se

pretežno za grijanje, hlađenje i potrošnu toplu vodu u kućanstvima. Dubina bušotina je do 150

metara. Sva iscrpljena voda mora se i vratiti u izvor da bi se osigurala obnovljivost. Toplinska

energija dostupna ispod površine kuće je i do 1 000 puta veća od potreba za toplinskom

energijom pa se može smatrati neograničenom. Potrošnja električne energije je 3 do 5 puta manja

od iskorištene toplinske energije [2]. Početna investicija u sustav isplati se za 3 do 10 godina,

ovisno o potrošnji. Jednom instaliran sustav ne treba gotovo nikakvo održavanje, no mogu se

događati kvarovi, poput smrzavanja vode u cijevima, koji zahtijevaju popravak.

Geotermalna energija može se koristiti za proizvodnju električne energije. To je jedini

način njene primjene kojim se energija može trošiti daleko od geotermalnih izvora. Postoje tri

Page 41: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

35

vrste geotermalnih elektrana. To su elektrane na suhu paru, elektrane s isparavanjem i elektrane

s binarnim ciklusom [11]. Elektrane na suhu paru najstarija su vrsta geotermalnih elektrana i

koriste se kod izvora koji sadrže pretežno vodenu paru. Para iz izvora izravno pokreće turbinu i

zatim se kondenzira i vraća u obliku vode pod zemlju. Dio pare odlazi u okoliš, no to je

praktično jedina emisija. Elektrane s isparavanjem koriste kao izvor energije vruću vodu pod

tlakom. Voda se injektira u spremnik koji se drži pod niskim tlakom. Zbog pada tlaka dio vode

naglo isparava i para pokreće turbinu. Para se potom kondenzira i vraća u izvor, a dio odlazi u

okoliš. Efikasnost takve elektrane može se povećati ako se voda preostala u prvom spremniku

injektira u drugi, čime se dobiva još pare. Elektrane s binarnim ciklusom mogu se koristiti i ako

je temperatura izvora manja od 200 °C. Kod njih se osim vode koristi i drugi fluid mnogo niže

temprerature vrelišta, npr. propan ili amonijak. Topla voda i fluid dovode se u izmjenjivač

topline bez fizičkog miješanja. Toplina vode prelazi na fluid i uzrokuje njegovo isparavanje, a

pare fluida pokreću turbinu. I voda i radni fluid su u zatvorenom ciklusu, tako da praktično nema

emisija u okoliš. Ovaj tip geotermalnih elektrana u budućnosti će biti najčešći, jer većina

geotermalnih izvora ima temperaturu nižu od 200 °C.

Slika 20. Tipovi geotermalnih elektrana – na suhu paru, s isparavanjem, s binarnim ciklusom

Energija vrućih stijena može se iskoristiti utiskivanjem hladne i crpljenjem tople vode iz

tla. Primjene su slične kao i kod izvora vruće vode i pare. Vruće stijene otkrivaju se postupkom

seizmičke tomografije.

Geotermalna energija vrlo je jeftina za korištenje jednom kad se napravi bušotina.

Međutim, ispitivanja i bušenja su skupa, a kvaliteta izvora nesigurna, stoga je ulaganje u

geotermalnu energiju visoko rizično [2]. Svojstva vode i pare iz nalazišta ovise o solima i

plinovima otopljenima u njoj te kiselosti vode. Neke se tvari izdvajaju iz vode (nakon

kondenzacije) i prodaju, npr. cink i drugi metali te sumporovodik. Značajan tehnički problem

predstavljaju i odvajanje pare od vode i injektiranje hladne vode.

Page 42: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

36

Geotermalna energija ekološki je prihvatljiv izvor energije. Nema emisija u okoliš osim

vodene pare i vrlo malih količina plinova poput sumporovodika i ugljičnog dioksida. Radi

obnovljivosti je potrebno vraćati ohlađenu vodu u zemlju, a ponekad i injektirati svježu vodu.

Osnovna zapreka većoj primjeni su skupa istraživanja i bušenja. Nužno je daljnje usavršavanje

tehnologije i u pogledu otkrivanja geotermalnih izvora i u pogledu korištenja geotermalne

energije.

Page 43: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

37

8. ZAKLJUČAK

Obnovljivi izvori energije još uvijek čine malen dio ukupne svjetske proizvodnje

energije, pogotovo ako ne računamo konvencionalne obnovljive izvore – ogrjevno drvo i velike

hidroelektrane. Međutim, njihova primjena se sve više povećava, što je nužno zbog klimatskih

promjena i smanjivanja zaliha fosilnih goriva. Očekuju se znatan napredak u tehnologiji

korištenja obnovljivih izvora jer je u nju uloženo mnogo manje novca nego u tehnologiju

proizvodnje i korištenja fosilnih goriva te nuklearnu tehnologiju. Uporaba energije vodotokova

za proizvodnju električne energije je najisplativija i odavno je konvencionalan izvor, no gradnja

velikih hidroelektrana znatno mijenja okoliš. Osim toga, u razvijenim zemljama većina pogodnih

lokacija za velike hidroelektrane je iskorištena. Međutim, postoji velik potencijal za gradnju

malih hidroelektrana, koje su i ekološki prihvatljivije jer ne utječu pretjerano na okoliš. Znatan

neiskorišten potencijal imaju i elektrane na plimu i oseku, morske struje i valove. Energija

biomase najviše se koristi u obliku ogrjevnog drva. No mogu se koristiti i otpad iz drvne

industrije, poljoprivredni ostaci i komunalni otpad. Od biomase se rasplinjavanjem može dobiti

plin i time povećati proizvodnju električne energije jer je korisnost plinskih turbina veća od

parnih. Od životinjskog izmeta može se proizvoditi bioplin. Od biljaka bogatih ugljikohidratima

ili mastima proizvode se i automobilska goriva – bioetanol i biodizel. Ta goriva ne doprinose

emisijama CO2 jer je ispuštena količina jednaka količini koju je biljka potrošila tijekom rasta.

Uvjet održivosti uporabe šumske biomase je da iskorištena količina bude manja ili jednaka

prirastu. Energija Sunčevog zračenja koristi se kao toplinska energija i za proizvodnju električne

energije u solarnim termalnim elektranama i pomoću fotonaponskih panela. Korištenje toplinske

energije je isplativo. Fotonaponski paneli vrlo su skupi u odnosu na snagu i stoga takva

proizvodnja uglavnom nije isplativa, ali razvojem tehnologije doći će do pada cijena i povećanja

efikasnosti. Korištenje energije vjetra za proizvodnju električne energije ima najmanji utjecaj na

okolinu. Glavna zapreka većoj primjeni je velika varijabilnost i slaba predvidljivost brzine vjetra

jer električnu energiju nije moguće efikasno skladištiti. Geotermalna energija se koristi kao

toplinska energija u blizini izvora, a na veće udaljenosti samo proizvodnjom električne energije u

geotermalnim elektranama. Oboje je vrlo ekološki prihvatljivo, no ulaganje u geotermalnu

energiju je rizično jer je cijena ispitivanja i bušenja visoka, a kvaliteta izvora upitna. Ovdje

također postoji veliki potencijal za napredak na područjima otkrivanja izvora i korištenja

geotermalne energije.

Page 44: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

38

9. LITERATURA

[1] Šljivac, D.; Šimić Z. Obnovljivi izvori energije s osvrtom na štednju, Elektrotehnički

fakultet Osijek, 2007.

[2] Šljivac, D. Osnove energetike i ekologije: Nastavni materijali, Elektrotehnički fakultet

Osijek, 2005.

[3] Planinić, J. Osnove fizike I : Mehanika, Pedagoški fakultet Osijek, 2003.

[4] Vuković, B. Osnove fizike IV – kalorika, struktura tvari URL :

fizika.unios.hr/~branko/OF4b.ppt

[5] Švedek, T. Poluvodičke komponente i osnovni sklopovi. Dio 1: Poluvodičke

komponente, Graphis, Zagreb, 2001.

[6] The International Energy Agency, URL : http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/key-world-energy-statistics-2014.html

[7] The Encyclopedia of Alternative Energy and Sustainable Living, URL: http://www.daviddarling.info/encyclopedia/AEmain.html

[8] http://www.zelenaenergija.org/

[9] http://www.gasification.org/

[10] http://web.archive.org/web/20110309140814/http://www.rise.org.au/info/Tech/lowtemp/

hotwatersys.html

[11] http://energyalmanac.ca.gov/renewables/geothermal/types.html

[12] https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_energy#Heat_storage_to_stabilize_solar-

electric_power_generation

[13] http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6317891

Prilozi

1. Slika 1. Potrošnja energije u svijetu 1820. – 2000. po izvorima: Šljivac, D. Osnove

energetike i ekologije: Nastavni materijali, Elektrotehnički fakultet Osijek, 2005.

2. Slika 2. Udio izvora energije u ukupnoj potrošnji:

http://www.energybc.ca/matters/historyofenergyuse.html

3. Slika 3. Najveći potrošači energije u 2001. i 2011.:

http://theenergyharbinger.com/2012/07/26/global-energy-consumption-trends/

4. Slika 4. Potrošnja energije po sektorima:

http://energyconservation.wiki.lovett.org/Increasing+Energy+Efficiency

Page 45: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

39

5. Slika 5. Potrošnja energije u kućanstvima: http://www.pbs.org/america-

revealed/teachers/lesson-plan/7/

6. Slika 6. Brana hidroelektrane Tri klisure u Kini: Šljivac, D. Osnove energetike i

ekologije: Nastavni materijali, Elektrotehnički fakultet Osijek, 2005.

7. Slika 7. Primjer krivulje trajanja protoka:

http://www.crwr.utexas.edu/gis/gishydro09/using_an_HIS.html

8. Slika 8. Pojednostavljena shema hidroelektrane:

https://en.wikipedia.org/wiki/Hydroelectricity

9. Slika 9. Akciona i reakciona turbina: Šljivac, D. Osnove energetike i ekologije: Nastavni

materijali, Elektrotehnički fakultet Osijek, 2005.

10. Slika 10. Peltonova, Francisova i Kaplanova turbina:

http://rivers.bee.oregonstate.edu/book/export/html/35

11. Slika 11. Postrojenje za proizvodnju bioplina:

http://www.osatina.hr/hr/index.php?option=com_content&view=article&id=87:bioplin&

catid=44:izdvojeno

12. Slika 12. Kumulativna neutralnost biomase: Šljivac, D. Osnove energetike i ekologije:

Nastavni materijali, Elektrotehnički fakultet Osijek, 2005.

13. Slika 13. Vrste rasplinjavanja:

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2009/ee/b808138g/unauth#!divAbstract

14. Slika 14. Tipovi solarnih kolektora: Šljivac, D. Osnove energetike i ekologije: Nastavni

materijali, Elektrotehnički fakultet Osijek, 2005.

15. Slika 15. Shema solarne toplinske elektrane: http://www.electronicshub.org/working-and-

benefits-of-solar-power-plant/

16. Slika 16. Fotonaponske ćelije na satelitu:

http://www.satnews.com/story.php?number=1077377852

17. Slika 17. Dijagram ovisnosti proizvodnje energije o brzini vjetra: http://www.wind-

power-program.com/wind_statistics.htm

18. Slika 18. Vjetroturbina kod Hong Konga u Kini:

https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine

19. Slika 19. Izvor vruće vode i pare na Sumatri u Indoneziji: Šljivac, D. Osnove energetike i

ekologije: Nastavni materijali, Elektrotehnički fakultet Osijek, 2005.

20. Slika 20. Tipovi geotermalnih elektrana:

http://www.c2es.org/technology/factsheet/geothermal

Page 46: GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava promjene energije sustava s okolinom. Osnovni su zakoni termodinamike [4] : 1. „ Dovedemo

40

ŽIVOTOPIS

Rođen sam 8. listopada 1986. g. u Osijeku, a živim u Ladimirevcima. Završio sam

osnovnu školu u Ladimirevcima i opću gimnaziju u Srednjoj školi Valpovo 2005. g. Upisao

sam se na preddiplomski studij fizike Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku 2011. g.